影响弧岩浆成矿潜力的因素: 来自台湾岛东部火山岩内熔体包裹体和锆石组成的指示

俯冲相关的斑岩Cu(-Au)矿床代表了上地壳中金属和硫的巨量富集，通常与弧岩浆密切相关。然而，形成这些矿床的富矿岩浆和贫矿岩浆之间的根本差异目前仍存在很大争议。岩浆固结过程中捕获的熔体包裹体(SMIs)是了解熔体成分和演化的理想窗口。前人对斑岩系统SMIs的研究主要集中在成矿系统上, 而从矿床学角度对贫矿系统进行系统的研究则相对较少，导致我们无法对弧岩浆的演化过程及其成矿潜力建立一个更为全面的认识。 中国科学院广州地球化学研究所陈华勇研究员课题组通过对台湾岛东部贫矿弧火山岩内硅酸盐熔体包裹体(SMIs)、锆石和硅酸盐矿物成开展联合研究, 以增加对影响弧岩浆成矿潜力因素的认识。 研究发现斜长石内的熔体包裹体显示母岩浆具有安山质组成特征和较高(且可变)的Cu含量，但还原且相对贫水的岩浆可能是导致台湾岛东部缺乏斑岩铜矿的潜在重要因素。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第3期。

分布在俯冲带上方的岩浆-热液矿床, 如斑岩、矽卡岩和浅成低温热液Cu(±Mo)-Au矿床, 通常与钙碱性、中-酸性岩浆在时空上具有非常紧密的联系。然而, 该类大型或超大型的矿床往往形成于特定的弧段和时间段内, 绝大多数弧岩浆为贫矿岩浆或仅显示微弱的矿化。例如, 在菲律宾、印度尼西亚和巴布亚新几内亚等西太平洋弧段发育大量的上新世-更新世大型斑岩-浅成低温热液型Cu(-Au)矿床，然而在西太平洋弧段更靠北的部分, 如台湾岛、朝鲜半岛和日本地区, 发现的Cu-Au矿化较为稀少。台湾岛东部海岸山脉中部主要出露的火成岩, 主要由中新世或上新世-更新世火山岩序列组成, 属于吕宋火山弧最北部的一部分，然而台湾地区大部分上新世-更新世的弧岩浆并未形成相应的矿化。相比之下, 上新世-更新世同期的岩浆作用在吕宋岛弧南部形成了世界级的Cu-(Au)矿化省, 例如Baguio和Lepanto地区,发育有许多大型和超大型的斑岩Cu-(Au)矿、矽卡岩和浅成低温热液Au-Ag矿。西太平洋南段的弧段发育有大规模的Cu-(Au)矿化省，而更北端的台湾等其他地区Cu-(Au)矿化并不显著。那么，是什么因素导致台湾岛东部地区普遍发育贫矿的弧岩浆，以及是什么因素控制了弧岩浆的成矿潜力？以上问题值得进一步研究。

针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所陈华勇研究员课题组对台湾岛东部贫矿安山岩内的硅酸盐熔体包裹体和锆石开展系统研究, 以揭示该地区贫矿弧岩浆的性质和演化，进一步扩充贫矿弧岩浆内熔体包裹体的研究数据, 并与东-西太平洋弧段同时代的成矿岩浆进行对比研究, 进一步揭示控制弧岩浆成矿潜力的关键因素。研究得到以下两点主要认识：

台湾岛东部安山岩内斜长石中的熔体包裹体(SMIs，剥蚀信号如图1所示)分析表明，安山岩的母岩浆成分接近中性, 且具有较高(但变化范围较大)的Cu含量，岩浆中含有约10~150ppm的Cu，这一范围略低于一些矿化岩浆内的Cu含量, 例如Bajo de la Alumbrera(100~200ppm)和Bingham Canyon(150~280ppm)斑岩铜矿。然而, 近年来的SMIs研究表明, 岩浆中成矿金属的预富集并不是形成斑岩矿床的先决条件，因此, 岩浆中的Cu含量可能并不是造成台湾岛东部缺乏斑岩矿床的主要原因。SMIs分析结果显示，随着SiO ₂ 含量的增加, 亲铜元素(如Cu、Co和Ni)显示出明显下降的趋势(图2)。

测试过程中整个SMI与其宿主矿物一起被剥蚀, 该时段内的剥蚀信号包含了包裹体和寄主矿物的贡献

岩浆氧逸度计算结果表明，台湾岛东部安山岩母岩浆 f O ₂ 值在∆FMQ‒0.8~+0.4, 明显低于东-西太平洋弧段上新世-更新世Cu-(Au±Mo)矿床致矿岩浆的 f O ₂ 值(图3)，例如巴布亚新几内亚的Ok Tedi矿床(∆FMQ+0.4~+1.7)、印度尼西亚的Grasberg矿床(∆FMQ +0.9~+1.7)以及智利的El Teniente矿床(∆FMQ+1.4~+2.2)。此外, 与菲律宾Southern Mankayan和Dizon mine矿区铜金矿化相关的致矿岩浆的 f O ₂ 值均在∆FMQ+2以上。以上SMIs和岩浆氧逸度计算结果指示台湾岛东部岩浆性质较为还原, 不利于亲铜元素在岩浆中的持续富集，这可能是导致该区缺乏矿化的重要原因。

T-A: 台湾岛安山岩样品；P-SM: 菲律宾Southern Mankayan矿区; P-D：菲律宾Dizon矿区; I-GE：印度尼西亚Grasberg-Ertsberg矿床; P-OT: 巴布亚新几内亚Ok Tedi: C-ET: 智利El Teniente。箭头从左到右表示西太平洋弧段的北部到南部

此外，全岩地球化学数据显示, 台湾岛东部安山岩并不具有典型的埃达克岩的地球化学特征, 这与西太平洋火山弧段与矿化相关的斑岩Cu矿或热液Au-(Cu)矿床的致矿岩浆一致, 如菲律宾的Baguio地区和Papua New Guinea的Grasberg矿床。然而, 安山岩的Sr/Y和(La/Yb) _N 比值与上述西太平洋火山弧中的矿化岩浆相比最低, 这可能也指示台湾岛东部的矿化潜力较低。

除了岩浆自身的性质外, 岩浆的演化和H ₂ O的富集也可能对岩浆成矿潜力产生显著影响. SMIs成分的哈克图解(Harker diagrams)指示硅酸盐矿物的分离结晶在研究区岩浆的演化过程中起到主要作用(图4)。岩浆上升过程中硅酸盐矿物的结晶会导致岩浆中的H ₂ O逐渐饱和, 这一过程对于成矿金属从岩浆中萃取至关重要, 因此富含H ₂ O的岩浆是成矿的关键。根据角闪石温压计所计算的结果显示, 安山岩样品的母岩浆含有约3~4wt.%的H ₂ O, 该值低于典型矿化弧岩浆正常的H ₂ O含量范围(>4.5~5wt.%)。此外，安山岩样品较低的(La/Yb) _N 和Sr/Y比值也暗示母岩浆可能含有较低的H ₂ O含量。在岩浆上升和演化过程中, 与流体具有强亲和力的Cu、Au和其他金属从硅酸盐熔体中析出进入流体, 因而矿床中的金属总量通常受其萃取效率和析出的流体总量及岩浆房的总体积所控制. 因此, 相对“贫水”的岩浆将阻碍成矿热液系统的形成, 从而显著降低成矿金属进入流体中的效率。

本项研究表明, 岩浆氧化还原状态和H ₂ O含量可能是控制弧岩浆Cu-Au潜力的关键因素, 而台湾岛东部在更新世时期存在低 f O ₂ 和相对贫H ₂ O的岩浆环境, 这可能是造成台湾岛东部缺乏斑岩Cu(-Au)矿床的潜在重要因素。