硫驱动的俯冲带地幔氧化与巨型金矿床的形成

学术背景

地球上的大多数金属资源集中在岩浆弧环境中，而俯冲带是地幔与地壳之间物质交换的主要区域。俯冲板块释放的流体被认为能够氧化上覆的地幔楔，从而促进金等金属的富集。然而，关于这些流体如何改变地幔的氧化状态并影响金的富集机制，仍然缺乏深入的理解。本文通过数值模拟，揭示了俯冲板块释放的流体将大量硫酸盐（S6+）引入地幔楔，显著提高了其氧逸度，并促进了金的迁移和富集。

论文来源

本文由Deng-Yang He、Kun-Feng Qiu、Adam C. Simon、Gleb S. Pokrovski、Hao-Cheng Yu、James A. D. Connolly、Shan-Shan Li、Simon Turner、Qing-Fei Wang、Meng-Fan Yang和Jun Deng共同撰写，发表于2024年12月19日的《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊，题为《Mantle oxidation by sulfur drives the formation of giant gold deposits in subduction zones》。

研究流程

1. 俯冲板块的脱挥发分过程

研究首先模拟了俯冲板块在热（1000°C，2.4 GPa）和冷（1000°C，3.3 GPa）俯冲地温梯度下的脱挥发分过程。结果显示，俯冲板块在热和冷俯冲条件下分别释放了约60%和90%的初始硫。在热俯冲条件下，流体中的硫物种从还原态（HS–和H2S）逐渐转变为氧化态（HSO4–、SO42–、KSO4–、HSO3–和SO2），而在冷俯冲条件下，流体中的硫物种始终以硫酸盐为主。

2. 地幔楔的氧化模型

研究进一步模拟了俯冲板块释放的流体与地幔岩石的相互作用。结果显示，含有1-2 wt.% S6+的流体能够将地幔的氧逸度提高至少2个对数单位。这种氧化过程导致了流体中三硫自由基离子（S3–）的形成，该离子能够与金形成可溶性络合物Au(HS)S3–，从而显著提高金的迁移能力。

3. 金在流体中的溶解度和化学形态

研究还计算了金在俯冲带典型条件下的溶解度和化学形态。结果显示，在氧化条件下，Au(HS)S3–是金的主要载体，其溶解度比还原条件下的Au(HS)2–高出三个数量级。这种高溶解度的金络合物使得流体能够携带大量的金，从而为金矿床的形成提供了物质基础。

4. 地幔部分熔融过程中的金提取效率

研究模拟了在氧化和还原条件下，地幔部分熔融过程中金的提取效率。结果显示，在氧化条件下，即使只有1%的部分熔融，地幔中的金也能被有效提取到流体和熔体中。这种高效的提取过程为金矿床的形成提供了必要的条件。

主要结果

1. 俯冲板块的脱挥发分过程：俯冲板块在热和冷俯冲条件下分别释放了约60%和90%的初始硫，流体中的硫物种从还原态逐渐转变为氧化态。
2. 地幔楔的氧化模型：含有1-2 wt.% S6+的流体能够将地幔的氧逸度提高至少2个对数单位，并形成三硫自由基离子（S3–），显著提高金的迁移能力。
3. 金在流体中的溶解度和化学形态：在氧化条件下，Au(HS)S3–是金的主要载体，其溶解度比还原条件下的Au(HS)2–高出三个数量级。
4. 地幔部分熔融过程中的金提取效率：在氧化条件下，即使只有1%的部分熔融，地幔中的金也能被有效提取到流体和熔体中。

结论

本文通过数值模拟，揭示了硫驱动的俯冲带地幔氧化是金迁移和富集的主要原因。俯冲板块释放的流体将大量硫酸盐引入地幔楔，显著提高了其氧逸度，并促进了金的迁移和富集。这种机制为俯冲带环境中金矿床的形成提供了新的解释，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 重要发现：硫驱动的俯冲带地幔氧化是金迁移和富集的主要原因。
2. 方法创新：本文采用了数值模拟方法，定量预测了俯冲板块释放流体的化学性质及其对地幔氧化的影响。
3. 科学价值：研究揭示了俯冲带环境中金矿床形成的机制，为金属资源的勘探和开发提供了理论依据。

其他有价值的信息

本文的研究结果不仅适用于金矿床的形成，还可以推广到其他金属矿床的研究中。此外，研究还强调了硫在俯冲带物质循环中的重要作用，为理解地球深部物质循环提供了新的视角。