世界屋脊上的巨型礦藏

斑巖型銅礦提供了全世界超過(guò)60%以上的銅礦資源，是最重要的銅礦成因類(lèi)型，一直是世界范圍內(nèi)銅礦勘查的重點(diǎn)對(duì)象。我國(guó)西藏岡底斯地區(qū)是我國(guó)最重要的銅成礦帶之一。近日，北京大學(xué)唐銘研究員等以1500千米長(zhǎng)的岡底斯帶為例，發(fā)現(xiàn)近2億年來(lái)巖漿巖中磷灰石的硫含量具有規(guī)律性變化，在大約3000萬(wàn)年前出現(xiàn)顯著增加，這對(duì)應(yīng)于印度-歐亞大陸碰撞后地殼厚度的快速增加。結(jié)合全巖Dy/Yb比值，提出增厚地殼深部巖漿源區(qū)殘留的石榴石對(duì)巖漿硫的氧化還原狀態(tài)起到一級(jí)控制作用。這樣現(xiàn)象不僅可以解釋西藏岡底斯成礦帶，也有望推廣到世界范圍其他巨型斑巖銅礦帶，如南美安第斯帶。相關(guān)成果在ScienceAdvances雜志發(fā)表。

為此，特邀唐銘研究員講述文章背后的故事。

2017年夏天，有幸和一些國(guó)內(nèi)外的地學(xué)同行在美國(guó)西部的大山里野外考察。每天翻山越嶺，雖然辛苦，但是野外總是有很多的樂(lè)趣和看不完的風(fēng)景。傍晚，大家會(huì)回到木屋里住下，吃飯休息，整理記錄。晚飯后，大家會(huì)圍在餐桌旁聊聊生活趣聞和國(guó)內(nèi)外的研究特色。我們幾個(gè)年輕人，由于一直在美國(guó)讀書(shū)學(xué)習(xí)，對(duì)國(guó)內(nèi)的地質(zhì)了解非常少。有一天晚飯后，吳福元老師給我們建議說(shuō)：

“你們幾個(gè)應(yīng)該去西藏看看，那里有一級(jí)的科學(xué)問(wèn)題，有比美西更加壯麗的山脈。我們地球所這邊可以提供支持。”

這個(gè)提議讓我們幾個(gè)興奮壞了。

青藏高原，世界的第三極，這里是所有地質(zhì)學(xué)家都?jí)粝朐煸L(fǎng)的地方，可是由于環(huán)境極端和許多其他因素，沒(méi)有有經(jīng)驗(yàn)的老手領(lǐng)路，很難開(kāi)展工作。

在接下來(lái)的幾個(gè)月內(nèi)，我們順利完成了立項(xiàng)等工作，一切準(zhǔn)備就緒。

西藏，說(shuō)走就走！

2018年夏，中科院地球所紀(jì)偉強(qiáng)老師帶隊(duì)，我們一行6人，開(kāi)始我們這個(gè)新成立課題組的第一次西藏科考。

我們這個(gè)小組，雖然人數(shù)不多，但研究方向卻有好幾個(gè)。領(lǐng)隊(duì)的紀(jì)偉強(qiáng)老師對(duì)藏南的演化歷史有十多年的研究，曹文融老師主要研究造山帶的地殼變形和剝蝕，初旭老師則對(duì)造山帶的碳循環(huán)機(jī)理非常感興趣。而我自己，主要是想弄清楚造山過(guò)程對(duì)巖漿氧化還原狀態(tài)的影響。巖漿的氧化還原，這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有些晦澀的學(xué)術(shù)詞匯，背后涉及到一種人類(lèi)現(xiàn)代文明極度依賴(lài)的金屬礦產(chǎn)—銅礦。

西藏南部的岡底斯山脈，大體與喜馬拉雅山脈平行，東西綿延1500多千米，平均海拔5500～6000米。就在這世界屋脊上，一個(gè)個(gè)大型、超大型斑巖銅礦被相繼發(fā)現(xiàn)。藏南的岡底斯山脈為我國(guó)提供了至少一半的銅礦資源以及大量的金、鉬等其他金屬礦產(chǎn)。

斑巖銅礦，形成于火山地下2～5千米的深度，火山死亡后，地殼被剝蝕，逐漸將這些地下的銅礦暴露出來(lái)。斑巖銅礦的形成與次火山的熱液活動(dòng)息息相關(guān)。

但是，關(guān)于岡底斯的銅礦，有一個(gè)問(wèn)題一直困惑著大家。岡底斯山脈起起落落，已經(jīng)存在了超過(guò)2億年。這2億年里，巖漿與火山作用一直很活躍，但是岡底斯的銅礦絕大多數(shù)都形成在近3000萬(wàn)年的時(shí)間里。對(duì)于2億多年的歷史，3000萬(wàn)年不過(guò)一瞬。也就是說(shuō)，岡底斯山脈在其一生中的大部分時(shí)間里都沒(méi)能形成銅礦。

這是為什么呢？

大約6000萬(wàn)年前，藏南發(fā)生了巨變，印度大陸向歐亞大陸極速漂移過(guò)來(lái)，并最終撞上了歐亞大陸。大陸碰撞帶來(lái)的板塊擠壓，驅(qū)動(dòng)著大規(guī)模的造山運(yùn)動(dòng)，造就了世界屋脊。大約3000萬(wàn)年前，青藏高原的地殼厚度達(dá)到了極限，位于高原南緣的岡底斯山脈，直面迎頭撞來(lái)的印度大陸，平均海拔從碰撞前的2～3千米陡升到碰撞后的5～6千米。

在時(shí)間上，岡底斯銅礦的爆發(fā)式形成發(fā)生在印度-歐亞大陸碰撞后，和岡底斯地殼快速增厚、山脈隆起的時(shí)間一致，這很難不讓人猜想背后的聯(lián)系。實(shí)際上，岡底斯銅礦形成的規(guī)律在世界上很多地方都存在，例如在太平洋的東岸，美洲西部綿延1萬(wàn)多公里的巨型成礦帶，銅礦的出現(xiàn)幾乎都對(duì)應(yīng)著造山的鼎盛時(shí)期。

為期三周的野外，我們沿著岡底斯山脈，從林芝到日喀則，采集沿途的山體花崗巖樣品。西藏高速發(fā)展的基礎(chǔ)建設(shè)為我們開(kāi)展工作帶來(lái)了極大的便利，許多巖體不需要翻山越嶺便能到達(dá)，即使是常年冰雪覆蓋的高海拔山口。

但是，西藏仍然是西藏，高原無(wú)處不在顯露它的尊嚴(yán)。離開(kāi)了大路，時(shí)刻需要小心，除了一些常規(guī)的高原反應(yīng)、飲食問(wèn)題，這一路遇到過(guò)滾石、塌方、還有翻下山溝的卡車(chē)。據(jù)紀(jì)老師說(shuō)，他們之前在西藏出野外還多次遇到地震。

我們這一路覆蓋了約600千米的岡底斯山脈，沒(méi)能抵達(dá)山脈更西部的地區(qū)。對(duì)岡底斯有多年研究經(jīng)歷的中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王瑞老師，將自己珍貴的樣品貢獻(xiàn)出來(lái)，使得我們最終的樣品覆蓋了1500千米的岡底斯山脈，巖石形成的年代覆蓋1億年。

回到實(shí)驗(yàn)室，我們對(duì)這些岡底斯巖石中的磷灰石礦物開(kāi)展了化學(xué)研究。磷灰石是花崗質(zhì)巖石中非常常見(jiàn)的礦物，但是它們的個(gè)頭都很小，許多顆粒的直徑只有發(fā)絲那么大。我們使用了一種叫電子探針的儀器分析這些巖石里的磷灰石。電子探針擁有極高的空間分辨率，讓我們能夠在幾個(gè)微米的空間范圍內(nèi)對(duì)磷灰石進(jìn)行精細(xì)的化學(xué)分析。

電子探針的數(shù)據(jù)展現(xiàn)出一個(gè)讓人無(wú)比興奮的規(guī)律。這里的主角是硫元素。我們發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去的 1億年里，岡底斯磷灰石的硫含量一開(kāi)始始終保持著非常低的含量，大部分都只有萬(wàn)分之幾的濃度，直到近3000萬(wàn)年，磷灰石的硫含量突然成倍地躥升。

硫是一個(gè)多價(jià)態(tài)元素，在巖漿里，硫一般以-2價(jià)和+6價(jià)形式存在。-2價(jià)的硫不喜歡進(jìn)入磷灰石的晶格，但是+6價(jià)的硫卻可以順利進(jìn)入磷灰石。當(dāng)磷灰石從逐漸冷卻的巖漿中結(jié)晶出來(lái)，如果巖漿的成分比較還原，巖漿里的硫是-2價(jià)，那么磷灰石就不會(huì)有很高的硫含量；而相反，如果巖漿的成分比較氧化，硫都是+6價(jià)的，那么結(jié)晶出來(lái)的磷灰石就會(huì)有很高的硫含量。

認(rèn)識(shí)到以上這一點(diǎn)，岡底斯磷灰石的數(shù)據(jù)就變得有意思了。近3000萬(wàn)年來(lái)，岡底斯巖石中磷灰石記錄到突然升高的硫含量，這說(shuō)明近三千萬(wàn)年來(lái)，岡底斯的巖漿變氧化了，巖漿中的硫由之前的-2價(jià)為主變成了+6價(jià)為主。

再回頭看看岡底斯山脈中銅礦的形成時(shí)間，二者正好吻合！巖漿中硫的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變很好地對(duì)應(yīng)銅礦的出現(xiàn)！可是巖漿中硫價(jià)態(tài)的升高和銅礦的形成又有什么關(guān)系呢？

斑巖銅礦是一種熱液型礦床。火山下的巖漿房在冷卻過(guò)程中逐漸發(fā)生流體（主要是水）飽和，飽和后，流體會(huì)從巖漿中分離出來(lái)，并從巖漿里萃取大量的銅。流體的密度很低，會(huì)在巖漿房的頂部聚集，最終離開(kāi)巖漿房。這些攜帶者大量銅的熱液最終在更淺的地殼里冷凝，將銅沉淀出來(lái)。這個(gè)過(guò)程可以將銅濃縮一百倍，形成銅礦。

這一切聽(tīng)起來(lái)都很美好，熱液萃取、搬運(yùn)、濃縮銅，可是熱液流體有一個(gè)強(qiáng)大的敵人。銅是一個(gè)親硫元素，意味著銅非常喜歡進(jìn)入硫化物礦物。如果火山下的巖漿房在冷卻結(jié)晶過(guò)程中，巖漿中的-2價(jià)的硫以硫化物的形式飽和、結(jié)晶，那么，沒(méi)等到流體從巖漿里萃取銅，硫化物就會(huì)將銅牢牢地抓住，永遠(yuǎn)留在巖漿房里，直到巖漿房徹底固結(jié)，銅以很低的濃度分散在巖石中，沒(méi)有任何開(kāi)采價(jià)值。

所以要干掉硫化物這個(gè)豬隊(duì)友，唯一的辦法是把巖漿里-2價(jià)的硫氧化成+6價(jià)，這樣巖漿房里就不會(huì)發(fā)生硫化物結(jié)晶。實(shí)際上，這也解釋了為什么世界上絕大多數(shù)斑巖銅礦的巖漿系統(tǒng)都偏氧化。

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么岡底斯山脈在漫長(zhǎng)的兩億年里，偏偏在最近的3000萬(wàn)年里發(fā)生大規(guī)模的巖漿硫氧化呢？近 3 000萬(wàn)年是青藏高原成長(zhǎng)為世界屋脊的時(shí)期，這段時(shí)間里，岡底斯的地殼急速增厚。岡底斯的地殼增厚和巖漿里硫的大規(guī)模氧化又有什么聯(lián)系呢？

回想起我曾經(jīng)研究的美國(guó)西部地區(qū)，亞利桑那的超深地殼來(lái)源的堆晶，那些堆晶里的石榴石，由于極為富集+2價(jià)鐵，導(dǎo)致巖漿虧損二價(jià)鐵，+3價(jià)鐵相對(duì)+2價(jià)鐵的濃度升高。鐵平均價(jià)態(tài)的升高，勢(shì)必會(huì)在后面氧化巖漿里的其他變價(jià)元素，包括硫。石榴石喜歡高壓，只有地殼足夠厚的時(shí)候，巖漿系統(tǒng)才能出現(xiàn)石榴石。

這么看，似乎一切都明白了。印度和歐亞大陸碰撞后，岡底斯地殼快速增厚，使得地殼深部能夠穩(wěn)定石榴石，產(chǎn)生的巖漿具有很高的平均鐵價(jià)態(tài)。這樣的巖漿在上升到地殼淺部形成巖漿房，并將巖漿里-2價(jià)的硫氧化成+6價(jià)，使得流體能夠順利的將巖漿里的銅萃取出去。

為了驗(yàn)證這一猜想，我們分析了這些巖石的稀土成分，稀土元素之間的分異能夠有效的指示巖漿在地殼深部是否發(fā)生過(guò)石榴石的分異。果然，岡底斯磷灰石里的硫含量和巖石的稀土分異有非常好的相關(guān)性，這意味著石榴石正是影響巖漿中硫的氧化還原狀態(tài)的一級(jí)控制因素。

如今，藏南的岡底斯成礦帶由于成礦規(guī)模大、成礦金屬種類(lèi)豐富等，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，源源不斷地為我們國(guó)家的發(fā)展提供關(guān)鍵資源。西藏銅礦提煉出的銅金屬被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的電力、電子、能源、機(jī)械、石化、交通以及各類(lèi)新興產(chǎn)業(yè)和高科技領(lǐng)域。這些是名副其實(shí)的世界屋脊上的礦藏。岡底斯山脈中的探礦工作還在繼續(xù)，世界屋脊依舊年輕，相信未來(lái)還會(huì)不斷的有重要礦藏被發(fā)現(xiàn)。