Gold endowments of porphyry deposits controlled by precipitation efficiency

Data collection and filtering

Metal endowments, geochemię skał (wartości Sr/Y, powinowactwo magmowe pod względem zasadowości) oraz dane geochronologiczne 118 złóż porfirowych Cu-Au (Supplementary Data 1) zebrano z wcześniejszych opracowań oraz z zasobów internetowych (USGS Porphyry Copper deposits of the world at http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Dostępne wartości Sr/Y skał magmowych związanych z każdym złożem porfirowym zostały uśrednione, a związane z nimi wartości 1 odchylenia standardowego zostały obliczone (Supplementary Data 1).

Pasywność magmowa pod względem zasadowości skał magmowych związanych ze złożami została zaczerpnięta głównie z poprzedniej pracy7 i uzupełniona o dane z dodatkowych badań przeprowadzonych na złożach porfirowych, które nie zostały podane przez ref. 7 (Supplementary Data 1). W tym ostatnim przypadku powinowactwo magmowe oceniano na podstawie wzbogacenia K2O na wykresie K2O vs. SiO216 , co pozwala na rozróżnienie skał na wapienno-alkaliczne, wapienno-alkaliczne z wysokim K i alkaliczne (shoshonitic). W przypadku, gdy analizy geochemiczne nie były dostępne, rozróżnienia dokonano stosując nomenklaturę powiązanych skał porfirytowych (szczegóły patrz Metody).

Podane tu zasoby Cu i Au (Dane uzupełniające 1) są bez wątpienia obarczone niepewnością, na co wskazują różne wartości podawane dla tego samego złoża przez różne źródła (Dane uzupełniające 1) oraz dopracowanie rezerw i zasobów w czasie. Jednakże ogólny zakres zawartości metali we wszystkich światowych porfirach obejmuje kilka rzędów wielkości, co jest znacznie większe niż możliwe niepewności dotyczące zawartości metali w pojedynczym złożu.

Inną kwestią, którą należy podkreślić, jest to, że złoża wieloetapowe, takie jak Grasberg, charakteryzują się pojedynczymi ciałami rud, powstałymi w różnym czasie, które mogą mieć zmienne stosunki Cu/Au. W Grasberg, mineralizacja występująca w skałach Dalam i w ciele Ertsberg ma nieco wyższy stosunek Cu/Au (~2,0; gdzie Cu jest w wt%, a Au w g t-1) niż wszystkie inne ciała rudne (0,75-1,40) i niż cały okręg Grasberg-Ertsberg (~1,0)14. Przyczyną tych lokalnych różnic są nadruki kolejnych stadiów rudy oraz różne głębokości formowania się rudy14 (wyższym wartościom Cu/Au rud zarówno w skałach Dalam, jak i w Ertsbergu towarzyszy wyższa zawartość molibdenu w głębszych częściach rud). W dalszej części rozważań uwzględniłem zasobność w Au i Cu całej dzielnicy Grasberg-Ertsberg, która odzwierciedla stosunki Au/Cu w największej większości (>90% pod względem tonażu)14 ciał rudnych tej dzielnicy.

Wykorzystane dane geochronologiczne dotyczące złóż porfirowych (Dane uzupełniające 1 i Uwaga uzupełniająca 1) uzyskano dzięki najnowocześniejszym technikom17 (datowanie U-Pb cyrkonów intruzji porfirowych metodami CA-ID-TIMS, SHRIMP i LA-ICPMS, wiek Re-Os molibdenitu metodą N-TIMS, datowanie 40Ar/39Ar minerałów hydrotermalnych: Supplementary Note 1) w ciągu ostatnich 20 lat, a większość z nich (15 z 22) w ciągu ostatnich 10 lat. Dane te, w połączeniu z interpretacjami autorów tych opracowań, posłużyły do obliczenia całkowitego czasu trwania procesu mineralizacji rudy, tj. przedziału czasowego obejmującego, na ile to możliwe, większą część procesu mineralizacji w danym złożu (Supplementary Data 1 i Supplementary Note 1). To było oparte na albo czasowe nawiasów przy użyciu pre-ore i syn- do post-ore porfirii U-Pb datowania cyrkonu, lub Re-Os datowania molibdenitu z wielu etapów rudy teksturalnie ograniczone, ostatecznie wdrożone przez 40Ar/39Ar datowania minerałów zmian związanych z rudą (patrz Supplementary Note 1 dla szczegółowego opisu, jak ogólne czasy trwania procesu mineralizacji uzyskano dla każdego złoża). Dotyczy to w szczególności największych złożonych systemów porfirowych, takich jak m.in. Chuquicamata, Rio Blanco i Grasberg. Ze względu na nieuniknione zbyt małe próby, wyznaczone w ten sposób przedziały czasowe stanowią przybliżenie pierwszego rzędu rzeczywistych czasów trwania procesów mineralizacyjnych w poszczególnych złożach porfirowych. Znamienny jest jednak fakt, że podobne wartości czasu trwania procesów rudnych uzyskano w różnych opracowaniach, gdy były one dostępne dla tego samego złoża (np, El Teniente, Grasberg i Chuquicamata; Supplementary Data 1).

Modelowanie petrologiczne

Monte Carlo modelowanie procesów petrologicznych (Metody i Tabela 1) zostało zastosowane w celu wydobycia informacji o procesach metalogenicznych zdolnych wyjaśnić zasoby Cu i Au w złożach porfirowych oraz czasookresy ich powstawania (patrz wyżej). Do oszacowania objętości magm oraz ilości płynu, Cu i Au, które można wyekstrahować z tych magm, a także zawartości SiO2 zastosowałem metodę bilansu masowego i podejście petrologiczne z ref. 2 (szczegóły patrz Metody, Rys. 1-5 i Tabela 1). Masy i objętości magm określono parametryzując warunki termodynamiczne przedstawione przez ref. 18 dla generacji stopów w strefach gorącej skorupy. W modelu bazaltowy topik jest wstrzykiwany do skorupy na zmiennych głębokościach ze stałą, typową, długoterminową średnią prędkością 5 mm/rok-1 (ref. 18) w przedziale czasowym od 0 do 5 Ma. W zależności od głębokości, na której następuje wstrzyknięcie, po pewnym czasie inkubacji zaczną się gromadzić resztki stopionego frakcjonowania wstrzykniętego bazaltu (Supplementary Fig. 1). Zależność czasu inkubacji od głębokości zatłaczania tłumaczy fakt, że temperatura skały macierzystej rośnie wraz z głębokością zgodnie z gradientem geotermalnym (20 °C km-1 w modelu18). Dlatego też na głębszych poziomach (tj. przy wyższej temperaturze skały macierzystej) czasy inkubacji dla początkowego tworzenia się resztkowego stopu będą krótsze. Jednocześnie ciągłe zatłaczanie stopu bazaltowego powoduje wzrost temperatury skał macierzystych, które po pewnym czasie inkubacji, różnym od czasu tworzenia się stopu szczątkowego, mogą osiągnąć solidus tych skał i w konsekwencji ulec częściowemu stopieniu (crustal partial melt: Supplementary Fig. 1). Powstały w wyniku tych procesów topik jest złożonym topikiem hybrydowym, będącym sumą topików rezydualnych i skorupowych w dowolnym czasie od rozpoczęcia iniekcji i na dowolnej głębokości, na której występuje iniekcja bazaltowa (Supplementary Fig. 1). Z czasem ilość stopionego materiału zgromadzonego na dowolnej głębokości będzie wzrastać, jak pokazuje Supplementary Fig. 1. Produktywność topnienia na głębszych poziomach skorupy będzie większa niż na płytszych poziomach skorupy (Supplementary Fig. 1).

Tabela 1 Wartości parametrów wejściowych użytych do symulacji Monte Carlo. Symulacje przeprowadzono dla szybkości zatłaczania 5 mm rok-1 bazaltowego topiku o temperaturze 1200 °C przez dysk o promieniu 7500 m (co odpowiada strumieniowi magmy 0,0009 km3 rok-1), do skorupy charakteryzującej się gradientem geotermicznym 20 °C km-1 (ref. 18).

Ilość rozpuszczonego H2O w takich hybrydowych topikach zakumulowanych na różnych głębokościach skorupy i po różnych czasach akumulacji (tj, czas od początku procesu zatłaczania) można określić biorąc pod uwagę początkową zawartość H2O w pierwotnym stopie bazaltowym i skałach skorupy (Tabela 1), oraz zależność rozpuszczalności H2O w stopach krzemianowych od ciśnienia i składu stopu19 (Rys. 2-4). Ostatecznie, ilości Cu i Au w rozpuszczalnym H2O określono stosując zakres odpowiednich współczynników podziału tych metali pomiędzy płynem a stopem krzemianowym oraz odpowiednie zawartości Cu i Au w stopach (Tab. 1 i Supplementary Fig. 5).

Metal endowments and timescales of Cu-Au porphyry deposits

Wykresy Au vs. Cu endowments pokazują, że porfirowe złoża Cu-Au definiują albo trend bogaty w Cu (Au/Cu ~4 × 10-6) albo bogaty w Au (Au/Cu ~80 × 10-6) (Fig. 1a). Trend bogaty w Au jest zasadniczo kontrolowany przez siedem największych złóż złota (zawierających prawie 60% złota w porfirowych złożach Cu-Au20). Wszystkie te siedem złóż (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg i Pebble) związane są ze skałami wapienno-alkalicznymi lub alkalicznymi o wysokiej zawartości K. Wzdłuż trendu bogatego w Au znajdują się również wszystkie inne mniejsze złoża związane z magmami zmiennie zasadowymi oraz kilka złóż związanych z normalnymi magmami wapienno-alkalicznymi (np. Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau, by wymienić tylko niektóre z największych). Natomiast wszystkie złoża z trendu bogatego w Cu są związane tylko z normalnymi skałami wapienno-alkalicznymi.

Fig. 1: Zasoby metali, geochemia skał towarzyszących i czas eksploatacji złóż porfirowych bogatych w Cu vs. Au-rich porfirów.
figure1

a Cu (Mt) vs. Au (tony) porfirów Cu-Au; b czas trwania rudy (Ma) vs. Au (tony) porfirów Cu-Au. Wszystkie złoża są z grubsza rozmieszczone wzdłuż jednej lub drugiej z dwóch przerywanych linii, co pozwala na wyróżnienie dwóch odrębnych rodzin porfirów Cu-Au, bogatych w Cu (Au/Cu~4 × 10-6 i ~100 t Au Ma-1) oraz bogatych w Au (Au/Cu~80 × 10-6 i ~4500 t Au Ma-1). Linie przerywane reprezentują średnie tempo depozycji Cu i Au i nie są liniami najlepiej dopasowanymi statystycznie; c Au (tony) vs. średnie wartości Sr/Y skał magmowych związanych z porfirowymi złożami Cu-Au. Słupki dla wartości Sr/Y są niepewnościami 1 s.d. obliczonymi na podstawie dostępnych wartości Sr/Y skał magmowych związanych z każdym ze złóż (patrz Supplementary Data 1); d czas trwania rudy (Ma) vs. Cu (Mt) porfirów Cu-Au. Słupki związane z wartościami czasu trwania rudy są propagowanymi niepewnościami 2 s.d., jak wyjaśniono w Dodatkowej Nocie 1. Skróty złóż porfirowych: 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 ma dwa punkty (Bh i Bh2) ze względu na różne tonaże raportowane w różnych badaniach (patrz Dane uzupełniające 1).

Dwa wyraźne trendy są również rozpoznawalne na wykresie Au endowment vs. czas trwania formowania rudy. Czas trwania procesu tworzenia się rudy w porfirowych złożach Cu-Au (Fig. 1b): w trendzie złóż bogatych w Cu Au jest wytrącany znacznie wolniej (~100 ton Au/Ma) niż w trendzie złóż bogatych w Au (~4500 ton Au/Ma). Trend bogaty w Au jest kontrolowany przez trzy duże bogate w Au złoża porfirowe (dla których dostępne są solidne dane geochronologiczne), które są związane ze skałami wapienno-alkalicznymi lub alkalicznymi o wysokiej zawartości K (Grasberg, Bingham, Pebble) oraz przez trzy bogate w Au złoża związane ze skałami wapienno-alkalicznymi (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto i Batu Hijau). Wszystkie mniejsze porfiry bogate w Au związane ze skałami o zmiennej zasadowości oraz kilka związanych z normalnymi skałami wapienno-alkalicznymi mieszczą się w trendzie bogatym w Au. Również trend bogaty w Cu jest zdefiniowany przez złoża związane tylko z typowymi skałami wapienno-alkalicznymi. Skały magmowe związane z porfirowymi złożami bogatymi w Au charakteryzują się niższymi wartościami Sr/Y (~50 dla największych porfirowych złóż Au)21 w porównaniu ze skałami związanymi z porfirowymi złożami bogatymi w Cu (100 ± 50)2 (Fig. 1c i Supplementary Data 1).

Prawdopodobne przyczyny różnego wyposażenia w Cu i Au

Chiaradia i Caricchi2 zasugerowali, że wyposażenie w Cu andyjskich złóż porfirowych bogatych w Cu jest kontrolowane przez dwa główne parametry: objętość magmy generowanej na średnich i niższych głębokościach skorupy, która określa maksymalną ilość możliwej do dostarczenia Cu, oraz całkowity przedział czasowy, w którym magma, wraz z płynem i ładunkiem miedzi, jest przenoszona do płytszych poziomów, gdzie następuje ekshalacja płynu i wytrącenie Cu. Najkorzystniejsze warunki do tworzenia odpowiednio dużych objętości magmy i płynów występują, jak wspomniano powyżej, w środkowej i dolnej skorupie, gdzie modelowane magmy zwracają wartości Sr/Y (50-150), które są w tym samym zakresie, co wartości magm związanych z największymi porfirowymi złożami Cu2. Szeroka liniowa korelacja pomiędzy zasobami Cu a czasem trwania formowania złóż2 (Fig. 1d) sugeruje, że proces przenoszenia magmy, płynu i miedzi do płytszych poziomów zachodzi w podobnym średnim tempie dla wszystkich złóż bogatych w Cu i że czas jego trwania jest głównym parametrem kontrolującym zasoby Cu w tych złożach. Do podobnego wniosku doszła również praca 22. Na wykresie zależności zasobu Cu od czasu trwania formowania złoża (Fig. 1d), złoża bogate w Au znajdują się w dolnej części tego samego trendu regresji co złoża bogate w Cu, co sugeruje, że kontrola zasobu Cu i efektywność wytrącania Cu są podobne dla obu typów złóż bogatych w Cu i Au.

Kontrola efektywności wytrącania dla zasobów Au

Symulacje Monte Carlo pokazują, że przy założeniu powszechnie stosowanej 50% efektywności wytrącania zarówno dla Au jak i Cu, objętości magmy (~2000 km3) odpowiadające najwyższym wzbogaceniom w miedź (~100 Mt Cu) związanym z magmami kalkowo-alkalicznymi2 dostarczyłyby Au w znacznej nadwyżce (mediana ~14 000 ton Au) w stosunku do maksymalnego zasobu złota (~2700 ton Au) w bogatych w Au złożach porfirowych (Fig. 2c; jeszcze większe potencjalne zasoby Au związane są z największymi symulowanymi objętościami magmy w systemach alkalicznych o wydajności 50%: Fig. 2d). Sugeruje to, że rozłączność pomiędzy zasobami Cu i Au w systemach bogatych w Cu vs. Jest mało prawdopodobne, aby złoża bogate w Au były związane wyłącznie ze wzbogaceniem Au w magmach alkalicznych w porównaniu z magmami wapienno-alkalicznymi25,26, ponieważ te ostatnie mogą wydzielać płyny zawierające w dużej mierze wystarczającą ilość złota, aby utworzyć największe bogate w Au złoża porfirowe. Różne wartości KD płyn-roztopiony dla Au nie mogą też tłumaczyć zubożonej zawartości Au w złożach bogatych w Cu. Rzeczywiście, używając zakresów powszechnie stosowanych wartości KD dla Au (10-100)27 i Cu (2-100)2 oraz wydajności wytrącania 50% zarówno dla Au jak i Cu, symulacje Monte Carlo dają w efekcie płyny o wartościach Au/Cu znacznie wyższych niż te odnotowane w naturalnych złożach porfirowych bogatych w Au zarówno dla magm kalkalicznych jak i alkalicznych (Fig. 3a, b). Odtworzenie niskich wartości Au/Cu w złożach bogatych w Cu jest niemożliwe, jeśli nie przyjmie się nieracjonalnie niskich wartości KD płyn-roztopiony dla Au (“1”) (Rys. 3c). Dodatkowo, modelowane i geologiczne płyny wyekstrahowane z magm (emisje wulkaniczne i płyny jednofazowe złóż porfirowych) mają bardzo podobne wartości Au/Cu (Fig. 3, Tabela 2). Potwierdza to tezę, że Au i Cu w płynach pochodzących z magmy występują w stężeniach, które są zgodne z tymi uzyskanymi przy użyciu eksperymentalnie wyznaczonych wartości KD płyn-roztopiony Au i Cu.

Fig. 2: Symulacje Monte Carlo złota ekssolwialnego i związek z objętością magmy.
figure2

Density plots of the Monte Carlo simulations (>25,000) show that both calc-alkaline (a) and alkaline (b) magmatic systems can potentially exsolve fluids, w czasie życia złóż porfirowych wskazanych przez geochronologię, niosąc i wytrącając (z 50% wydajnością) znacznie większe ilości złota niż te zarejestrowane przez najbogatsze w Au złoża porfirowe; c histogram złota ekssolwialnego (50% efektywności) dla zakresu objętości magmy (1750-2250 km3) związanego z największymi zasobami Cu (50% efektywności wytrącania) w kalkowo-alkalicznych systemach magmowych: odpowiada to rozkładowi gęstości symulacji exsolvable Au dla przedziału objętości 1750-2250 km3 w (a); d histogram exsolvable gold (50% efektywności) dla największego przedziału objętości magmy (1000-1500 km3) uzyskany w symulacjach dla magm alkalicznych.

Fig. 3: Symulacje Monte Carlo (szare kropki; >7000) wsadu Au i Cu uzyskane dla różnych wartości KD Au w układzie płyn-roztop.
figura3

Użycie zakresu powszechnie akceptowanych wartości KD dla Au (10-100)27 i Cu (2-100)2 skutkuje otrzymaniem płynów ekssolwentowych o ekstremalnie wysokich wartościach Au/Cu zarówno dla magm alkalicznych (a) jak i kalkalicznych (b). Bardzo niskie wartości Au/Cu w złożach bogatych w Cu można uzyskać tylko przy założeniu nierealistycznie niskich wartości KD (“1”) dla Au (c). Przedstawiono także stosunki Au/Cu dla emisji wulkanicznych i płynów jednofazowych złóż porfirowych (pole pomarańczowe: tab. 2) oraz skał wapienno-alkalicznych i alkalicznych (pole czerwone: tab. 2). Skróty złóż porfirowych: 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 ma dwa punkty (Bh i Bh2) z powodu różnych tonaży podawanych w różnych opracowaniach (patrz Dane uzupełniające 1).

Tabela 2 Wartości Au/Cu dla trendów porfirowych i różnych materiałów geologicznych.

Wykresy na Rys. 2 i 3 sugerują, że różne trendy Au/Cu w złożach bogatych w Au i bogatych w Cu mogą być spowodowane różną wydajnością wytrącania Au. Rzeczywiście, dwa porfirowe trendy w przestrzeni Au-Cu są dobrze odtworzone przez symulacje Monte Carlo przeprowadzone dla wydajności wytrącania złota, które są niższe od wydajności wytrącania Cu o czynnik ~6-15 w złożach bogatych w Au i o czynnik ~75 w złożach bogatych w Cu (Fig. 4a, b; więcej szczegółów w Metodach). Przekłada się to na wydajność wytrącania Au, która jest ~5-12 razy wyższa w porfirach bogatych w Au niż w porfirach bogatych w Cu (Fig. 4a, b i Metody).

Fig. 4: Symulacje Monte Carlo (jasnoszare kropki; N > 20 000) dla trendów złóż porfirów bogatych w Cu i bogatych w Au.
figura4

a Symulacje przeprowadzone dla efektywności wytrącania Au, które są około pięciokrotnie wyższe dla trendu bogatego w Au związanego z układami alkalicznymi niż dla trendu bogatego w Cu związanego z układami kalcowo-alkalicznymi (patrz tekst, Metody i Tabela 1); b symulacje przeprowadzone dla wydajności wytrącania Au, które są ~12 razy wyższe dla trendu bogatego w Au związanego z układami wapienno-alkalicznymi niż dla trendu bogatego w Cu związanego z układami wapienno-alkalicznymi (patrz tekst, Metody i Tabela 1). Przedstawiono również stosunki Au/Cu dla emisji wulkanicznych i płynów jednofazowych złóż porfirowych (pomarańczowe pole: Tabela 2) oraz skał wapienno-alkalicznych i alkalicznych (czerwone pole: Tabela 2). Skróty złóż porfirowych: 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 ma dwa punkty (Bh i Bh2) ze względu na różne tonażowe wielkości raportowane w różnych opracowaniach (patrz Supplementary Data 1).

Zwiększona efektywność wytrącania Au, skutkująca bogatym w Au trendem złóż porfirowych, może wynikać z: (i) płytszej głębokości, na której tworzą się złoża bogate w Au28 oraz (ii) większej stabilności złota wodorosiarczkowego w płynach bogatych w alkalia24. Jak szczegółowo omówiono w ref. 28, w płytkich systemach porfirowych (<~3 km) rozpuszczalność złota i miedzi gwałtownie maleje w rozszerzającej się bogatej w S parze, która niesie oba metale. Efektem tego jest współstrącanie Cu i Au oraz wysokie wartości Au/Cu. Z kolei w głębszych systemach porfirowych (>~3 km) dominuje płyn jednofazowy, z którego po ochłodzeniu wytrąca się głównie Cu, natomiast Au pozostaje w roztworze w gęstej fazie parowej. Wg ref. 24 obecność chlorków alkalicznych silnie zwiększa rozpuszczalność złota w płynach zawierających H2S i mogłaby tłumaczyć związek bogatych w Au złóż porfirowych z magmami alkalicznymi, z których, jak się przypuszcza, wydzielają się płyny o większej zawartości chlorków alkalicznych.

Dodatkowym czynnikiem odpowiedzialnym za rozłączność złota i miedzi w niektórych specyficznych złożach porfirowych może być zredukowany charakter systemu magmowo-hydrotermalnego, albo nieodłączny od magmy, albo wynikający z interakcji płynów z zredukowanymi skałami macierzystymi29. W przeciwieństwie do Cu, którego rozpuszczalność zmniejsza się w zredukowanych płynach rudnych, złoto może być transportowane w podobnych stężeniach przez płyny rudne niezależnie od ich stanu utlenienia29. Dlatego sugeruje się, że zredukowane systemy magmowo-hydrotermalne mogą być odpowiedzialne za powstawanie niektórych bogatych w Au złóż porfirowych30.

A tectonic control for Cu vs. Au endowments

W łukach subdukcyjnych typu andyjskiego, długotrwałe okresy kompresji (>2 Ma) prowadzą do akumulacji zmiennie dużych objętości magmy na głębokich poziomach skorupy, z typową sygnaturą wapienno-alkaliczną, charakteryzującą się wysokimi wartościami Sr/Y2,31. W takim kontekście powstają porfirowe złoża bogate w Cu, ponieważ zasadniczo zależą one od dużych objętości magmy nagromadzonej na średnich i niższych głębokościach skorupy ziemskiej w okresie kompresji oraz od późniejszego czasu trwania magmowo-hydrotermicznego wycieku z głębokiego zbiornika do płytszej skorupy, gdzie następuje depozycja rudy. Podczas tego procesu złoto jest wytrącane z niską średnią szybkością (Fig. 1b), ponieważ płyny wytrącane z tych wapienno-alkalicznych magm mają niską efektywność wytrącania złota (~75 razy mniejszą niż efektywność wytrącania Cu: patrz wyżej). Jest to prawdopodobnie spowodowane średnio głęboką formacją złóż bogatych w Cu w takim kontekście28 oraz, być może, nieefektywną chemią związanych z nimi płynów24. Rysunek 5a, b pokazuje, że największe bogate w Cu złoża porfirowe (>30 Mt Cu) związane z magmami wapienno-alkalicznymi występują na głębokości >~3 km i mają zasoby złota <500 ton Au. W tym przypadku znaczna ilość złota może być tracona na rzecz emisji wulkanicznych, które mają podobnie wysokie wartości Au/Cu jak skały magmowe oraz jak płyny jednofazowe wyekstrahowane z magm pod wysokim ciśnieniem (Fig. 5a, b).

Fig. 5: Depth of formation vs. Stosunki molowe Cu/Au porfirowych złóż Cu-Au i średnie wartości Sr/Y powiązanych skał magmowych.
figure5

Rozmiary symboli odpowiadają różnym tonażom miedzi (a) i złota (b, c), jak wskazano w legendzie. Zielone i niebieskie kolory symboli odnoszą się odpowiednio do systemów magmowych wapienno-alkalicznych (CA) i wysoko-kalicznych do alkalicznych (K). Słupki błędów związane z wartościami głębokości pochodzą z ref. 28 (Supplementary Data 1). Słupki dla wartości Sr/Y to niepewności 1 s.d. obliczone na podstawie dostępnych wartości Sr/Y skał magmowych związanych z każdym ze złóż (patrz Supplementary Data 1). Skróty złóż porfirowych: 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. Inne skróty: K = stosunek moralny Cu/Au skał alkalicznych; CA = stosunek moralny Cu/Au skał kalcowo-alkalicznych; PF = stosunek moralny Cu/Au jednofazowych płynów porfirowych; VE = stosunek moralny Cu/Au emisji wulkanicznych (tab. 2).

W ustawieniach późno-subdukcyjnych i postkolizyjnych, łagodnie alkaliczne do alkalicznych magmy są związane z rozszerzeniem6 lub z odwróceniem łuku w cieńszych łukach wyspiarskich26 (np.., Grasberg13,14, Bingham11 i Kisladag32). Rozszerzenie sprzyja wznoszeniu się, ewolucji i wyrzucaniu magm do płytszych poziomów skorupy33,34 , podczas gdy cieńsza skorupa skutkuje płytszymi średnimi poziomami ewolucji magmy31. Ogólnie niższe wartości Sr/Y (~50) zmiennie alkalicznych (i niektórych kalkalicznych) magm związanych ze złożami porfirów bogatych w Au (Fig. 1c) wspierają ich ewolucję na średnio płytszych poziomach skorupy, ponieważ Sr/Y jest wskaźnikiem głębokości ewolucji magmy31,35,36. Wszystkie bogate w Au złoża porfirowe związane ze zmiennie zasadowymi magmami rzeczywiście powstały na płytkich poziomach skorupy ziemskiej (<~3 km; Fig. 5b), co najprawdopodobniej wynika z powiązania tych magm z kontekstami tektonicznymi (rozszerzenie) i geodynamicznymi (cieńsza skorupa ziemska), które sprzyjają ich powstaniu na płytkich poziomach skorupy ziemskiej.

Z kolei złoża porfirowe związane z wapienno-alkalicznymi skałami magmowymi obejmują szerszy zakres głębokości formowania, ale tylko płytkie (<~3 km) systemy mogą być związane z dużymi (>500-<1500 ton Au) porfiriami bogatymi w Au (Fig. 5b). Sugeruje to, że wynoszenie magmy na płytkie poziomy i w konsekwencji powstawanie systemów bogatych w Au może również występować w połączeniu z magmami wapienno-alkalicznymi zarówno w andyjskich systemach subdukcji (np. bogate w Au systemy porfirowe Maricunga37), na przykład podczas okresów rozszerzania się, interkalowanych w ramach ogólnego reżimu kompresyjnego38,39 , jak i w skorupowo cieńszych systemach łuków wyspiarskich, na przykład podczas równoległego rozszerzania się łuku związanego z kolizją (np, Batu Hijau40 i Grasberg14).

Na poparcie powyższych argumentów, średnie wartości Sr/Y zarówno kalkalicznych jak i zmiennie alkalicznych systemów magmowych (które są proxy dla średniej głębokości ewolucji magmy: patrz wyżej) korelują z głębokością formowania porfirów (Fig. 5c; jedynym wyjątkiem jest Chino-Santa Rita): innymi słowy, im płytsza lub głębsza jest średnia ewolucja magmy w skorupie ziemskiej (niezależna od składu chemicznego magmy), tym płytsze lub głębsze jest osadzanie magmy w górnej skorupie ziemskiej i w konsekwencji powstawanie porfirów. Najprawdopodobniej jest to konsekwencją tego, że oba te procesy są kontrolowane przez grubość skorupy i reżim tektoniczny (kompresja vs. ekspansja).

Wyraźne powiązanie największych złóż porfirowych bogatych w Au z łagodnie zasadowymi lub zasadowymi skałami magmowymi (Fig. 1a) wymaga jednak uwzględnienia dodatkowych czynników, które dodatkowo zwiększają ich zasobność w złoto. Porównanie modelowania Monte Carlo dla bogatych w Au systemów alkalicznych i kalkaliczno-alkalicznych (Fig. 4a, b) sugeruje, że wyższe zasoby złota w bogatych w Au złożach porfirów związanych z magmami alkalicznymi można wyjaśnić wyższą zawartością złota w magmach alkalicznych. Innym czynnikiem zwiększającym zasobność w Au bogatych złóż porfirowych związanych z systemami alkalicznymi może być korzystna chemia płynów związanych z takimi magmami24.

Z drugiej strony, ewolucja magmowa płytkiej skorupy nie sprzyja generowaniu największych możliwych objętości magmy i zasobności w Cu2,33. W związku z tym płytko powstałe złoża nie mogą osiągnąć najwybitniejszych zasobów Cu (>50 Mt Cu) w systemach magmowych związanych z typową subdukcją typu andyjskiego pod grubą skorupą kontynentalną (Fig. 1d).

Wielostopniowy proces tworzenia zasobów Cu-Au

Whereas depth of porphyry formation and chemistry of magmas and associated fluids seem to control the Au-rich vs. Cu-rich nature of porphyry porphyry nature. Cu w porfirowych złożach Cu-Au, wzrost zawartości Cu i Au wraz z czasem depozycji rudy (Fig. 1b, d) sugeruje, że ostateczne zawartości Cu i Au w tych złożach są zdeterminowane przez łączną liczbę etapów mineralizacji41,42 , które są ostatecznie kontrolowane przez objętość magmy i czas trwania procesu rudnego2. Różnica polega na tym, że systemy zmiennie zasadowe i płytkie systemy wapienno-alkaliczne są z natury związane z magmami, których płyny są tektonicznie (tj. płytkie wynurzenie: ref. 28) i chemicznie24 zoptymalizowane do wysokiej wydajności wytrącania złota. W przeciwieństwie do nich, typowe magmy wapienno-alkaliczne (o wysokim Sr/Y) powstają w kontekście geodynamicznym, który sprzyja ogromnym akumulacjom magmy, niezbędnym do wytworzenia behemotycznych złóż bogatych w Cu2 , ale są one osadzone na głębokościach, na których płyny ekstrahujące są mniej wydajne dla wytrącania złota.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.