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文章来源：地刊速览
【导读】近日《自然通讯》期刊发表文章，利用热力学模拟和锆石地球化学分析，发现超湿岩浆由于其高含水量，会在较低温度下结晶出锆石，形成低钛含量的锆石晶体，并发现了超湿岩浆在斑岩铜矿床的形成过程中扮演着至关重要的角色。研究人员对智利某斑岩铜矿的研究证实了这一发现，并通过分析全球22个斑岩铜矿的数据，揭示了超湿岩浆在斑岩铜矿形成中的普遍性。超湿岩浆的低粘度促进其向上运移，并释放大量含矿热液，促进了铜等成矿元素的迁移和富集。这项研究表明超湿岩浆在斑岩铜矿形成过程中的关键作用，并可能比我们此前认为的更为普遍。
地球深处的岩浆是地质过程的重要驱动力，而岩浆中的水含量更是决定其性质和演化的关键因素。通常认为，形成于火山弧的岩浆含水量相对较高，但最新研究表明，某些深处的火山弧岩浆可能比我们此前认为的更“湿”，其含水量甚至超过6 wt.%，被称为“超湿岩浆”(Super-wet magma)。
斑岩铜矿是全球最重要的铜矿床类型，蕴藏着全球约四分之三的铜资源。长期以来，地质学家们一直致力于探究这种大型矿床的成因。
近期，苏黎世联邦理工学院的科研人员及其合作者在《自然·通讯》(Nature Communications) 杂志上发表了一项最新研究成果，他们利用热力学模拟和锆石地球化学分析，揭示了超湿岩浆在斑岩铜矿形成过程中的关键作用。
图1 高压实验中电弧熔融夹杂物与玻璃的水含量比较
锆石 (Zircon) 是一种常见的副矿物，广泛存在于各种岩浆岩中。锆石的晶体结构能够容纳铀等放射性元素，并排斥铅等元素，使其成为一种理想的 U-Pb 定年矿物，可以用来测定岩石的形成年龄。此外，锆石的化学成分对岩浆的温度、压力和成分变化非常敏感，因此可以像“时间胶囊”一样记录岩浆的演化历史。
图2 不同水含量岩浆的锆系统学
研究人员首先利用热力学模拟软件Rhyolite-MELTS，模拟了不同初始含水量 (2-8 wt.%) 的安山质岩浆在不同压力条件下 (200-600 MPa) 的结晶过程。模拟结果表明，随着岩浆含水量的增加，锆石的饱和温度会显著降低，这意味着超湿岩浆会在更低的温度下开始结晶锆石。
图3 锆石饱和度随初始熔体水含量变化的热力学建模
研究人员进一步发现，锆石中的钛含量与岩浆温度密切相关，可以用作岩浆温度计。超湿岩浆由于其较低的锆石饱和温度，往往会结晶出钛含量极低且变化范围很小的锆石 (Ti < 10 ppm)。
图4 斑岩铜矿床形成前后智利中部锆石和块体岩石Zr中Ti的时间演化
研究人员将这一发现应用于智利中部的 Los Bronces 斑岩铜矿床，该矿床是世界上最大的斑岩铜矿集群之一。通过分析矿区不同期次岩浆岩中锆石的钛含量和 U-Pb 年龄，研究人员发现，在距今约 800 万年前，该地区岩浆的含水量发生了显著增加，锆石钛含量也随之降低，这表明超湿岩浆开始在该地区形成。而 Los Bronces 斑岩铜矿床正是在这一时期之后开始形成的，这表明超湿岩浆的形成与斑岩铜矿的形成之间存在着密切的联系。
图5 |模拟岩浆结晶过程中结晶的锆石质量
为了验证这一发现是否具有普遍性，研究人员收集了全球 22 个斑岩铜矿床的数据，并对这些矿床中锆石的钛含量进行了分析。结果显示，绝大多数斑岩铜矿床的锆石都具有低钛含量 (<10 ppm) 的特征，这表明超湿岩浆可能是全球斑岩铜矿形成的普遍现象。
图6 三种不同压力下锆石中Ti随H2Oi的分布模型
那么，超湿岩浆为何对斑岩铜矿的形成如此重要呢？超湿岩浆的形成和演化会影响岩浆中铜 (Cu) 等成矿元素的溶解度、迁移和富集过程。首先，超湿岩浆中溶解的水越多，其粘度就越低，这使得岩浆更容易向上运移，并将深部地幔中的铜等成矿元素带到地壳浅部。其次，超湿岩浆在冷却过程中会释放出大量的含矿热液，这些热液会与周围岩石发生反应，并从中提取铜等成矿元素。最后，超湿岩浆中较低的锆石饱和温度意味着锆石会在更深的地下环境中开始结晶，这为铜等成矿元素在岩浆演化的早期阶段就发生富集创造了条件。
图7 不同岩石类型锆石Ti浓度的全球比较
该研究表明，超湿岩浆比我们以前认为的更为普遍，它们可能是地球深部物质循环和成矿作用的重要驱动力。这项研究为我们理解斑岩铜矿的成因提供了新的思路，同时也提出了新的问题，例如，超湿岩浆是如何形成的？它们在全球火山弧中出现的频率有多高？超湿岩浆除了形成斑岩铜矿以外，还会引发哪些地质过程？
参考文献：Nathwani, C., Blundy, J., Large, S.J.E. et al. A zircon case for super-wet arc magmas. Nat Commun 15, 8982 (2024). https:///10.1038/s41467-024-52786-5
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