Dotazioni d’oro dei depositi porfirici controllate dall’efficienza di precipitazione

Raccolta e filtraggio dei dati

Dotazioni di metalli, La geochimica delle rocce (valori Sr/Y, affinità del magma in termini di alcalinità) e i dati geocronologici di 118 depositi di Cu-Au porfirici (Dati supplementari 1) sono stati raccolti da studi precedenti e da risorse online (USGS Porphyry Copper deposits of the world at http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). I valori Sr/Y disponibili delle rocce magmatiche associate a ciascun deposito porfirico sono stati mediati e sono stati calcolati i valori associati di 1 deviazione standard (Dati supplementari 1).

L’affinità magmatica in termini di alcalinità delle rocce magmatiche associate ai depositi è stata derivata principalmente da uno studio precedente7 e implementata dai dati di ulteriori studi condotti su depositi porfirici che non sono stati riportati dal rif. 7 (Dati supplementari 1). In quest’ultimo caso l’affinità magmatica è stata valutata utilizzando l’arricchimento di K2O in un grafico K2O vs. SiO216 , che permette di discriminare le rocce in calc-alcaline, calc-alcaline ad alto K e alcaline (shoshonitiche). Quando le analisi geochimiche non erano disponibili, la discriminazione è stata fatta usando la nomenclatura delle rocce porfiriche associate (vedi Metodi per i dettagli).

Le dotazioni di Cu e Au qui riportate (Dati supplementari 1) sono senza dubbio soggette a incertezza, come dimostrano i diversi valori riportati per lo stesso deposito da fonti diverse (Dati supplementari 1) e l’affinamento delle riserve e delle risorse nel tempo. Tuttavia, la gamma complessiva delle dotazioni di metallo di tutti i porfidi del mondo abbraccia diversi ordini di grandezza, che è molto più grande delle possibili incertezze di dotazione di metallo di un singolo deposito.

Un altro punto da sottolineare è che i depositi multistadio come Grasberg sono caratterizzati da singoli corpi minerali, formati in tempi diversi, che possono avere rapporti Cu/Au variabili. A Grasberg, la mineralizzazione che si verifica all’interno delle rocce Dalam e nel corpo Ertsberg ha rapporti Cu/Au leggermente più alti (~2.0; dove Cu è in wt% e Au è in g t-1) rispetto a tutti gli altri corpi minerali (0.75-1.40) e rispetto al distretto Grasberg-Ertsberg (~1.0)14. Le ragioni di queste differenze locali sono la sovrastampa delle fasi successive del minerale e le diverse profondità di formazione del minerale14 (i valori Cu/Au più alti dei minerali sia nelle rocce di Dalam che a Ertsberg sono accompagnati da contenuti più alti di molibdeno nelle parti più profonde dei corpi minerari). Di seguito ho considerato le dotazioni di Au e Cu del distretto di Grasberg-Ertsberg, che riflettono i rapporti Au/Cu della maggior parte (>90% in termini di tonnellaggio)14 dei corpi minerali del distretto.

I dati geocronologici utilizzati sui depositi porfirici (Dati supplementari 1 e Nota supplementare 1) sono stati ottenuti con tecniche all’avanguardia17 (datazione U-Pb di zirconi di intrusioni porfiriche mediante CA-ID-TIMS, SHRIMP e LA-ICPMS, età Re-Os di molibdenite mediante N-TIMS, datazione 40Ar/39Ar di minerali idrotermali: Nota supplementare 1) negli ultimi 20 anni e la maggior parte di essi (15 su 22) negli ultimi 10 anni. I dati, insieme alle interpretazioni fornite dagli autori di questi studi, sono stati utilizzati per calcolare la durata complessiva del processo di mineralizzazione del minerale, cioè l’intervallo temporale che comprende, per quanto possibile, la maggior parte del processo di mineralizzazione in un deposito specifico (Dati supplementari 1 e Nota supplementare 1). Ciò si è basato su una parentesi temporale utilizzando la datazione di zirconi U-Pb pre-ore e syn- to post-ore, o la datazione Re-Os della molibdenite da più fasi del minerale vincolata dal punto di vista strutturale, eventualmente implementata dalla datazione 40Ar/39Ar dei minerali di alterazione associati al minerale (vedere la nota supplementare 1 per una descrizione dettagliata di come sono state ottenute le durate complessive del processo di mineralizzazione per ciascun deposito). Questo è particolarmente vero per i più grandi sistemi porfirici compositi, come, tra gli altri, Chuquicamata, Rio Blanco e Grasberg. A causa dell’inevitabile sottocampionamento, gli intervalli di tempo così determinati sono approssimazioni di primo ordine delle durate reali degli eventi di mineralizzazione in ogni deposito porfirico. È comunque significativo che valori simili per la durata dei processi minerari siano stati ottenuti da studi distinti, quando questi sono disponibili sullo stesso giacimento (ad es, El Teniente, Grasberg e Chuquicamata; Dati supplementari 1).

Modellazione petrologica

La modellazione Monte Carlo dei processi petrologici (Metodi e Tabella 1) è stata applicata per estrarre informazioni sui processi metallogenici in grado di spiegare le dotazioni di Cu e Au dei depositi porfirici e i loro tempi di formazione (vedi sopra). Ho usato il bilancio di massa e l’approccio petrologico di rif. 2 per stimare i volumi dei magmi e le quantità di fluido, Cu e Au esolubili da questi magmi, così come il loro contenuto di SiO2 (per i dettagli vedi i metodi, le figure supplementari 1-5 e la tabella supplementare 1). Le masse e i volumi dei magmi sono determinati parametrizzando le condizioni termodinamiche delineate da rif. 18 per la generazione delle fusioni nelle zone calde della crosta terrestre. Nel modello, il fuso basaltico viene iniettato nella crosta a profondità variabili ad un tasso medio a lungo termine tipico fisso di 5 mm anno-1 (rif. 18) per un intervallo di tempo compreso tra 0 e 5 Ma. A seconda della profondità a cui avviene l’iniezione, la fusione residua dal frazionamento del basalto iniettato inizierà ad accumularsi dopo un certo tempo di incubazione (Fig. 1 supplementare). La dipendenza del tempo di incubazione dalla profondità di iniezione è spiegata dal fatto che la temperatura della roccia ospite aumenta con la profondità secondo il gradiente geotermico (20 °C km-1 nel modello18). Pertanto, a livelli più profondi (cioè, temperature della roccia ospitante più calde) i tempi di incubazione per la formazione iniziale della fusione residua saranno più brevi. Allo stesso tempo, l’iniezione continua del fuso basaltico provocherà anche un aumento della temperatura delle rocce ospiti, che, dopo un certo tempo di incubazione, diverso da quello di formazione del fuso residuo, potrebbe raggiungere il solidus di queste rocce con la loro conseguente fusione parziale (fusione parziale crostale: Fig. 1 supplementare). Il fuso risultante da tutto questo processo è un fuso ibrido composito che deriva dalla somma del fuso residuo e del fuso crostale in qualsiasi momento dall’inizio dell’iniezione e a qualsiasi profondità in cui avviene l’iniezione basaltica (Fig. 1 supplementare). Con il tempo la quantità di fusione accumulata a qualsiasi profondità specifica aumenterà come mostrato dalla Fig. 1 supplementare. La produttività della fusione ai livelli crostali più profondi sarà maggiore che ai livelli crostali meno profondi (Fig. 1).

Tabella 1 Valori dei parametri di input utilizzati per le simulazioni Monte Carlo. Le simulazioni sono effettuate per un tasso di iniezione di 5 mm anno-1 di una colata basaltica a 1200 °C attraverso un disco di 7500 m di raggiousa (equivalente ad un flusso di magma di 0,0009 km3 anno-1), in una crosta caratterizzata da un gradiente geotermico di 20 °C km-1 (rif. 18).

La quantità di H2O disciolta in tali colate ibride accumulate a diverse profondità crostali e dopo diversi tempi di accumulo (es, tempo dall’inizio del processo di iniezione) può essere determinata tenendo conto del contenuto iniziale di H2O del fuso basaltico primitivo e delle rocce crostali (Tabella 1), e della dipendenza dalla pressione e dalla composizione del fuso della solubilità di H2O nei fusi silicatici19 (Figure 2-4). Infine, le quantità di Cu e Au nell’H2O esolubile sono determinate utilizzando una gamma di coefficienti di partizione appropriati per questi metalli tra fluido e silicato fuso e appropriati contenuti di Cu e Au nei fusi (Tabella 1 e Fig. 5).

Dotazioni di metalli e tempi dei depositi porfirici Cu-Au

Il grafico di Au vs. dotazioni Cu mostra che i depositi porfirici Cu-Au definiscono una tendenza ricca di Cu (Au/Cu ~4 × 10-6) o ricca di Au (Au/Cu ~80 × 10-6) (Fig. 1a). La tendenza ricca di Au è essenzialmente controllata dai sette più grandi depositi d’oro (che contengono quasi il 60% dell’oro dei depositi di Cu-Au porfirici20). Questi sette depositi (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg e Pebble) sono tutti associati a rocce calcalcaline o alcaline ad alto K. Lungo il trend ricco di Au ci sono anche tutti gli altri depositi più piccoli associati a magmi variabilmente alcalini e diversi depositi associati a magmi calc-alcalini normali (ad esempio, Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau per citare alcuni dei più grandi). Al contrario, tutti i depositi della tendenza ricca di Cu sono associati solo a rocce calcalcaline normali.

Fig. 1: Dotazioni di metallo, geochimica delle rocce associate e durata dei minerali dei depositi porfirici ricchi di Cu vs. Au.
figura1

a Cu (Mt) vs. Au (tonnellate) dei depositi porfirici Cu-Au; b durata del minerale (Ma) vs. Au (tonnellate) dei depositi porfirici Cu-Au. Tutti i depositi sono approssimativamente distribuiti lungo l’una o l’altra delle due linee tratteggiate permettendo l’identificazione di due famiglie distinte di porfidi Cu-Au, il Cu-ricco (Au/Cu~4 × 10-6 e ~100 t Au Ma-1) e l’Au-ricco (Au/Cu~80 × 10-6 e ~4500 t Au Ma-1). Le linee tratteggiate rappresentano i tassi medi di deposizione di Cu e Au e non sono linee statisticamente più adatte; c Au (tonnellate) vs. Sr/Y valori medi di rocce magmatiche associate a depositi di Cu-Au porfirici. Le barre per i valori Sr/Y sono incertezze di 1 s.d. calcolate dai valori Sr/Y disponibili delle rocce magmatiche associate a ciascun deposito (vedi Dati supplementari 1); d durata del minerale (Ma) vs. Cu (Mt) dei depositi di Cu-Au porfirici. Le barre associate ai valori di durata del minerale sono incertezze propagate di 2 s.d. come spiegato nella Nota supplementare 1. Abbreviazioni dei depositi porfirici: Ak Aksug, BH Batu Hijau, Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, 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 Skouries, Tk Toki. Bingham ha due punti (Bh e Bh2) a causa dei diversi tonnellaggi riportati in diversi studi (vedi Dati supplementari 1).

Le due tendenze distinte sono riconoscibili anche in un grafico delle dotazioni di Au vs. le durate del processo di formazione del minerale dei depositi di Cu-Au porfirici (Fig. 1b): nella tendenza dei depositi ricchi di Cu, Au viene precipitato ad un tasso medio molto più lento (~100 tonnellate Au/Ma) che nella tendenza dei depositi ricchi di Au (~4500 tonnellate Au/Ma). La tendenza ricca di Au è controllata da tre grandi depositi porfirici ricchi di Au (per i quali sono disponibili robusti dati geocronologici), che sono tutti associati a rocce calcareo-alcaline ad alto K (Grasberg, Bingham, Pebble) e da tre depositi ricchi di Au associati a rocce calcareo-alcaline (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto e Batu Hijau). Tutti i porfidi ricchi di Au di piccole dimensioni associati a rocce variamente alcaline e diversi altri associati a rocce calcalcaline normali cadono sulla tendenza ricca di Au. Di nuovo, la tendenza ricca di Cu è definita da depositi associati solo a rocce calcaree-alcaline tipiche. Le rocce magmatiche associate a depositi porfirici ricchi di Au sono caratterizzate da valori Sr/Y più bassi (~50 per i più grandi depositi porfirici di Au)21 rispetto alle rocce associate a depositi porfirici ricchi di Cu (100 ± 50)2 (Fig. 1c e Dati supplementari 1).

Cause possibili delle diverse dotazioni di Cu e Au

Chiaradia e Caricchi2 hanno suggerito che la dotazione di Cu dei depositi porfirici ricchi di Cu di tipo andino è controllata da due parametri principali: il volume di magma generato a profondità medio-basse della crosta, che determina la quantità massima di Cu consegnabile, e l’intervallo di tempo complessivo durante il quale il magma, con il suo carico di fluido e rame, viene trasferito a livelli più bassi dove avviene l’esoluzione del fluido e la precipitazione del Cu. Le condizioni più favorevoli per costruire i volumi adeguatamente grandi di magmi e fluidi si verificano, come detto sopra, nella crosta medio-bassa, dove i magmi modellati restituiscono valori Sr/Y (50-150) che sono nella stessa gamma di quelli dei magmi associati ai più grandi depositi di Cu porfirico2. L’ampia correlazione lineare tra le dotazioni di Cu e la durata della formazione dei depositi minerari2 (Fig. 1d) suggerisce che il processo di trasferimento del magma, del fluido e del rame a livelli meno profondi avviene ad una velocità media simile per tutti i depositi ricchi di Cu e che la sua durata è il parametro principale che controlla le dotazioni di Cu in questi depositi. Una conclusione simile è stata raggiunta anche da rif. 22. Nel grafico della dotazione di Cu rispetto alla durata della formazione del deposito minerario (Fig. 1d), i depositi ricchi di Au cadono verso l’estremità inferiore della stessa tendenza di regressione dei depositi ricchi di Cu, suggerendo che i controlli della dotazione di Cu e l’efficienza della precipitazione di Cu sono simili per entrambi i tipi di deposito ricchi di Cu e ricchi di Au.

Al contrario, la presenza di due distinte tendenze lineari nei grafici Au-Cu tonnage e Au tonnage-ore duration (Fig. 1a, b) suggerisce che la dotazione di oro è controllata da processi distinti nei depositi ricchi di Cu rispetto a quelli ricchi di Au. L’associazione dei sette maggiori depositi porfirici ricchi di Au con rocce leggermente alcaline o alcaline (Fig. 1a) potrebbe suggerire una sorta di controllo petrogenetico, che non è chiaramente compreso8,23,24. D’altra parte, i depositi di porfido ricchi di Au con dotazioni auree variabilmente grandi sono anche associati a rocce magmatiche normali calc-alcaline (Fig. 1a). Questo suggerisce che la chimica del magma non può essere l’unico controllo sulla formazione della tendenza porfirica ricca di Au. Qui, esploro tre meccanismi principali che potrebbero essere responsabili della formazione di depositi porfirici ricchi di Au e della loro associazione preferenziale, ma non unica, con magmi variabilmente alcalini: (i) maggiori contenuti di Au nei magmi alcalini25 (e nei magmi calc-alcalini associati ai porfidi ricchi di Au), (ii) diversi valori del coefficiente di ripartizione fluido-fondente (KD) di Au tra i fluidi e le fusioni e (iii) diverse efficienze di precipitazione.

Un controllo dell’efficienza di precipitazione per le dotazioni di Au

Le simulazioni Monte Carlo mostrano che, assumendo un’efficienza di precipitazione comunemente usata del 50% sia per Au che per Cu, i volumi di magma (~2000 km3) corrispondenti ai più alti arricchimenti in rame (~100 Mt Cu) associati ai magmi calc-alcalini2 fornirebbero Au in grande eccesso (valore mediano di ~14.000 tonnellate Au) alla massima dotazione di oro (~2700 tonnellate Au) dei depositi porfirici ricchi di Au (Fig. 2c; dotazioni potenziali di Au ancora più elevate sono associate ai più grandi volumi di magma simulati dei sistemi alcalini al 50% di efficienza: Fig. 2d). Questo suggerisce che il disaccoppiamento tra le dotazioni di Cu e Au nei sistemi ricchi di Cu e in quelli ricchi di Au, è stato possibile. È improbabile che i depositi ricchi di Au siano legati solo all’arricchimento di Au nei magmi alcalini rispetto ai magmi calc-alcalini25,26, perché questi ultimi possono esalare fluidi con oro ampiamente sufficiente a formare i più grandi depositi di porfido ricchi di Au. Né la variazione dei valori KD fluido-fusione di Au può spiegare l’impoverimento del contenuto di Au dei depositi ricchi di Cu. Infatti, utilizzando intervalli di valori comuni di KD fluido-fusione per Au (10-100)27 e Cu (2-100)2 e efficienze di precipitazione del 50% sia per Au che per Cu, le simulazioni Monte Carlo danno come risultato fluidi con valori Au/Cu molto più alti di quelli registrati dai depositi porfirici ricchi di Au naturali sia per i magmi calc-alcalini che per quelli alcalini (Fig. 3a, b). È impossibile riprodurre i bassi valori Au/Cu dei depositi ricchi di Cu, a meno che non si assumano valori KD fluido-fusione irragionevolmente bassi per Au (“1) (Fig. 3c). Inoltre, i fluidi modellati e quelli geologici esciolti dai magmi (emissioni vulcaniche e fluidi monofase dei depositi di porfido) hanno valori Au/Cu molto simili (Fig. 3, Tabella 2). Questo supporta la tesi che Au e Cu nei fluidi derivati dal magma si presentano in concentrazioni che sono in accordo con quelle ottenute usando valori KD fluido-fuso determinati sperimentalmente di Au e Cu.

Fig. 2: Simulazioni Monte Carlo di oro esolubile e relazione con i volumi del magma.
figura2

I diagrammi di densità delle simulazioni Monte Carlo (>25.000) mostrano che entrambi i sistemi magmatici calc-alcalino (a) e alcalino (b) possono potenzialmente esolvere i fluidi, durante la vita dei depositi porfirici indicati dalla geocronologia, trasportando e precipitando (50% di efficienza) quantità d’oro molto più grandi di quelle registrate dai depositi porfirici Au-richest; c istogramma dell’oro esolubile (50% di efficienza) per l’intervallo di volume del magma (1750-2250 km3) associato alle maggiori dotazioni di Cu (50% di efficienza di precipitazione) nei sistemi magmatici calc-alcalini: questo corrisponde alla distribuzione di densità delle simulazioni di Au exsolvable per l’intervallo di volume 1750-2250 km3 in (a); d istogramma dell’oro exsolvable (50% di efficienza) per il più grande intervallo di volume del magma (1000-1500 km3) ottenuto nelle simulazioni per magmi alcalini.

Fig. 3: Simulazioni Monte Carlo (punti grigi; >7000) delle dotazioni di Au e Cu ottenute per diversi valori di KD fluido-fuso di Au.
figura3

Utilizzando una gamma di valori KD comunemente accettati per Au (10-100)27 e Cu (2-100)2 si ottengono fluidi esciolti con valori Au/Cu estremamente alti sia per magmi alcalini (a) che calc-alcalino (b). I valori molto bassi di Au/Cu dei depositi ricchi di Cu possono essere ottenuti solo assumendo valori KD irrealisticamente bassi (“1) per Au (c). Sono anche mostrati i rapporti Au/Cu per le emissioni vulcaniche e i fluidi monofase dei depositi di porfido (campo arancione: tabella 2) e delle rocce calcalcaline e alcaline (campo rosso: tabella 2). Abbreviazioni dei depositi di porfido: 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 ha due punti (Bh e Bh2) a causa dei diversi tonnellaggi riportati in diversi studi (vedi Dati supplementari 1).

Tabella 2 Valori Au/Cu delle tendenze porfiriche e dei diversi materiali geologici.

I grafici delle Figg. 2 e 3, quindi, suggeriscono che le diverse tendenze Au/Cu dei depositi ricchi di Au e ricchi di Cu potrebbero essere dovute a diverse efficienze di precipitazione di Au. Infatti, le due tendenze dei porfidi nello spazio Au-Cu sono ben riprodotte dalle simulazioni Monte Carlo effettuate per efficienze di precipitazione dell’oro che sono inferiori a quelle del Cu di un fattore di ~6-15 nei depositi ricchi di Au e di un fattore di ~75 nei depositi ricchi di Cu (Fig. 4a, b; vedi i metodi per maggiori dettagli). Questo si traduce in efficienze di precipitazione di Au che sono ~5-12 volte superiori nei porfidi ricchi di Au rispetto ai porfidi ricchi di Cu (Fig. 4a, b e Metodi).

Fig. 4: Simulazioni Monte Carlo (punti grigio chiaro; N > 20.000) per le tendenze dei depositi porfirici ricchi di Cu e ricchi di Au.
figura4

a Simulazioni effettuate per efficienze di precipitazione di Au che sono circa cinque volte più alte per la tendenza ricca di Au dei sistemi alcalini rispetto alla tendenza ricca di Cu dei sistemi calc-alcalini (vedi testo, metodi e tabella 1); b simulazioni effettuate per efficienze di precipitazione di Au che sono ~12 volte più alte per la tendenza ricca di Au legata ai sistemi calcarei rispetto alla tendenza ricca di Cu legata ai sistemi calcarei (vedi testo, metodi e tabella 1). Sono mostrati anche i rapporti Au/Cu per le emissioni vulcaniche e i fluidi monofase dei depositi di porfido (campo arancione: tabella 2) e delle rocce calcalcaline e alcaline (campo rosso: tabella 2). Abbreviazioni dei depositi di porfido: 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 ha due punti (Bh e Bh2) a causa dei diversi tonnellaggi riportati in diversi studi (vedi Dati supplementari 1).

Una maggiore efficienza di precipitazione di Au, con conseguente tendenza ricca di Au dei depositi porfirici, potrebbe essere dovuta a: (i) alla minore profondità alla quale si formano i depositi ricchi di Au28 e (ii) alla maggiore stabilità dell’oro idrosolfuro nei fluidi ricchi di alcali24. Come discusso in dettaglio dal rif. 28, nei sistemi porfirici poco profondi (<~3 km) la solubilità di oro e rame diminuisce rapidamente in un vapore ricco di S in espansione, che trasporta entrambi i metalli. Il risultato è la co-precipitazione di Cu e Au e alti valori Au/Cu. Al contrario, nei sistemi porfirici più profondi (>~3 km) predomina un fluido monofase da cui precipita soprattutto Cu al raffreddamento, mentre Au rimane in soluzione in una fase di vapore denso. Secondo il rif. 24 la presenza di cloruri alcalini aumenta fortemente la solubilità dell’oro nei fluidi contenenti H2S e potrebbe spiegare l’associazione di depositi porfirici ricchi di Au con magmi alcalini, dai quali, presumibilmente, si eslodono fluidi con un maggiore contenuto di cloruri alcalini.

Un ulteriore fattore responsabile del disaccoppiamento di oro e rame in alcuni specifici depositi porfirici potrebbe essere la natura ridotta del sistema magmatico-idrotermale, inerente al magma o risultante dall’interazione dei fluidi con rocce ospiti ridotte29. A differenza del Cu, la cui solubilità diminuisce nei fluidi ridotti, l’oro può essere trasportato a concentrazioni simili dai fluidi minerali indipendentemente dal loro stato di ossidazione29. Pertanto, è stato suggerito che i sistemi magmatico-idrotermali ridotti potrebbero essere responsabili della formazione di alcuni depositi porfirici ricchi di Au30.

Un controllo tettonico per le dotazioni di Cu e Au

Negli archi di subduzione di tipo andino, lunghi periodi di compressione (>2 Ma) portano all’accumulo di volumi di magma variabilmente grandi a livelli crostali profondi con una tipica firma calcalcalina caratterizzata da alti valori Sr/Y2,31. In tale contesto, i depositi ricchi di Cu porfirici si formano perché dipendono essenzialmente da grandi volumi di magma accumulati a profondità medio-basse della crosta durante il periodo compressivo, e dalla successiva durata della fuoriuscita magmatico-idrotermica del serbatoio profondo verso la crosta meno profonda, dove avviene la deposizione del minerale. Durante questo processo, l’oro viene precipitato ad un basso tasso medio (Fig. 1b) perché i fluidi esciolti da questi magmi calcalcalini hanno una scarsa efficienza di precipitazione per l’oro (~ 75 volte inferiore all’efficienza di precipitazione del Cu: vedi sopra). Ciò è probabilmente dovuto ad una formazione mediamente profonda di depositi ricchi di Cu in tale contesto28 e, forse, alla chimica inefficiente dei fluidi associati24. La figura 5a, b mostra che i più grandi depositi porfirici ricchi di Cu (>30 Mt Cu) associati a magmi calc-alcalini si verificano a profondità >~3 km e hanno dotazioni auree di <500 tonnellate Au. In questo caso, una quantità significativa di oro può essere persa nelle emissioni vulcaniche, che hanno valori Au/Cu simili a quelli delle rocce magmatiche e a quelli dei fluidi monofasici esoliati dai magmi ad alta pressione (Fig. 5a, b).

Fig. 5: Profondità di formazione vs. Rapporti molari Cu/Au dei depositi porfirici Cu-Au e valori medi Sr/Y delle rocce magmatiche associate.
figura5

La dimensione dei simboli corrisponde a diversi tonnellaggi di rame (a) e oro (b, c) come indicato nella legenda. I colori verde e blu dei simboli si riferiscono rispettivamente ai sistemi magmatici calc-alcalino (CA) e calc-alcalino-alcalino ad alto K (K). Le barre di errore associate ai valori di profondità sono da rif. 28 (Dati supplementari 1). Le barre per i valori Sr/Y sono incertezze di 1 s.d. calcolate dai valori Sr/Y disponibili delle rocce magmatiche associate a ciascun deposito (vedi Dati supplementari 1). Abbreviazioni dei depositi di porfido: 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. Altre abbreviazioni: K = rapporto morale Cu/Au delle rocce alcaline; CA = rapporto morale Cu/Au delle rocce calcalcaline; PF = rapporto morale Cu/Au dei fluidi porfirici monofase; VE = rapporto morale Cu/Au delle emissioni vulcaniche (Tabella 2).

In contesti post-subduzione e post-collisione, magmi da leggermente alcalini ad alcalini sono associati all’estensione6 o all’inversione dell’arco in archi insulari più sottili26 (es, Grasberg13,14, Bingham11 e Kisladag32). L’estensione favorisce l’ascesa, l’evoluzione e la deposizione di magmi a livelli più bassi della crosta33,34 , mentre una crosta più sottile porta a livelli medi di evoluzione del magma meno profondi31. I valori Sr/Y complessivamente più bassi (~50) dei magmi variabilmente alcalini (e alcuni calc-alcalini) associati ai depositi porfirici ricchi di Au (Fig. 1c) supportano la loro evoluzione a livelli crostali mediamente meno profondi perché Sr/Y è un proxy per la profondità dell’evoluzione del magma31,35,36. Tutti i depositi porfirici ricchi di Au associati a magmi variabilmente alcalini si sono effettivamente formati a livelli crostali poco profondi (<~3 km; Fig. 5b), molto probabilmente a causa dell’associazione di questi magmi con contesti tettonici (estensione) e geodinamici (crosta più sottile) che favoriscono la loro collocazione a livelli crostali poco profondi.

Al contrario, i depositi porfirici associati a rocce magmatiche calcalcaline comprendono una gamma più ampia di profondità di formazione, ma solo i sistemi poco profondi (<~3 km) possono essere associati a grandi (>500-<1500 tonnellate di Au) porfidi ricchi di Au (Fig. 5b). Questo suggerisce che la deposizione di magma a basso livello e la conseguente formazione di sistemi ricchi di Au può anche verificarsi in associazione con magmi calc-alcalini sia in contesti di subduzione di tipo andino (ad esempio, i sistemi di porfidi ricchi di Au di Maricunga37), per esempio durante periodi estensionali intercalati all’interno di un regime compressivo generale38,39, e in contesti di arco insulare crostoso più sottile, per esempio durante l’estensione parallela all’arco associata alla collisione (ad esempio, Batu Hijau40 e Grasberg14).

A sostegno degli argomenti di cui sopra, i valori medi Sr/Y dei sistemi magmatici calc-alcalini e variabilmente alcalini (che sono un proxy per la profondità media di evoluzione del magma: vedi sopra) sono correlati alla profondità di formazione dei porfidi (Fig. 5c; l’unica eccezione è Chino-Santa Rita): in altre parole, più bassa o profonda è l’evoluzione media del magma nella crosta (indipendente dalla chimica del magma), più bassa o profonda è la deposizione di magma nella crosta superiore e la conseguente formazione di porfidi. Molto probabilmente, questa è una conseguenza del fatto che entrambi questi processi sono controllati dallo spessore della crosta e dal regime tettonico (compressione vs. estensione).

La distinta associazione dei più grandi depositi porfirici ricchi di Au con rocce magmatiche leggermente alcaline o alcaline (Fig. 1a), tuttavia, richiede ulteriori fattori che migliorano ulteriormente la loro dotazione d’oro. Un confronto della modellazione Monte Carlo per i sistemi alcalini ricchi di Au e calcarei (Fig. 4a, b) suggerisce che le maggiori dotazioni d’oro dei depositi porfirici ricchi di Au associati a magmi alcalini possono essere spiegate dal più alto contenuto d’oro nei magmi alcalini. Un altro fattore che aumenta le dotazioni di Au dei depositi porfirici ricchi di Au associati a sistemi alcalini potrebbe essere la chimica favorevole dei fluidi associati a tali magmi24.

D’altra parte, l’evoluzione dei magmi in crosta poco profonda non è favorevole alla generazione dei maggiori volumi di magma e dotazioni di Cu possibili2,33 . Di conseguenza, i depositi poco profondi non possono raggiungere le dotazioni di Cu più eccezionali (>50 Mt Cu) dei sistemi magmatici associati alla tipica subduzione di tipo andino sotto la spessa crosta continentale (Fig. 1d).

Un processo a più fasi per le dotazioni di Cu-Au

Se la profondità di formazione dei porfidi e la chimica dei magmi e dei fluidi associati sembrano controllare la natura ricca di Au e ricca di Cu dei porfidi. Se la profondità di formazione del porfido e la chimica dei magmi e dei fluidi associati sembrano controllare la natura ricca di Au rispetto a quella ricca di Cu dei depositi porfirici di Cu-Au, gli aumenti delle dotazioni di Cu e Au con la durata della deposizione del minerale (Fig. 1b, d) suggeriscono che le dotazioni finali di Cu e Au di questi depositi sono determinate dal numero cumulativo di fasi di mineralizzazione41,42 che sono in definitiva controllate dal volume del magma e dalla durata del processo minerario2. La differenza è che i sistemi variabilmente alcalini e i sistemi calc-alcalini della crosta poco profonda sono intrinsecamente associati a magmi i cui fluidi sono ottimizzati tettonicamente (cioè, la messa in posto poco profonda: rif. 28) e chimicamente24 per un’alta efficienza di precipitazione dell’oro. Al contrario, i tipici magmi calc-alcalini (alto Sr/Y) si formano in un contesto geodinamico che favorisce enormi accumuli di magma, che sono necessari per produrre depositi ricchi di Cu behemothian2, ma sono collocati a profondità in cui i fluidi esciolti sono meno efficienti per la precipitazione dell’oro.

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