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地質地球所研究揭示大地幔楔誘發克拉通破壞型金礦

  

  環太平洋成礦域是全球三大成礦域之一,探明金儲量超過全球探明儲量的10%,被稱爲“金指環”。其中,太平洋西岸的華北克拉通探明金儲量超過5000噸,是中國最大的金成礦帶,多個礦集區分布在兩條北北東向展布的帶上(圖1)。太平洋東岸的內華達探明金儲量超過6000噸,也主要分布在兩條帶上(圖2)。兩條成礦帶的成礦年齡略有差異,遠離俯沖帶的成礦年齡略老于靠近俯沖帶的成礦年齡。

   

  图1 华北克拉通早白垩世金矿分布(朱日祥等,2015)

   

  图2 美国内华达卡林型金矿分布(朱日祥和孫衛東,2021)

  上述兩個礦集區探明金儲量占整個環太平洋成礦域探明儲量的70%左右。研究表明兩地金的超常富集分別與華北克拉通和懷俄明克拉通的破壞有關,因此被稱爲“克拉通破壞型金礦”(朱日祥等,2015)。克拉通破壞型金礦成礦持續時間短,儲量巨大,其成礦流體主要來自地幔,是克拉通破壞的産物。爲什麽克拉通破壞會導致如此大規模的爆發式金成礦?最新研究表明克拉通破壞型金礦的成礦流體可能與俯沖板塊在地幔過渡帶的滯留相關。

  克拉通岩石圈地幔經曆了大比例部分熔融,幹冷難熔,因此可以穩定存在幾十億年。原始地幔中金的豐度約爲3×10-10g/g。作爲中度不相容元素,金在克拉通地幔中的豐度估計小于3×10-10g/g。通常貧金的克拉通岩石圈地幔是如何富集金的?

  另一方面,克拉通岩石圈地幔之所以可以穩定存在數十億年,正是因爲克拉通地幔缺少水和其他揮發分而且特別虧損,因此非常難熔。那麽,形成克拉通破壞型金礦的成礦流體又來自何方呢?

  中國科學院地质与地球物理研究所朱日祥与中國科學院青岛海洋研究所孙卫东的研究表明,克拉通破坏型金矿的成矿物质主要来源于俯冲板片中的蛇纹石的脱水。在大地幔楔中,克拉通地幔下方的俯冲板片中蛇纹石的脱水可以释放出大量的水,对形成克拉通破坏型金矿至关重要。

  俯冲的大洋板片由洋壳和岩石圈地幔组成。其中,蚀变洋壳最多可以含6%的水;大洋岩石圈中的蛇纹石化层则可以含有超过10%的水。在板块俯冲过程中,洋壳先后经历绿片岩、蓝片岩、榴辉岩相变质脱水,到100 km深度,蚀变洋壳的水丢失殆尽,不能为厚度超过200 km的克拉通地幔提供大量的水(图3)。

   

  图3 蚀变洋壳在板块俯冲过程中脱水示意图(Xiao et al., 2006)

  与此形成鲜明对比的是,蛇纹石在~200 km的深度内脱水转变为高压含水相——Phase A,后者在大于300 km的深处才会进一步相变为Phase B等高压含水矿物,并脱水(图4)。

   

  图4 蛇纹石在板块俯冲过程中的相变脱水(朱日祥和孫衛東,2021)

  克拉通岩石圈厚度超过200 km,要将水加入到克拉通地幔,蚀变洋壳显然不行,需要蛇纹石。对于小地幔楔,俯冲板片主要在克拉通侧面脱水,对克拉通地幔的影响较小。大地幔楔则不同,平卧在地幔过渡带(深度>300 km)的俯冲板片可以释放出大量的水,可以溶解硫化物,萃取金,形成富金流体(图5)。

   

  图5 对于大地幔楔,俯冲板片可以将更多的水带到深部,交代岩石圈地幔,在小于100 km的深度,形成富水、富金的薄弱层(朱日祥和孫衛東,2021)

  由于克拉通地温梯度低于二辉橄榄岩水饱和固相线,俯冲板片释放的流体不会导致部分熔融,取而代之的是在克拉通岩石圈地幔内向上运移。当流体到达100 km以浅,进入韭闪石稳定区间后,与岩石圈地幔发生交代反应,在克拉通岩石圈地幔中形成富水、富金的弱化层。在克拉通岩石圈破坏过程中,该弱化层失稳,释放含金流体,并沿地壳浅部薄弱带迁移、聚集和沉淀,形成爆发式金矿床。

  研究成果發表于《中國科學:地球科學》(朱日祥, 孙卫东. 大地幔楔与克拉通破坏型金矿. 中国科学: 地球科学, 2021, 51. DOI: 10.1360/SSTe-2020-0305.)。

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