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skarn型铁矿床铜缺失机制研究：基于随机森林模型的磷灰石地球化学与岩体特征关联分析，揭示氧 fugacity 和熔融体Cl/SO3含量差异是主控因素。
张俊武|李琳|张巨全|王芳月|梁显
中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京，100083，中国
摘要
中国东部的华北克拉通含有多个矽卡岩铁矿群，与长江中下游带的铁矿群相比，这些铁矿群明显缺乏铜元素，但其形成机制尚不清楚。我们从这两个地区的矽卡岩铁/铜矿床相关以及贫瘠的中酸性岩浆体中收集了磷灰石的主要元素数据以及岩石的整体主要和微量元素数据。通过对不同肥力水平（贫瘠、富铁和含铜）的岩浆体进行岩石和磷灰石地球化学比较，发现矿化岩浆体是由多种因素共同作用的结果。我们使用随机森林模型，根据磷灰石平衡熔体参数（熔体F、Cl、SO3和ΔFMQ）对岩浆体的肥力（含铜、富铁和贫瘠）进行了分类。该模型在包含425个磷灰石分析数据集（181个含铜、154个富铁和90个贫瘠样本）的情况下进行了训练，表现出良好的性能，准确率、精确率和召回率分别为0.88，五折交叉验证F1分数为0.87±0.02。这项分析揭示了不同的地球化学特征：贫瘠岩浆体的熔体FMelt、ClMelt和SO3(Melt)含量较低；富铁岩浆体的ClMelt含量最高，ΔFMQ也较高；而含铜岩浆体的SO3(Melt)含量较高，但ClMelt和ΔFMQ较低。通过一系列磷灰石和岩石指标，我们建立了诊断阈值：贫瘠岩浆体的La/Yb比率（中位数17）、AST（磷灰石饱和温度845°C）、熔体F（1180 ppm）和SO3（32 ppm）含量较低；含铜岩浆体的La/Yb比率（中位数35）、εNd(t)（-6.93）、AST（944°C）、熔体F（1819 ppm）和SO3（64 ppm）含量较高，且氧化条件适中（ΔFMQ -1.8至+2.9）。这些指标为识别华北克拉通中的富铜岩浆体提供了实用工具。基于这些发现，对比分析表明，华北克拉通矽卡岩铁矿群中铜元素缺乏的原因可能是La/Yb、εNd(t)和AST值较低，以及氧逸度较高。这暗示了两种可能的成因机制：一是岩浆源本身就缺乏铜元素，不利于铜矿化；二是高氧逸度可能导致铜元素在以铁为主的矿化体系中分散，从而无法形成明显的铜矿体。本研究为评估岩浆体的富铜性提供了重要的新见解。
引言
矽卡岩铁-铜矿床具有重要的工业价值（Meinert等人，2005年；Zhou等人，2017年）。铁和铜的富集程度在不同矽卡岩矿床中存在差异。中国东部不仅在华北克拉通（NCC）而且在长江中下游成矿带（MLYB）都有大量的矽卡岩型铁或铜矿床。华北克拉通位于北部，与南部的扬子克拉通由秦岭-大别造山带分隔开来，而长江中下游成矿带则位于扬子克拉通的北部边缘（Fan等人，2025年）。在晚侏罗世至白垩世期间，NCC和MLYB在古太平洋板块俯冲的影响下形成了Fe-Cu-Au多金属矿化（Li等人，2022年；Meng等人，2024年；Zhang等人，2025a）。华北克拉通的铁矿石储量超过26亿吨，平均品位（TFe）超过45%（Zhang等人，2014年；Duan等人，2022年）。矽卡岩铁矿在NCC中广泛分布，尤其是在邯郸-邢台和莱芜铁矿区。大约1.37亿年前，初始平坦的古太平洋板块的回撤在俯冲板块和上覆板块之间形成了一个楔形区域，引发了软流圈的上涌（Zhang等人，2025a）。这种上涌导致了中等氧化程度、富含Cl和H2O的陆壳地幔的部分熔融，产生了氧逸度略高于镍镍氧化物（NNO）缓冲区的初级基性岩浆，最终在约1.3亿年前促成了华北克拉通大规模矽卡岩铁矿的形成（Zhang等人，2025a）。长江中下游成矿带的铁矿石资源估计为50亿吨，铜资源为1300万吨（Mao等人，2011年；Zhou等人，2017年）。MLYB中普遍存在矽卡岩型Fe、Fe-Cu和Cu矿化，例如成朝（Fe）、灵乡（Fe）、铜绿山（Fe-Cu-Au）、安庆（Cu）和竹忠（Fe-Cu）等矿床（Mao等人，2011年；Zhou等人，2017年）。这些矽卡岩铁矿的金属类型多样，从以铁为主到以铜为主都有。MLYB中含铜矿床的形成可追溯到约1.5亿至1.35亿年前的古太平洋平顶板俯冲，这种俯冲模式促进了富含硫和水的成矿岩浆的多层壳幔演化（Meng等人，2024年）。长期以来，华北克拉通矽卡岩铁矿群中铜元素的持续缺乏一直困扰着勘探地质学家。控制铁和铜差异积累的岩浆体地球化学特征尚未得到充分理解和总结。需要进一步的研究来阐明岩浆地球化学在控制铁和铜矿化中的作用。
磷灰石的化学式为Ca5(PO4)3(F, OH, Cl)，是一种普遍存在于岩浆岩中的副矿物，具有很高的抗热液蚀变和风化能力（Nathwani等人，2020年）。其化学稳定性和结合微量元素的能力使其成为研究岩浆和热液矿床的宝贵工具。具体来说，磷灰石被广泛用于确定地质年代、追踪岩浆来源和演化过程、阐明矿化过程中的物理化学条件、评估成矿潜力以及指导矿产勘探策略（Yang等人，2020年；Di等人，2025年；Liang等人，2025年；Xie等人，2025年；Hu等人，2025a，Hu等人，2025b；Yang等人，2026年）。此外，磷灰石结构中挥发性组分的富集使其能够敏感地指示熔体中的挥发性成分和氧逸度（Peng等人，1997年；Parat等人，2011年；Chelle-Michou和Chiaradia，2017年；Li和Hermann，2017年），为了解岩浆演化过程提供了关键信息（Nathwani等人，2020年；Yang等人，2020年）。Cl和S可以与Fe和Cu形成复合物，促进它们在热液流体中的迁移和富集（Chelle-Michou和Chiaradia，2017年）。然而，并非所有岩浆系统都会导致铁-铜矿化，Cl和S的富集程度与铁-铜矿化之间的相关性仍不明确。高F含量可以增加残余熔体中H2O和Cl的溶解度，降低岩浆粘度和固相线温度，延长岩浆结晶过程（Pan等人，2018年；Huang等人，2022年）。不同Fe-Cu富集程度的岩浆系统之间熔体F含量是否存在显著差异仍有待研究。高氧逸度有利于铜的富集和运输（Patten等人，2013年；Sun等人，2013年）。在岩浆-热液系统中添加蒸发岩层可以进一步提高氧逸度，促进大型磁铁矿矿床的形成（Li等人，2013b）。尽管氧逸度相似，但某些矽卡岩系统仍能产生经济价值的铁矿化，却未能形成大量的铜矿床。因此，对比分析NCC和MLYB中不同Fe-Cu富集程度岩浆体中的磷灰石化学成分具有揭示铁矿化遗传差异的巨大潜力。
在这项研究中，我们从邯郸-邢台和莱芜铁矿区（NCC）以及东董和安庆-贵池铁矿区（MLYB）与矽卡岩铁-铜矿床相关的不同富铁岩浆体中收集了磷灰石的主要元素数据和岩石整体化学数据。通过分析磷灰石和岩石的地球化学特征，本研究解释了岩浆体中铁矿化程度的遗传差异，并确定了控制华北克拉通矽卡岩铁矿群中铜元素缺乏的因素。我们的发现证实，综合磷灰石和岩石地球化学方法是评估岩浆体富铜性的可靠指标，为勘探矽卡岩Fe/Cu矿床提供了重要指导。
地质背景
华北克拉通（NCC）和长江中下游成矿带（MLYB）都位于中国东部（图1），在早白垩世形成了矽卡岩矿床。NCC主要以矽卡岩铁矿床为主，而MLYB则含有Fe、Fe-Cu-(Au)、W-Cu和Cu-Mo等多种类型的矽卡岩矿床（表1）。
样品和方法
我们从NCC和MLYB的不同富铁和富铜岩浆体及岩株中收集了岩石的整体主要和微量元素数据以及磷灰石的主要元素数据。这些数据来自已发表的文献（参考文献见补充材料）。详细数据（补充材料表S1-S3）用于对比分析，并展示在图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14中。磷灰石中的主要元素通过电子探针进行分析。
岩石整体地球化学
贫瘠、含铜和富铁岩浆体的主要整体地球化学参数见表2。富铁岩浆体中SiO2（48.4–65.7 wt%）、TFeO（2.5–13.8 wt%）、K2O（0.6–4.4 wt%）和Na2O（2.4–6.5 wt%）的组成范围比含铜岩浆体（SiO2：53.7–66.8 wt%；TFeO：2.9–8.4 wt%；K2O：1.8–3.9 wt%；Na2O：3.1–4.9 wt%）和贫瘠岩浆体（SiO2：54.7–60.8 wt%；TFeO：4.5–8.9 wt%；K2O：1.7–3.3 wt%；Na2O：
岩浆体的整体地球化学
不同的岩浆体表现出不同的铁和铜成矿特征。例如，抚山、匡山、LW-匡山、二城和灵乡岩浆体主要含有铁矽卡岩矿床，而尹祖、阮家湾、铜山口、杨新和月山岩浆体则与铜矽卡岩矿化相关（图2、图3、图4、图5）。对已发表的岩浆侵位和矿化年龄的分析表明，单个岩浆体内的金属富集模式具有相似性。
结论
（1）综合矿物和岩石整体地球化学数据对于研究富铁岩浆体至关重要，单一指标无法有效识别这些岩浆体。
（2）岩浆中挥发性成分（F、Cl、SO3）的富集和氧化条件的升高促进了矽卡岩Fe-Cu矿化，含铜岩浆体的熔体Cl含量较低，氧化状态也比富铁岩浆体更还原。
（3）对比分析表明，矽卡岩铁矿床中铜矿体的缺乏...
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利益冲突声明
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致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号U2444208、42273065）、科技创新计划（202303AA08000601）和青年拔尖人才计划（BJ2026188）的财政支持。
