最新发表在《自然·地球科学》杂志上的研究揭示了斑岩铜矿在板块俯冲，尤其是在平俯冲背景下的一种新的形成机制。研究表明，富含挥发分的板块俯冲到北美板块之下，导致地壳熔融并形成了丰富的斑岩铜矿。这一发现挑战了传统的斑岩铜矿形成理论，并为寻找新的铜矿资源提供了重要线索。
斑岩铜矿是全球最重要的铜资源之一，其形成与板块构造的运动密切相关。传统的理论认为，斑岩铜矿形成于大洋板块俯冲到大陆板块之下时，地幔楔（mantle wedge）发生部分熔融，形成富含金属的岩浆，并在上升过程中富集成矿。然而，许多大型斑岩铜矿床却形成于平俯冲时期，此时地幔楔被压缩或缺失，岩浆的来源成了未解之谜。
图1 沿会聚板块边界形成斑岩铜矿的对比模型
在缺乏地幔楔贡献的情况下，是什么驱动了这些巨型斑岩铜矿的形成？这些成矿岩浆的来源是什么？
为了解答这些疑问，研究团队将目光投向了美国亚利桑那州晚白垩世-古新世拉腊米期（Laramide Orogeny）的斑岩铜矿省。该区域是全球第二大斑岩铜矿省，其形成平俯冲作用密切相关。研究团队结合了地球年代学（geochronology）和地温压力计（thermobarometry）方法，对拉腊米期花岗岩的地球化学和同位素特征进行了深入研究，并结合深部地壳的岩石学和矿物学证据，重建了该区域地壳熔融和斑岩铜矿形成的过程。
研究发现，拉腊米期花岗岩的同位素特征表明其源区为元古代地壳（Proterozoic crust），并且该地壳可能富含铜。在7300万到6000万年前，这个源区经历了水致熔融（water-fluxed melting），这与花岗岩浆作用高峰期（7800万-5000万年前）、斑岩铜矿形成期（7300万-5600万年前）和平俯冲作用时期（7000万-4000万年前）在时间上高度吻合。
通过对科罗拉多高原过渡带（Colorado Plateau Transition Zone, CPTZ）中深部地壳岩石的详细研究，研究人员发现了水致熔融的直接证据：高温高压变质岩中含有富含铜和银氧化物的长英质脉体，表明地壳熔融发生在挤压变形过程中。同位素混合计算进一步证实，拉腊米期花岗质岩浆中超过70%-90%的熔体来源于镁铁质和长英质的元古代地壳。
该研究提出了一个新的斑岩铜矿形成模型：法拉隆板块的平俯冲作用导致其携带的挥发分（H₂O, CO₂, Cl, S）直接进入地壳底部，促使富含铜的镁铁质和长英质下地壳发生熔融，形成富含成矿元素的岩浆，最终导致斑岩铜矿的形成。该模型不需要地幔楔的贡献，很好地解释了在平俯冲背景下斑岩铜矿的成因。
图4 变质岩和混合岩的压力-温度-时间演化
参考文献：Lamont, T.N., Loader, M.A., Roberts, N.M.W. et al. Porphyry copper formation driven by water-fluxed crustal melting during flat-slab subduction. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01575-2
