俯冲沉积物氧化还原状态调控特提斯成矿带斑岩铜矿分布

为解决特提斯带中-新生代斑岩铜矿时空分布差异的成因之谜，中国科学院地质与地球物理研究所等团队综合碎屑锆石氧压计、沉积地质学与地球化学数据，首次揭示俯冲沉积物氧化还原状态的核心控制作用：中生代俯冲的还原性有机质富集沉积物抑制地幔楔氧逸度（ΔFMQ<+1），导致亲铜元素滞留下地壳；新生代碰撞期氧化性陆源沉积物（如碳酸盐、蒸发岩）的俯冲提升氧逸度（ΔFMQ>+1），释放铜元素形成巨型矿床。该研究为碰撞带斑岩铜矿勘探提供了关键理论依据。

　　

论文解读

特提斯造山带作为全球最重要的斑岩铜矿富集区，其矿床分布呈现鲜明时代差异：尽管中生代经历了漫长的俯冲作用，但大型斑岩铜矿几乎全部形成于新生代大陆碰撞阶段。这一矛盾长期困扰地质学界——若俯冲过程能促进斑岩成矿，为何中生代俯冲期未能孕育大规模矿床？传统观点认为古老矿床可能被剥蚀，但缺乏实证支持。为破解此谜题，中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质科学院等机构的研究人员通过创新性整合碎屑锆石氧逸度记录、沉积盆地演化与岩浆地球化学数据，揭示了俯冲沉积物氧化还原状态对成矿系统的深层控制机制。这一突破性成果发表于《Nature Communications》。

核心方法

1. 锆石氧压计技术：基于13981颗碎屑锆石的Ce-U-Ti比值计算ΔFMQ（公式：ΔFMQ=3.998×log[Ce/√(U_i×Ti)]+2.284），重建特提斯带早侏罗世至中新世的氧逸度演化史。

2. 沉积盆地分析：结合全球海平面曲线、古温度数据及特提斯域6条典型地层剖面（图3），评估中生代海相盆地封闭性与有机质富集事件。

3. 地球化学模拟：通过Ba/La-Th/Yb、Lu/Hf-Th/La等比值及Sr-Nd同位素蒙特卡洛混合模型（模拟30,000组数据），量化俯冲沉积物对地幔楔的贡献比例。

研究结果

1. 中-新生代氧逸度剧变

碎屑锆石ΔFMQ值显示（图2d）：中生代岩浆系统普遍处于还原状态（ΔFMQ<+1，中侏罗世低至+0.5），而新生代ΔFMQ显著升高（>+1）。全岩V/Sc比值同步佐证该趋势——中生代中值6.9（接近洋中脊玄武岩），新生代升至8.4。

2. 还原性沉积物抑制成矿机制

中生代特提斯洋处于暖室气候、高海平面期（图2a），频繁海侵事件导致多期大洋缺氧事件（OAE），促使黑色页岩广泛沉积（图3）。俯冲的富有机碳沉积物释放CH₄流体，通过反应 CH₄+Fe₂O₃+O₂→FeO+CO₂+H₂ 消耗氧，降低地幔楔氧逸度。低氧逸度条件下，硫倾向形成硫化物，使亲铜元素（Cu、Au）被下地壳硫化物相禁锢（图5a）。

3. 氧化性沉积物触发成矿

新生代印度/阿拉伯板块与欧亚大陆碰撞后，氧化性陆源沉积物（含碳酸盐、硫酸盐）俯冲释放氧化性流体，提升地幔楔氧逸度。Sr-Nd同位素模拟证实（图4d），地幔源区混入0.5-4%陆源沉积物熔体。高氧逸度（ΔFMQ>+3）使下地壳残留硫化物转化为硫酸盐，释放金属元素（图5b）。

结论与意义

本研究首次建立“俯冲沉积物氧化还原状态→地幔楔氧逸度→斑岩铜矿时空分布”的因果链（图5）：

• 中生代困境：俯冲还原性海相沉积物导致岩浆氧逸度不足，亲铜元素滞留下地壳，形成“贫矿俯冲带”。

• 新生代突破：碰撞期氧化性陆源沉积物俯冲提升氧逸度，活化下地壳硫化物库存，驱动巨型斑岩铜矿形成。

勘探启示：

1. 锆石Ce-U-Ti氧压计可作为低成本勘探工具，识别高氧逸度（ΔFMQ>+1）及高水含量岩浆区。

2. 还原性中生代岩体（如藏南）具钨锡矿潜力——高氧逸度会过早结晶锡石/白钨矿，抑制Sn-W深部迁移。

   该研究不仅破解特提斯成矿之谜，更为全球碰撞带铜矿勘探提供全新框架。