下地壳条件下硫化物/熔体之间Cu分配系数实验测定

It’s broadly believed that most Cu-bearing porphyry magmas are produced by partial melting or fractional crystallization at the base of arc crust or thickened lower crust, where sulfide usually occurs due to high sulfur fugacity. The partition coefficient of Cu between sulfide and magmatic melt is much higher than those between mafic minerals, Fe-Ti oxides and magmas and thus the amount of sulfide and its Cu partition coefficient are essential to assess the ore-forming potential of magmas. During magmatic processes, the partition coefficient of Cu depends on the physical chemistry conditions, therefore, it’s important to understand how the physical chemistry factors affect the partition coefficient of Cu between sulfide and silicate melt. However, the previous studies rarely investigate partition coefficients of Cu between sulfide and hydrous felsic to mafic melts under lower crust to upper mantle conditions. This study will conduct systematical high pressure and high temperature experiments. The aims are to determine the partition coefficients of Cu between sulfide and silicate melts as well as the effects of temperature, pressure, composition of melts, oxygen fugacity and sulfur fugacity on the partition coefficients. We believe that the experimental results will be very helpful to better understand the behavior and enrichment mechanism of Cu during magmatic processes.

弧壳底部和增厚下地壳被认为是含Cu斑岩岩浆产生的重要场所，在部分熔融或结晶分异过程中由于硫逸度较高，往往伴随硫化物出现。由于硫化物的Cu分配系数远大于其他矿物，它的含量和Cu分配系数大小是决定岩浆成矿潜力的关键。分配系数往往是随岩浆物理化学条件变化而变化的，因此，研究物理化学因素对硫化物与岩浆间的Cu分配系数的影响是必要的。基于目前下地壳-上地幔条件下硫化物与含水中酸性-基性熔体间的Cu分配系数仍然十分缺乏，特别是下地壳条件下硫化物和含水中酸性熔体间的Cu分配系数是一个空白，本项目拟通过高温高压实验，系统调查温度、压力、熔体组成、氧逸度和硫逸度等物理化学因素对铜在硫化物与熔体之间分配系数的影响，获得系统准确成套的铜在硫化物与熔体之间分配系数，特别是要限定控制硫化物Cu分配系数大小的关键物理化学因素，并应用这些分配系数，讨论斑岩岩浆形成过程中铜的地球化学行为以及岩浆Cu富集的机制。

斑岩型矿床提供了全世界大部分的铜金产量。斑岩型矿床属于岩浆-热液型矿床，源自中酸性岩浆的热液将金属成矿从深部地壳运移到浅部地壳。这些岩浆富含挥发分（水、硫）与高的氧逸度被认为是成矿关键因素。一方面，巨型矿床不光需要巨量的金属，还需要巨量的硫。另一方面，还原条件下，硫为-2价的硫化物形式存在，溶解度低，并且这些硫化物如果残余，那么会吸收大部分的铜金，导致岩浆亏损铜金，难以成矿。前人普遍认为，高氧逸度是抑制硫化物的关键。但氧逸度，硫溶解度与成矿过程间的关系并不清楚。因而我们开展了系统的高温高压实验，研究（1）硫化物溶解度；（2）俯冲带流体运移；（3）俯冲带氧逸度等问题。我们的结果显示，（1）当硫化物与硫酸盐共存时，硫在中酸性岩浆中的溶解度达到最大值，可以高达8000ppm，高于硫化物与硫酸盐二者溶解度的和，也意味着可能存在某个中间价态的硫。结合硫和金的溶解度实验数据，我们认为可能存在S4+。并且S4+在具有相对高氧逸度和富挥发分的俯冲带环境中更易存在。由于水在岩浆中溶解度随压力增加而增加，那么更深起源的岩浆将携带更多的挥发分。这可能解释了为什么大型斑岩型矿床产自加厚的汇聚边缘。（2）冷的俯冲洋壳在深部水循环中扮演重要角色。新发现的两个富铝含水相使板片可以携带更多的水进入地幔转换带和下地幔，二面角的实验表明冷的板片比热的板片携带更多的水进入地幔转换带。（3）除了氧逸度，温度也显著影响钒在地幔矿物与熔体间的分配行为，那么意味着岛弧玄武岩与洋中脊玄武岩相同的V/Sc比代表前者比后者更氧化。