金是地球上最稀有的金属之一，地幔与地壳主要岩石类型金的平均浓度都仅为1 ppb（十亿分之一）。一般来讲有开采价值的金矿，矿石中金的含量需要超过 1 ppm（百万分之一），因此原生金矿本身是一种极端的地球化学异常的表现，金需要富集至少上千倍。在全球范围内，自板块构造启动后，可以清晰地看到无论何种金矿大多都集中在造山带，如造山型、斑岩型、浅成低温热液型和砂矿型。目前大多数研究聚焦不同类型金矿床的具体成矿过程，特别强调岩浆-热液演化过程的物理化学变化，然而上述研究仍然难以回答为什么有些造山带在整个俯冲-碰撞历史中金矿发育十分贫瘠（Goldfarb et al., 2001, Geology），而有些造山带即使发育金矿也只集中在某一个时空范围内（如胶东早白垩的金矿省），大多时间和地区发育依然贫瘠。
中国科学院地质与地球物理研究所领衔的研究团队在万博等（Wan et al., 2021, Geology）所提议的“海山改造型造山带”大地构造框架基础上，发现天山地区绝大多数的大型金矿与海山改造区具有高度的空间重合度。然而建立海山俯冲和金矿形成的成因联系需要了解复杂地质样品金含量。因此团队先期攻克了超低含量金分析技术难题，把样品分析量降低到2 g，检出限降低到0.1 ppb（刘艳红等, 2020, Atomic Spectroscopy）。然后利用新方法对南天山增生楔内俯冲折返的变质海山与俯冲增生未变质海山、变质与未变质的洋中脊玄武岩进行了系统的金含量分析。研究发现，与地幔柱相关的海山相较于普通大洋岩石，金含量可高数倍到数十倍，而近70%的金会在高绿片岩相变质过程前丢失。因为海山本身相对更富金，俯冲变质过程中丢失更多的金，为后期金矿富集区（金矿省）的形成提供了丰富的物质基础。这一发现不仅解答了长期以来关于金矿成因的争议，也为全球金矿勘探提供了全新的理论指导。
研究团队通过古地理重建，发现全球范围内大量的巨型金矿带，如新生代的内华达、中生代的佩布尔、胶东都均分布在太平洋地幔超级上涌带外侧的俯冲带内。而非洲地幔超级上涌和其外侧的俯冲带是否具有类似规律，需要追溯到更老的地球历史。为了进一步揭示深部地幔-巨型金矿带耦合关系，研究团队聚焦古生代中亚造山带内典型的海山改造区段：南天山——一个蕴藏着超过上万吨金的世界级金矿省，包括储量高达5812吨形成于288百万年的穆龙套造山型金矿，2800吨形成于315百万年的阿尔马雷克斑岩型铜金矿以及340吨形成于290百万年的的科赫布拉克浅成低温热液型金矿等不同类型的超大型金矿。然而，在长达3亿年的造山过程中，这些不同类型的超大型金矿床几乎全部形成于一个极为短暂的“窗口期”——约3.2亿年至2.85亿年之间，仅仅持续了3500万年（图1）。是什么触发了这场金成矿的“爆发”？
南天山造山带西段（以东经81°线为界）是一个典型的海山改造型造山带。大约在4.25亿年至3.3亿年前，一系列由非洲超级地幔上涌造成的海山随着南天山洋壳的俯冲，进入海沟回到地幔，海山俯冲的完成以一系列洋岛属性（OIB）的高压变质岩折返为标志，大约在3.2亿年。这一过程并非悄无声息，它关闭了上覆板块原本活跃的弧岩浆活动，这一沉寂时间持续了约7000万年，被称为“海山改造的造山作用”。而这一特殊俯冲历史造成了南天山造山带的金矿床在时间和空间上的分布不均：西段在海山俯冲后形成大规模金矿化（总储量>1万吨），东段无海山俯冲记录，亦无大型金矿床；西段金成矿作用（约3.20–2.85 亿年）系统性地晚于最后的海山俯冲事件（约3.30亿年），滞后约1千万年（图1）。
图1 南天山造山带金矿床和俯冲事件的时空分布
研究团队采用超低检测限金分析方法，系统测定了南天山地区不同变质程度的基性岩中的金含量。结果显示：地幔柱改造的海山玄武岩，其初始金含量（平均3.22 ppb）显著高于正常洋中脊玄武岩（平均1.21 ppb）。随着俯冲深度增加、变质程度加深，岩石中的金含量呈指数级下降——大约70%的金在高绿片岩相变质阶段就已释放（图2）。这意味着，海山俯冲过程本质上是一个高效的“脱金”过程：富含金的海山岩石在俯冲变质中释放出大量含金流体，为后续成矿提供物质基础。
图2 南天山造山带及全球玄武质岩石全岩金含量与变质压力和温度的相关性
为了验证海山俯冲驱动金成矿的假设，进一步开展了质量平衡计算。结果表明，每立方千米的洋岛玄武岩在俯冲变质过程中可释放约7吨金。南天山地区约10,000吨的金储量，仅需约1,475 km3的海山玄武岩即可提供——相当于边长约11 km的立方体。即使考虑淋滤、运移和沉淀过程的效率损失（假设损失率90%），所需海山体积也仅约15,000 km3，远小于地球上真实存在的大型海山（如夏威夷科哈拉海山>50,000 km3）。这一质量平衡关系为海山俯冲驱动金成矿假设提供了定量支撑，证实了该机制在物质来源上的可行性。
团队提出了海山俯冲驱动巨型金矿化的三步序列：(i) 抽取：地幔柱将金从深部地幔“抽取”到浅部洋壳中的海山中；(ii) 释放：海山俯冲过程中，变质作用将金释放并储存在上覆板块底部；(iii) 成矿：海山俯冲结束后，俯冲板块发生回转并触发岩浆爆发，大规模的熔体/流体活动将储存的金输送到浅部地壳形成各种类型的金矿（图3）。从天山的例子可以看出从第一步走到第三部大约需要1亿年。
图3 海山俯冲驱动巨型金矿化的三步序列
通过天山的例子重新审视中新生代环太平洋区域，可以发现秘鲁形成于15.8百万年的亚纳科查超大型金矿床，美国内华达州的形成于约40-38百万年的卡林型金矿和宾汉斑岩铜金矿，阿拉斯加形成于120百万年的佩布尔斑岩型铜金矿区，都曾发生过海山俯冲事件，而俯冲海山的年龄比成矿年龄老0.8-1亿年。如果不聚焦研究区，仅从统计学角度对比过去6亿年来全球巨型金矿床与俯冲海山记录，发现两者在统计学上存在显著的约0.9亿年的相位滞后（图4）。这一时间间隔与上述研究实例中海山从形成到触发成矿带典型时长高度吻合。这表明，起源于太平洋和非洲深部地幔柱在地表形成的海山，他们的俯冲并驱动金成矿所需的时间周期可能是一个全球性的普遍规律，与板块运动速度，地幔柱爆发周期存在密切联系。未来通过识别特定的古地理和构造配置（例如，海山轨迹与汇聚板块边缘的相交区域来圈定优选靶区），或许有助于发现更多尚未发现的金矿。（来源：中国科学院地质与地球物理研究所）
图4 全球过去6亿年海山俯冲与金矿化之间的时间相位相关性。（A）金矿吨位与可俯冲洋底地幔柱（主要是海山）数量的直方图。（B）金矿床与海山时间序列的互相关函数分析
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef6613