硫化物行为和铜同位素变化模型

(A)大陆下地壳交代与活化作用;(B)岩石与氧化性熔体/流体之间的相互作用;(C)大陆下地壳部分熔融。

文章摘要

       铜是一种广泛分布在地核、地幔和地壳中的元素。地幔中的铜含量分布相对均匀，相比之下，铜在地壳中的分布更为复杂，一直是争论的热点。最近研究表明，在下地壳深部存在一个富含铜的储层，平衡了铜亏损的中地壳和上地壳。且下地壳中铜的再循环也被认为是斑岩铜矿床的主要金属来源。为了验证这一假设，并进一步探索铜在下地壳中的分布和迁移机制，本文分析了不同构造背景下的斑岩成矿作用的岩石元素和铜同位素组成。

       采集的样品包括科希斯坦角闪岩（岛弧），冈底斯弧麻粒岩和角闪岩（大陆弧），华北克拉通莱源杂岩的角闪岩和辉长岩（陆内背景），扬子克拉通西缘的角闪岩（克拉通边缘）。这些下地壳岩石经历了不同程度的原生或次生硫化物富集，铜含量(11.2~145 ppm)和δ⁶⁵Cu(−1.05~1.40 ppm)差异显著。岩石学和地球化学揭示了这些岩石中不同程度的交代作用和流体相互作用，并据此将它们进一步划分为三类：

       I类包括冈底斯麻粒岩和云南角闪岩，它们可能经历了显著的交代作用。该套岩石富集⁶⁵Cu(δ⁶⁵Cu=0.01‰~1.40‰)，与交代作用(δ⁶⁵Cuvs.Ce/Pb)呈正相关。研究认为，这些岩石中次生硫化物主要由下地壳与弧岩浆作用过程中硫酸盐转化而来，继承了重同位素富集的特征。

       Ⅱ类包括莱源杂岩角闪岩和辉长岩，来自同一母岩浆、不同深度(角闪岩23.3~28.1公里；辉长岩8.4~11.1公里)。两种岩石的铜同位素组成具有强烈的分馏特征，角闪岩δ⁶⁵Cu较低(0.00‰~0.28‰)，辉长岩中δ⁶⁵Cu较高(−1.05‰~0.81‰)。地球化学特征和矿物组合表明，流体作用很可能是造成这一特征的原因。原生硫化物被流体分解，在较浅部位再沉淀。由于该过程涉及多次氧化还原反应，浅层侵位辉长岩中的Cu同位素组成发生了较大的分馏。

       Ⅲ类包括冈底斯角闪岩和科希斯坦角闪岩，它们受俯冲交代作用和流体作用的影响很小。冈底斯角闪岩 Cu 同位素组成均一且未分馏(0.09‰~0.18‰)，Cu含量(83.4~128 ppm)，Cu迁移和同位素分馏作用不明显。相比之下，科伊斯坦角闪岩Cu同位素组成分馏强烈(0.36‰~1.27‰)。地球化学和模拟结果表明，部分熔融作用在铜同位素分馏过程中起重要作用。在下地壳部分熔融过程中，轻Cu同位素优先分布在硫化物熔体中，并从源区移出，导致Cu含量降低，残渣中重Cu同位素富集。

       结果表明，部分熔融和流体相互作用是促使铜在下地壳中迁移的两种有效机制。

原文信息

       Mobilization of Cu in the continental lower crust: A perspective from Cu isotopes

       Chen-Hao Luo, Rui Wang , Yun Zhao, Jian Huang , Noreen J. Evans

       https://doi.org/10.1016/j.gsf.2023.101590