Datainsamling och filtrering

Metallutrustningar, Bergsgeokemi (Sr/Y-värden, magmaaffinitet i form av alkalinitet) och geokronologiska data från 118 porfyriska Cu-Au-fyndigheter (tilläggsdata 1) har samlats in från tidigare studier och från online-resurser (USGS Porphyry Copper deposits of the world at http://mrdata.usgs.gov/porcu/; http://www.portergeo.com.au/database/). Tillgängliga Sr/Y-värden för magmatiska bergarter som är associerade med varje porfyrfyndighet har medelvärdesberäknats och de tillhörande värdena för 1 standardavvikelse har beräknats (Supplementary Data 1).

Den magmatiska affiniteten i termer av alkalinitet hos de magmatiska bergarterna som är associerade med fyndigheterna härleddes mestadels från en tidigare studie7 och implementerades genom data från ytterligare studier som utförts på porfyrfyndigheter som inte rapporterades av ref. 7 (kompletterande uppgifter 1). I det senare fallet utvärderades magmatisk affinitet med hjälp av K2O-berikning i en K2O vs. SiO2-ritning16 , vilket gör det möjligt att särskilja bergarter i kalkalkaliska, kalkalkaliska med hög K-halt och alkaliska (shoshonitiska). När geokemiska analyser inte var tillgängliga gjordes en diskriminering med hjälp av nomenklaturen för associerade porfyriska bergarter (se Metoder för detaljer).

De Cu- och Au-tillgångar som här rapporterats (kompletterande uppgifter 1) är utan tvekan behäftade med osäkerhet, vilket visas av olika värden som rapporterats för samma fyndighet av olika källor (kompletterande uppgifter 1) och förfining av reserverna och resurserna genom tiderna. Det totala intervallet för metallinnehållet i alla världens porfyrier sträcker sig dock över flera storleksordningar, vilket är mycket större än de möjliga osäkerheterna för metallinnehållet i en enskild fyndighet.

En annan punkt att betona är att fyndigheter i flera faser, som Grasberg, kännetecknas av enskilda malmkroppar som bildats vid olika tidpunkter och som kan ha varierande Cu/Au-förhållanden. I Grasberg har mineraliseringen i Dalam-berget och i Ertsberg-kroppen något högre Cu/Au-förhållanden (~2,0; där Cu anges i viktprocent och Au i g t-1) än alla andra malmkroppar (0,75-1,40) och än Grasberg-Ertsberg-distriktet i stort (~1,0)14 . Orsakerna till dessa lokala skillnader är övertryck av efterföljande malmstadier och olika djup i malmbildningen14 (de högre Cu/Au-värdena i malmer både i Dalam-berget och vid Ertsberg åtföljs av högre halter av molybden i de djupare delarna av malmförekomsterna). I det följande har jag beaktat Au- och Cu-tillgångarna i huvuddelen av Grasberg-Ertsberg-distriktet, som återspeglar Au/Cu-förhållandena i den största majoriteten (>90 % när det gäller tonnage)14 av malmkropparna i distriktet.

De använda geokronologiska uppgifterna om porfyrfyndigheter (kompletterande uppgifter 1 och kompletterande anmärkning 1) erhölls med hjälp av den senaste tekniken17 (U-Pb-dateringar av zirkoner från porfyrintrusioner med CA-ID-TIMS, SHRIMP och LA-ICPMS, Re-Os åldrar av molybdenit med N-TIMS, 40Ar/39Ar-dateringar av hydrotermiska mineraler: Supplementary Note 1) under de senaste 20 åren och de flesta av dem (15 av 22) under de senaste 10 åren. Uppgifterna, tillsammans med tolkningar från författarna till dessa studier, användes för att beräkna den totala varaktigheten av malmmineraliseringsprocessen, dvs. det tidsintervall som i möjligaste mån omfattar huvuddelen av mineraliseringsprocessen vid en specifik fyndighet (kompletterande uppgifter 1 och kompletterande anmärkning 1). Detta baserades antingen på en tidsmässig inramning med hjälp av U-Pb-zirkondateringar från före och efter malmen, eller Re-Os-dateringar av molybdenit från flera malmstadier med texturella begränsningar, eventuellt genomförda genom 40Ar/39Ar-dateringar av förändringsmineraler som är associerade med malmen (se kompletterande anmärkning 1 för en detaljerad beskrivning av hur de totala varaktigheterna för mineraliseringsprocessen erhölls för varje fyndighet). Detta gäller särskilt de största sammansatta porfyrsystemen, som bland annat Chuquicamata, Rio Blanco och Grasberg. På grund av den oundvikliga underprovtagningen är de tidsintervall som fastställts på detta sätt approximationer av den verkliga varaktigheten av mineraliseringshändelserna vid varje porfyrfyndighet. Det är dock betydelsefullt att liknande värden för malmprocessernas varaktighet har erhållits i olika studier, när dessa finns tillgängliga för samma fyndighet (t.ex, El Teniente, Grasberg och Chuquicamata; kompletterande uppgifter 1).

Petrologisk modellering

Monte Carlo-modellering av petrologiska processer (metoder och tabell 1) har tillämpats för att få fram information om metallogena processer som kan förklara Cu- och Au-tillgångarna i porfyrförekomster och deras bildningstider (se ovan). Jag har använt massbalans och petrologiskt tillvägagångssättet i ref. 2 för att uppskatta magmavolymer och mängder av vätska, Cu och Au som kan lösas upp från dessa magmer samt deras SiO2-innehåll (för detaljer se metoder, kompletterande figurer 1-5 och kompletterande tabell 1). Magmamassorna och -volymerna bestäms med hjälp av parametrar som bygger på de termodynamiska förhållanden som beskrivs i ref. 18 för generering av smältämnen i varma krustalzoner. I modellen injiceras basaltisk smälta i jordskorpan på varierande djup med en fast typisk långtidsmedelhastighet på 5 mm år-1 (ref. 18) under ett tidsintervall som sträcker sig mellan 0 och 5 Ma. Beroende på på vilket djup injektionen sker kommer restsmältan från fraktionering av den injicerade basalten att börja ackumuleras efter en viss inkubationstid (kompletterande fig. 1). Inkubationstidens beroende av injektionsdjupet förklaras av att temperaturen i värdberget ökar med djupet i enlighet med den geotermiska gradienten (20 °C km-1 i modellen18). På djupare nivåer (dvs. varmare temperaturer i värdberget) kommer därför inkubationstiderna för inledande smältbildning att vara kortare. Samtidigt kommer kontinuerlig injektion av den basaltiska smältan också att resultera i en ökning av temperaturen i värdberget, som efter en viss inkubationstid, som skiljer sig från den för bildandet av restsmältan, kan nå solidus i dessa bergarter med en partiell smältning som följd (partiell smältning av jordskorpan: kompletterande fig. 1). Den resulterande smältan från hela denna process är en sammansatt hybridsmälta som härrör från summan av restsmältan och krustalsmältan vid vilken tidpunkt som helst sedan injektionens början och på vilket djup som helst där basaltisk injektion äger rum (kompletterande fig. 1). Med tiden kommer den ackumulerade smältmängden på varje specifikt djup att öka, vilket framgår av kompletterande figur 1. Smältproduktiviteten på djupare krustanivåer kommer att vara större än på grundare krustanivåer (Supplementary Fig. 1).

Mängden löst H2O i sådana hybridsmältor som ackumuleras på olika jordskorpedjup och efter olika ackumulationstider (dvs, tid sedan injektionsprocessen inleddes) kan bestämmas med hänsyn till de ursprungliga H2O-halterna i den primitiva basaltiska smältan och i krustans bergarter (tabell 1), och tryck- och smältsammansättningens beroende av H2O-lösligheten i silikatsmältor19 (kompletterande figurer 2-4). Slutligen bestäms mängderna Cu och Au i det utlösbara H2O genom att använda ett intervall av lämpliga fördelningskoefficienter för dessa metaller mellan vätska och silikatsmältan och lämpliga Cu- och Au-halter i smältorna (tabell 1 och kompletterande figurer 2 och 3). 5).

Metallinnehåll och tidsskalor för Cu-Au porfyriska avlagringar

Plottet av Au vs. Cu-innehållet visar att porfyriska Cu-Au-avlagringar definierar antingen en Cu-rik (Au/Cu ~4 × 10-6) eller en Au-rik (Au/Cu ~80 × 10-6) trend (fig. 1a). Den Au-rika trenden styrs i huvudsak av de sju största guldförekomsterna (som innehåller nästan 60 % av guldet i porfyr Cu-Au-förekomsterna20). Dessa sju fyndigheter (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg och Pebble) är alla förknippade med kalkalkaliska eller alkaliska bergarter med hög K-halt. Längs den Au-rika trenden finns också alla andra mindre fyndigheter som är förknippade med varierande alkalisk magma och flera fyndigheter som är förknippade med normal kalkalkalisk magma (t.ex. Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau för att nämna några av de största). Däremot är alla fyndigheter i den Cu-rika trenden endast associerade med normala kalkalkaliska bergarter.

De två distinkta trenderna är också igenkännbara i en plott av Au-utrustningar vs. varaktigheten av malmbildningsprocessen i porfyriska Cu-Au-fyndigheter (fig. 1b): i den Cu-rika fyndighetstrenden fälls Au ut med mycket långsammare genomsnittlig hastighet (~100 ton Au/Ma) än i den Au-rika fyndighetstrenden (~4500 ton Au/Ma). Den Au-rika trenden styrs av tre stora Au-rika porfyrfyndigheter (för vilka robusta geokronologiska data finns tillgängliga), som alla är förknippade med kalkalkaliska till alkaliska bergarter med hög K-halt (Grasberg, Bingham, Pebble) och av tre Au-rika fyndigheter som är förknippade med kalkalkaliska bergarter (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto och Batu Hijau). Alla mindre Au-rika porfyrier som är förknippade med varierande alkaliska bergarter och flera som är förknippade med normala kalkalkaliska bergarter faller på Au-rika trenden. Återigen definieras den Cu-rika trenden av fyndigheter som endast är förknippade med typiska kalkalkaliska bergarter. Magmatiska bergarter som är förknippade med Au-rika porfyrförekomster kännetecknas av lägre Sr/Y-värden (~50 för de största porfyriska Au-förekomsterna)21 jämfört med bergarter som är förknippade med Cu-rika porfyrförekomster (100 ± 50)2 (Fig. 1c och Supplementary Data 1).

Möjliga orsaker till olika Cu- och Au-utrustningar

Chiaradia och Caricchi2 föreslog att Cu-utrustningen i Cu-rika porfyrförekomster av andinsk typ styrs av två huvudparametrar: volymen magma som genereras på medellågre skorpedjup, vilket bestämmer den maximala mängden leverbar Cu, och det totala tidsintervallet under vilket magma, med sin vätske- och kopparladdning, överförs till ytligare nivåer där vätskeexsolution sker och Cu fälls ut. De mest gynnsamma förhållandena för att bygga upp de tillräckligt stora volymerna av magma och vätskor finns som sagt i den mellersta och nedre skorpan, där modellerade magmanivåer ger Sr/Y-värden (50-150) som ligger i samma storleksordning som magmanivåerna i samband med de största porfyriska Cu-fyndigheterna2. Den breda linjära korrelationen mellan Cu-innehållet och varaktigheten av malmfyndighetsbildningen2 (fig. 1d) tyder på att processen med magma-, vätske- och kopparöverföring till grundare nivåer sker med en liknande genomsnittlig hastighet för alla Cu-rika fyndigheter och att dess varaktighet är den viktigaste parametern som kontrollerar Cu-innehållet i dessa fyndigheter. En liknande slutsats har också dragits i ref. 22. I diagrammet över Cu-tillgången i förhållande till varaktigheten av malmfyndighetsbildningen (fig. 1d) faller Au-rika fyndigheter mot den nedre delen av samma regressionstrend som Cu-rika fyndigheter, vilket tyder på att kontrollerna av Cu-tillgången och Cu-utfällningseffektiviteten är likartade för både Cu-rika och Au-rika fyndighetstyper.

Däremot tyder förekomsten av två distinkta linjära trender i Au-Cu-tonnaget och Au-tonnaget-borrvaraktigheten (fig. 1a, b) på att guldutrustningen styrs av olika processer i Cu-rika respektive Au-rika avlagringar. Att de sju största Au-rika porfyrförekomsterna är förknippade med milt alkaliska till alkaliska bergarter (fig. 1a) kan tyda på någon form av petrogenetisk kontroll, som inte är klart förstådd8,23,24. Å andra sidan är Au-rika porfyrfyndigheter med varierande stora guldinnehåll också associerade med normala kalk-alkaliska magmatiska bergarter (fig. 1a). Detta tyder på att magmakemin inte kan vara den enda kontrollen över bildandet av den Au-rika porfyrtrenden. Här utforskar jag tre huvudmekanismer som kan vara ansvariga för bildandet av Au-rika porfyrförekomster och deras preferentiella, men inte unika, association med variabelt alkaliska magmer: (i) högre Au-halter i alkaliska magmer25 (och i kalkalkaliska magmer som är associerade med Au-rika porfyrer), (ii) varierande värden för fördelningskoefficienten (KD) för Au mellan vätskor och smälta mellan vätskor och smälta och (iii) olika utfällningseffektivitet.

En utfällningseffektivitetskontroll för Au-tillgångar

Monte Carlo-simuleringar visar att om man utgår från en allmänt använd 50-procentig utfällningseffektivitet för både Au och Cu, skulle magmavolymer (~2000 km3) som motsvarar de högsta kopparberikningarna (~100 Mt Cu) i samband med kalkalkaliska magmer2 ge Au som i hög grad överskrider (medianvärde ~14 000 ton Au) den maximala guldtillgången (~2700 ton Au) i porfyrförekomster som är rika på Au (fig. 2c; ännu högre potentiella Au-tillgångar är förknippade med de största simulerade magmavolymerna i alkaliska system vid 50 % effektivitet: Fig. 2d). Detta tyder på att frikopplingen mellan Cu- och Au-tillgångarna i Cu-rika respektive Cu-rika grottor i de olika typerna av grottor är en följd av att det inte finns någon koppling mellan dessa. Det är osannolikt att Au-rika fyndigheter endast är relaterade till Au-anrikning i alkaliska magmer jämfört med kalkalkaliska magmer25,26 , eftersom de sistnämnda kan lösa upp vätskor med tillräckligt mycket guld för att bilda de största porfyrfyndigheterna med Au-rika fyndigheter. Inte heller kan varierande KD-värden av Au mellan vätska och smälta förklara de utarmade Au-halterna i Cu-rika fyndigheter. Med hjälp av intervall av vanliga KD-värden för Au (10-100)27 och Cu (2-100)2 och en utfällningseffektivitet på 50 % för både Au och Cu, resulterar Monte Carlo-simuleringar i vätskor med Au/Cu-värden som är mycket högre än de som registrerats i naturliga porfyrförekomster som är rika på Au, både för kalkalkaliska och alkaliska magmer (fig. 3a och b). Det är omöjligt att reproducera de låga Au/Cu-värdena i Cu-rika avlagringar om man inte antar orimligt låga KD-värden mellan vätska och smälta för Au (“1) (fig. 3c). Dessutom har modellerade och geologiska vätskor som löses upp från magma (vulkaniska utsläpp och enfasvätskor från porfyrfyndigheter) mycket liknande Au/Cu-värden (fig. 3, tabell 2). Detta stöder påståendet att Au och Cu i vätskor som härrör från magma förekommer i koncentrationer som stämmer överens med de koncentrationer som erhålls med hjälp av experimentellt bestämda KD-värden för Au och Cu mellan vätska och smälta.

Plottningarna i figurerna 2 och 3 tyder således på att de olika Au/Cu-trenderna i Au-rika och Cu-rika fyndigheter kan bero på olika effektivitetsnivåer för Au-utfällning. Faktum är att de två porfyriska trenderna i Au-Cu-rummet reproduceras väl av Monte Carlo-simuleringar som utförts för guldutfällningseffektiviteter som är lägre än Cu med en faktor ~6-15 i Au-rika fyndigheter och med en faktor ~75 i Cu-rika fyndigheter (Fig. 4a, b; se Metodik för mer information). Detta översätts till Au-utfällningseffektiviteter som är ~5-12 gånger högre i Au-rika porfyrier än i Cu-rika porfyrier (fig. 4a, b och metoder).

En ökad utfällningseffektivitet av Au, som resulterar i den Au-rika trenden i porfyrfyndigheter, kan bero på: (i) det mindre djup där Au-rika avlagringar bildas28 och (ii) den högre stabiliteten hos hydrosulfidguld i alkalirika vätskor24. Som diskuteras i detalj i ref. 28 minskar guld- och kopparlösligheten i grunda porfyrsystem (<~3 km) snabbt i en expanderande S-rik ånga, som bär båda metallerna. Resultatet är samutfällning av Cu och Au och höga Au/Cu-värden. I djupare porfyrsystem (>~3 km) dominerar däremot en enfasig vätska från vilken främst Cu fälls ut vid avkylning, medan Au förblir löst i en tät ångfas. Enligt ref. 24 ökar närvaron av alkaliklorider kraftigt guldets löslighet i H2S-haltiga vätskor och skulle kunna förklara associeringen av Au-rika porfyriska avlagringar med alkaliska magmer, från vilka vätskor med högre halter av alkaliklorider antas lösas upp.

En ytterligare faktor som är ansvarig för guld- och kopparavkoppling i vissa specifika porfyrfyndigheter skulle kunna vara det magmatiskt-hydrotermiska systemets reducerade natur, antingen inneboende i magman eller som ett resultat av att vätskorna interagerar med reducerade värdstenar29. Till skillnad från Cu, vars löslighet minskar i reducerade malmvätskor, kan guld transporteras i liknande koncentrationer av malmvätskor oberoende av deras oxidationstillstånd29. Därför har det föreslagits att reducerade magmatiska-hydrotermiska system skulle kunna vara ansvariga för bildandet av vissa porfyrfyndigheter med rikligt med Au30.

En tektonisk kontroll för Cu vs. Au-utrustningar

I subduktionsbågar av andinsk typ leder långvariga kompressionsperioder (>2 Ma) till ackumulering av varierande stora magmavolymer på djupa krustanivåer med en typisk kalkkalkalisk signatur som kännetecknas av höga Sr/Y-värden2,31 . I ett sådant sammanhang bildas porfyriska Cu-rika fyndigheter eftersom de i huvudsak är beroende av stora magmavolymer som ackumulerats på mellan- och lägre skorpedjup under kompressionsperioden och av den efterföljande varaktigheten av magmatiskt-hydrotermiskt läckage från den djupa reservoaren till den grundare skorpan, där malmavlagring sker. Under denna process fälls guld ut med en låg genomsnittlig hastighet (fig. 1b) eftersom vätskor som löses upp från dessa kalkalkaliska magmer har dålig utfällningseffektivitet för guld (~75 gånger mindre än Cu-utfällningseffektivitet: se ovan). Detta beror sannolikt på en genomsnittligt djup bildning av Cu-rika avlagringar i ett sådant sammanhang28 och kanske på ineffektiv kemi i associerade vätskor24. Figur 5a, b visar att de största Cu-rika porfyrförekomsterna (>30 Mt Cu) som är förknippade med kalkalkaliska magmer förekommer på djup >~3 km och har guldutrustningar på <500 ton Au. I detta fall kan en betydande mängd guld gå förlorad till vulkaniska utsläpp, som har liknande höga Au/Cu-värden som de magmatiska bergarterna och som de enfasiga vätskor som löses upp från magma vid högt tryck (fig. 5a, b).

I sena till post-subduktions- och post-kollisionsmiljöer förknippas milt alkalisk till alkalisk magma med utvidgning6 eller med bågomvändning i tunnare öbågar26 (t.ex, Grasberg13,14, Bingham11 och Kisladag32). Utvidgning gynnar uppstigning, utveckling och placering av magma till grundare skorpnivåer33,34 medan tunnare skorpa resulterar i grundare genomsnittliga nivåer av magmautveckling31. De totalt sett lägre Sr/Y-värdena (~50) hos varierande alkaliska (och vissa kalkalkaliska) magmer som är förknippade med Au-rika porfyrfyndigheter (fig. 1c) stöder deras utveckling på i genomsnitt grundare krustanivåer, eftersom Sr/Y är ett mått på djupet av magmautvecklingen31,35,36. Alla Au-rika porfyrförekomster som är förknippade med varierande alkaliska magmer har verkligen bildats på grunda krustanivåer (<~3 km; fig. 5b), vilket troligen beror på att dessa magmer är förknippade med tektoniska (utbredning) och geodynamiska (tunnare jordskorpa) sammanhang som gynnar deras inplacering på grunda krustanivåer.

Däremot omfattar porfyrutfällningar som är förknippade med kalkalkaliska magmatiska bergarter ett bredare intervall av bildningsdjup, men endast de grunda (<~3 km) systemen kan vara förknippade med stora (>500-<1500 ton Au) Au-rika porfyrer (fig. 5b). Detta tyder på att magmaplacering på ytlig nivå och följaktligen bildandet av Au-rika system också kan förekomma i samband med kalkalkaliska magmer både i subduktionsmiljöer av andinsk typ (t.ex. Maricunga Au-rika porfyrsystem37), t.ex. under extensionsperioder som är interkalerade inom en övergripande kompressionsregim38,39 och i skorpetunnare öbågsmiljöer, t.ex. under bågparallellell förlängning i samband med kollision (t.ex, Batu Hijau40 och Grasberg14).

Som stöd för ovanstående argument korrelerar Sr/Y-genomsnittsvärdena för både kalkalkaliska och varierande alkaliska magmatiska system (som är en approximation för det genomsnittliga djupet av magmautvecklingen: se ovan) med djupet av porfyrbildningen (Fig. 5c; det enda undantaget är Chino-Santa Rita): med andra ord, ju grundare eller djupare den genomsnittliga magmautvecklingen i jordskorpan är (oberoende av magmakemin), desto grundare eller djupare är inlagringen av magma i den övre jordskorpan och den därav följande porfyrbildningen. Troligen är detta en följd av att båda dessa processer styrs av skorpans tjocklek och tektonisk regim (kompression vs. utvidgning).

Den tydliga associeringen av de största porfyrrika porfyrförekomsterna med milt alkaliska till alkaliska magmatiska bergarter (fig. 1a) kräver dock ytterligare faktorer som ytterligare ökar deras guldinnehåll. En jämförelse av Monte Carlo-modellering för Au-rika alkaliska och kalkalkaliska system (fig. 4a, b) tyder på att de högre guldinnehållet i Au-rika porfyrförekomster som är förknippade med alkaliska magmer kan förklaras av de högre guldhalterna i de alkaliska magmerna. En annan faktor som ökar guldinnehållet i Au-rika porfyrförekomster som är associerade med alkaliska system kan vara den gynnsamma kemin hos de vätskor som är associerade med sådana magmer24.

Å andra sidan är utvecklingen av magma i den grunda jordskorpan inte gynnsam för att generera de största möjliga magmavolymerna och Cu-tillgångarna2,33. Följaktligen kan ytligt bildade avlagringar inte nå upp till de mest enastående Cu-tillgångarna (>50 Mt Cu) i magmatiska system som är förknippade med typisk subduktion av andinsk typ under tjock kontinentalskorpa (fig. 1d).

En flerstegsprocess för Cu-Au-tillgångar

Djupet av porfyrbildningen och kemin hos magman och tillhörande vätskor tycks styra den Au-rika kontra den Au-rika. Cu-rika karaktären hos porfyriska Cu-Au-avlagringar, tyder ökningen av Cu- och Au-innehållet med malmdeponeringens varaktighet (fig. 1b, d) på att det slutliga Cu- och Au-innehållet i dessa avlagringar bestäms av det kumulativa antalet mineraliseringssteg41,42 som i slutändan styrs av magmavolymen och malmprocessens varaktighet2. Skillnaden är att varierande alkaliska system och kalk-alkaliska system med ytlig jordskorpa är naturligt förknippade med magma, vars vätskor är tektoniskt (dvs. ytlig placering: ref. 28) och kemiskt24 optimerade för hög guldutfällningseffektivitet. Däremot bildas typiska kalk-alkaliska (hög Sr/Y) magmer i en geodynamisk kontext som gynnar enorma magmaackumulationer, vilka är nödvändiga för att producera behemothiska Cu-rika fyndigheter2 , men de placeras på djup där de exsolverade vätskorna är mindre effektiva för guldutfällning.