斑岩铜矿床铁同位素研究取得重要进展

斑岩铜矿系统贡献了全球~75%的铜，~50%的钼，和~20%的金，具有重要的经济价值。一般认为斑岩铜矿的金属主要来源于深度在5-15 km的岩浆房所出溶的含矿流体，这些流体以斑岩体作为通道向上迁移和富集，最终在斑岩体内形成斑岩型矿床，并通过与碳酸盐围岩反应形成矽卡岩型矿床。铁是斑岩铜矿系统中热液流体和金属矿物的重要组成元素，所以理论上铁同位素对示踪斑岩系统铁的来源以及热液成矿过程有巨大潜力。但是，目前国际上对斑岩铜矿系统铁同位素分馏行为的认识依然不清楚。

中国科学技术大学地球和空间科学学院黄方教授团队与中国地质大学（武汉）李建威教授及其他研究者合作，对中国东部铜山口斑岩Cu-Mo矿床开展了系统的铁和硫同位素研究工作。研究发现蚀变斑岩全岩、磁铁矿以及黑云母δ⁵⁶Fe组成与新鲜火成岩全岩和单矿物Fe同位素特征基本一致，指示热液蚀变过程中含矿流体对斑岩围岩Fe同位素组成的改造有限，同时说明蚀变斑岩全岩的Fe同位素组成对热液蚀变过程不敏感。相反，硫化物的Fe同位素组成对含矿流体的成分演化和矿物沉淀过程提供了重要制约。根据黄铜矿的δ⁵⁶Fe（-0.60‰至0.61‰）以及黄铜矿和热液流体之间的Fe同位素平衡分馏系数，获得的含矿流体的δ⁵⁶Fe变化范围为-0.69‰至0.52‰。另外，黄铁矿δ⁵⁶Fe变化特征与沉淀环境密切相关，其中浸染状黄铁矿具有整体偏高的δ⁵⁶Fe（0.14‰至0.40‰），而来自脉体中的黄铁矿具有显著变化的δ⁵⁶Fe（-0.48‰至0.34‰）。

由于流体出溶、汽-液相分离、流体混合等热液过程对流体Fe同位素组成的影响十分有限，含矿流体显著的Fe同位素变化特征可能反映硫化物沉淀过程中铁同位素分馏的影响。这一解释得到了黄铁矿Fe和S同位素结果的支持。黄铁矿和黄铜矿之间不平衡的Fe和S同位素分馏现象指示黄铁矿形成于“FeS”路径。由于“FeS”和黄铁矿与流体间Fe同位素分馏方向相反，“FeS”向黄铁矿转变过程中与流体不同程度的Fe同位素交换可能造成不同大小和方向的Fe同位素分馏。黄铁矿的这种“FeS”路径形成机制很好的解释了黄铁矿和流体铁同位素变化特征。研究还发现斑岩铜矿床硫化物的Fe和S同位素相对非岩浆和低温过程成因硫化物具有更小的变化范围（图1），这与斑岩铜矿系统Fe和S的高温岩浆来源一致。

通过对铜山口斑岩Cu-Mo矿床铁同位素的详细研究，我们系统厘清了斑岩铜矿系统流体出溶、热液蚀变和硫化物沉淀过程铁同位素分馏机制，清晰认识了斑岩铜矿系统热液流体、蚀变全岩和硫化物的铁同位素变化规律（图2）。这个工作清楚地说明，铁同位素可以作为非常有效的地球化学工具，来示踪岩浆-热液矿床的成矿物质来源和成矿过程。

该论文以“Thebehavior of Fe and S isotopes in porphyry copper systems: Constraints from theTongshankou Cu-Mo deposit, Eastern China”为题，近日发表在国际地球化学知名刊物Geochimica et Cosmochimica Acta上（Geochim. Cosmochim. Acta270, 61-83）。地球和空间科学学院博士毕业生贺治伟为第一作者（现为同济大学海洋与地球科学学院博士后），黄方教授和李建威教授为共同通讯作者。该研究成果受国家重点基础研究发展计划“深地资源勘查开采”专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”项目（2016YFC0600404）、国家自然科学基金（41173031、41325011和41373007）和同位素地球化学国家重点实验室项目（SKLIG-KF-12-05和SKLIG-KF-13-03）联合资助。

论文信息：

ZhiweiHe, Xingchao Zhang, Xiaodong Deng, Hao Hu, Yang Li, Huimin Yu, Corey Archer,Jianwei Li*, Fang Huang*, 2020. The behavior of Fe and S isotopes in porphyrycopper systems: constraints from the Tongshankou Cu-Mo deposit, Eastern China. Geochim. Cosmochim. Acta270, 61-83.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703719306933

图1 铜山口斑岩矿床硫化物的Fe和S同位素相对非岩浆和低温过程成因硫化物具有更小的变化范围

图2 斑岩铜矿系统蚀变斑岩、硫化物以及成矿流体的Fe同位素组成变化规律