Guldudbytte i porfyryaflejringer styret af udfældningseffektivitet

Dataindsamling og filtrering

Metaludbytte, bjergartsgeokemi (Sr/Y-værdier, magmaaffinitet i form af alkalinitet) og geokronologiske data for 118 porfyry Cu-Au-aflejringer (Supplerende data 1) er blevet indsamlet fra tidligere undersøgelser og fra online ressourcer (USGS Porphyry Copper deposits of the world på http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Tilgængelige Sr/Y-værdier af magmatiske bjergarter, der er forbundet med hver porfyrudfældning, blev gennemsnitliggjort, og de tilhørende 1 standardafvigelsesværdier blev beregnet (Supplerende data 1).

Den magmatiske affinitet med hensyn til alkalinitet af de magmatiske bjergarter, der er forbundet med udfældningerne, blev hovedsagelig udledt fra en tidligere undersøgelse7 og implementeret med data fra yderligere undersøgelser udført på porfyrudfældninger, som ikke blev rapporteret af ref. 7 (Supplerende data 1). I sidstnævnte tilfælde blev magmatisk affinitet vurderet ved hjælp af K2O-berigelse i et K2O vs. SiO2-plot16 , som gør det muligt at skelne mellem kalk-alkaline, høj-K kalk-alkaline og alkaline (shoshonitiske) bjergarter. Når geokemiske analyser ikke var tilgængelige, blev der skelnet ved hjælp af nomenklaturen for tilknyttede porfyritiske bjergarter (se Metoder for nærmere oplysninger).

Den her rapporterede Cu- og Au-udrustning (Supplerende data 1) er utvivlsomt behæftet med usikkerhed, som det fremgår af forskellige værdier, der er rapporteret for den samme forekomst af forskellige kilder (Supplerende data 1) og forfining af reserverne og ressourcerne gennem tiden. Det samlede interval af metalindholdet i alle verdens porfyrier spænder imidlertid over flere størrelsesordener, hvilket er meget større end de mulige usikkerheder i forbindelse med metalindholdet i en enkelt forekomst.

Et andet punkt, der skal fremhæves, er, at forekomster i flere faser som Grasberg er karakteriseret ved individuelle malmkroppe, der er dannet på forskellige tidspunkter, og som kan have varierende Cu/Au-forhold. I Grasberg har mineraliseringen i Dalam-stenene og i Ertsberg-kroppen lidt højere Cu/Au-forhold (~2,0; hvor Cu er i wt% og Au er i g t-1) end alle andre malmkroppe (0,75-1,40) og end Grasberg-Ertsberg-distriktet som helhed (~1,0)14. Årsagerne til disse lokale forskelle er overtryk af efterfølgende malmstadier og forskellige dybder af malmdannelsen14 (de højere Cu/Au-værdier i malmene både i Dalam-stenene og ved Ertsberg er ledsaget af højere indhold af molybdæn i de dybere dele af malmforekomsterne). I det følgende har jeg betragtet Au- og Cu-indholdet i Grasberg-Ertsberg-distriktet som helhed, hvilket afspejler Au/Cu-forholdet i det største flertal (>90 % målt i tonnage)14 af distriktets malmkroppe.

De anvendte geokronologiske data om porfyrudfældninger (Supplerende data 1 og Supplerende note 1) blev opnået ved hjælp af de nyeste teknikker17 (U-Pb-dateringer af zirkoner fra porfyrintrusioner ved CA-ID-TIMS, SHRIMP og LA-ICPMS, Re-Os-alder af molybdænit ved N-TIMS, 40Ar/39Ar-dateringer af hydrotermiske mineraler: Supplerende note 1) i løbet af de sidste 20 år og de fleste af dem (15 ud af 22) i løbet af de sidste 10 år. Dataene blev sammen med fortolkninger fra forfatterne til disse undersøgelser anvendt til at beregne den samlede varighed af malmmineraliseringsprocessen, dvs. det tidsinterval, der så vidt muligt omfatter størstedelen af mineraliseringsprocessen i en specifik forekomst (Supplerende data 1 og Supplerende note 1). Dette var baseret på enten tidsmæssig indramning ved hjælp af U-Pb-zircon-dateringer fra før- og syn- til efter-porfyrporfyren eller Re-Os-dateringer af molybdænit fra flere malmstadier, der var teksturelt begrænset og eventuelt implementeret ved hjælp af 40Ar/39Ar-dateringer af alterationsmineraler, der var forbundet med malmen (se supplerende note 1 for en detaljeret beskrivelse af, hvordan den samlede varighed af mineraliseringsprocessen blev opnået for hver forekomst). Dette gælder især for de største sammensatte porfyrsystemer, som bl.a. Chuquicamata, Rio Blanco og Grasberg. På grund af den uundgåelige underudvælgelse er de således bestemte tidsintervaller tilnærmelser i første orden af den reelle varighed af mineraliseringsbegivenhederne i de enkelte porfyrforekomster. Det er ikke desto mindre væsentligt, at der er opnået lignende værdier for malmprocessernes varighed ved forskellige undersøgelser, når disse foreligger for samme forekomst (f.eks, El Teniente, Grasberg og Chuquicamata; Supplerende data 1).

Petrologisk modellering

Monte Carlo-modellering af petrologiske processer (metoder og tabel 1) er blevet anvendt til at udtrække oplysninger om metallogene processer, der kan forklare Cu- og Au-indholdet i porfyrforekomster og deres dannelsestidspunkter (se ovenfor). Jeg har anvendt massebalancen og den petrologiske metode i ref. 2 til at estimere magmavolumener og mængder af væske, Cu og Au, der kan opløses fra disse magmaer, samt deres SiO2-indhold (for detaljer se Metoder, Supplerende figurer 1-5 og Supplerende tabel 1). Magmamasserne og -volumenerne er bestemt ved hjælp af parametre, der tager udgangspunkt i de termodynamiske betingelser, der er skitseret i ref. 18 for dannelse af smelter i varme skorpezoner. I modellen injiceres basaltisk smelte ind i skorpen i varierende dybder med en fast typisk langtidsgennemsnitlig hastighed på 5 mm år-1 (ref. 18) for et tidsinterval mellem 0 og 5 Ma. Afhængigt af dybden, hvor injektionen finder sted, vil restsmelte fra fraktionering af den injicerede basalt begynde at akkumulere sig efter en vis inkubationstid (Supplerende fig. 1). Inkubationstidens afhængighed af injektionsdybden forklares ved, at værtsbjergarternes temperatur stiger med dybden i overensstemmelse med den geotermiske gradient (20 °C km-1 i modellen18 ). På dybere niveauer (dvs. varmere værtsbjergartstemperaturer) vil inkubationstiden for den første restsmeltedannelse derfor være kortere. Samtidig vil en kontinuerlig injektion af basaltisk smelte også resultere i en stigning i værtsbjergarternes temperatur, som efter en vis inkubationstid, der er forskellig fra den tid, hvor der dannes restsmelte, kan nå op på disse bjergarters solidus med deraf følgende delvis smeltning (delvis skorpeafsmeltning: supplerende fig. 1). Den resulterende smeltning fra hele denne proces er en sammensat hybridsmeltning, der stammer fra summen af rest- og skorpsmelten på ethvert tidspunkt siden injektionens begyndelse og i enhver dybde, hvor der sker basaltisk injektion (Supplerende fig. 1). Med tiden vil den akkumulerede smeltemængde i enhver specifik dybde stige, som det fremgår af supplerende figur 1. Smelteproduktiviteten på dybere skorpeniveauer vil være større end på lavere skorpeniveauer (Supplerende fig. 1).

Tabel 1 Indgangsparameterværdier, der er anvendt til Monte Carlo-simuleringerne. Simuleringerne er udført for en injektionshastighed på 5 mm år-1 af en basaltisk smelte ved 1200 °C gennem en skive med 7500 m radiusa (svarende til en magma flux på 0,0009 km3 år-1), ind i en skorpe karakteriseret ved en geotermisk gradient på 20 °C km-1 (ref. 18).

Mængden af opløst H2O i sådanne hybride smelter akkumuleret på forskellige dybder i skorpen og efter forskellige akkumuleringstider (dvs, tid siden begyndelsen af injektionsprocessen) kan bestemmes under hensyntagen til det oprindelige H2O-indhold i den primitive basaltiske smeltes og i skorpebjergarterne (Tabel 1) og afhængigheden af tryk- og smeltesammensætningen af H2O-opløseligheden i silikatskmelter19 (Supplerende figurer 2-4). Endelig bestemmes mængderne af Cu og Au i det udopløselige H2O ved at anvende et interval af passende fordelingskoefficienter for disse metaller mellem væske og silikatskmelte og passende Cu- og Au-indhold i smeltene (Tabel 1 og Supplerende figur 2). 5).

Metalindhold og tidsskalaer for Cu-Au-porfyrudfældninger

Plottet af Au vs. Cuindhold viser, at porfyr Cu-Au-udfældninger enten definerer en Cu-rig (Au/Cu ~4 × 10-6) eller en Au-rig (Au/Cu ~80 × 10-6) tendens (Fig. 1a). Den Au-rige tendens er hovedsagelig styret af de syv største guldforekomster (som indeholder næsten 60 % af guldet i porfyr Cu-Au-forekomsterne20 ). Disse syv forekomster (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg og Pebble) er alle forbundet med kalk-alkaline eller alkaliske bjergarter med høj K-værdi. Langs den Au-rige tendens findes der også alle andre mindre forekomster, der er forbundet med varierende alkaliske magmaer, og flere forekomster, der er forbundet med normale kalk-alkaliske magmaer (f.eks. Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau for blot at nævne nogle af de største af dem). I modsætning hertil er alle forekomster af den Cu-rige tendens kun associeret med normale kalkalkaline bjergarter.

Fig. 1: Metaludrustning, geokemi af associerede bjergarter og malmvarigheder for Cu-rige vs. Au-rige porfyrudfældninger.
Figur1

a Cu (Mt) vs. Au (tons) i porfyr Cu-Au-udfældninger; b malmvarighed (Ma) vs. Au (tons) i porfyr Cu-Au-udfældninger. Alle forekomsterne er nogenlunde fordelt langs enten den ene eller den anden af de to stiplede linjer, hvilket gør det muligt at identificere to forskellige familier af porfyry Cu-Au, nemlig de Cu-rige (Au/Cu ~ 4 × 10-6 og ~ 100 t Au Ma-1) og de Au-rige (Au/Cu ~ 80 × 10-6 og ~ 4 500 t Au Ma-1). De stiplede linjer repræsenterer gennemsnitshastighederne for Cu- og Au-aflejring og er ikke statistisk bedst tilpassede linjer; c Au (tons) vs. Sr/Y-gennemsnitsværdier for magmatiske bjergarter, der er forbundet med porfyriske Cu-Au-aflejringer. Søjlerne for Sr/Y-værdierne er 1 s.d. usikkerheder beregnet ud fra de tilgængelige Sr/Y-værdier af magmatiske bjergarter, der er forbundet med de enkelte forekomster (se supplerende data 1); d malmvarighed (Ma) vs. Cu (Mt) i porfyr Cu-Au-aflejringer. De søjler, der er forbundet med værdierne for malmvarighed, er propagerede 2 s.d. usikkerheder som forklaret i supplerende note 1. Forkortelser for porfyryaflejringer: Ak Aksug, BH Batu Hijau, Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chu Chuquicamata, Cn Cananea, EA El Abra, ES El Salvador, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Gr Grasberg, Ju Junin, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, Mt Marte, OK Ok Tedi, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Png Panguna, Po Potrerillos, Qu Qulong, RB Rio Blanco, RD Reko Diq, Sk Sk Skouries, Tk Toki. Bingham har to punkter (Bh og Bh2) på grund af forskellige tonnager rapporteret i forskellige undersøgelser (se Supplerende data 1).

De to forskellige tendenser kan også genkendes i et plot af Au-udbuddet vs. varigheden af malmdannelsesprocessen i porfyry Cu-Au-aflejringerne (Fig. 1b): i den Cu-rige aflejringstrend udfældes Au med en meget langsommere gennemsnitlig hastighed (~100 tons Au/Ma) end i den Au-rige aflejringstrend (~4500 tons Au/Ma). Den Au-rige tendens er styret af tre store Au-rige porfyrudfældninger (for hvilke der foreligger robuste geokronologiske data), som alle er forbundet med kalk-alkaline til alkaliske bjergarter med høj K-værdi (Grasberg, Bingham, Pebble), og af tre Au-rige udfældninger forbundet med kalk-alkaline bjergarter (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto og Batu Hijau). Alle mindre Au-rige porfyrier, der er forbundet med varierende alkaliske bjergarter, og flere af dem, der er forbundet med normale kalk-alkaliske bjergarter, falder på den Au-rige tendens. Igen er den Cu-rige tendens defineret af forekomster, der kun er forbundet med normale kalk-alkaliske bjergarter. Magmatiske bjergarter, der er forbundet med Au-rige porfyrudfældninger, er karakteriseret ved lavere Sr/Y-værdier (~50 for de største porfyr-Au-udfældninger)21 sammenlignet med bjergarter, der er forbundet med Cu-rige porfyrudfældninger (100 ± 50)2 (Fig. 1c og Supplerende data 1).

Mulige årsager til forskellige Cu- og Au-indhold

Chiaradia og Caricchi2 foreslog, at Cu-indholdet i Cu-rige porfyrudfældninger af andinsk type styres af to hovedparametre: mængden af magma, der genereres i midten af den lavere skorpe, hvilket bestemmer den maksimale mængde af leverbart Cu, og det samlede tidsinterval, i løbet af hvilket magma med sin væske- og kobberlast overføres til lavere niveauer, hvor væskeopløsning finder sted, og Cu udfældes. De mest gunstige betingelser for at opbygge de passende store mængder magmaer og væsker opstår som nævnt ovenfor i den midterste til nedre skorpe, hvor de modellerede magmaer giver Sr/Y-værdier (50-150), der ligger i samme størrelsesorden som dem for magmaer, der er forbundet med de største porfyriske Cu-aflejringer2. Den brede lineære korrelation mellem Cu-indholdet og varigheden af dannelsen af malmforekomster2 (Fig. 1d) tyder på, at processen med magma-, væske- og kobberoverførsel til lavere niveauer sker med samme gennemsnitlige hastighed for alle Cu-rige forekomster, og at dens varighed er den vigtigste parameter, der kontrollerer Cu-indholdet i disse forekomster. En lignende konklusion er også blevet draget af ref. 22. I plottet med Cu-udrustning i forhold til varigheden af malmudfældningsdannelsen (Fig. 1d) falder Au-rige udfældninger mod den nederste ende af den samme regressionstendens som de Cu-rige udfældninger, hvilket tyder på, at Cu-udrustningskontrollen og Cu-udfældningseffektiviteten er ens for både Cu-rige og Au-rige udfældningstyper.

I modsætning hertil tyder forekomsten af to forskellige lineære tendenser i Au-Cu-tonnagen og Au-tonnagens-borets varighed (Fig. 1a, b) på, at guldtilførslen styres af forskellige processer i Cu-rige vs. Au-rige aflejringer. Associeringen af de syv største Au-rige porfyrudfældninger med svagt alkaliske til alkaliske bjergarter (fig. 1a) kunne tyde på en form for petrogenetisk kontrol, som ikke er klart forstået8,23,24. På den anden side er Au-rige porfyrudfældninger med varierende store guldindhold også forbundet med normale kalk-alkaline magmatiske bjergarter (fig. 1a). Dette tyder på, at magmakemien ikke kan være den eneste kontrol for dannelsen af den Au-rige porfyrtrend. Her undersøger jeg tre hovedmekanismer, der kan være ansvarlige for dannelsen af Au-rige porfyrudfældninger og deres præferentielle, men ikke unikke, tilknytning til varierende alkaliske magmaer: (i) højere Au-indhold i alkaliske magmaer25 (og i kalkalkaliske magmaer, der er forbundet med Au-rige porfyrier), (ii) varierende værdier af Au’s fordelingskoefficient (KD) mellem væsker og smelter mellem væsker og smelter og (iii) forskellige udfældningseffektiviteter.

En udfældningseffektivitetskontrol for Au-indholdet

Monte Carlo-simuleringer viser, at hvis man antager en almindeligt anvendt udfældningseffektivitet på 50 % for både Au og Cu, vil magmamængder (~2000 km3) svarende til de højeste berigelser i kobber (~100 Mt Cu) i forbindelse med kalk-alkaline magmaer2 give Au i stor udstrækning (medianværdi på ~14.000 tons Au) i forhold til det maksimale guldindhold (~2700 tons Au) i Au-rige porfyrudfældninger (fig. 2c; endnu højere potentielle Au-gaver er forbundet med de største simulerede magmamængder i alkaliske systemer med en effektivitet på 50 %: Fig. 2d). Dette tyder på, at afkoblingen mellem Cu- og Au-indholdet i Cu-rige og Cu-rige pyramidefaser i de forskellige typer af pyramider. Au-rige forekomster er usandsynligt kun relateret til Au-berigelse i alkaliske magmaer sammenlignet med kalk-alkaliske magmaer25,26 , fordi sidstnævnte kan opløse væsker med stort set nok guld til at danne de største Au-rige porfyrforekomster. Heller ikke varierende Fluid-Melt KD-værdier af Au kan forklare det udtømte Au-indhold i Cu-rige aflejringer. Ved at anvende intervaller af almindelige Fluid-Melt KD-værdier for Au (10-100)27 og Cu (2-100)2 og udfældningseffektiviteter på 50 % for både Au og Cu, resulterer Monte Carlo-simuleringer i væsker med Au/Cu-værdier, der er meget højere end dem, der er registreret i naturlige Au-rige porfyrudfældninger for både kalkalkaline og alkaliske magmaer (Fig. 3a, b). Det er umuligt at reproducere de lave Au/Cu-værdier i Cu-rige aflejringer, medmindre der antages urimeligt lave KD-værdier for Au (“1) mellem væske og smelte (Fig. 3c). Desuden har modellerede og geologiske væsker, der er opløst fra magmaer (vulkanske emissioner og enkeltfasevæske fra porfyrforekomster), meget ens Au/Cu-værdier (fig. 3, tabel 2). Dette understøtter påstanden om, at Au og Cu i magma-afledte væsker forekommer i koncentrationer, der er i overensstemmelse med dem, der er opnået ved hjælp af eksperimentelt bestemte væske-smelt KD-værdier for Au og Cu.

Fig. 2: Monte Carlo-simuleringer af exsolvent guld og forholdet til magma-volumener.
Figur2

Densitetsplots af Monte Carlo-simuleringerne (>25.000) viser, at både calc-alkaline (a) og alkaliske (b) magmatiske systemer potentielt kan exsolvere væsker, i løbet af porfyrudfældningernes levetid, som er angivet ved geokronologi, transportere og udfælde (50 % effektivitet) meget større mængder guld end dem, der er registreret i de porfyrudfældninger, der er rigest på Au; c histogram af det guld, der kan opløses (50 % effektivitet) for det magmavolumenområde (1750-2250 km3), der er forbundet med de største Cu-indhold (50 % udfældningseffektivitet) i kalk-alkaline magmatiske systemer: dette svarer til tæthedsfordelingen af simuleringerne af exsolverbart Au for volumenintervallet 1750-2250 km3 i (a); d histogram af exsolverbart guld (50% effektivitet) for det største magmavolumeninterval (1000-1500 km3) opnået i simuleringerne for alkaliske magmaer.

Fig. 3: Monte Carlo-simuleringer (grå prikker; >7000) af Au- og Cu-udladningerne opnået for forskellige væske-smelt KD-værdier for Au.
Figur3

Anvendelse af et interval af almindeligt accepterede KD-værdier for Au (10-100)27 og Cu (2-100)2 resulterer i opløste væsker med ekstremt høje Au/Cu-værdier både for alkaliske (a) og kalk-alkaliske (b) magmaer. De meget lave Au/Cu-værdier i Cu-rige aflejringer kan kun opnås ved at antage urealistisk lave KD-værdier (“1”) for Au (c). Desuden vises Au/Cu-forholdet for vulkanske emissioner og enkeltfasevæske fra porfyrforekomster (orange felt: tabel 2) og fra kalk-alkaline og alkaliske bjergarter (rødt felt: tabel 2). Forkortelser for porfyrudfældninger: Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Gr Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Po Potrerillos, RB Rio Blanco, RD Reko Diq. Bingham har to punkter (Bh og Bh2) på grund af forskellige tonnager, der er rapporteret i forskellige undersøgelser (se supplerende data 1).

Tabel 2 Au/Cu-værdier for porfyrtendenserne og de forskellige geologiske materialer.

Plottet i figur 2 og 3 tyder således på, at de forskellige Au/Cu-tendenser i Au-rige og Cu-rige aflejringer kan skyldes forskellige Au-udfældningseffektiviteter. Faktisk reproduceres de to porfyriske tendenser i Au-Cu-rummet godt af Monte Carlo-simuleringer udført for guldudfældningseffektiviteter, der er lavere end Cu-effektiviteterne med en faktor ~6-15 i Au-rige aflejringer og med en faktor ~75 i Cu-rige aflejringer (Fig. 4a, b; se Metoder for flere detaljer). Dette udmønter sig i Au-udfældningseffektiviteter, der er ~5-12 gange højere i Au-rige porfyrier end i Cu-rige porfyrier (Fig. 4a, b og Metoder).

Fig. 4: Monte Carlo-simuleringer (lysegrå prikker; N > 20.000) for tendenserne i Cu-rige og Au-rige porfyriforekomster.
Figur4

a Simuleringer udført for Au-udfældningseffektiviteter, der er ca. fem gange højere for den alkaliske systemrelaterede Au-rige tendens end for den kalk-alkaliske systemrelaterede Cu-rige tendens (se tekst, Metoder og Tabel 1); b simuleringer udført for Au-udfældningseffektiviteter, der er ~12 gange højere for den kalk-alkaline systemrelaterede Au-rige tendens end for den kalk-alkaline systemrelaterede Cu-rige tendens (se tekst, metoder og tabel 1). Desuden vises Au/Cu-forholdet for vulkanske emissioner og enkeltfasevæske fra porfyrforekomster (orange felt: tabel 2) og fra kalk-alkaline og alkaliske bjergarter (rødt felt: tabel 2). Forkortelser for porfyrudfældninger: Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Gr Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Po Potrerillos, RB Rio Blanco, RD Reko Diq. Bingham har to punkter (Bh og Bh2) på grund af forskellige tonnager rapporteret i forskellige undersøgelser (se Supplerende data 1).

En øget udfældningseffektivitet af Au, der resulterer i den Au-rige tendens i porfyrudfældninger, kan skyldes hhv: (i) den mindre dybde, hvor Au-rige aflejringer dannes28 og (ii) den højere stabilitet af hydrosulfidguld i alkaliholdige væsker24. Som detaljeret diskuteret i ref. 28, falder guld- og kobberopløseligheden i lavvandede porfyrsystemer (<~3 km) hurtigt i en ekspanderende S-rig damp, som bærer begge metaller. Resultatet er samudfældning af Cu og Au og høje Au/Cu-værdier. I dybere porfyrsystemer (>~3 km) dominerer der derimod en enfaset væske, hvorfra hovedsagelig Cu udfældes ved afkøling, mens Au forbliver i opløsning i en tæt dampfase. Ifølge ref. 24 øger tilstedeværelsen af alkaliske klorider stærkt guldets opløselighed i H2S-holdige væsker og kunne forklare associeringen af Au-rige porfyrudfældninger med alkaliske magmaer, hvorfra der angiveligt opløses væsker med højere indhold af alkaliske klorider.

En yderligere faktor, der er ansvarlig for afkobling af guld og kobber i nogle specifikke porfyrforekomster, kunne være det magmatisk-hydrotermiske systems reducerede natur, enten iboende i magmaen eller som følge af væskernes interaktion med reducerede værtsbjergarter29. I modsætning til Cu, hvis opløselighed mindskes i reducerede malmvæsker, kan guld transporteres i lignende koncentrationer af malmvæsker uafhængigt af deres oxidationstilstand29. Derfor er det blevet foreslået, at reducerede magmatisk-hydrotermiske systemer kan være ansvarlige for dannelsen af nogle Au-rige porfyrudfældninger30.

En tektonisk kontrol for Cu vs. Au-indholdet

I subduktionsbuer af andinsk type fører langvarige kompressionsperioder (>2 Ma) til ophobning af varierende store magmamængder i dybe skorpeniveauer med en typisk kalk-alkalisk signatur, der er kendetegnet ved høje Sr/Y-værdier2,31. I en sådan sammenhæng dannes porfyry Cu-rige aflejringer, fordi de hovedsagelig afhænger af store magmamængder, der akkumuleres i midten af den lavere skorpe i løbet af kompressionsperioden, og af den efterfølgende varighed af magmatisk-hydrotermisk udsivning af det dybe reservoir til den mindre dybe skorpe, hvor malmaflejring finder sted. Under denne proces udfældes guld med en lav gennemsnitlig hastighed (Fig. 1b), fordi væsker, der opløses fra disse kalk-alkaliske magmaer, har en ringe udfældningseffektivitet for guld (~75 gange mindre end Cu-udfældningseffektiviteten: se ovenfor). Dette skyldes sandsynligvis en gennemsnitlig dyb dannelse af Cu-rige aflejringer i en sådan sammenhæng28 og måske ineffektiv kemi i de tilknyttede væsker24. Figur 5a, b viser, at de største Cu-rige porfyrudfældninger (>30 Mt Cu), der er forbundet med kalk-alkaline magmaer, forekommer i dybder >~3 km og har guldudbytter på <500 tons Au. I dette tilfælde kan en betydelig mængde guld gå tabt til vulkanske emissioner, som har tilsvarende høje Au/Cu-værdier som dem i de magmatiske bjergarter og som dem i enkeltfasevæsker, der er opløst fra magmaer ved højt tryk (Fig. 5a, b).

Fig. 5: Dybde af dannelse vs. Cu/Au-molforholdet i porfyriske Cu-Au-aflejringer og Sr/Y-gennemsnitsværdier for tilknyttede magmatiske bjergarter.
Figur5

Størrelsen af symbolerne svarer til forskellige kobber- (a) og guld- (b, c) tonnager som angivet i legenden. De grønne og blå farver på symbolerne henviser til henholdsvis calc-alkaline (CA) og høj-K calc-alkaline til alkaline (K) magmatiske systemer. Fejlstængerne i forbindelse med dybdeværdierne er fra ref. 28 (Supplerende data 1). Søjlerne for Sr/Y-værdier er 1 s.d. usikkerheder beregnet ud fra de tilgængelige Sr/Y-værdier af magmatiske bjergarter, der er forbundet med hver forekomst (se Supplerende data 1). Forkortelser for porfyrudfældninger: Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Chu Chuquicamata, Dz Dizon, ES El Salvador, FSE Far Southeast-Lepanto, Gl Granisle, Gr Grasberg, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, PEs Pampa Escondida, Png Panguna, RD Reko Diq, SR Chino/Santa Rita. Andre forkortelser: K = Cu/Au-moralforholdet i alkaliske bjergarter; CA = Cu/Au-moralforholdet i kalk-alkaliske bjergarter; PF = Cu/Au-moralforholdet i enfasede porfyriske væsker; VE = Cu/Au-moralforholdet i vulkanske emissioner (tabel 2).

I sene til post-subduktions- og post-kollisionssituationer er svagt alkaliske til alkaliske magmaer forbundet med udvidelse6 eller med bueomvendelse i tyndere øbuer26 (f.eks, Grasberg13,14, Bingham11 og Kisladag32). Udvidelse begunstiger opstigning, udvikling og placering af magmaer på lavere skorpeniveauer33,34 , mens tyndere skorpe resulterer i lavere gennemsnitlige niveauer for magmaudvikling31. De generelt lavere Sr/Y-værdier (~50) for varierende alkaliske (og nogle kalkalkaliske) magmaer, der er forbundet med Au-rige porfyrudfældninger (Fig. 1c), understøtter deres udvikling på gennemsnitligt lavere skorpeniveauer, fordi Sr/Y er en proxy for dybden af magmaudviklingen31,35,36. Alle Au-rige porfyrudfældninger, der er forbundet med varierende alkaliske magmaer, er faktisk dannet på lavt skorpeniveau (<~3 km; Fig. 5b), hvilket højst sandsynligt skyldes, at disse magmaer er forbundet med tektoniske (udvidelse) og geodynamiske (tyndere skorpe) kontekster, der begunstiger deres placering på lavt skorpeniveau.

I modsætning hertil omfatter porfyrudfældninger, der er forbundet med kalk-alkaline magmatiske bjergarter, et bredere spektrum af dannelsesdybder, men kun de lavvandede (<~3 km) systemer kan være forbundet med store (>500-<1500 tons Au) Au-rige porfyrer (Fig. 5b). Dette tyder på, at magmaplacering på lavt niveau og deraf følgende dannelse af Au-rige systemer også kan forekomme i forbindelse med kalk-alkaline magmaer både i subduktionsmiljøer af Andet-typen (f.eks. Maricunga Au-rige porfyrsystemer37), f.eks. under ekstensionsperioder indskudt i et overordnet kompressionsregime38,39, og i skorpemæssigt tyndere ø-bue-miljøer, f.eks. under bue-parallel udvidelse i forbindelse med kollision (f.eks, Batu Hijau40 og Grasberg14).

Som støtte for ovenstående argumenter korrelerer Sr/Y-gennemsnitsværdierne for både calc-alkaliske og variabelt alkaliske magmatiske systemer (som er en proxy for den gennemsnitlige dybde af magmaudviklingen: se ovenfor) med dybden af porfyrdannelsen (Fig. 5c; den eneste undtagelse er Chino-Santa Rita): med andre ord, jo mindre eller dybere den gennemsnitlige magmaudvikling i jordskorpen er (uafhængigt af magmakemien), jo mindre eller dybere er magmaens placering i den øvre jordskorpe og den deraf følgende porfyrdannelse. Dette er højst sandsynligt en konsekvens af, at begge disse processer styres af skorpeens tykkelse og tektonisk regime (kompression vs. udvidelse).

Den tydelige tilknytning af de største Au-rige porfyrudfældninger til svagt alkaliske til alkaliske magmatiske bjergarter (Fig. 1a) kræver ikke desto mindre yderligere faktorer, der yderligere øger deres guldudrustning. En sammenligning af Monte Carlo-modellering for Au-rige alkaliske og kalk-alkaliske systemer (Fig. 4a, b) tyder på, at det højere guldindhold i Au-rige porfyrudfældninger, der er forbundet med alkaliske magmaer, kan forklares med det højere guldindhold i de alkaliske magmaer. En anden faktor, der øger Au-indholdet i Au-rige porfyrudfældninger i forbindelse med alkaliske systemer, kunne være den gunstige kemi i de væsker, der er forbundet med sådanne magmaer24.

På den anden side er udviklingen af magmaer i den lavvandede skorpe ikke gunstig for dannelsen af de størst mulige magmavolumener og Cu-indhold2,33. Derfor kan lavt dannede aflejringer ikke nå op på de mest fremragende Cu-indhold (>50 Mt Cu) i magmatiske systemer, der er forbundet med typiske subduktioner af Andet-typen under tyk kontinentalskorpe (Fig. 1d).

En proces i flere trin for Cu-Au-indholdet

Da dybden af porfyrdannelsen og kemien af magmaer og tilknyttede væsker synes at styre den Au-rige vs. Cu-rige karakter af porfyry Cu-Au-aflejringer, tyder stigningerne i Cu- og Au-indholdet med malmaflejringens varighed (fig. 1b, d) på, at det endelige Cu- og Au-indhold i disse aflejringer bestemmes af det kumulative antal mineraliseringstrin41,42 , som i sidste ende kontrolleres af magmavolumen og malmprocessens varighed2. Forskellen er, at variabelt alkaliske systemer og lavvandede kalk-alkaliske systemer i overfladisk skorpe i sagens natur er forbundet med magmaer, hvis væsker er tektonisk (dvs. overfladisk placering: ref. 28) og kemisk24 optimeret til en høj guldudfældningseffektivitet. I modsætning hertil dannes typiske calc-alkaline (høj Sr/Y) magmaer i en geodynamisk kontekst, der begunstiger enorme magmaakkumulationer, som er nødvendige for at producere behemothiske Cu-rige aflejringer2 , men de er indlejret i dybder, hvor de exsolvente væsker er mindre effektive til guldudfældning.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.