高温岩浆过程中的Cu同位素分馏及其成矿作用示踪研究

As the most important type of copper mineralization worldwide, porphyry mineralization has been the focus of international economic geologists.In the studies of porphyry copper deposits, the source of metal materials is one of the key problems. Compared with routine stable isotope tracers (such as sulfur and lead isotopes), copper (Cu) isotope as an emerging non-traditional stable isotope is more significant and direct in tracing the source of ore-formating material. The base of application of Cu isotopes to high temperature mineralization processes is the presence of significant isotope fractionation at high temperature.Our previous studies revealed the hetrogenity of Cu isotopic compositions of silicate rocks, which indicates the possible presence of high temperature Cu isotope fractionation. However, how Cu isotopes are fractionated at high temperatures, what is the mechanism of Cu isotope fractionation, how the variation of Cu isotopes at magmatic processes can be applied to tracing the source of metal materials in porphyry copper deposits? To addressed the three proposed scientific problems,the following work will be carried out, including Cu isotope fractionation during partial melting, fractional crystallization and sulfide segregation. Finally, the potential application of Cu isotope to trace the source of metal material in porphyry copper deposits is investigated.

作为世界上最重要的成矿类型，斑岩成矿作用一直是国际矿床学家研究的重点领域。在斑岩铜矿作用研究过程中，金属物质的来源是斑岩铜矿成矿作用的关键问题之一。与常规的稳定同位素示踪计（如硫，铅同位素）相比，铜（Cu）同位素作为一个新兴的非传统稳定同位素在示踪成矿物质来源方面具有更加显著和直接的效果。Cu同位素应用到高温成矿作用示踪的基础是高温下存在显著的同位素分馏，申请人之前的研究发现硅酸岩的Cu同位素组成是不均一的，证实高温下存在Cu同位素分馏。然而，高温下Cu同位素是如何分馏的、分馏的机制是什么、如何应用到成矿作用示踪？还缺乏系统研究。针对以上三个科学问题，本申请拟开展高温下部分熔融、分馏结晶和硫化物熔离过程中的Cu同位素分馏研究，并对Cu同位素应用到示踪斑岩铜矿的金属物质来源开展初步的探索研究。

在大型铜矿床形成过程中，金属物质的来源是成矿作用研究的关键科学问题之一。与传统的稳定同位素示踪计（如硫，铅同位素）相比，铜（Cu）同位素作为一个新兴的非传统稳定同位素在示踪成矿物质来源方面具有更加显著和直接的效果。针对这两个科学问题，本项目设计了如下两个方面的研究内容：高温下Cu 同位素是如何分馏的、分馏的机制是什么；Cu同位素如何应用到成矿作用示踪。在项目执行的四年期间，申请人开展了系统的工作，取得了重要成果，包括：. 对来自全球克拉通橄榄岩、造山带橄榄岩以及产出于不同构造环境的玄武岩进行高精度Cu同位素分析。发现交代橄榄岩的Cu同位素组成变化很大，而未交代橄榄岩相对均一。这表明地幔交代作用能够显著的改变地幔的Cu同位素组成。洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的Cu同位素组成与未交代橄榄岩一致，表明地幔部分熔融过程中Cu同位素不会发生显著分馏。基于所有的数据，重新估计了全硅酸岩地球（BSE）的铜同位素组成为0.06 ± 0.20‰ (2SD)。这一成果为应用Cu同位素示踪成矿物质来源及成矿岩浆Cu演化奠定了理论基础，相关论文发表在EPSL和CMP。. 对多个斑岩-岩浆Cu铜矿开展了Cu同位素研究，包括长江中下游宁镇地区成矿斑岩与铁镁质包体铜同位素对比研究，发现成矿斑岩具有与下地壳相似的Cu同位素变化范围；对新疆西天山典型Cu-Ni硫化物矿床开展了系统Cu同位素研究，发现富Cu岩浆演化过程中存在显著的Cu同位素分馏，Cu同位素有望示踪岩浆的演化-迁移方向，首次论证了Cu同位素能够示踪岩浆矿床形成过程中的氧逸度变化；对冈底斯典型成矿和不成矿斑岩开展Cu同位素对比研究，发现成矿斑岩具有更重的Cu同位素组成，该发现表明成矿斑岩的原始岩浆是来自含有大量硫化物堆积的交代地幔源区。相关论文发表在《岩石学报》，Lithos, GCA, Geology上。