Sběr a filtrování dat

Metal endowments, geochemie hornin (hodnoty Sr/Y, afinita magmatu z hlediska alkalinity) a geochronologická data 118 porfyrových Cu-Au ložisek (doplňková data 1) byla shromážděna z předchozích studií a z online zdrojů (USGS Porphyry Copper deposits of the world na adrese http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Dostupné hodnoty Sr/Y magmatických hornin spojených s každým porfyrovým ložiskem byly zprůměrovány a byly vypočteny související hodnoty 1 směrodatné odchylky (Doplňková data 1).

Magmatická afinita z hlediska alkality magmatických hornin spojených s ložisky byla odvozena převážně z předchozí studie7 a implementována údaji z dalších studií provedených na porfyrových ložiscích, které nebyly uvedeny v ref. 7 (doplňkové údaje 1). V posledním případě byla magmatická příbuznost hodnocena pomocí obohacení K2O v grafu K2O vs. SiO216 , který umožňuje rozlišit horniny na kalc-alkalické, kalc-alkalické s vysokým obsahem K a alkalické (šošonitické). Pokud nebyly k dispozici geochemické analýzy, byla diskriminace provedena pomocí nomenklatury přidružených porfyrických hornin (podrobněji viz Metody).

Zdroje Cu a Au zde uváděné (Doplňkové údaje 1) jsou nepochybně zatíženy nejistotou, jak ukazují různé hodnoty uváděné pro stejné ložisko různými zdroji (Doplňkové údaje 1) a upřesňování zásob a zdrojů v čase. Celkový rozsah kovové dotace všech světových porfyrů však zahrnuje několik řádů, což je mnohem větší než možné nejistoty kovové dotace jednoho ložiska.

Dalším bodem, který je třeba zdůraznit, je skutečnost, že vícestupňová ložiska, jako je Grasberg, jsou charakterizována jednotlivými rudními tělesy, která vznikala v různých dobách a která mohou mít proměnlivý poměr Cu/Au. Na Grasbergu má mineralizace vyskytující se v horninách Dalam a v tělese Ertsberg o něco vyšší poměry Cu/Au (~2,0; kde Cu je v hmotnostních procentech a Au v g t-1) než všechna ostatní rudní tělesa (0,75-1,40) a než v celém revíru Grasberg-Ertsberg (~1,0)14 . Příčinou těchto lokálních rozdílů je překrytí následných rudních stadií a různá hloubka vzniku rudy14 (vyšší hodnoty Cu/Au rud jak v dalamských horninách, tak v Ertsbergu jsou doprovázeny vyššími obsahy molybdenu v hlubších částech rudních těles). V následujícím textu jsem se zabýval vybaveností Au a Cu objemového revíru Grasberg-Ertsberg, která odráží poměry Au/Cu největší většiny (>90 % z hlediska tonáže)14 rudních těles revíru.

Použité geochronologické údaje o porfyrových ložiscích (Doplňkové údaje 1 a Doplňková poznámka 1) byly získány pomocí nejmodernějších technik17 (U-Pb datování zirkonů porfyrových intruzí pomocí CA-ID-TIMS, SHRIMP a LA-ICPMS, Re-Os stáří molybdenitu pomocí N-TIMS, 40Ar/39Ar datování hydrotermálních minerálů: Doplňková poznámka 1) během posledních 20 let a většina z nich (15 z 22) během posledních 10 let. Tyto údaje byly ve spojení s interpretacemi poskytnutými autory těchto studií použity k výpočtu celkové doby trvání procesu rudní mineralizace, tj. časového intervalu zahrnujícího pokud možno většinu mineralizačního procesu na konkrétním ložisku (Doplňkové údaje 1 a Doplňková poznámka 1). To bylo založeno buď na časových závorkách pomocí předrudního a syn- až post-rudního U-Pb zirkonového datování, nebo na Re-Os datování molybdenitu z několika texturně omezených rudních stadií, případně realizovaném 40Ar/39Ar datováním alteračních minerálů spojených s rudou (podrobný popis způsobu, jakým bylo získáno celkové trvání procesu mineralizace pro každé ložisko, viz Doplňková poznámka 1). To platí zejména pro největší složené porfyrové systémy, jako jsou mimo jiné Chuquicamata, Rio Blanco a Grasberg. Vzhledem k nevyhnutelnému nedostatečnému výběru vzorků jsou takto stanovené časové intervaly přibližnými hodnotami prvního řádu skutečného trvání mineralizačních událostí na jednotlivých porfyrových ložiscích. Je nicméně významné, že podobné hodnoty trvání rudních procesů byly získány odlišnými studiemi, pokud jsou k dispozici na stejném ložisku (např, El Teniente, Grasberg a Chuquicamata; Doplňkové údaje 1).

Petrologické modelování

Modelování petrologických procesů metodou Monte Carlo (Metody a tabulka 1) bylo použito k získání informací o metalogenních procesech schopných vysvětlit dotaci Cu a Au v porfyrových ložiscích a časový průběh jejich vzniku (viz výše). K odhadu objemů magmat a množství tekutin, Cu a Au exsolvovatelných z těchto magmat, jakož i jejich obsahů SiO2 jsem použil hmotnostní bilanci a petrologický přístup z ref. 2 (podrobnosti viz Metody, doplňkové obr. 1-5 a doplňková tab. 1). Hmotnosti a objemy magmatu jsou určeny parametrizací termodynamických podmínek nastíněných v ref. 18 pro vznik tavenin v horkých zónách zemské kůry. V modelu je bazaltová tavenina injektována do kůry v proměnlivých hloubkách pevnou typickou dlouhodobou průměrnou rychlostí 5 mm rok-1 (ref. 18) pro časový interval v rozmezí 0 až 5 mil. let. V závislosti na hloubce, v níž dochází k injektáži, se po určité inkubační době začne hromadit zbytková tavenina z frakcionace injektovaného čediče (doplňkový obr. 1). Závislost inkubační doby na hloubce injektáže se vysvětluje tím, že teplota hostitelské horniny roste s hloubkou podle geotermálního gradientu (v modelu 20 °C km-118). Proto v hlubších úrovních (tj. s vyšší teplotou hostitelské horniny) bude inkubační doba pro počáteční tvorbu zbytkové taveniny kratší. Současně bude mít kontinuální injektáž bazaltické taveniny za následek i zvýšení teploty hostitelských hornin, která by po určité inkubační době, odlišné od doby vzniku zbytkové taveniny, mohla dosáhnout solidusu těchto hornin s jejich následným částečným roztavením (částečná tavenina kůry: doplňkový obr. 1). Výsledná tavenina z celého tohoto procesu je složená hybridní tavenina odvozená ze součtu zbytkové a krustální taveniny v libovolném čase od počátku injektáže a v libovolné hloubce, v níž dochází k injektáži bazaltu (doplňkový obr. 1). V průběhu času se množství taveniny nahromaděné v jakékoli konkrétní hloubce zvyšuje, jak ukazuje doplňkový obr. 1. Produktivita taveniny v hlubších úrovních kůry bude větší než v mělčích úrovních kůry (Doplňkový obr. 1).

Množství rozpuštěné H2O v takové hybridní tavenině akumulované v různých hloubkách kůry a po různých dobách akumulace (tj, době od počátku procesu injektáže) lze určit s ohledem na počáteční obsahy H2O v primitivní bazaltické tavenině a v horninách zemské kůry (tab. 1) a na závislost rozpustnosti H2O v silikátových taveninách na tlaku a složení taveniny19 (doplňkové obr. 2-4). Nakonec je množství Cu a Au v exsolventní H2O určeno pomocí řady vhodných rozdělovacích koeficientů pro tyto kovy mezi tekutinou a silikátovou taveninou a příslušných obsahů Cu a Au v taveninách (tab. 1 a doplňkové obr. 1). 5).

Obsahy kovů a časový průběh porfyrových ložisek Cu-Au

Kraf Au vs. obsahy Cu ukazuje, že porfyrová ložiska Cu-Au definují buď trend bohatý na Cu (Au/Cu ~4 × 10-6), nebo na Au (Au/Cu ~80 × 10-6) (obr. 1a). Trend bohatý na Au je v podstatě řízen sedmi největšími ložisky zlata (obsahují téměř 60 % zlata z porfyrových Cu-Au ložisek20). Všech těchto sedm ložisek (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg a Pebble) je spojeno s kalc-alkalickými nebo alkalickými horninami s vysokým obsahem kyslíku. Podél trendu bohatého na Au se nacházejí také všechna další menší ložiska spojená s různě alkalickými magmaty a několik ložisek spojených s normálními kalc-alkalickými magmaty (např. ložiska Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau, abychom zmínili některá největší). Naproti tomu všechna ložiska trendu bohatého na Cu jsou spojena pouze s normálními kalc-alkalickými horninami.

Dva odlišné trendy jsou rozpoznatelné také v grafu závislosti dotace Au na množství Au. trvání procesu rudotvorby porfyrových Cu-Au ložisek (obr. 1b): v trendu ložisek bohatých na Cu se Au sráží v průměru mnohem pomaleji (~100 t Au/Ma) než v trendu ložisek bohatých na Au (~4500 t Au/Ma). Trend ložisek bohatých na Au je řízen třemi velkými porfyrovými ložisky bohatými na Au (pro něž jsou k dispozici robustní geochronologická data), která jsou všechna spojena s kalc-alkalickými až alkalickými horninami s vysokým obsahem K (Grasberg, Bingham, Pebble), a třemi ložisky bohatými na Au spojenými s kalc-alkalickými horninami (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto a Batu Hijau). Všechny porfyry bohaté na Au menších rozměrů spojené s různě alkalickými horninami a několik porfyrů spojených s normálními vápenato-alkalickými horninami spadají do trendu bohatého na Au. Trend bohatý na Cu je opět vymezen ložisky spojenými pouze s typickými vápenato-alkalickými horninami. Magmatické horniny spojené s ložisky porfyrů bohatých na Au se vyznačují nižšími hodnotami Sr/Y (~50 u největších porfyrových ložisek Au)21 ve srovnání s horninami spojenými s ložisky porfyrů bohatých na Cu (100 ± 50)2 (obr. 1c a doplňková data 1).

Možné příčiny rozdílné zásoby Cu a Au

Chiaradia a Caricchi2 navrhli, že zásoba Cu v porfyrových ložiscích andského typu bohatých na Cu je řízena dvěma hlavními parametry: objemem magmatu generovaného ve středních hloubkách zemské kůry, který určuje maximální množství dodané Cu, a celkovým časovým intervalem, během něhož se magma se svým fluidním a měděným nákladem přesouvá do mělčích úrovní, kde dochází k exsoluci fluidu a vysrážení Cu. Nejpříznivější podmínky pro tvorbu přiměřeně velkých objemů magmatu a fluid nastávají, jak bylo řečeno výše, ve střední až spodní kůře, kde modelovaná magmata vykazují hodnoty Sr/Y (50-150), které se pohybují ve stejném rozmezí jako hodnoty magmatu spojeného s největšími porfyrickými ložisky Cu2. Široká lineární korelace mezi zásobami Cu a dobou trvání tvorby rudních ložisek2 (obr. 1d) naznačuje, že proces přenosu magmatu, tekutiny a mědi do mělčích vrstev probíhá u všech ložisek bohatých na Cu podobnou průměrnou rychlostí a že jeho doba trvání je hlavním parametrem řídícím zásoby Cu v těchto ložiscích. K podobnému závěru dospěl také referát 22. V grafu závislosti dotace Cu na době vzniku rudního ložiska (obr. 1d) spadají ložiska bohatá na Au ke spodnímu konci stejného regresního trendu jako ložiska bohatá na Cu, což naznačuje, že kontrola dotace Cu a účinnosti srážení Cu je podobná pro oba typy ložisek bohatých na Cu a Au.

Naproti tomu výskyt dvou odlišných lineárních trendů v grafech Au-Cu tonáž a Au tonáž-doba výskytu (obr. 1a, b) naznačuje, že dotace zlata je řízena odlišnými procesy u ložisek bohatých na Cu vs. bohatých na Au. Asociace sedmi největších porfyrových ložisek bohatých na Au s mírně alkalickými až alkalickými horninami (obr. 1a) by mohla naznačovat určitý druh petrogenetické kontroly, která není jednoznačně objasněna8,23,24. Na druhou stranu jsou porfyrová ložiska bohatá na Au s různě velkou dotací zlata spojena i s normálními kalc-alkalickými magmatickými horninami (obr. 1a). To naznačuje, že chemismus magmatu nemůže být jediným faktorem ovlivňujícím vznik Au-bohatého porfyrového trendu. Zde zkoumám tři hlavní mechanismy, které by mohly být zodpovědné za vznik Au-bohatých porfyrových ložisek a jejich přednostní, nikoli však jedinečnou asociaci s variabilně alkalickými magmaty: (i) vyšší obsahy Au v alkalických magmatech25 (a v kalc-alkalických magmatech spojených s porfyry bohatými na Au), (ii) různé hodnoty rozdělovacího koeficientu Au mezi fluidem a taveninou (KD) a (iii) různá účinnost srážení.

Kontrola účinnosti srážení pro dotaci Au

Monte Carlo simulace ukazují, že za předpokladu běžně používané 50% účinnosti srážení pro Au i Cu by objemy magmatu (~2000 km3) odpovídající nejvyššímu obohacení mědí (~100 Mt Cu) spojenému s kalc-alkalickými magmaty2 poskytly Au ve velkém přebytku (mediánová hodnota ~14 000 tun Au) k maximální dotaci zlata (~2700 tun Au) porfyrových ložisek bohatých na Au (obr. 2c; ještě vyšší potenciální dotace Au je spojena s největšími simulovanými objemy magmatu alkalických systémů při 50% účinnosti: Obr. 2d). To naznačuje, že rozpojení mezi dotacemi Cu a Au u hornin bohatých na Cu vs. Au bohatých ložisek pravděpodobně nesouvisí pouze s obohacením alkalickými magmaty o Au ve srovnání s kalc-alkalickými magmaty25,26 , protože ty mohou exsolvovat fluidy s velkým množstvím zlata, které je dostatečné k vytvoření největších porfyrových ložisek bohatých na Au. Ani rozdílné hodnoty KD Au ve fluidní tavenině nemohou vysvětlit ochuzené obsahy Au v ložiscích bohatých na Cu. Při použití rozmezí běžných hodnot KD fluid-taveniny pro Au (10-100)27 a Cu (2-100)2 a účinnosti srážení 50 % pro Au i Cu totiž simulace Monte Carlo vedou k fluidům s hodnotami Au/Cu mnohem vyššími, než jaké zaznamenávají přírodní porfyrová ložiska bohatá na Au, a to jak pro kalc-alkalická, tak pro alkalická magmata (obr. 3a, b). Nízké hodnoty Au/Cu ložisek bohatých na Cu není možné reprodukovat, pokud nepředpokládáme nepřiměřeně nízké hodnoty KD pro Au (“1) mezi fluidem a taveninou (obr. 3c). Kromě toho mají modelované a geologické fluidy exsolvované z magmat (vulkanické emise a jednofázové fluidy porfyrových ložisek) velmi podobné hodnoty Au/Cu (obr. 3, tab. 2). To podporuje tvrzení, že Au a Cu se v magmatických fluidech vyskytují v koncentracích, které jsou ve shodě s koncentracemi získanými pomocí experimentálně stanovených hodnot Au a Cu v KD tekutiny a taveniny.

Karty na obr. 2 a 3 tedy naznačují, že rozdílné Au/Cu trendy Au-bohatých a Cu-bohatých ložisek by mohly být způsobeny rozdílnou účinností srážení Au. Oba porfyrické trendy v Au-Cu prostoru jsou skutečně dobře reprodukovány simulacemi Monte Carlo provedenými pro účinnosti srážení zlata, které jsou nižší než účinnosti srážení Cu o faktor ~6-15 u ložisek bohatých na Au a o faktor ~75 u ložisek bohatých na Cu (obr. 4a, b; podrobněji viz Metody). To se promítá do účinnosti srážení Au, která je ~5-12krát vyšší v porfyrech bohatých na Au než v porfyrech bohatých na Cu (obr. 4a, b a Metody).

Zvýšená účinnost srážení Au, která vede k Au bohatému trendu porfyrových ložisek, by mohla být způsobena: (i) menší hloubkou, ve které se tvoří ložiska bohatá na Au28 a (ii) vyšší stabilitou hydrosulfidického zlata v tekutinách bohatých na alkálie24. Jak podrobně pojednává cit.28 , v mělkých porfyrových systémech (<~3 km) rozpustnost zlata a mědi rychle klesá v expandující vodní páře bohaté na S, která nese oba kovy. Výsledkem je spolusrážení Cu a Au a vysoké hodnoty Au/Cu. Naproti tomu v hlubších porfyrových systémech (>~3 km) převládá jednofázová tekutina, z níž se po ochlazení sráží převážně Cu, zatímco Au zůstává v roztoku v husté parní fázi. Podle ref. 24 přítomnost alkalických chloridů silně zvyšuje rozpustnost zlata v H2S-nosných fluidech a mohla by vysvětlovat asociaci porfyrových ložisek bohatých na Au s alkalickými magmaty, z nichž se údajně exsolvují fluidy s vyšším obsahem alkalických chloridů.

Dalším faktorem zodpovědným za rozpojení zlata a mědi v některých specifických porfyrových ložiscích by mohl být redukovaný charakter magmaticko-hydrotermálního systému, buď vlastní magmatu, nebo vyplývající z interakce fluid s redukovanými hostitelskými horninami29. Na rozdíl od Cu, jejíž rozpustnost v redukovaných rudních fluidech klesá, může být zlato v podobných koncentracích transportováno rudními fluidy nezávisle na jejich oxidačním stavu29. Proto se předpokládá, že redukované magmaticko-hydrotermální systémy by mohly být zodpovědné za vznik některých porfyrových ložisek bohatých na Au30.

Tektonická kontrola dotace Cu vs. Au

V subdukčních obloucích andského typu vedou dlouhotrvající období komprese (>2 mil. let) k akumulaci různě velkých objemů magmatu v hlubokých úrovních zemské kůry s typickou kalc-alkalickou signaturou vyznačující se vysokými hodnotami Sr/Y2,31 . V takovém kontextu vznikají porfyrová ložiska bohatá na Cu, protože jsou v podstatě závislá na velkých objemech magmatu akumulovaných ve středních hloubkách zemské kůry během kompresního období a na následném trvání magmaticko-hydrotermálního úniku hlubokého rezervoáru do mělčí kůry, kde dochází k ukládání rud. Během tohoto procesu se zlato sráží v nízké průměrné míře (obr. 1b), protože fluidy exsolvované z těchto kalc-alkalických magmat mají nízkou účinnost srážení zlata (~75krát nižší než účinnost srážení Cu: viz výše). To je pravděpodobně způsobeno průměrně hlubokou tvorbou ložisek bohatých na Cu v takovém kontextu28 a možná i neúčinným chemismem přidružených fluid24. Obr. 5a, b ukazuje, že největší porfyrová ložiska bohatá na Cu (>30 Mt Cu) spojená s kalc-alkalickými magmaty se vyskytují v hloubkách >~3 km a mají dotaci zlata <500 tun Au. V tomto případě může být značné množství zlata ztraceno vulkanickými emisemi, které mají podobně vysoké hodnoty Au/Cu jako magmatické horniny a jednofázové fluidy exsolvované z magmatu za vysokého tlaku (obr. 5a, b).

V pozdním až post-subdukčním a post-kolizním prostředí jsou mírně alkalická až alkalická magmata spojena s extenzí6 nebo s obloukovou reverzí v tenčích ostrovních obloucích26 (např, Grasberg13,14, Bingham11 a Kisladag32). Extenze podporuje výstup, vývoj a ukládání magmatu do mělčích úrovní kůry33,34 , zatímco tenčí kůra vede k mělčím průměrným úrovním vývoje magmatu31. Celkově nižší hodnoty Sr/Y (~50) různě alkalických (a některých kalc-alkalických) magmat spojených s porfyrovými ložisky bohatými na Au (obr. 1c) podporují jejich vývoj v průměrně mělčích úrovních kůry, protože Sr/Y je zástupným ukazatelem hloubky vývoje magmatu31,35,36 . Všechna porfyrová ložiska bohatá na Au spojená s variabilně alkalickými magmaty skutečně vznikají v mělkých úrovních zemské kůry (<~3 km; obr. 5b), což je nejspíše způsobeno spojením těchto magmat s tektonickými (extenze) a geodynamickými (tenčí kůra) souvislostmi, které podporují jejich uložení v mělkých úrovních zemské kůry.

Naproti tomu porfyrová ložiska spojená s kalc-alkalickými magmatickými horninami zahrnují širší rozsah hloubek vzniku, ale pouze mělké (<~3 km) systémy mohou být spojeny s velkými (>500-<1500 tun Au) porfyry bohatými na Au (obr. 5b). To naznačuje, že k emplaci magmatu na mělké úrovni a následnému vzniku systémů bohatých na Au může docházet také ve spojení s kalc-alkalickými magmaty jak v subdukčních prostředích andského typu (např. systémy porfyrů bohatých na Au z Maricungy37), například během extenzních období interkalovaných v rámci celkového kompresního režimu38,39 , tak v prostředích ostrovních oblouků s tenčí kůrou, například během obloukově-paralelní extenze spojené s kolizí (např, Batu Hijau40 a Grasberg14).

Na podporu výše uvedených argumentů průměrné hodnoty Sr/Y kalc-alkalických i variabilně alkalických magmatických systémů (které jsou zástupným ukazatelem průměrné hloubky vývoje magmatu: viz výše) korelují s hloubkou vzniku porfyrů (obr. 5c; jedinou výjimkou je Chino-Santa Rita): jinými slovy, čím mělčí nebo hlubší je průměrný vývoj magmatu v kůře (nezávisle na chemismu magmatu), tím mělčí nebo hlubší je uložení magmatu ve svrchní kůře a následná tvorba porfyrů. S největší pravděpodobností je to důsledek toho, že oba tyto procesy jsou řízeny tloušťkou kůry a tektonickým režimem (komprese vs. extenze).

Výrazná asociace největších porfyrových ložisek bohatých na Au s mírně alkalickými až alkalickými magmatickými horninami (obr. 1a) nicméně vyžaduje další faktory, které dále zvyšují jejich zlatou výbavu. Srovnání modelování Monte Carlo pro alkalické a kalc-alkalické systémy bohaté na Au (obr. 4a, b) naznačuje, že vyšší vybavenost Au bohatých porfyrových ložisek spojených s alkalickými magmaty lze vysvětlit vyššími obsahy zlata v alkalických magmatech. Dalším faktorem zvyšujícím vybavenost Au-bohatých porfyrových ložisek spojených s alkalickými systémy by mohl být příznivý chemismus fluid spojených s těmito magmaty24.

Na druhou stranu vývoj magmatu v mělké kůře není příznivý pro vznik co největších objemů magmatu a vybavenosti Cu2,33 . V důsledku toho nemohou mělce vzniklá ložiska dosáhnout nejvýraznějších dotací Cu (>50 Mt Cu) magmatických systémů spojených s typickou subdukcí andského typu pod tlustou kontinentální kůrou (obr. 1d).

Vícestupňový proces pro dotace Cu-Au

Když se zdá, že hloubka vzniku porfyru a chemismus magmatu a přidružených fluid řídí bohatost na Au vs. bohatost na Cu. Cu-bohatý charakter porfyrových Cu-Au ložisek, nárůst dotací Cu a Au s délkou ukládání rudy (obr. 1b, d) naznačuje, že konečné dotace Cu a Au těchto ložisek jsou určeny kumulativním počtem mineralizačních kroků41,42 , které jsou v konečném důsledku řízeny objemem magmatu a délkou rudného procesu2. Rozdíl spočívá v tom, že variabilně alkalické systémy a mělké kalc-alkalické systémy v zemské kůře jsou ze své podstaty spojeny s magmaty, jejichž fluidy jsou tektonicky (tj. mělké uložení: ref. 28) a chemicky24 optimalizovány pro vysokou účinnost srážení zlata. Naproti tomu typická kalc-alkalická (s vysokým obsahem Sr/Y) magmata vznikají v geodynamickém kontextu, který upřednostňuje obrovské akumulace magmatu, jež jsou nezbytné pro vznik behemotových ložisek bohatých na Cu2 , ale jsou uložena v hloubkách, v nichž jsou exsolvované fluidy pro srážení zlata méně účinné.