我国学者与海外合作者在俯冲带板-幔界面金和硫质量传输机制方面取得进展

　　

图 俯冲带板-幔界面金和硫循环富集模型。（A）交代地幔流体中硫的主要迁移形式；（B）交代地幔流体金溶解度和络合形式；（C）俯冲带地幔楔氧化和金、硫循环富集过程；（D）交代地幔金释放机制

　　俯冲带是地球壳-幔物质和能量交换的重要场所，C-H-O-S挥发分和Au-Cu等亲铜金属通过含水熔体或脱挥发分流体从俯冲板片转移到上覆地幔楔。地幔橄榄岩岩石学和Li-Os同位素研究表明，板片流体交代的氧化岩石圈地幔是俯冲带巨量金矿床形成的关键。熔流体中S⁶⁺和Fe³⁺是驱动地幔楔氧化和其部分熔融过程中含金硫化物分解的主要氧化剂，还原性HS^-、H₂S和S₃^–则是Au迁移富集的主要配体。由于缺少对俯冲界面含硫板片流体交代地幔过程的定量评估，尚不清楚板片流体如何驱动上覆地幔楔氧化和金迁移富集。

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42130801、42261134535）等资助下，中国地质大学（北京）邱昆峰教授、邓军教授与国内外合作者在俯冲带板-幔界面金和硫质量传输机制研究方面取得新进展。研究成果以“硫驱动俯冲带地幔氧化和巨型金矿床的形成（Mantle oxidation by sulfur drives the formation of giant gold deposits in subduction zones）”为题，于2024年12月19日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2404731121。

　　研究团队联用热力学数值模拟和质量平衡计算，定量约束了俯冲洋壳脱挥发分和地幔楔交代氧化过程（图A-D）。板片脱挥发分模型显示，在弧前深度，<5%的硫以H₂S和HS^-的形式释放进入上覆地幔楔；在弧下深度，由于黄铁矿被氧化为易溶的硫酸盐，俯冲板片脱挥发分流体能传输60-80%的硫进入上覆地幔，其中以HSO₄^-、SO₄^2-和SO₂等氧化硫为主（图C和D）。进一步的质量平衡计算揭示，俯冲原岩Fe³⁺含量可能是控制板-幔界面硫释放的关键因素。地幔交代数值模型结果表明，在弧下深度，由于大量硫酸盐的输入，板片流体能氧化硅酸盐矿物中的Fe²⁺为Fe³⁺，并增加亏损地幔氧逸度到ΔFMQ+1-ΔFMQ+3（图D）。在这种氧化还原条件下，交代反应后的地幔楔流体ΔpH值为1.5-2.5，呈弱碱性特征，并且流体中S₃^–离子为硫的主要存在形式，浓度高达1 wt%，占总溶解硫的50-90%（图A）。高丰度S₃^-有利于形成易溶Au(HS)S₃^-络合物，其金溶解度高达1-2 ppm（图B）。此外，交代地幔高温含流体部分熔融质量平衡计算揭示，在ΔFMQ+1.5的氧化还原条件下，含流体的熔体能比单一硅酸盐熔体提取10-100倍更多的金。上述研究结果表明，含硫板片流体的氧化作用是交代地幔内金迁移和富集的主要驱动机制，流体存在的地幔楔部分熔融是俯冲带富金熔体形成的关键（图C和D）。

　　该研究定量诠释了俯冲过程中板-幔界面金和硫的质量传输机制，以及交代地幔内金迁移富集与地幔楔氧化的成因联系。研究结果加深了对俯冲带内巨型金矿床成因和空间分布规律的认识，建立的数值模型也可用于定量预测俯冲过程中C、H、N等其他挥发分和REE等关键金属的质量传输过程。