Recolha e filtragem de dados

Dotações de metais, geoquímica de rochas (valores Sr/Y, afinidade magma em termos de alcalinidade) e dados geocronológicos de 118 depósitos Cu-Au de pórfiro (Dados Complementares 1) foram coletados de estudos anteriores e de recursos online (USGS Porphyry Porphyry Depósitos de cobre do mundo em http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Os valores Sr/Y disponíveis das rochas magmáticas associadas a cada depósito de pórfiro foram calculados como média e os 1 valores de desvio padrão associados foram calculados (Dados Suplementares 1).

A afinidade magmática em termos de alcalinidade das rochas magmáticas associadas aos depósitos foi derivada principalmente de um estudo anterior7 e implementada por dados de estudos adicionais realizados em depósitos de pórfiro que não foram reportados pela ref. 7 (Dados Suplementares 1). Para este último caso, a afinidade magmática foi avaliada utilizando enriquecimento de K2O num gráfico de K2O vs. SiO216, o que permite a discriminação das rochas em calcário alcalino, calcário de alta K e alcalino (shoshonitic). Quando as análises geoquímicas não estavam disponíveis, a discriminação foi feita utilizando a nomenclatura das rochas porfiríticas associadas (ver Métodos para detalhes).

As dotações de Cu e Au aqui relatadas (Dados Suplementares 1) estão, sem dúvida, sujeitas a incertezas, como demonstrado por diferentes valores relatados para o mesmo depósito por fontes distintas (Dados Suplementares 1) e refinamento das reservas e recursos ao longo do tempo. No entanto, a gama geral de dotações de metal de todos os porfios do mundo abrange várias ordens de magnitude, o que é muito maior do que as possíveis incertezas de dotações de metal de um único depósito.

Outro ponto a destacar é que depósitos de múltiplos estágios como Grasberg são caracterizados por corpos de minério individuais, formados em momentos diferentes, que podem ter rácios Cu/Au variáveis. Em Grasberg, a mineralização que ocorre dentro das rochas Dalam e no corpo Ertsberg tem proporções Cu/Au ligeiramente mais elevadas (~2,0; onde Cu está em wt% e Au está em g t-1) do que todos os outros corpos de minério (0,75-1,40) e do que o corpo a granel do distrito de Grasberg-Ertsberg (~1,0)14. As razões dessas diferenças locais são a sobreimpressão dos estágios de minério subsequentes e diferentes profundidades de formação de minério14 (os maiores valores de Cu/Au tanto nas rochas Dalam como em Ertsberg são acompanhados por maiores teores de molibdênio nas partes mais profundas dos corpos de minério). A seguir, considerei as dotações de Au e Cu do distrito de Grasberg-Ertsberg a granel, que reflectem as proporções de Au/Cu da maior parte (>90% em termos de tonelagem)14 dos corpos de minério do distrito.

Os dados geocronológicos usados sobre depósitos de pórfiro (Dados Suplementares 1 e Nota Complementar 1) foram obtidos através de técnicas de última geração17 (datação U-Pb de zircões de intrusões de pórfiro por CA-ID-TIMS, SHRIMP e LA-ICPMS, Re-Os idades de molibdenita por N-TIMS, datação 40Ar/39Ar de minerais hidrotermais: Nota Complementar 1) durante os últimos 20 anos e a maioria deles (15 em 22) durante os últimos 10 anos. Os dados, em conjunto com as interpretações fornecidas pelos autores destes estudos, foram utilizados para calcular a duração global do processo de mineralização do minério, ou seja, o intervalo temporal que abrange, na medida do possível, a maior parte do processo de mineralização em um depósito específico (Dados Suplementares 1 e Nota Complementar 1). Isto foi baseado ou em escalonamento temporal usando a datação por zircônio U-Pb pré-ore e syn- to post-ore, ou a datação Re-Os de molibdenita de múltiplos estágios de minério texturalmente restritos, eventualmente implementada pela datação 40Ar/39Ar dos minerais de alteração associados ao minério (veja Nota Complementar 1 para uma descrição detalhada de como as durações gerais do processo de mineralização foram obtidas para cada depósito). Isto é particularmente verdadeiro para os maiores sistemas de pórfiro composto, como, entre outros, Chuquicamata, Rio Blanco e Grasberg. Devido à inevitável subamostragem, os intervalos de tempo assim determinados são aproximações de primeira ordem das durações reais dos eventos de mineralização em cada depósito de pórfiro. É no entanto significativo que valores similares para a duração dos processos de mineralização tenham sido obtidos por estudos distintos, quando estes estão disponíveis no mesmo jazigo (por exemplo El Teniente, Grasberg e Chuquicamata; Dados Suplementares 1).

Modelagemetrológica

Modelagem de processos petrológicos de Monte Carlo (Métodos e Tabela 1) tem sido aplicada para extrair informações sobre processos metalogênicos capazes de explicar os dons de Cu e Au dos depósitos de pórfiro e suas escalas de tempo de formação (ver acima). Utilizei o balanço de massa e a abordagem petrológica da ref. 2 para estimar volumes de magma e quantidades de fluido, Cu e Au exsolúveis a partir destes magmas, bem como o seu conteúdo de SiO2 (para detalhes ver Métodos, Figuras Suplementares 1-5 e Tabela Suplementar 1). As massas e volumes de magma são determinados parametrizando as condições termodinâmicas delineadas pela ref. 18 para a geração de derretimentos em zonas de crosta quente. No modelo, o fundido basáltico é injectado na crosta a profundidades variáveis a uma taxa média fixa a longo prazo de 5 mm ano-1 (ref. 18) para um intervalo de tempo que varia entre 0 e 5 Ma. Dependendo da profundidade em que a injeção ocorre, o derretimento residual do basalto injetado começará a se acumular após um certo tempo de incubação (Fig. 1 Suplementar). A dependência do tempo de incubação da profundidade de injeção é explicada pelo fato de que a temperatura da rocha hospedeira aumenta com a profundidade de acordo com o gradiente geotérmico (20 °C km-1 no modelo18). Portanto, a níveis mais profundos (isto é, temperaturas mais quentes das rochas hospedeiras) os tempos de incubação para a formação inicial do derretimento residual serão mais curtos. Ao mesmo tempo, a injeção contínua do derretimento basáltico também resultará num aumento da temperatura das rochas hospedeiras, que, após um certo tempo de incubação, diferente do tempo de formação do derretimento residual, poderá atingir o solidus dessas rochas com o seu consequente derretimento parcial (derretimento parcial da crosta: Suplemento Fig. 1). A fusão resultante de todo este processo é uma fusão híbrida composta derivada da soma dos fundidos residual e crustal em qualquer momento desde o início da injeção e em qualquer profundidade em que ocorra a injeção basáltica (Suplemento Fig. 1). Com o tempo, a quantidade de fusão acumulada em qualquer profundidade específica aumentará, como mostra a Fig. 1 do Suplemento. A produtividade de fusão a níveis de crosta mais profundos será maior que a níveis de crosta mais rasos (Suplemento 1).

A quantidade de H2O dissolvido em tal híbrido funde acumulada em diferentes profundidades de crosta e após diferentes tempos de acumulação (ou seja tempo desde o início do processo de injeção) pode ser determinado levando em conta o conteúdo inicial de H2O do derretimento basáltico primitivo e das rochas da crosta (Tabela 1), e a dependência de pressão e composição do derretimento da solubilidade do H2O em fundições de silicato19 (Figuras Suplementares. 2-4). Finalmente, as quantidades de Cu e Au no exsolúvel H2O são determinadas usando uma gama de coeficientes de partição apropriados para esses metais entre o fluido e o silicato fundido e o conteúdo apropriado de Cu e Au nos fundidos (Tabela 1 e Fig. 1 Suplementar). 5).

Dotações de metais e escalas de tempo dos depósitos de Cu-Au pórfiro

O gráfico de Au vs. Dotações de Cu mostra que os depósitos de Cu-Au pórfiro definem ou uma tendência rica em Cu- (Au/Cu ~4 × 10-6) ou rica em Au- (Au/Cu ~80 × 10-6) (Fig. 1a). A tendência Au-rich é essencialmente controlada pelos sete maiores depósitos de ouro (contendo quase 60% do ouro dos depósitos de Cu-Au pórfiro20). Estes sete depósitos (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg e Pebble) estão todos associados com rochas calcárias ou alcalinas de alto K. Ao longo da tendência de Au-rich existem também todos os outros depósitos menores associados a magmas alcalinos variáveis e vários depósitos associados a magmas alcalinos normais (por exemplo, Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau para mencionar alguns dos maiores). Em contraste, todos os depósitos da tendência de Cu-rich estão associados apenas a rochas alcalinas normais.

As duas tendências distintas também são reconhecíveis em uma trama de Au endowments vs. as durações do processo de formação do minério dos depósitos de Cu-Au pórfiro (Fig. 1b): na tendência dos depósitos ricos em Au, Au é precipitado a uma taxa média muito mais lenta (~100 toneladas Au/Ma) do que na tendência dos depósitos ricos em Au (~4500 toneladas Au/Ma). A tendência rica em Au é controlada por três grandes depósitos de pórfiro ricos em Au (para os quais dados geocronológicos robustos estão disponíveis), que estão todos associados a rochas alcalinas a alcalinas de alto K (Grasberg, Bingham, Pebble) e por três depósitos ricos em Au associados a rochas alcalinas (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto e Batu Hijau). Todos os porfírios menores de tamanho Au-rich associados a rochas alcalinas variáveis e vários associados a rochas calcárias alcalinas normais caem na tendência de Au-rich. Novamente, a tendência de Cu-rich é definida por depósitos associados apenas a rochas alcalinas calcárias típicas. As rochas magnéticas associadas a depósitos de pórfiro ricos em Au- são caracterizadas por menores valores Sr/Y (~50 para os maiores depósitos de Au pórfiro)21 comparadas com rochas associadas a depósitos de Au ricos em Cu- (100 ± 50)2 (Fig. 1c e Dados Suplementares 1).

Possíveis causas das diferentes dotações de Au e Cu

Chiaradia e Caricchi2 sugeriram que a dotação de Cu dos depósitos de pórfiro tipo Cu–rico andino é controlada por dois parâmetros principais: o volume de magma gerado em profundidades de crosta medianamente inferiores, que determina a quantidade máxima de Cu entregável, e o intervalo de tempo total durante o qual o magma, com sua carga de fluido e cobre, é transferido para níveis mais rasos onde ocorre a exsolução do fluido e o Cu é precipitado. As condições mais favoráveis para construir os volumes adequadamente grandes de magmas e fluidos ocorrem, como dito acima, na crosta média a baixa, onde os magmas modelados retornam valores Sr/Y (50-150) que estão na mesma faixa que os magmas associados aos maiores depósitos de Cu de pórfiro2. A ampla correlação linear entre as dotações de Cu e a duração da formação de depósitos de minério2 (Fig. 1d) sugere que o processo de transferência de magma, fluido e cobre para níveis mais rasos ocorre a uma taxa média similar para todos os depósitos ricos em Cu- e que sua duração é o principal parâmetro que controla as dotações de Cu nesses depósitos. Uma conclusão semelhante foi também alcançada pela ref. 22. Na figura 1d, os depósitos ricos em Cu caem em direção à extremidade inferior da mesma tendência de regressão dos depósitos ricos em Cu, sugerindo que os controles de dotação de Cu e a eficiência da precipitação de Cu são similares para ambos os tipos de depósitos ricos em Cu e ricos em Au-.

Em contraste, a ocorrência de duas tendências lineares distintas nas parcelas de tonelagem Au-Cu e Au tonnage-ore duration (Fig. 1a, b) sugere que a dotação de ouro é controlada por processos distintos nos depósitos ricos em Au vs. ricos em Au. A associação dos sete maiores depósitos de pórfiro au-ricos com rochas levemente alcalinas a alcalinas (Fig. 1a) poderia sugerir algum tipo de controle petrogenético, o que não é claramente compreendido8,23,24. Por outro lado, depósitos de pórfiro ricos em au- com dotações de ouro de tamanho variável também estão associados a rochas magmáticas calcárias alcalinas normais (Fig. 1a). Isto sugere que a química magmática não pode ser o único controle sobre a formação da tendência do pórfiro Au-rido. Aqui, eu exploro três grandes mecanismos que poderiam ser responsáveis pela formação de depósitos de pórfiro ricos em au- e sua associação preferencial, mas não única, com magmas alcalinos variáveis: (i) teores de Au mais elevados em magmas alcalinos25 (e em magmas alcalinos associados a pórfiroes ricos em Au), (ii) valores variáveis do coeficiente de partição fluído-melt (KD) de Au entre fluidos e fundidos e (iii) diferentes eficiências de precipitação.

Um controle da eficiência de precipitação para Au

Simulações de Monte Carlo mostram que, assumindo uma eficiência de precipitação comumente usada de 50% para Au e Cu, os volumes de magma (~2000 km3) correspondentes aos maiores enriquecimentos em cobre (~100 Mt Cu) associados a magmas calcário-alcalinos2 forneceriam Au em grande excesso (valor mediano de ~14.000 toneladas de Au) ao máximo de dotação de ouro (~2700 toneladas de Au) dos depósitos de pórfiro ricos em Au (Fig. 2c; potenciais ainda maiores dotações de Au estão associados com os maiores volumes simulados de magma de sistemas alcalinos com 50% de eficiência: Fig. 2d). Isto sugere que o desacoplamento entre Cu e Au endowments em Cu-rich vs. Au Os depósitos ricos em au- não são provavelmente relacionados apenas com o enriquecimento Au em magmas alcalinos em comparação com magmas alcalinos25,26, porque estes últimos podem exsolver fluidos com ouro em grande parte suficiente para formar os maiores depósitos de pórfiro ricos em au-. Os valores variáveis de Au na fusão do fluido KD também não podem explicar o conteúdo de Au esgotado dos depósitos ricos em Au. De fato, usando faixas de valores KD de Au (10-100)27 e Cu (2-100)2 e eficiências de precipitação de 50% tanto para Au quanto para Cu, as simulações de Monte Carlo resultam em fluidos com valores de Au/Cu muito maiores do que aqueles registrados pelos depósitos naturais de pórfiro ricos em Au para magmas alcalinos e alcalinos (Fig. 3a, b). É impossível reproduzir os baixos valores de Au/Cu dos depósitos ricos em Au/Cu a menos que se assumam valores de Au (“1”), que não são razoáveis, para o fluido KD (“1”). Adicionalmente, os fluidos modelados e geológicos exsolvidos de magmas (emissões vulcânicas e fluidos monofásicos de depósitos pórfiro) têm valores de Au/Cu muito semelhantes (Fig. 3, Tabela 2). Isto suporta a alegação de que Au e Cu em fluidos derivados de magma ocorrem em concentrações que estão de acordo com aquelas obtidas usando valores de Au e Cu determinados experimentalmente com o fluido KD de Au e Cu.

As parcelas das Figs. 2 e 3, assim, sugerem que as diferentes tendências de Au/Cu dos depósitos ricos em Au e Cu poderiam ser devidas a diferentes eficiências de Au precipitação. De fato, as duas tendências de Au-Cu no espaço Au-Cu são bem reproduzidas pelas simulações de Monte Carlo realizadas para eficiências de precipitação de ouro que são inferiores às de Cu por um fator de ~6-15 em depósitos ricos em Au e por um fator de ~75 em depósitos ricos em Cu- (Fig. 4a, b; ver Métodos para mais detalhes). Isto se traduz em eficiências de precipitação Au que são ~5-12 vezes maiores em pórfiro rico em Au do que em pórfiro rico em Au (Fig. 4a, b e Métodos).

Uma maior eficiência de precipitação de Au, resultando na tendência Au-riquíssima dos depósitos de pórfiro, poderia ser devida: (i) a menor profundidade a que se formam os depósitos ricos em Au28 e (ii) a maior estabilidade do ouro hidrossulfureto em fluidos ricos em alcalino-24. Conforme discutido em detalhe na ref. 28, em sistemas de pórfiro rasos (<~3 km) a solubilidade de ouro e cobre diminui rapidamente em um vapor rico em S em expansão, que carrega ambos os metais. O resultado é a co-precipitação de Cu e Au e altos valores de Au/Cu. Em contraste, em sistemas de pórfiro mais profundo (>~3 km) predomina um fluido monofásico do qual a maior parte do Cu precipita ao arrefecer, enquanto o Au permanece em solução numa fase de vapor denso. Segundo a ref. 24 a presença de cloretos alcalinos aumenta fortemente a solubilidade do ouro em fluidos portadores de H2S e poderia explicar a associação de depósitos de pórfiro ricos em Au com magmas alcalinos, dos quais, supostamente, são exsolvidos fluidos com maior teor de cloretos alcalinos.

Um fator adicional responsável pelo desacoplamento de ouro e cobre em alguns depósitos específicos de pórfiro poderia ser a natureza reduzida do sistema magmático-hidrotérmico, inerente ao magma ou resultante da interação dos fluidos com rochas hospedeiras reduzidas29. Diferente do Cu, cuja solubilidade diminui em fluidos de minério reduzidos, o ouro pode ser transportado em concentrações semelhantes por fluidos de minério independentemente do seu estado de oxidação29. Portanto, tem sido sugerido que sistemas magmático-hidrotérmicos reduzidos poderiam ser responsáveis pela formação de alguns depósitos de pórfiro ricos em Au-30,

Um controle tectônico para o Cu vs. Au-dowments

Em arcos de subducção do tipo andino, longos períodos de compressão (>2 Ma) levam ao acúmulo de volumes de magma variavelmente grandes a níveis de crosta profunda com uma assinatura típica alcalina de calcário marcada por altos valores Sr/Y2,31. Em tal contexto, depósitos ricos em Cu- porfiria se formam porque dependem essencialmente de grandes volumes de magma acumulados em profundidades médias-baixas da crosta durante o período de compressão, e da subseqüente duração do vazamento magmático-hidrotérmico do reservatório profundo para a crosta mais rasa, onde ocorre a deposição do minério. Durante esse processo, o ouro é precipitado a uma taxa média baixa (Fig. 1b) porque os fluidos exsolvidos desses magmas calcalinos alcalinos têm baixa eficiência de precipitação para o ouro (~75 vezes menos que a eficiência de precipitação do Cu: veja acima). Isto é provavelmente devido a uma formação média profunda de depósitos ricos em Cu nesse contexto28 e, talvez, a uma química ineficiente dos fluidos associados24. A Figura 5a, b mostra que os maiores depósitos de Cu-rich porphyry (>30 Mt Cu) associados com magmas alcalinos de calcário ocorrem em profundidades >~3 km e têm dotações de ouro de <500 toneladas Au. Neste caso, uma quantidade significativa de ouro pode ser perdida para emissões vulcânicas, que têm valores de Au/Cu similares aos das rochas magmáticas e aos dos fluidos monofásicos exsolvidos dos magmas a alta pressão (Fig. 5a, b).

Em configurações tardias a pós-subducção e pós-colisão, magmas levemente alcalinos a alcalinos estão associados com extensão6 ou com inversão de arco em arcos de ilhas mais finas26 (por exemplo, Grasberg13,14, Bingham11 e Kisladag32). A extensão favorece a subida, evolução e colocação de magmas a níveis mais rasos da crosta33,34 enquanto a crosta mais fina resulta em níveis médios mais rasos de evolução do magma31. Os valores globais mais baixos de Sr/Y (~50) de magmas variavelmente alcalinos (e alguns alcalinos de calcário) associados a depósitos de pórfiro ricos em Au- (Fig. 1c) suportam sua evolução em níveis médios de crosta mais rasos porque Sr/Y é um proxy para a profundidade da evolução do magma31,35,36. Todos os depósitos de pórfiro Au-ricos associados a magmas alcalinos variáveis são de fato formados em níveis de crosta rasa (<~3 km; Fig. 5b), muito provavelmente devido à associação destes magmas com contextos tectônicos (extensão) e geodinâmicos (crosta mais fina) que favorecem a sua colocação em níveis de crosta rasa.

Em contraste, depósitos de pórfiro associados a rochas magmáticas alcalinas de calcário abrangem uma gama mais ampla de profundidades de formação, mas apenas os sistemas rasos (<~3 km) podem estar associados a grandes (>500-<1500 toneladas de Au) pórfiro ricos em Au (Fig. 5b). Isto sugere que a colocação de magma de nível raso e conseqüente formação de sistemas ricos em Au também pode ocorrer em associação com magmas alcalinos de calcário tanto em ambientes de subducção tipo andino (por exemplo, sistemas de pórfiro ricos em Au Maricunga37), por exemplo, durante períodos de extensão intercalados dentro de um regime de compressão global38,39, e em ambientes de arco de ilha crustalmente mais fino, por exemplo, durante extensão arco-paralela associada à colisão (por exemplo Batu Hijau40 e Grasberg14).

Em apoio aos argumentos acima, os valores médios Sr/Y de ambos os sistemas calcário-alcalinos e variavelmente alcalinos magmáticos (que são um proxy para a profundidade média da evolução do magma: veja acima) correlacionam-se com a profundidade da formação de pórfiro (Fig. 5c; a única exceção é Chino-Santa Rita): em outras palavras, o mais raso ou mais profundo é a evolução média do magma na crosta (independente da química do magma), o mais raso ou mais profundo é a colocação do magma na crosta superior e conseqüente formação de pórfiro. Muito provavelmente, esta é uma consequência de ambos os processos serem controlados pela espessura da crosta e regime tectónico (compressão vs. extensão).

A associação distinta dos maiores depósitos de pórfiro ricos em Au- com rochas magmáticas ligeiramente alcalinas a alcalinas (Fig. 1a), no entanto, exige factores adicionais que aumentam ainda mais a sua dotação de ouro. Uma comparação da modelagem de Monte Carlo para sistemas alcalinos e calcários ricos em Au- (Fig. 4a, b) sugere que as maiores dotações de ouro dos depósitos de pórfiro ricos em Au- associados a magmas alcalinos podem ser explicados pelo maior conteúdo de ouro nos magmas alcalinos. Outro fator que aumenta as dotações de Au dos depósitos de pórfiro ricos em Au associados aos sistemas alcalinos poderia ser a química favorável dos fluidos associados a tais magmas24,

Por outro lado, a evolução do magma de crosta rasa não é favorável para a geração dos maiores volumes de magma e dotações de Cu possíveis2,33. Conseqüentemente, depósitos rasos não podem alcançar os donativos de Cu mais notáveis (>50 Mt Cu) de sistemas magmáticos associados à subducção típica do tipo andino sob crosta continental espessa (Fig. 1d).

Um processo de múltiplos passos para donativos de Cu-Au

Onde a profundidade da formação de pórfiro e a química dos magmas e fluidos associados parecem controlar o Au-rich vs. Cu-rich dos depósitos de Cu-Au pórfiro, os aumentos das dotações de Cu e Au com duração da deposição de minério (Fig. 1b, d) sugerem que as dotações finais de Cu e Au desses depósitos são determinadas pelo número cumulativo de etapas de mineralização41,42 que são finalmente controladas pelo volume de magma e duração do processo de minério2. A diferença é que os sistemas variavelmente alcalinos e os sistemas alcalinos de calcário rasos estão intrinsecamente associados a magmas, cujos fluidos são tectonicamente (i.e., emplacamento superficial: ref. 28) e quimicamente24 otimizados para alta eficiência de precipitação de ouro. Em contraste, os típicos magmas calcalinos (altos Sr/Y) formam-se num contexto geodinâmico que favorece enormes acumulações de magma, as quais são necessárias para produzir depósitos ricos em Cu- behemothian2 , mas são colocados em profundidades nas quais os fluidos exsolvidos são menos eficientes para a precipitação de ouro.