中国科学技术大学地球和空间科学学院张海江教授与中国地质科学院地质研究所侯增谦院士、中国地质大学（北京）王庆飞教授等合作，通过地球物理和地球化学学科交叉，发现岩石圈壳幔解耦形成的岩石圈立交桥构造对造山型金矿带具有控制作用。研究成果近期以“Lithosphere architecture characterized by crust–mantle decoupling controls the formation of orogenic gold deposits”为题发表于学术期刊《National Science Review》（国家科学评论）。
造山型金矿约占全球金矿资源30%，但是其成矿机理还存在争议。此类金矿之前常被认为广泛发育于前寒武纪绿岩带中，它们的含金流体被认为是由进变质过程中地壳岩石脱水产生。然而，越来越多的证据表明，太古代克拉通边缘存在大量显生宙造山型金矿，成矿流体显示大量地幔来源的特征。研究团队选择位于青藏高原东南部的扬子克拉通西缘哀牢山造山型金矿带（图1）为例，综合多种地球物理和地球化学手段，开展了造山型金矿带成矿机制研究。
图1 东亚造山型金矿带的分布(a)以及云南哀牢山金矿带的构造框架(b)
多尺度地幔成像显示，青藏高原东南部上地幔具有明显的速度非均匀性。高Vp特征的印度岩石圈以高角度俯冲并到达地幔过渡带；在俯冲的印度岩石圈东部，一个大型蘑菇状低Vp特征的软流圈物质在刚性的亚洲地幔岩石圈下方横向延伸(图2)。高精度岩石圈地震联合成像发现在金矿带斜下方60-80km和30-40km处存在两个高Vp/Vs异常（图2）；分别解释为被上涌软流圈烘烤产生部分熔融的地幔岩石圈和含水基性岩浆在地壳底部底垫。大地电磁成像也揭示在金矿下方存在多个热流通道穿过莫霍面。前人的远震横波分裂各向异性分析发现在纬度～26°N以南，快波极化方向与地表变形方向大角度相交，表明这个区域壳幔变形是解耦的，呈现立交桥式的变形结构。因此综合地球物理结果显示，哀牢山作为块体边界为部分熔融的地幔岩石圈提供了热流通道，地壳和地幔变形之间的解耦促进了基性岩浆于地壳下部的聚集。
图2 沿24°N剖面的(a)地幔Vp和(b)岩石圈Vp/Vs的变化。(a)中的红色低速区表示上涌的软流圈热物质；(b)中莫霍面（以虚线表示）上下的高Vp/Vs区域为部分熔融。
地球化学分析发现，与哀牢山金矿时空紧密伴生的煌斑岩中金云母的Cl/F比值在壳幔过渡带的温压条件（1.2 GPa、1050°C）下表现出特别迅速的下降，表明通过壳幔过渡带基性岩浆出现了大量的脱气行为。哀牢山金矿石样品具有相对较高的3He/4He比率（1.0至1.3 R/Ra）和3He/36Ar比率（2-8×10-3），证实了源于地幔的基性岩浆对成矿流体存在重要贡献。石英脉金矿体矿物流体包裹体的Br/Cl摩尔比为0.7-1.2×10-3，I/Cl摩尔比为12-34×10-6，与地幔值相同，进一步表明成矿流体是由含水基性岩浆脱气形成。
综合哀牢山金矿区地质、地球物理和地球化学数据，研究团队提出青藏高原东南缘岩石圈壳幔解耦对造山型金矿床的形成具有控制作用，并建立了成矿模式（图3）。大陆俯冲引发软流圈上涌、地幔部分熔融与壳幔运动解耦。熔融产生的基性岩浆在壳幔解耦处汇聚并产生成矿流体，成矿流体沿超壳断裂迁移至上地壳沉淀成矿。壳幔解耦控制金成矿的地球动力学模式可以合理解释多个显生宙大型造山型金矿省的形成过程。本研究提出的造山型金矿成矿模式，有助于类似金矿系统的综合地球物理和地球化学勘查。
图3 青藏高原东缘壳幔解耦对造山型金矿系统的控制机制
本项工作是张海江教授课题组长期地球物理先进成像算法研发及在不同区域结构成像相关研究的延续。近年来，该研究组发展了一系列先进地球物理成像算法，包括地震体波走时、面波频散和接收函数联合成像算法，并构建了中国大陆岩石圈高分辨率统一速度模型USTClitho1.0(Xinet al., 2019)和USTClitho2.0(Hanet al., 2022)。
本论文共同通讯作者为侯增谦院士、王庆飞教授和张海江教授。合作者还包括许博教授、余年教授、王瑞教授、D.I Groves教授、郑远川教授、韩守诚博士、高磊博士和杨林副教授。该项研究得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、中国科学技术大学创新团队培育基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac257