世界屋脊上的巨型礦藏

斑巖型銅礦提供了全世界超過60%以上的銅礦資源，是最重要的銅礦成因類型，一直是世界范圍內銅礦勘查的重點對象。我國西藏岡底斯地區是我國最重要的銅成礦帶之一。近日，北京大學唐銘研究員等以1500千米長的岡底斯帶為例，發現近2億年來巖漿巖中磷灰石的硫含量具有規律性變化，在大約3000萬年前出現顯著增加，這對應于印度-歐亞大陸碰撞后地殼厚度的快速增加。結合全巖Dy/Yb比值，提出增厚地殼深部巖漿源區殘留的石榴石對巖漿硫的氧化還原狀態起到一級控制作用。這樣現象不僅可以解釋西藏岡底斯成礦帶，也有望推廣到世界范圍其他巨型斑巖銅礦帶，如南美安第斯帶。相關成果在ScienceAdvances雜志發表。

為此，特邀唐銘研究員講述文章背后的故事。

2017年夏天，有幸和一些國內外的地學同行在美國西部的大山里野外考察。每天翻山越嶺，雖然辛苦，但是野外總是有很多的樂趣和看不完的風景。傍晚，大家會回到木屋里住下，吃飯休息，整理記錄。晚飯后，大家會圍在餐桌旁聊聊生活趣聞和國內外的研究特色。我們幾個年輕人，由于一直在美國讀書學習，對國內的地質了解非常少。有一天晚飯后，吳福元老師給我們建議說：

“你們幾個應該去西藏看看，那里有一級的科學問題，有比美西更加壯麗的山脈。我們地球所這邊可以提供支持。”

這個提議讓我們幾個興奮壞了。

青藏高原，世界的第三極，這里是所有地質學家都夢想造訪的地方，可是由于環境極端和許多其他因素，沒有有經驗的老手領路，很難開展工作。

在接下來的幾個月內，我們順利完成了立項等工作，一切準備就緒。

西藏，說走就走！

2018年夏，中科院地球所紀偉強老師帶隊，我們一行6人，開始我們這個新成立課題組的第一次西藏科考。

我們這個小組，雖然人數不多，但研究方向卻有好幾個。領隊的紀偉強老師對藏南的演化歷史有十多年的研究，曹文融老師主要研究造山帶的地殼變形和剝蝕，初旭老師則對造山帶的碳循環機理非常感興趣。而我自己，主要是想弄清楚造山過程對巖漿氧化還原狀態的影響。巖漿的氧化還原，這個聽起來有些晦澀的學術詞匯，背后涉及到一種人類現代文明極度依賴的金屬礦產—銅礦。

西藏南部的岡底斯山脈，大體與喜馬拉雅山脈平行，東西綿延1500多千米，平均海拔5500～6000米。就在這世界屋脊上，一個個大型、超大型斑巖銅礦被相繼發現。藏南的岡底斯山脈為我國提供了至少一半的銅礦資源以及大量的金、鉬等其他金屬礦產。

斑巖銅礦，形成于火山地下2～5千米的深度，火山死亡后，地殼被剝蝕，逐漸將這些地下的銅礦暴露出來。斑巖銅礦的形成與次火山的熱液活動息息相關。

但是，關于岡底斯的銅礦，有一個問題一直困惑著大家。岡底斯山脈起起落落，已經存在了超過2億年。這2億年里，巖漿與火山作用一直很活躍，但是岡底斯的銅礦絕大多數都形成在近3000萬年的時間里。對于2億多年的歷史，3000萬年不過一瞬。也就是說，岡底斯山脈在其一生中的大部分時間里都沒能形成銅礦。

這是為什么呢？

大約6000萬年前，藏南發生了巨變，印度大陸向歐亞大陸極速漂移過來，并最終撞上了歐亞大陸。大陸碰撞帶來的板塊擠壓，驅動著大規模的造山運動，造就了世界屋脊。大約3000萬年前，青藏高原的地殼厚度達到了極限，位于高原南緣的岡底斯山脈，直面迎頭撞來的印度大陸，平均海拔從碰撞前的2～3千米陡升到碰撞后的5～6千米。

在時間上，岡底斯銅礦的爆發式形成發生在印度-歐亞大陸碰撞后，和岡底斯地殼快速增厚、山脈隆起的時間一致，這很難不讓人猜想背后的聯系。實際上，岡底斯銅礦形成的規律在世界上很多地方都存在，例如在太平洋的東岸，美洲西部綿延1萬多公里的巨型成礦帶，銅礦的出現幾乎都對應著造山的鼎盛時期。

為期三周的野外，我們沿著岡底斯山脈，從林芝到日喀則，采集沿途的山體花崗巖樣品。西藏高速發展的基礎建設為我們開展工作帶來了極大的便利，許多巖體不需要翻山越嶺便能到達，即使是常年冰雪覆蓋的高海拔山口。

但是，西藏仍然是西藏，高原無處不在顯露它的尊嚴。離開了大路，時刻需要小心，除了一些常規的高原反應、飲食問題，這一路遇到過滾石、塌方、還有翻下山溝的卡車。據紀老師說，他們之前在西藏出野外還多次遇到地震。

我們這一路覆蓋了約600千米的岡底斯山脈，沒能抵達山脈更西部的地區。對岡底斯有多年研究經歷的中國地質大學（北京）王瑞老師，將自己珍貴的樣品貢獻出來，使得我們最終的樣品覆蓋了1500千米的岡底斯山脈，巖石形成的年代覆蓋1億年。

回到實驗室，我們對這些岡底斯巖石中的磷灰石礦物開展了化學研究。磷灰石是花崗質巖石中非常常見的礦物，但是它們的個頭都很小，許多顆粒的直徑只有發絲那么大。我們使用了一種叫電子探針的儀器分析這些巖石里的磷灰石。電子探針擁有極高的空間分辨率，讓我們能夠在幾個微米的空間范圍內對磷灰石進行精細的化學分析。

電子探針的數據展現出一個讓人無比興奮的規律。這里的主角是硫元素。我們發現，在過去的 1億年里，岡底斯磷灰石的硫含量一開始始終保持著非常低的含量，大部分都只有萬分之幾的濃度，直到近3000萬年，磷灰石的硫含量突然成倍地躥升。

硫是一個多價態元素，在巖漿里，硫一般以-2價和+6價形式存在。-2價的硫不喜歡進入磷灰石的晶格，但是+6價的硫卻可以順利進入磷灰石。當磷灰石從逐漸冷卻的巖漿中結晶出來，如果巖漿的成分比較還原，巖漿里的硫是-2價，那么磷灰石就不會有很高的硫含量；而相反，如果巖漿的成分比較氧化，硫都是+6價的，那么結晶出來的磷灰石就會有很高的硫含量。

認識到以上這一點，岡底斯磷灰石的數據就變得有意思了。近3000萬年來，岡底斯巖石中磷灰石記錄到突然升高的硫含量，這說明近三千萬年來，岡底斯的巖漿變氧化了，巖漿中的硫由之前的-2價為主變成了+6價為主。

再回頭看看岡底斯山脈中銅礦的形成時間，二者正好吻合！巖漿中硫的價態轉變很好地對應銅礦的出現！可是巖漿中硫價態的升高和銅礦的形成又有什么關系呢？

斑巖銅礦是一種熱液型礦床。火山下的巖漿房在冷卻過程中逐漸發生流體（主要是水）飽和，飽和后，流體會從巖漿中分離出來，并從巖漿里萃取大量的銅。流體的密度很低，會在巖漿房的頂部聚集，最終離開巖漿房。這些攜帶者大量銅的熱液最終在更淺的地殼里冷凝，將銅沉淀出來。這個過程可以將銅濃縮一百倍，形成銅礦。

這一切聽起來都很美好，熱液萃取、搬運、濃縮銅，可是熱液流體有一個強大的敵人。銅是一個親硫元素，意味著銅非常喜歡進入硫化物礦物。如果火山下的巖漿房在冷卻結晶過程中，巖漿中的-2價的硫以硫化物的形式飽和、結晶，那么，沒等到流體從巖漿里萃取銅，硫化物就會將銅牢牢地抓住，永遠留在巖漿房里，直到巖漿房徹底固結，銅以很低的濃度分散在巖石中，沒有任何開采價值。

所以要干掉硫化物這個豬隊友，唯一的辦法是把巖漿里-2價的硫氧化成+6價，這樣巖漿房里就不會發生硫化物結晶。實際上，這也解釋了為什么世界上絕大多數斑巖銅礦的巖漿系統都偏氧化。

那么問題來了，為什么岡底斯山脈在漫長的兩億年里，偏偏在最近的3000萬年里發生大規模的巖漿硫氧化呢？近 3 000萬年是青藏高原成長為世界屋脊的時期，這段時間里，岡底斯的地殼急速增厚。岡底斯的地殼增厚和巖漿里硫的大規模氧化又有什么聯系呢？

回想起我曾經研究的美國西部地區，亞利桑那的超深地殼來源的堆晶，那些堆晶里的石榴石，由于極為富集+2價鐵，導致巖漿虧損二價鐵，+3價鐵相對+2價鐵的濃度升高。鐵平均價態的升高，勢必會在后面氧化巖漿里的其他變價元素，包括硫。石榴石喜歡高壓，只有地殼足夠厚的時候，巖漿系統才能出現石榴石。

這么看，似乎一切都明白了。印度和歐亞大陸碰撞后，岡底斯地殼快速增厚，使得地殼深部能夠穩定石榴石，產生的巖漿具有很高的平均鐵價態。這樣的巖漿在上升到地殼淺部形成巖漿房，并將巖漿里-2價的硫氧化成+6價，使得流體能夠順利的將巖漿里的銅萃取出去。

為了驗證這一猜想，我們分析了這些巖石的稀土成分，稀土元素之間的分異能夠有效的指示巖漿在地殼深部是否發生過石榴石的分異。果然，岡底斯磷灰石里的硫含量和巖石的稀土分異有非常好的相關性，這意味著石榴石正是影響巖漿中硫的氧化還原狀態的一級控制因素。

如今，藏南的岡底斯成礦帶由于成礦規模大、成礦金屬種類豐富等，在世界范圍內引起了廣泛關注，源源不斷地為我們國家的發展提供關鍵資源。西藏銅礦提煉出的銅金屬被廣泛應用于我國的電力、電子、能源、機械、石化、交通以及各類新興產業和高科技領域。這些是名副其實的世界屋脊上的礦藏。岡底斯山脈中的探礦工作還在繼續，世界屋脊依舊年輕，相信未來還會不斷的有重要礦藏被發現。