世界屋脊是什么(世界屋脊上的巨型矿藏)

导 语斑岩型铜矿提供了全世界超过60%以上的铜矿资源，是最重要的铜矿成因类型，一直是世界范围内铜矿勘查的重点对象。我国西藏冈底斯地区是我国最重要的铜成矿带之一。近日，北京大学唐铭研究员等以1500Km长的冈底斯带为例，发现近2亿年来岩浆岩中磷灰石的硫含量具有规律性变化，在大约3千万年前出现显著增加，这对应于印度-欧亚大陆碰撞后地壳厚度的快速增加。结合全岩Dy/Yb比值，提出增厚地壳深部岩浆源区残留的石榴石对岩浆硫的氧化还原状态起到一级控制作用。这样现象不仅可以解释西藏冈底斯成矿带，也有望推广到世界范围其他巨型斑岩铜矿带，如南美安第斯带。相关成果在Science Advances杂志发表。
为此，特邀唐铭研究员讲述文章背后的故事。
17年夏天，有幸和一些国内外的地学同行在美国西部的大山里野外考察。每天翻山越岭，虽然辛苦，但是野外总是有很多的乐趣和看不完的风景。傍晚，大家会回到木屋里住下，吃饭休息，整理记录。晚饭后，大家会围在餐桌旁聊聊生活趣闻和国内外的研究特色。我们几个年轻人，由于一直在美国读书学习，对国内的地质了解非常少。有一天晚饭后，吴福元老师给我们建议说：
“你们几个应该去西藏看看，那里有一级的科学问题，有比美西更加壮丽的山脉。我们地球所这边可以提供支持。”
这个提议让我们几个兴奋坏了。
青藏高原，世界的第三极，这里是所有地质学家都梦想造访的地方，可是由于环境极端和许多其他因素，没有有经验的老手领路，很难开展工作。
在接下来的几个月内，我们顺利完成了立项等工作，一切准备就绪。
西藏，说走就走！
18年夏，中科院地球所纪伟强老师带队，我们一行6人，开始我们这个新成立课题组的第一次西藏科考。
飞机进入藏区，随处可见刺破云层的山峰，这些“无根“的山像海市蜃楼一样。照片由笔者在飞机上拍摄。
我们这个小组，虽然人数不多，但研究方向却有好几个。领队的纪伟强老师对藏南的演化历史有十多年的研究，曹文融老师主要研究造山带的地壳变形和剥蚀，初旭老师则对造山带的碳循环机理非常感兴趣。而我自己，主要是想弄清楚造山过程对岩浆氧化还原状态的影响。岩浆的氧化还原，这个听起来有些晦涩的学术词汇，背后涉及到一种人类现代文明极度依赖的金属矿产—铜矿。
西藏南部的冈底斯山脉，大体与喜马拉雅山脉平行，东西绵延1500多公里，平均海拔5500—6000米。就在这世界屋脊上，一个个大型、超大型斑岩铜矿被相继发现。藏南的冈底斯山脉为我国提供了至少一半的铜矿资源以及大量的金、钼等其他金属矿产。
斑岩铜矿，形成于火山地下2-5公里的深度，火山死亡后，地壳被剥蚀，逐渐将这些地下的铜矿暴露出来。斑岩铜矿的形成与次火山的热液活动息息相关。
但是，关于冈底斯的铜矿，有一个问题一直困惑着大家。冈底斯山脉起起落落，已经存在了超过2亿年。这2亿年里，岩浆与火山作用一直很活跃，但是冈底斯的铜矿绝大多数都形成在近3千万年的时间里。对于2亿多年的历史，3千万年不过一瞬。也就是说，冈底斯山脉在其一生中的大部分时间里都没能形成铜矿。
这是为什么呢？
大约六千万年前，藏南发生了巨变，印度大陆向欧亚大陆极速漂移过来，并最终撞上了欧亚大陆。大陆碰撞带来的板块挤压，驱动着大规模的造山运动，造就了世界屋脊。大约三千万年前，青藏高原的地壳厚度达到了极限（~70公里），位于高原南缘的冈底斯山脉，直面迎头撞来的印度大陆，平均海拔从碰撞前的2-3千米陡升到碰撞后的5-6千米。
在时间上，冈底斯铜矿的爆发式形成发生在印度-欧亚大陆碰撞后，和冈底斯地壳快速增厚、山脉隆起的时间一致，这很难不让人猜想背后的联系。实际上，冈底斯铜矿形成的规律在世界上很多地方都存在，例如在太平洋的东岸，美洲西部绵延一万多公里的巨型成矿带，铜矿的出现几乎都对应着造山的鼎盛时期。
穿梭在大山中的新高速公路，极大地提高了旅途效率。照片由笔者拍摄。
为期三周的野外，我们沿着冈底斯山脉，从林芝到日喀则，采集沿途的山体花岗岩样品。西藏高速发展的基础建设为我们开展工作带来了极大的便利，许多岩体不需要翻山越岭便能到达，即使是常年冰雪覆盖的高海拔山口。
乃钦康桑峰（7191米）南坡，卡若拉冰川附近的一个藏民小商店，这里即使是7月盛夏也是白雪皑皑。照片由笔者拍摄。
曹文融老师和初旭老师在考察岩石露头。岩壁上的白色梯子图案是藏民们为逝去的亲人画的，意味着通往天堂的天梯。照片由笔者拍摄。
在云间攀爬。我们需要找的露头恰好在山顶，这个山坡大约300米垂直高度。照片由笔者拍摄。
但是，西藏仍然是西藏，高原无处不在显露它的尊严。离开了大路，时刻需要小心，除了一些常规的高原反应、饮食问题，这一路遇到过滚石、塌方、还有翻下山沟的卡车。据纪老师说，他们之前在西藏出野外还多次遇到地震。
翻下山路的运矿车，希望司机无恙。照片由笔者拍摄。
我们这一路覆盖了约600公里的冈底斯山脉，没能抵达山脉更西部的地区。对冈底斯有多年研究经历的中国地质大学（北京）王瑞老师，将自己珍贵的样品贡献出来，使得我们最终的样品覆盖了1500公里的冈底斯山脉，岩石形成的年代覆盖1亿年。
回到实验室，我们对这些冈底斯岩石中的磷灰石矿物开展了化学研究。磷灰石是花岗质岩石中非常常见的矿物，但是它们的个头都很小，许多颗粒的直径只有发丝那么大。我们使用了一种叫电子探针的仪器分析这些岩石里的磷灰石。电子探针拥有极高的空间分辨率，让我们能够在几个微米的空间范围内对磷灰石进行精细的化学分析。
冈底斯岩石薄片里的磷灰石（灰白色）。这是一张电子背散射显微照片，图片下方有200微米的比例尺。照片由纪伟强老师在中科院地球所电子探针实验室拍摄。
电子探针的数据展现出一个让人无比兴奋的规律。这里的主角是硫（S）元素。我们发现，在过去的一亿年里，冈底斯磷灰石的硫含量一开始始终保持着非常低的含量，大部分都只有万分之几的浓度，直到近三千万年，磷灰石的硫含量突然成倍地蹿升。
硫是一个多价态元素，在岩浆里，硫一般以-2价和+6价形式存在。-2价的硫不喜欢进入磷灰石的晶格，但是+6价的硫却可以顺利进入磷灰石。当磷灰石从逐渐冷却的岩浆中结晶出来，如果岩浆的成分比较还原，岩浆里的硫是-2价，那么磷灰石就不会有很高的硫含量；而相反，如果岩浆的成分比较氧化，硫都是+6价的，那么结晶出来的磷灰石就会有很高的硫含量。
认识到以上这一点，冈底斯磷灰石的数据就变得有意思了。近三千万年来，冈底斯岩石中磷灰石记录到突然升高的硫含量，这说明近三千万年来，冈底斯的岩浆变氧化了，岩浆中的硫由之前的-2价为主变成了+6价为主。
再回头看看冈底斯山脉中铜矿的形成时间，二者正好吻合！岩浆中硫的价态转变很好地对应铜矿的出现！可是岩浆中硫价态的升高和铜矿的形成又有什么关系呢？
斑岩铜矿是一种热液型矿床。火山下的岩浆房在冷却过程中逐渐发生流体（主要是水）饱和，饱和后，流体会从岩浆中分离出来，并从岩浆里萃取大量的铜。流体的密度很低，会在岩浆房的顶部聚集，最终离开岩浆房。这些携带者大量铜的热液最终在更浅的地壳里冷凝，将铜沉淀出来。这个过程可以将铜浓缩一百倍，形成铜矿。
这一切听起来都很美好，热液萃取、搬运、浓缩铜，可是热液流体有一个强大的敌人。铜是一个亲硫元素，意味着铜非常喜欢进入硫化物矿物。如果火山下的岩浆房在冷却结晶过程中，岩浆中的-2价的硫以硫化物的形式饱和、结晶，那么，没等到流体从岩浆里萃取铜，硫化物就会将铜牢牢地抓住，永远留在岩浆房里，直到岩浆房彻底固结，铜以很低的浓度分散在岩石中，没有任何开采价值。
流体与硫化物的争铜大战。笔者画。
所以要干掉硫化物这个猪队友，唯一的办法是把岩浆里-2价的硫氧化成+6价，这样岩浆房里就不会发生硫化物结晶。实际上，这也解释了为什么世界上绝大多数斑岩铜矿的岩浆系统都偏氧化。
那么问题来了，为什么冈底斯山脉在漫长的两亿年里，偏偏在最近的三千万年里发生大规模的岩浆硫氧化呢？近三千万年是青藏高原成长为世界屋脊的时期，这段时间里，冈底斯的地壳急速增厚。冈底斯的地壳增厚和岩浆里硫的大规模氧化又有什么联系呢？
回想起我曾经研究的美国西部地区，亚利桑那的超深地壳来源的堆晶，那些堆晶里的石榴石，由于极为富集二价铁，导致岩浆亏损二价铁，三价铁相对二价铁的浓度升高。铁平均价态的升高，势必会在后面氧化岩浆里的其他变价元素，包括硫。石榴石喜欢高压，只有地壳足够厚的时候，岩浆系统才能出现石榴石。
这么看，似乎一切都明白了。印度和欧亚大陆碰撞后，冈底斯地壳快速增厚，使得地壳深部能够稳定石榴石，产生的岩浆具有很高的平均铁价态。这样的岩浆在上升到地壳浅部形成岩浆房，并将岩浆里-2价的硫氧化成+6价，使得流体能够顺利的将岩浆里的铜萃取出去。
为了验证这一猜想，我们分析了这些岩石的稀土成分，稀土元素之间的分异能够有效的指示岩浆在地壳深部是否发生过石榴石的分异。果然，冈底斯磷灰石里的硫含量和岩石的稀土分异有非常好的相关性，这意味着石榴石正是影响岩浆中硫的氧化还原状态的一级控制因素。
磷灰石的硫含量反映岩浆中硫的氧化状态（含量越高越氧化），并与反映深部石榴石分异的稀土指标正相关。
如今，藏南的冈底斯成矿带由于成矿规模大、成矿金属种类丰富等，在世界范围内引起了广泛关注，源源不断地为我们国家的发展提供关键资源。西藏铜矿提炼出的铜金属被广泛应用于我国的电力、电子、能源、机械、石化、交通以及各类新兴产业和高科技领域。这些是名副其实的世界屋脊上的矿藏。冈底斯山脉中的探矿工作还在继续，世界屋脊依旧年轻，相信未来还会不断的有重要矿藏被发现。
藏在冈底斯群山中的驱龙铜矿，海拔5500米，现已探明的铜金属量超过1000万吨。照片由中国地质大学（北京）的王瑞教授拍摄。
参考文献：Tang, M., Lee, C-T.,Ji, W., Wang, R., Costin, G. (2020). Crustal thickening and endogenic oxidationof magmatic sulfur. Science Advances, 6, eaba6342
唐铭个人主页：
http://faculty.pku.edu.cn/MingTang/zh_CN/index.htm
电子邮箱：mingtang@pku.edu.cn
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