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斑岩型铜矿是最主要的铜矿床类型，为世界提供了70%的铜资源，其成因机制是现今矿床学与经济地质学的研究热点。斑岩铜矿是指与具斑状结构中酸性侵入岩伴生、矿石以细脉状与浸染状为主、低品位大储量的铜矿床，多分布在板块会聚边缘。斑岩铜矿的成矿流体为岩浆流体，铜矿床和蚀变带与含矿斑岩密切的时空关系显示成矿流体源于成矿斑岩。一般认为，富铜岩浆的形成对斑岩铜矿的形成起制约作用。然而，是否存在富铜斑岩岩浆仍缺乏岩石学证据，富铜斑岩岩浆的形成机制也暂不清楚。
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室研究员徐兴旺与合作者，在国家基金重大项目、国家科技支撑计划项目与中科院创新项目的资助下，从斑岩铜矿区寻找与研究包体入手，揭示了斑岩铜矿岩浆的形成机制。
研究人员在中亚斑岩铜矿带新疆东准噶尔琼河坝斑岩铜矿区桑南英云闪长岩中发现富铜斑状基性包体，并开展包体与围岩详细的岩石学、地球化学、年代学、矿石学与成矿作用的研究。结果显示：1、基性包体含有斑状结构、浸染状硫化物和碎裂的堆积斑晶，含有快速结晶形成的细长板状斜长石和针状锆石基质，钾长石、黄铜矿和绿帘石呈交生结构（图1），与主岩有不同的地球化学成分，但与主岩具相似的形成深度和锆石年龄，为富Cu的镁铁质岩浆滴；2、岩石学与岩石化学特征显示，基性包体属于高钾钙碱性闪长质岩浆，形成于正常岛弧背景，而主岩英云闪长岩具埃达克质的特征，可能形成于基性下地壳的部分熔融；3、基性包体多由含磁铁矿的壳和Cu-Fe硫化物核组成，大多数Cu-Fe硫化物呈填隙状分布于基质硅酸盐矿物更长石、钾长石和石英之间，并表现出交生结构（图2a,2b），少量Cu-Fe硫化物分布晶洞中（图2c），并发育黄铜矿-绿帘石的嵌晶结构（图2d），包体记录了斑岩铜矿系统岩浆结晶与流体析出和沉淀的完整过程。研究指出，富铜斑状基性包体岩浆形成于地壳底部岩浆房中的氧化的玄武质岩浆的结晶分异作用（图3）。
图1.富铜基性包体的显微照片（示岩石学特征）
图2.富铜基性包体的BSE照片（示成矿学特征）
图3.富铜基性包体及其围岩英云闪长岩岩浆形成模型
基于基性包体研究，科研人员提出与建立了富铜斑岩岩浆形成机制模型（图4）：活动大陆边缘俯冲板片的俯冲过程可造成洋壳的部分熔融和流体的析出；一些富K＋和Fe3＋的水-熔体运移进入俯冲板片上覆的岩石圈地幔，并交代岩石圈地幔，岩石圈地幔被氧化并在流体的诱发下发生部分熔融，形成高铜富绕的、氧化的玄武质岩浆；这些玄武质岩浆上侵于壳幔边界并发生结晶分异作用，残余岩浆中富集K、Na、Al、Fe3＋、H2O、S与Cu，氧逸度（¦O2）升高；这些富铜的、包含斑晶的岩浆被岩墙输送到地壳浅部形成富铜斑岩岩浆；斑岩岩浆通过矿物的结晶作用及K、Na和Fe3＋的耗竭，导致岩浆-流体系统氧逸度（¦O2）降低和硫的还原，岩浆-流体中Al2O3的耗竭导致铜的过饱和，Fe-Cu硫化物在晚期岩浆-热液阶段的沉淀形成斑岩铜矿。即斑岩铜矿岩浆起源于被俯冲流体交代的、氧化的地幔楔的部分熔融，成因于氧化的、富饶的玄武岩浆的结晶分异。此外，他们提出了斑岩成矿系统中硫还原的新机制，即岩浆-流体中一价铜氧化为二价铜过程伴生硫的还原：Cu SO2 H →Cu2 S2- H2O。
图4.富铜斑岩岩浆的起源与成因框图
桑南富铜斑状基性包体的发现及其深入研究，不仅确证富铜斑岩岩浆的存在，并揭示了富铜斑岩岩浆的起源与成因，这对于斑岩铜矿形成机制的研究具重要意义。以上研究成果近期在线发表在 Ore Geology Reviews 上。
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