Datensammlung und Filterung

Metallausstattungen, Gesteinsgeochemie (Sr/Y-Werte, Magmaaffinität in Bezug auf Alkalinität) und geochronologische Daten von 118 porphyrischen Cu-Au-Lagerstätten (ergänzende Daten 1) wurden aus früheren Studien und aus Online-Ressourcen (USGS Porphyry Copper deposits of the world unter http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Die verfügbaren Sr/Y-Werte der magmatischen Gesteine, die mit jeder Porphyrlagerstätte in Verbindung stehen, wurden gemittelt und die zugehörigen Werte für eine Standardabweichung berechnet (ergänzende Daten 1).

Die magmatische Affinität in Bezug auf die Alkalinität der magmatischen Gesteine, die mit den Lagerstätten in Verbindung stehen, wurde größtenteils aus einer früheren Studie7 abgeleitet und durch Daten aus zusätzlichen Studien ergänzt, die an Porphyrlagerstätten durchgeführt wurden, über die in der Referenzstudie nicht berichtet wurde. 7 (Ergänzende Daten 1). Im letztgenannten Fall wurde die magmatische Affinität anhand der K2O-Anreicherung in einem K2O/SiO2-Diagramm16 bewertet, das die Unterscheidung der Gesteine in kalkalkalisch, kalkreich-alkalisch und alkalisch (shoshonitisch) ermöglicht. Wenn keine geochemischen Analysen verfügbar waren, erfolgte die Unterscheidung anhand der Nomenklatur der zugehörigen porphyrischen Gesteine (Einzelheiten siehe Methoden).

Die hier angegebenen Cu- und Au-Gehalte (ergänzende Daten 1) sind zweifellos mit Unsicherheiten behaftet, wie die unterschiedlichen Werte, die von verschiedenen Quellen für dieselbe Lagerstätte gemeldet wurden (ergänzende Daten 1), und die Verfeinerung der Reserven und Ressourcen im Laufe der Zeit zeigen. Die Gesamtspanne der Metallgehalte aller Porphyrvorkommen der Welt umfasst jedoch mehrere Größenordnungen, was viel größer ist als die möglichen Unsicherheiten bei den Metallgehalten einer einzelnen Lagerstätte.

Ein weiterer Punkt, der hervorzuheben ist, ist, dass mehrstufige Lagerstätten wie Grasberg durch einzelne Erzkörper gekennzeichnet sind, die zu unterschiedlichen Zeiten entstanden sind und variable Cu/Au-Verhältnisse aufweisen können. In Grasberg weist die Mineralisierung im Dalam-Gestein und im Ertsberg-Körper ein etwas höheres Cu/Au-Verhältnis (~2,0; wobei Cu in Gew.-% und Au in g t-1 angegeben ist) auf als alle anderen Erzkörper (0,75-1,40) und als der gesamte Grasberg-Ertsberg-Distrikt (~1,0)14. Die Gründe für diese lokalen Unterschiede liegen in der Überprägung durch nachfolgende Erzstufen und in der unterschiedlichen Tiefe der Erzbildung14 (die höheren Cu/Au-Werte der Erze sowohl im Dalam-Gestein als auch am Ertsberg gehen mit höheren Molybdängehalten in den tieferen Teilen der Erzkörper einher). Im Folgenden habe ich die Au- und Cu-Ausstattung des gesamten Grasberg-Ertsberg-Distrikts betrachtet, die die Au/Cu-Verhältnisse der größten Mehrheit (>90% in Bezug auf die Tonnage)14 der Erzkörper des Distrikts widerspiegelt.

Die verwendeten geochronologischen Daten über Porphyrlagerstätten (ergänzende Daten 1 und ergänzende Anmerkung 1) wurden mit modernsten Techniken17 (U-Pb-Datierung von Zirkonen von Porphyrintrusionen durch CA-ID-TIMS, SHRIMP und LA-ICPMS, Re-Os-Alter von Molybdänit durch N-TIMS, 40Ar/39Ar-Datierung von hydrothermalen Mineralien: Ergänzende Anmerkung 1) in den letzten 20 Jahren und die meisten von ihnen (15 von 22) in den letzten 10 Jahren. Die Daten wurden in Verbindung mit den Interpretationen der Autoren dieser Studien verwendet, um die Gesamtdauer des Erzmineralisierungsprozesses zu berechnen, d. h. das zeitliche Intervall, das so weit wie möglich den Großteil des Mineralisierungsprozesses in einer bestimmten Lagerstätte umfasst (ergänzende Daten 1 und ergänzende Anmerkung 1). Dies geschah entweder durch zeitliche Einklammerung unter Verwendung von U-Pb-Zirkon-Datierungen aus der Zeit vor dem Erz und aus der Zeit zwischen und nach dem Erz oder durch Re-Os-Datierungen von Molybdänit aus mehreren Erzstufen, die durch 40Ar/39Ar-Datierungen von mit dem Erz assoziierten Alterationsmineralen textlich eingegrenzt wurden (siehe ergänzende Anmerkung 1 für eine detaillierte Beschreibung, wie die Gesamtdauer des Mineralisierungsprozesses für jede Lagerstätte ermittelt wurde). Dies gilt insbesondere für die größten zusammengesetzten Porphyrsysteme, wie z. B. Chuquicamata, Rio Blanco und Grasberg. Wegen der unvermeidlichen Unterbeprobung sind die so ermittelten Zeitintervalle Annäherungen erster Ordnung an die tatsächliche Dauer der Mineralisierungsereignisse in jeder Porphyrlagerstätte. Es ist jedoch bezeichnend, dass in verschiedenen Studien ähnliche Werte für die Dauer der Erzprozesse ermittelt wurden, wenn diese für dieselbe Lagerstätte verfügbar waren (z. B., El Teniente, Grasberg und Chuquicamata; ergänzende Daten 1).

Petrologische Modellierung

Monte-Carlo-Modellierung petrologischer Prozesse (Methoden und Tabelle 1) wurde angewandt, um Informationen über metallogene Prozesse zu gewinnen, die die Cu- und Au-Ausstattung von Porphyrlagerstätten und ihre Entstehungszeit erklären können (siehe oben). Ich habe die Massenbilanz und den petrologischen Ansatz von Ref. 2 verwendet, um die Magmavolumina und die Mengen an Flüssigkeit, Cu und Au, die aus diesen Magmen herausgelöst werden können, sowie deren SiO2-Gehalt abzuschätzen (für Einzelheiten siehe Methoden, ergänzende Abbildungen 1-5 und ergänzende Tabelle 1). Die Magmamassen und -volumina wurden anhand der thermodynamischen Bedingungen bestimmt, die in Ref. 18 beschriebenen thermodynamischen Bedingungen für die Entstehung von Schmelzen in heißen Krustenzonen. In dem Modell wird basaltische Schmelze in die Kruste in variablen Tiefen mit einer festen, typischen Langzeit-Durchschnittsrate von 5 mm pro Jahr-1 (Ref. 18) für ein Zeitintervall zwischen 0 und 5 Ma injiziert. Abhängig von der Tiefe, in der die Injektion erfolgt, beginnt sich die Restschmelze aus der Fraktionierung des injizierten Basalts nach einer bestimmten Inkubationszeit zu akkumulieren (ergänzende Abb. 1). Die Abhängigkeit der Inkubationszeit von der Injektionstiefe erklärt sich aus der Tatsache, dass die Temperatur des Wirtsgesteins mit der Tiefe entsprechend dem geothermischen Gradienten (20 °C km-1 im Modell18) zunimmt. Daher sind die Inkubationszeiten für die anfängliche Restschmelzebildung in tieferen Schichten (d. h. bei heißeren Wirtsgesteinstemperaturen) kürzer. Gleichzeitig führt die kontinuierliche Injektion der basaltischen Schmelze auch zu einer Erhöhung der Temperatur der Wirtsgesteine, die nach einer bestimmten Inkubationszeit, die sich von der für die Bildung der Restschmelze unterscheidet, den Solidus dieser Gesteine erreichen kann, was zu deren teilweisem Aufschmelzen führt (partielle Krustenschmelze: Ergänzende Abb. 1). Die aus all diesen Prozessen resultierende Schmelze ist eine zusammengesetzte Hybridschmelze, die sich aus der Summe der Restschmelze und der Krustenschmelze zu jedem Zeitpunkt seit Beginn der Injektion und in jeder Tiefe, in der die basaltische Injektion stattfindet, ergibt (ergänzende Abb. 1). Im Laufe der Zeit nimmt die in einer bestimmten Tiefe akkumulierte Schmelzmenge zu, wie die ergänzende Abbildung 1 zeigt. Die Schmelzproduktivität in tieferen Krustenschichten wird größer sein als in flacheren Krustenschichten (ergänzende Abb. 1).

Die Menge an gelöstem H2O in solchen Hybridschmelzen akkumuliert sich in verschiedenen Krustentiefen und nach verschiedenen Akkumulationszeiten (d.h., Zeit seit Beginn des Injektionsprozesses) kann unter Berücksichtigung der H2O-Ausgangsgehalte der primitiven basaltischen Schmelze und der Krustengesteine (Tabelle 1) sowie der Abhängigkeit der H2O-Löslichkeit in Silikatschmelzen von Druck und Schmelzzusammensetzung bestimmt werden19 (ergänzende Abbildungen 2-4). Schließlich werden die Mengen von Cu und Au im exsolvierbaren H2O bestimmt, indem eine Reihe geeigneter Verteilungskoeffizienten für diese Metalle zwischen Flüssigkeit und Silikatschmelze und entsprechende Cu- und Au-Gehalte in den Schmelzen verwendet werden (Tabelle 1 und ergänzende Abb. 5).

Metallausstattungen und Zeitskalen von Cu-Au-Porphyr-Lagerstätten

Die Darstellung von Au gegen Cu-Ausstattungen zeigt, dass porphyrische Cu-Au-Lagerstätten entweder einen Cu-reichen (Au/Cu ~4 × 10-6) oder einen Au-reichen (Au/Cu ~80 × 10-6) Trend definieren (Abb. 1a). Der Au-reiche Trend wird im Wesentlichen von den sieben größten Goldlagerstätten kontrolliert (die fast 60 % des Goldes der porphyrischen Cu-Au-Lagerstätten enthalten20). Diese sieben Lagerstätten (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg und Pebble) sind alle mit kalkhaltigen oder alkalischen Gesteinen verbunden. Entlang des Au-reichen Trends befinden sich auch alle anderen kleineren Lagerstätten, die mit unterschiedlich alkalischen Magmen assoziiert sind, sowie mehrere Lagerstätten, die mit normalen kalkalkalischen Magmen assoziiert sind (z. B. Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau, um nur einige der größten zu nennen). Im Gegensatz dazu sind alle Lagerstätten des Cu-reichen Trends nur mit normalen kalkalkhaltigen Gesteinen assoziiert.

Die beiden unterschiedlichen Trends sind auch in einem Diagramm der Au-Ausstattungen vs. der Dauer des Erzbildungsprozesses der porphyrischen Cu-Au-Lagerstätten (Abb. 1b): im Cu-reichen Lagerstättentrend wird Au mit einer viel langsameren durchschnittlichen Rate (~100 t Au/Ma) ausgeschieden als im Au-reichen Lagerstättentrend (~4500 t Au/Ma). Der Trend zu den Au-reichen Lagerstätten wird von drei großen Au-reichen Porphyrlagerstätten (für die robuste geochronologische Daten vorliegen), die alle mit kalkalkhaltigen bis alkalischen Gesteinen assoziiert sind (Grasberg, Bingham, Pebble), sowie von drei Au-reichen Lagerstätten, die mit kalkalkhaltigen Gesteinen assoziiert sind (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto und Batu Hijau), kontrolliert. Alle kleineren Au-reichen Porphyre, die mit variabel alkalischen Gesteinen assoziiert sind, und mehrere, die mit normalen kalkalkalischen Gesteinen assoziiert sind, liegen auf dem Au-reichen Trend. Der Cu-reiche Trend wird wiederum durch Lagerstätten definiert, die nur mit typischen kalkalkalischen Gesteinen assoziiert sind. Magmatische Gesteine, die mit Au-reichen Porphyr-Lagerstätten assoziiert sind, zeichnen sich durch niedrigere Sr/Y-Werte aus (~50 für die größten porphyrischen Au-Lagerstätten)21 im Vergleich zu Gesteinen, die mit Cu-reichen Porphyr-Lagerstätten assoziiert sind (100 ± 50)2 (Abb. 1c und ergänzende Daten 1).

Mögliche Ursachen für unterschiedliche Cu- und Au-Ausstattungen

Chiaradia und Caricchi2 schlugen vor, dass die Cu-Ausstattung von kupferreichen Porphyrlagerstätten des Anden-Typs von zwei Hauptparametern gesteuert wird: dem Magmavolumen, das in mittleren und unteren Krustentiefen erzeugt wird, was die maximale Menge an lieferbarem Cu bestimmt, und dem Gesamtzeitintervall, in dem das Magma mit seiner flüssigen und kupferhaltigen Ladung in flachere Schichten verlagert wird, wo es zur Flüssigkeitsauslösung kommt und Cu ausgefällt wird. Die günstigsten Bedingungen für die Bildung entsprechend großer Mengen an Magmen und Fluiden finden sich, wie bereits erwähnt, in der mittleren bis unteren Kruste, wo die modellierten Magmen Sr/Y-Werte (50-150) aufweisen, die im gleichen Bereich liegen wie die von Magmen, die mit den größten porphyrischen Cu-Lagerstätten in Verbindung stehen2. Die breite lineare Korrelation zwischen der Cu-Ausstattung und der Dauer der Bildung von Erzlagerstätten2 (Abb. 1d) deutet darauf hin, dass der Prozess des Magma-, Fluid- und Kupfertransfers in flachere Schichten bei allen Cu-reichen Lagerstätten mit einer ähnlichen durchschnittlichen Geschwindigkeit abläuft und dass seine Dauer der Hauptparameter ist, der die Cu-Ausstattung in diesen Lagerstätten steuert. Zu einer ähnlichen Schlussfolgerung gelangte auch die Ref. 22. Im Diagramm Cu-Ausstattung vs. Dauer der Erzlagerstättenbildung (Abb. 1d) fallen die Au-reichen Lagerstätten an das untere Ende desselben Regressionstrends wie die Cu-reichen Lagerstätten, was darauf hindeutet, dass die Cu-Ausstattung und die Effizienz der Cu-Ausfällung für die beiden Lagerstättentypen Cu-reich und Au-reich ähnlich sind.

Im Gegensatz dazu deutet das Auftreten von zwei unterschiedlichen linearen Trends in den Diagrammen für die Au-Cu-Tonnage und die Au-Tonnage-Bohrdauer (Abb. 1a, b) darauf hin, dass die Goldausstattung in Cu-reichen und Au-reichen Lagerstätten durch unterschiedliche Prozesse gesteuert wird. Die Assoziation der sieben größten Au-reichen Porphyr-Lagerstätten mit leicht alkalischen bis alkalischen Gesteinen (Abb. 1a) könnte auf eine Art petrogenetische Kontrolle hindeuten, die nicht eindeutig geklärt ist8,23,24. Andererseits sind Au-reiche Porphyrvorkommen mit unterschiedlich großen Goldgehalten auch mit normalen kalkalkalischen magmatischen Gesteinen verbunden (Abb. 1a). Dies deutet darauf hin, dass die Magmachemie nicht die einzige Kontrolle über die Bildung des Au-reichen Porphyrtrends sein kann. Hier untersuche ich drei Hauptmechanismen, die für die Bildung von Au-reichen Porphyrvorkommen und ihre bevorzugte, aber nicht einzigartige Assoziation mit unterschiedlich alkalischen Magmen verantwortlich sein könnten: (i) höhere Au-Gehalte in alkalischen Magmen25 (und in kalkalkalischen Magmen, die mit Au-reichen Porphyren assoziiert sind), (ii) unterschiedliche Fluid-Schmelze-Verteilungskoeffizienten (KD)-Werte von Au zwischen Fluiden und Schmelzen und (iii) unterschiedliche Ausscheidungseffizienzen.

Eine Kontrolle der Ausscheidungseffizienz für die Au-Ausstattung

Monte-Carlo-Simulationen zeigen, dass unter der Annahme einer allgemein verwendeten Ausscheidungseffizienz von 50 % sowohl für Au als auch für Cu Magmavolumina (~2000 km3), die den höchsten Kupferanreicherungen (~100 Mio. t Cu) in Verbindung mit kalkalkhaltigen Magmen2 entsprechen, Au in großem Überschuss (Medianwert von ~14.000 t Au) zur maximalen Goldausstattung (~2700 t Au) von Au-reichen Porphyrlagerstätten liefern würden (Abb. 2c; die größten simulierten Magmavolumina alkalischer Systeme mit einem Wirkungsgrad von 50 % weisen eine noch höhere potenzielle Au-Ausstattung auf: Abb. 2d). Dies deutet darauf hin, dass die Entkopplung zwischen der Cu- und Au-Ausstattung in Cu-reichen vs. Es ist unwahrscheinlich, dass das Auftreten von Au-reichen Lagerstätten nur mit der Au-Anreicherung in alkalischen Magmen im Vergleich zu kalkalkalischen Magmen25,26 zusammenhängt, denn letztere können Fluide mit weitgehend ausreichendem Goldgehalt zur Bildung der größten Au-reichen Porphyrlagerstätten herauslösen. Ebenso wenig können unterschiedliche KD-Werte von Au in der Schmelze die geringen Au-Gehalte in Cu-reichen Lagerstätten erklären. Tatsächlich ergeben Monte-Carlo-Simulationen unter Verwendung von Bereichen üblicher Fluid-Schmelze-KD-Werte für Au (10-100)27 und Cu (2-100)2 und einer Ausscheidungseffizienz von 50 % sowohl für Au als auch für Cu Fluide mit Au/Cu-Werten, die viel höher sind als die in natürlichen Au-reichen Porphyr-Lagerstätten sowohl für kalkalkalische als auch für alkalische Magmen (Abb. 3a, b). Es ist unmöglich, die niedrigen Au/Cu-Werte von Cu-reichen Lagerstätten zu reproduzieren, es sei denn, es werden unangemessen niedrige Fluid-Schmelz-KD-Werte für Au (“1) angenommen (Abb. 3c). Darüber hinaus weisen modellierte und geologische Fluide, die aus Magmen (vulkanische Emissionen und einphasige Fluide von Porphyrlagerstätten) gelöst werden, sehr ähnliche Au/Cu-Werte auf (Abb. 3, Tabelle 2). Dies stützt die Behauptung, dass Au und Cu in aus Magmen gewonnenen Fluiden in Konzentrationen vorkommen, die mit denen übereinstimmen, die anhand experimentell ermittelter Fluid-Schmelze-KD-Werte von Au und Cu ermittelt wurden.

Die Darstellungen in den Abbildungen 2 und 3 deuten also darauf hin, dass die unterschiedlichen Au/Cu-Trends von Au-reichen und Cu-reichen Lagerstätten auf unterschiedliche Au-Ausscheidungseffizienzen zurückzuführen sein könnten. Tatsächlich werden die beiden Porphyr-Trends im Au-Cu-Raum durch Monte-Carlo-Simulationen gut wiedergegeben, die für Goldausscheidungseffizienzen durchgeführt wurden, die in Au-reichen Lagerstätten um einen Faktor von ~6-15 und in Cu-reichen Lagerstätten um einen Faktor von ~75 niedriger sind als die von Cu (Abb. 4a, b; siehe Methoden für weitere Einzelheiten). Dies bedeutet, dass die Effizienz der Au-Fällung in Au-reichen Porphyren ~5-12 mal höher ist als in Cu-reichen Porphyren (Abb. 4a, b und Methoden).

Eine erhöhte Ausscheidungseffizienz von Au, die zu dem Au-reichen Trend der Porphyrlagerstätten führt, könnte zurückzuführen sein auf: (i) die geringere Tiefe, in der sich Au-reiche Lagerstätten bilden28 und (ii) die höhere Stabilität von Hydrosulfidgold in alkalireichen Flüssigkeiten24. Wie in Ref. 28 ausführlich erörtert, nimmt die Löslichkeit von Gold und Kupfer in flachen Porphyrsystemen (<~3 km) in einem expandierenden S-reichen Dampf, der beide Metalle mit sich führt, rasch ab. Das Ergebnis ist die Ko-Präzipitation von Cu und Au und hohe Au/Cu-Werte. Im Gegensatz dazu herrscht in tieferen Porphyrsystemen (>~3 km) eine einphasige Flüssigkeit vor, aus der beim Abkühlen hauptsächlich Cu ausfällt, während Au in einer dichten Dampfphase in Lösung bleibt. Nach Ref. 24 erhöht das Vorhandensein von Alkalichloriden die Löslichkeit von Gold in H2S-haltigen Fluiden stark und könnte die Assoziation von Au-reichen Porphyrlagerstätten mit alkalischen Magmen erklären, aus denen vermutlich Fluide mit höheren Gehalten an Alkalichloriden herausgelöst werden.

Ein zusätzlicher Faktor, der für die Entkopplung von Gold und Kupfer in einigen spezifischen Porphyrlagerstätten verantwortlich ist, könnte die reduzierte Beschaffenheit des magmatisch-hydrothermalen Systems sein, die entweder dem Magma innewohnt oder aus der Interaktion der Fluide mit reduziertem Wirtsgestein resultiert29. Anders als Cu, dessen Löslichkeit in reduzierten Erzflüssigkeiten abnimmt, kann Gold in ähnlichen Konzentrationen durch Erzflüssigkeiten unabhängig von ihrem Oxidationszustand transportiert werden29. Daher wurde vermutet, dass reduzierte magmatisch-hydrothermale Systeme für die Bildung einiger Au-reicher Porphyrlagerstätten verantwortlich sein könnten30.

Eine tektonische Kontrolle für Cu- und Au-Gaben

In Subduktionsbögen des Anden-Typs führen lang anhaltende Kompressionsperioden (>2 Ma) zur Ansammlung unterschiedlich großer Magmavolumina in tiefen Krustenschichten mit einer typischen kalkalkhaltigen Signatur, die durch hohe Sr/Y-Werte gekennzeichnet ist2,31. In einem solchen Kontext bilden sich porphyrische Cu-reiche Lagerstätten, weil sie im Wesentlichen von großen Magmavolumina abhängen, die während der Kompressionsperiode in mittleren und unteren Krustentiefen akkumuliert wurden, sowie von der anschließenden Dauer des magmatisch-hydrothermalen Austritts des tiefen Reservoirs in die flachere Kruste, wo die Erzablagerung stattfindet. Während dieses Prozesses wird Gold mit einer niedrigen durchschnittlichen Rate ausgefällt (Abb. 1b), da die aus diesen kalkalkhaltigen Magmen ausgetretenen Flüssigkeiten eine schlechte Ausscheidungseffizienz für Gold aufweisen (~75-mal geringer als die Cu-Ausscheidungseffizienz: siehe oben). Dies ist wahrscheinlich auf eine durchschnittlich tiefe Bildung von Cu-reichen Lagerstätten in einem solchen Kontext28 und vielleicht auf eine ineffiziente Chemie der zugehörigen Fluide zurückzuführen24. Abbildung 5a, b zeigt, dass die größten Cu-reichen Porphyrlagerstätten (>30 Mio. t Cu), die mit kalkalkalischen Magmen assoziiert sind, in einer Tiefe von >~3 km vorkommen und Goldgehalte von <500 t Au aufweisen. In diesem Fall kann ein erheblicher Teil des Goldes durch vulkanische Emissionen verloren gehen, die ähnlich hohe Au/Cu-Werte aufweisen wie die magmatischen Gesteine und die einphasigen Fluide, die unter hohem Druck aus den Magmen herausgelöst werden (Abb. 5a, b).

In späten bis post-subduktiven und post-kollisionären Kontexten sind schwach alkalische bis alkalische Magmen mit Extension6 oder mit Bogenumkehr in dünneren Inselbögen26 verbunden (z. B., Grasberg13,14, Bingham11 und Kisladag32). Die Ausdehnung begünstigt den Aufstieg, die Entwicklung und die Einlagerung von Magmen in flachere Krustenschichten33,34 , während eine dünnere Kruste zu einem flacheren durchschnittlichen Niveau der Magmenentwicklung führt31. Die insgesamt niedrigeren Sr/Y-Werte (~50) von unterschiedlich alkalischen (und einigen kalkalkalischen) Magmen, die mit Au-reichen Porphyrvorkommen assoziiert sind (Abb. 1c), sprechen für deren Entwicklung auf durchschnittlich flacheren Krustenebenen, da Sr/Y ein Proxy für die Tiefe der Magmenentwicklung ist31,35,36. Alle Au-reichen Porphyrvorkommen, die mit unterschiedlich alkalischen Magmen assoziiert sind, bilden sich in der Tat auf flachen Krustenebenen (<~3 km; Abb. 5b), was höchstwahrscheinlich auf die Assoziation dieser Magmen mit tektonischen (Ausdehnung) und geodynamischen (dünnere Kruste) Zusammenhängen zurückzuführen ist, die ihre Einlagerung auf flachen Krustenebenen begünstigen.

Im Gegensatz dazu umfassen Porphyrvorkommen, die mit kalkalkhaltigen magmatischen Gesteinen assoziiert sind, ein breiteres Spektrum an Bildungstiefen, aber nur die flachen (<~3 km) Systeme können mit großen (>500-<1500 Tonnen Au) Au-reichen Porphyren assoziiert sein (Abb. 5b). Dies deutet darauf hin, dass die Einlagerung von Magma in geringer Tiefe und die daraus resultierende Bildung von Au-reichen Systemen auch in Verbindung mit kalkalkhaltigen Magmen auftreten kann, und zwar sowohl in Subduktionsgebieten des Anden-Typs (z. B. Maricunga Au-reiche Porphyrsysteme37), z. B. während Dehnungsperioden, die in ein allgemeines Kompressionsregime eingebettet sind38,39, als auch in krustendünneren Inselbogengebieten, z. B. während bogenparalleler Dehnung in Verbindung mit Kollisionen (z. B, Batu Hijau40 und Grasberg14).

Zur Unterstützung der obigen Argumente korrelieren die Sr/Y-Durchschnittswerte sowohl von kalkalkalischen als auch von variabel alkalischen magmatischen Systemen (die einen Näherungswert für die durchschnittliche Tiefe der Magmenentwicklung darstellen: siehe oben) mit der Tiefe der Porphyrbildung (Abb. 5c; die einzige Ausnahme ist Chan. 5c; die einzige Ausnahme ist Chino-Santa Rita): Mit anderen Worten, je flacher oder tiefer die durchschnittliche Magmaentwicklung in der Kruste ist (unabhängig von der Magmachemie), desto flacher oder tiefer ist die Einlagerung von Magma in der oberen Kruste und die anschließende Porphyrbildung. Höchstwahrscheinlich ist dies eine Folge der Tatsache, dass diese beiden Prozesse durch die Krustendicke und das tektonische Regime (Kompression vs. Extension) gesteuert werden.

Die deutliche Assoziation der größten Au-reichen Porphyrlagerstätten mit leicht alkalischen bis alkalischen magmatischen Gesteinen (Abb. 1a) erfordert jedoch zusätzliche Faktoren, die ihre Goldausstattung weiter erhöhen. Ein Vergleich der Monte-Carlo-Modellierung für Au-reiche alkalische und kalkalkalische Systeme (Abb. 4a, b) deutet darauf hin, dass die höheren Goldgehalte der Au-reichen Porphyrlagerstätten, die mit alkalischen Magmen assoziiert sind, durch die höheren Goldgehalte in den alkalischen Magmen erklärt werden können. Ein weiterer Faktor, der die Au-Ausstattung von Au-reichen Porphyr-Lagerstätten, die mit alkalischen Systemen assoziiert sind, erhöht, könnte die günstige Chemie der Fluide sein, die mit solchen Magmen assoziiert sind24.

Andererseits ist die Magmenevolution in flacher Kruste nicht günstig für die Erzeugung der größtmöglichen Magmavolumina und Cu-Ausstattungen2,33. Folglich können flach gebildete Lagerstätten nicht die herausragenden Cu-Gehalte (>50 Mt Cu) von magmatischen Systemen erreichen, die mit der typischen Subduktion des Anden-Typs unter dicker kontinentaler Kruste assoziiert sind (Abb. 1d).

Ein mehrstufiger Prozess für Cu-Au-Gehalte

Während die Tiefe der Porphyrbildung und die Chemie der Magmen und der assoziierten Fluide den Au-reichen vs. den Cu-reichen Charakter von Porphyr zu steuern scheinen. Während die Tiefe der Porphyrbildung und die Chemie der Magmen und der zugehörigen Fluide den Au- bzw. Cu-reichen Charakter der porphyrischen Cu-Au-Lagerstätten zu steuern scheinen, lässt die Zunahme der Cu- und Au-Ausstattung mit der Dauer der Erzabscheidung (Abb. 1b, d) vermuten, dass die endgültige Cu- und Au-Ausstattung dieser Lagerstätten durch die kumulative Anzahl von Mineralisierungsschritten41,42 bestimmt wird, die letztlich durch das Magmavolumen und die Dauer des Erzprozesses gesteuert werden2. Der Unterschied besteht darin, dass variabel alkalische Systeme und kalkalkhaltige Systeme mit flacher Kruste von Natur aus mit Magmen verbunden sind, deren Fluide tektonisch (d. h. flache Einlagerung: Ref. 28) und chemisch24 für eine hohe Effizienz der Goldausfällung optimiert sind. Im Gegensatz dazu bilden sich typische kalkalkalische Magmen (mit hohem Sr/Y-Gehalt) in einem geodynamischen Kontext, der enorme Magmakumulationen begünstigt, die für die Bildung von Cu-reichen Lagerstätten2 notwendig sind, aber in Tiefen abgelagert werden, in denen die gelösten Fluide für die Goldausfällung weniger effizient sind.