Abbildung der Untergrundarchitektur in Porphyr-Kupfer-Lagerstätten mittels lokaler Erdbebentomographie

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Jun 09, 2024

Abbildung der Untergrundarchitektur in Porphyr-Kupfer-Lagerstätten mittels lokaler Erdbebentomographie

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6812 (2023) Diesen Artikel zitieren 1814 Zugriffe auf 13 Altmetric Metrics-Details Es wird erwartet, dass ein wesentlicher Teil der verbleibenden Mineralressourcen der Welt

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Es wird erwartet, dass ein wesentlicher Teil der verbleibenden Mineralressourcen der Welt tief in der Erdkruste oder unter einer Schicht nach der Mineralisierung liegt. Bei Porphyr-Kupfer-Lagerstätten, der weltweit wichtigsten Quelle für Cu, Mo und Re, kann die Identifizierung der dynamischen Prozesse, die ihre Lagerung in der oberen Kruste steuern, als Leitfaden für zukünftige Explorationen dienen. Die seismische Tomographie kann diese Prozesse durch die Abbildung tiefliegender Strukturen auf regionaler Ebene einschränken. Hier erstellen wir ein dreidimensionales Modell des Vp/Vs-Verhältnisses, basierend auf den Ankunftszeiten der seismischen P- und S-Wellen, unter der Porphyr-Cu-(Mo)-Lagerstätte Cerro Colorado im Norden Chiles. Unsere Bilder zeigen, dass Anomalien mit niedrigem Vp/Vs (~ 1,55–1,65), die sich bis in eine Tiefe von ~ 5–15 km erstrecken, mit der Oberflächenausprägung bekannter Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und Prospektionen zusammenfallen und Strukturen abgrenzen, die Erzkörper und damit verbundene hydrothermale Alterationen beherbergen Zonen. Körper mit mittlerem Vp/Vs (~ 1,68–1,74) und hohem Vp/Vs (Vp/Vs ~ 1,85) entsprechen mittelfelsischen plutonischen Vorläufern für Porphyrintrusionen bzw. mafische Magmareservoirs, die flacheren Erzkörpern zugrunde liegen. Die Abbildung dieser Vorläufer- und Elternplutons ist für die Identifizierung von Erzkörpern von entscheidender Bedeutung, da sie als Flüssigkeitsquelle für die Porphyr-Kupfer-Erzeugung dienen. Diese Studie zeigt das Potenzial der lokalen Erdbebentomographie als Instrument zur Identifizierung zukünftiger tiefer Bodenschätze mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt.

Der Übergang zu einer kohlenstoffarmen Zukunft hängt von einer Reihe wichtiger Metalle ab, deren Nachfrage in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich erheblich steigen wird1,2. Lagerstätten vom Porphyrtyp sind weltweit die wichtigste Quelle für Cu, Mo und Re3, stellen bedeutende Quellen für Au und Ag dar und könnten erhebliche Mengen anderer untergeordneter und kritischer Metalle wie PGEs, REEs, In, Co, Re, Se liefern und Te (z. B. Crespo et al.4). Trotz ihrer Bedeutung für die globale Versorgung mit einer Reihe von Metallen ist die Entdeckungsrate von Porphyr-Kupfer-Lagerstätten in den letzten Jahrzehnten stetig zurückgegangen, da größtenteils große, oberflächennahe und hochgradige Lagerstätten gefunden und ausgebeutet wurden. Daher verlagern sich die Entdeckungen neuer Erzkörper im Brownfield und auf der grünen Wiese in größere Tiefen1. Die Erkundung tieferer Erzkörper (> 2 km tief) ist mit der Herausforderung verbunden, die schwachen „Fußabdrücke“ tiefliegender Porphyr-Kupfer-Lagerstätten zu identifizieren, und erfordert neue, effektive und unkonventionelle geochemische und geophysikalische Erkundungsmethoden5.

Weltklasse-Porphyr-Kupfer-Lagerstätten bilden sich hauptsächlich entlang magmatischer Bögen über aktiven Subduktionszonen, wo sie eng mit oberflächennahen Intrusivgesteinen verbunden sind3,6. Porphyr-Kupfer-Systeme entstehen aus wasserhaltigen und oxidierten Basaltbogenmagmen, die im Mantelkeil nach der Freisetzung von Flüssigkeiten und/oder wasserhaltiger Schmelze aus der subduzierenden Platte erzeugt werden. Diese basaltischen Schmelzen differenzieren sich in Magmareservoirs in mehreren Tiefen in der mittleren bis unteren Kruste und steigen zur oberen Kruste auf, wo sie sich in großen Magmakammern weiterentwickeln und schließlich zu entwickelten, mit Flüssigkeit gesättigten Schmelzen führen, die als Pfropfen in die flache Kruste eindringen -ähnliche Eingriffe3,7,8. Kupferreiche Mineralisierungsflüssigkeiten werden aus diesen oberflächennahen Intrusionen herausgelöst und in das umgebende Wirtsgestein freigesetzt, wo Cu als Cu-Sulfide ausfällt.

Allerdings sind die meisten entwickelten, flachen Krustenintrusionen in Bogenlagen unfruchtbar, wobei die Mineralisierung die Ausnahme darstellt, und trotz eines guten allgemeinen Verständnisses von Porphyr-Kupfer-Systemen sind die kritischen Bedingungen für die Bildung von wirtschaftlichem Porphyr-Kupfer nach wie vor kaum verstanden7. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass sich die Muttermagmen der Porphyrintrusionen, die eigentliche Quelle erzbildender Flüssigkeiten, in Magmakammern der oberen Kruste in 5–15 km Tiefe, mehrere Kilometer unterhalb des Mineralisierungshorizonts, sammeln, wo sie für direkte Probenentnahmen weitgehend unzugänglich bleiben. Ein potenzielles Mittel zur Verbesserung unseres Verständnisses der regionalen Maßstabskontrollen bei der Bildung und Lagerung mineralisierter Porphyrsysteme ist der Einsatz geophysikalischer Untergrundbildgebungsmethoden wie der seismischen Tomographie, die traditionell nicht in der Mineralexploration eingesetzt werden.

Die lokale Erdbebentomographie ist eine passive geophysikalische Methode, die anhand von Bildern seismischer Wellengeschwindigkeiten die Architektur des Erdinneren aufdecken kann9. Diese Technik nutzt Beobachtungen der Ankunftszeiten von Kompressions- (P) und Scherwellen (S), die durch lokale/regionale Erdbeben erzeugt werden, und wird daher hauptsächlich zur Untersuchung des Untergrunds seismisch aktiver Gebiete wie Subduktionszonen10 eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die seismische Geschwindigkeitsstruktur des Mantels und der Kruste und insbesondere das Verhältnis von Kompressionsgeschwindigkeit zu Schergeschwindigkeit (Vp/Vs) ein leistungsstarkes Instrument zur Identifizierung schmelzführender Regionen und Flüssigkeitspfade unterhalb der aktiven Zone sind Vulkane11,12 und in Subduktionszoneneinstellungen13,14,15. Neuere Studien haben auch einen Zusammenhang zwischen niedrigen Vp/Vs-Verhältnissen und der Lage großer Erzlagerstätten gezeigt. Anomalien mit niedrigem Vp/Vs wurden unter dem übergroßen Cu-Mo-Porphyrcluster Río Blanco-Los Bronces in Zentralchile16, der IOCG-Lagerstätte Olympic Dam in Australien17, dem Cu-Mo-Porphyrkomplex Sorskow in Russland18 und dem metallogenen Mittel-Unter-Yangtse-Fluss identifiziert Gürtel in China19 und der Maricunga-Goldgürtel im Norden Chiles20. Die seismische Tomographie könnte daher eine unschätzbare Bereicherung für die moderne Erkundung tiefer Erkundungsziele werden.

In dieser Studie verwenden wir lokale Erdbebentomographie, um die seismische Geschwindigkeitsstruktur der Kruste und des oberen Mantels in der Nähe der Porphyr-Kupferlagerstätte Cerro Colorado und in der Nähe einer Reihe von Porphyrvorkommen (z. B. Mocha) entlang des Paläozäns bis zum frühen Eozän zu bestimmen und Kupfergürtel des späten Eozäns bis frühen Oligozäns im Norden Chiles (Abb. 1). Unser Ziel ist es, den Einsatz der seismischen Tomographie als Werkzeug zur Abbildung tiefliegender Strukturen in Porphyr-Kupfer-Systemen zu evaluieren, einschließlich des Vorhandenseins von Flüssigkeiten, Intrusivkörpern sowie hydrothermal veränderten und mineralisierten Erzkörpern. Wir präsentieren hier ein dreidimensionales Vp/Vs-Modell der oberen Lithosphäre über einem Abschnitt der nördlichen chilenischen Subduktionszone, das aus 204.943 P- und S-Wellen-Ankunftszeiten seismischer Ereignisse erstellt wurde, die von 51 seismischen Stationen zwischen dem 9. Oktober 2018 und aufgezeichnet wurden 28. Juni 2019. Unsere Fallstudie zeigt, dass die lokale Erdbebentomographie in Kombination mit etablierten geologischen Modellen aufgrund ihrer genetischen und räumlichen Beziehung zu intrusiven Körpern, dargestellt durch niedrige Vp/, ein leistungsstarkes Werkzeug für die Erkundung von Porphyr-Kupfer-Lagerstätten sein kann. Vs-Anomalien, also Gesteine ​​mit hoher Steifigkeit.

Lage von Porphyr-Kupfer-Lagerstätten in den wichtigsten metallogenen Gürteln im Norden Chiles (~ 19,2°S und 20,3°S). Das Rechteck mit der rot gestrichelten Linie entspricht dem Untersuchungsgebiet, das die porphyrischen Kupferlagerstätten Cerro Colorado und Mocha umfasst. Die Verteilung der Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und metallogenen Gürtel stammt aus Sillitoe und Perelló22. Die zur Generierung dieser Zahl verwendete Software war ArcGIS Pro 10.1 (www.esri.com).

Die nach Osten abfallende Subduktion der Farallon- und Nazca-Platten unter den südamerikanischen Kontinent vom mittleren bis späten Jura hat in den Anden zu Orogenese, Bogenmagmatismus und porphyrischer Kupferbildung geführt21. Porphyr-Kupfer-Lagerstätten sind in bogenparallelen Gürteln entlang des westlichen südamerikanischen Andenrandes angeordnet, wobei jeder Gürtel einer bestimmten metallogenen Epoche entspricht22. Im Norden Chiles ist die Porphyrmineralisierung mit zwei Hauptimpulsen magmatischer Aktivität vom Paläozän bis zum frühen Eozän und vom späten Eozän bis zum frühen Oligozän verbunden3,22. Auch wenn der paläozän-eozäne Kupfergürtel wirtschaftlich weniger relevant ist als der jüngere, östliche, eozän-oligozäne Kupfergürtel, der mit dem NS-streichenden Domeyko-Verwerfungssystem in Verbindung steht (Abb. 1), beherbergt er eine Reihe großer Lagerstätten im Norden Chiles, wie z Spence und Cerro Colorado (Abb. 1) und wird zur dominierenden Kupferprovinz im Süden Perus23. In jüngster Zeit hat die große Entfernung zwischen den Lagerstätten im Paläozän-Eozän-Kupfergürtel die Suche nach verborgenen Lagerstätten nördlich von Mocha und südlich von Cerro Colorado angeheizt.

Unser Untersuchungsgebiet umfasst ca. 15.000 km2 zwischen 19,2°S und 20,3°S in der Provinz Tarapacá im Norden Chiles und verläuft entlang der beiden wichtigsten Porphyr-Kupfer-Gürtel (Abb. 1). Cerro Colorado ist die größte und einzige Porphyr-Cu-(Mo)-Lagerstätte mit einem aktiven Minenstandort im ausgewählten Gebiet, zu dem mehrere kleinere Porphyrvorkommen wie Mocha und Sagasca entlang des paläozän-eozänen Kupfergürtels sowie Queen Elizabeth und gehören Yabricoya im Osten, entlang des Eozän-Oligozän-Kupfergürtels. Das Gebiet wird im Westen von Kiesablagerungen aus dem Miozän und jüngeren Zeitaltern dominiert, die die subplanare Pampa del Tamarugal bedecken, und von Vulkangesteinen aus dem Miozän und jüngeren Zeitaltern im Osten entlang der Westkordillere (Abb. 2). Die Hauptstrukturen in dem Gebiet sind nach Nordwesten verlaufende Verwerfungen, die von den im Allgemeinen in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Verwerfungen im Zusammenhang mit dem Domeyko-Verwerfungssystem in der Nähe von Yabricoya abweichen und sich westlich und südwestlich von Cerro Colorado erstrecken (Abb. 2). Diese nach Nordwesten verlaufenden Verwerfungen begrenzen teilweise Horden von vorandinem oberpaläozoischem Grundgestein und mesozoischen Vulkan- und Sedimenteinheiten, die zwischen den jüngeren Kiesablagerungen westlich von Cerro Colorado zutage treten25. Es wird angenommen, dass die Hebung entlang dieser nach Nordwesten verlaufenden Verwerfungen während der Inka-Orogenese im späten Eozän begonnen hat und als Hauptfaktor angesehen wird, der die Exposition und Verwitterung paläozäner bis untereozäner porphyrischer Kupfervorkommen in der Region kontrolliert26,27. Jedes Porphyrzentrum, das sich nördlich oder südlich dieser emporgehobenen Blöcke befinden würde, wäre unter dicken Kiesformationen begraben. Mesozoische Vulkanite und Sedimente, die den Pampa-Kiesen zugrunde liegen, sind auch entlang von West-Südwest verlaufenden Tälern freigelegt, beispielsweise in der 300 m tiefen Schlucht der Quebrada Parca, die am nördlichen Rand des Cerro Colorado verläuft.

Geologische Karte des Untersuchungsgebiets (Bereich im Rechteck in Abb. 1 dargestellt) mit bekannten Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und -Vorkommen sowie Hauptverwerfungssystemen. Modifiziert nach Bouzari und Clark26,27 Morandé et al.31 und Valenzuela et al.24 Die zur Erstellung dieser Abbildung verwendete Software war Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com).

Während Bouzari und Clark26,27 den geologischen Rahmen der Lagerstätte Cerro Colorado gut ermittelt haben, wurden die anderen Kupfervorkommen in unserem Untersuchungsgebiet nur unzureichend untersucht. Die Cu-Mineralisierung bei Cerro Colorado ist in der Cerro-Empexa-Formation untergebracht, einer mächtigen Abfolge überwiegend aus andesitischem Vulkangestein und vulkanischem Sedimentgestein aus der Oberkreide26,27,28,29. In der Nähe der Mine werden die Vulkangesteine ​​aus der Kreidezeit, die diskordant über spätpaläozoisch-triassischem Grundgestein liegen, als nördlichste Erweiterung der Magmatischen Provinz Choiyoi interpretiert27,28,29,30. Die Mineralisierung am Cerro Colorado steht im Zusammenhang mit porphyritischen hypabyssalen Lagerbeständen, die zwischen 53 und 50 Ma in das Vulkangestein der Kreidezeit eindrangen, und mit einer früheren Phase magmatischer Aktivität vor etwa 50 Millionen Jahren. 60–57 Ma26,27,28. Im Mocha-Prospekt, etwa 30 km nördlich von Cerro Colorado, wurde eine porphyrische Intrusion mit einem ähnlichen Alter des oberen Paläozäns (59–57 Millionen Jahre) gefunden31,32.

Das von Nord nach Süd verlaufende Domeyko-Verwerfungssystem ist im östlichen Teil unseres Untersuchungsgebiets freigelegt. Diese orogenparallele, 40–60 km breite Deformationszone erstreckt sich über mehr als 1000 km entlang der Präkordillere im Norden Chiles und besteht aus einer Reihe von Streich-, Normal- und Umkehrstörungen, die mit Falten und Überschiebungen verbunden sind21,33 . Während der genaue Ursprung und die Deformationsgeschichte des Domeyko-Verwerfungssystems diskutiert werden, kam es im mittleren Eozän bis zum frühen Oligozän zu einem großen tektonischen Impuls, der mit dem tektonischen Ereignis der Inkazeit zusammenfiel, und der Bildung und Einlagerung von Porphyr-Kupfervorkommen aus dem Eozän und Oligozän im Norden Chile21,22. In unserem Untersuchungsgebiet umschließen zwei Hauptzweige des Domeyko-Verwerfungssystems, die ungefähr nach Norden verlaufen, das etwa 38 Millionen Jahre alte Konzessionsgebiet Queen Elizabeth34, das entlang der Quebrada Minacucho etwa 30 km nordöstlich von Cerro Colorado freigelegt ist. Im Gegensatz zu anderen Abschnitten des Domeyko-Verwerfungssystems, in denen große Porphyrvorkommen als diskrete Cluster in Gebieten mit langlebigem fokussiertem Magmatismus gefunden werden21, sind die Porphyr-Kupfer-Vorkommen aus dem Eozän und Oligozän in unserem Untersuchungsgebiet niedriggradig und relativ klein. Dies ist der Fall beim Konzessionsgebiet Queen Elizabeth, das eine geringe supergene Cu-Anreicherung aufweist, die durch die hohen Exhumierungsraten in der Gegend und die schnelle Verschüttung durch vulkanische Einheiten aus dem späten Oligozän und Miozän erklärt werden könnte34. Das eozän-oligozäne Yabricoya-Pluton und die Prospektion südwestlich von Queen Elizabeth könnten ebenfalls schnell unter einer dicken Vulkandecke begraben worden sein, was eine hohe supergene Cu-Anreicherung in diesem Gebiet verhindert34.

Die Cu(Mo)-Porphyrlagerstätte Cerro Colorado ist offenbar einzigartig unter den dokumentierten Porphyrsystemen in den zentralen Anden, da sie eine Sulfidmineralisierung mit einer mittleren tonhaltigen (Quarz, Serizit und Ton) bis fortgeschrittenen tonhaltigen (Andalusit, Pyrophyllit und Diaspor) Alteration verbindet26,27 . Diese Alterationen überlagern sich mit früheren Kalium-Natrium-Alterationen (Biotit, Albit und Magnetit) und Übergangsalterationen aus Serizit, Chlorit und Ton. Die Erzkörper werden von Quarz-Sulfid-Stockwerken aus Chalkopyrit und geringfügigem Pyrit dominiert. Darüber hinaus traten molybdänithaltige Brekzien im Zusammenhang mit der phyllitischen Alteration auf (Quarz, Serizit, Pyrit ± Turmalin)26. Die Mineralisierung in der Mocha-Lagerstätte ist durch Quarz-Chalkopyrit-Stockworks mit geringer supergener Kupfermineralisierung (Chalcocit, Malachit und Chrysokoll) gekennzeichnet, die mit einer phyllitischen Alteration (Quarz-Serizit) verbunden ist32.

Die in dieser Arbeit enthaltenen Daten entsprechen den durch Seismizität erzeugten P- und S-Wellen-Ankunftszeiten, die von den im Untersuchungsgebiet stationierten seismologischen Stationen zwischen dem 9. Oktober 2018 und dem 28. Juni 2019 aufgezeichnet wurden (Abb. 3). Das temporäre seismische Netzwerk bestand aus 51 kurzperiodischen (4,5 Hz), 3 Komponenten und kontinuierlichen Aufzeichnungsstationen. Die P- und S-Wellen-Ankunftszeiten wurden mithilfe des Autopicking-Pakets Regressive Estimator (REST) ​​16 geschätzt. REST generiert Hypozentrumskataloge durch Kombination des autoregressiven Ansatzes von Pisarenko et al.35 und Kushnir et al.36 mit Fensteralgorithmen von Rawles und Thurber37 . Im Rahmen dieses Verfahrens parametrisieren wir den Untergrund durch ein dreidimensionales Knotengitter, das ein Volumen von 31 × 32 × 38 km3 (West-Ost, Nord-Süd bzw. Tiefe) in einem gleichmäßigen Abstand von 4 abdeckt km, also insgesamt 37.696 Knoten. Die 38 Elemente entlang der vertikalen Achse decken insgesamt 145 km ab, von 5 km über dem Meeresspiegel bis zu einer Tiefe von 140 km. Die ursprünglichen Ereignisorte wurden durch REST unter Verwendung eines 1D-Geschwindigkeitsmodells nach dem Verfahren von Comte et al.14 bestimmt. Die aufgezeichnete Seismizität erzeugte Ankunftszeiten von 103.247 P und 101.696 S oder 204.943 Gesamtbeobachtungen, die für die Umkehrung der Wellengeschwindigkeit verwendet wurden.

Verteilung der Seismizität, die für die Bestimmung des Vp/Vs-Modells verwendet wird. Die Farbe der Kreise hängt mit der unten in der Abbildung gezeigten Tiefenskala zusammen. Weiße Dreiecke entsprechen den seismischen Stationen und gelbe Starts entsprechen bekannten Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und Aussichten im Untersuchungsgebiet. Die zur Generierung dieser Zahl verwendete Software war QGIS 3.22 (www.qgis.org).

Das anfängliche Geschwindigkeitsmodell entsprach dem gleichen 1D-Modell, das bei der automatischen Auswahl verwendet wurde, und es wurde ein anfängliches Verhältnis Vp/Vs = 1,82 ermittelt (Anhang 1; Abb. S1). Da unser Fokus auf Vp/Vs-Verhältnissen liegt, lösen wir gemeinsam nach Vp und Vp/Vs und ermitteln Vs durch Division. Das inverse Problem beinhaltet die gleichzeitige Bestimmung von Hypozentren und Wellengeschwindigkeitsstörungen mithilfe gedämpfter kleinster Quadrate. Die Regularisierung wurde durch Hinzufügen eines Standarddämpfers und durch zweimaliges Anwenden eines gleitenden Durchschnittsfensters über die durch die Inversion bestimmten Störungen erreicht, das 5 Werte in jeder Richtung (Breitengrad, Längengrad, Tiefe) mittelt. Da stabile Hypozentren im Allgemeinen eine robuste Konvergenz fördern, forderten wir: (i) dass alle Ereignisse mit mindestens 8 Phasen verbunden sind; (ii) dass jede Phase eine absolute Restlaufzeit von weniger als 1,5 s aufweist; (iii) dass die Standardabweichung für alle Residuen für ein Ereignis maximal 2 s beträgt; und (iv) dass der azimutale Abstand der Stationen, die das Ereignis aufzeichnen, weniger als 220° beträgt, was einen endgültigen Katalog von 10.223 Erdbeben für die Inversion ergibt.

Um die Auflösungsmöglichkeiten unseres Datensatzes zu bewerten, führten wir Standard-Schachbretttests für Vp und Vs durch (Anhang 2). Wir haben die anfänglichen 1D-Modelle mit Anomalien von ± 5 % in quadratischen Prismen mit einer Abmessung von 10 × 10 km2 in Breiten- und Längengrad und variabler Länge in der Tiefe gestört. Die erste Anomalie ist 10 km tief, die zweite und dritte Anomalie sind 20 km tief und die vierte Anomalie ist 30 km tief (Abb. S3). Basierend auf den Ergebnissen dieses Schachbretttests, die in der Draufsicht (Abb. S4 und S5) und in Tiefenschnitten (Abb. S6 und S7) gezeigt werden, gehen wir davon aus, dass wir bei einer Maßstabslänge von 10 km unter dem Porphyrsystem eine gute Auflösung haben hier untersucht, von der Oberfläche bis in 90 km Tiefe.

In dieser Studie konzentrieren wir uns auf das Verhältnis von Druckwellengeschwindigkeiten (P) und Scherwellengeschwindigkeiten (S), dh Vp/Vs, um neue Einschränkungen für tiefliegende geologische Strukturen zu bestimmen, die Aufschluss über die Architektur unterirdischer Porphyr-Kupfer-Lagerstätten geben. Wir stellen fest, dass Variationen in Vp/Vs Muster von Anomalien erkennen lassen, da das Vp/Vs-Verhältnis umgekehrt proportional zur Steifigkeit des Gesteins ist.

Es wurde seit langem gezeigt, dass das Vp/Vs-Verhältnis in Abhängigkeit von der Art und Zusammensetzung der Gesteine ​​variiert37. Seismische Geschwindigkeiten reagieren auch empfindlich auf physikalische Parameter wie Druck- und Temperaturbedingungen, Porosität und Porengeometrie, Bruchdichte und das Vorhandensein von Flüssigkeiten39,40,41. Der Einfluss all dieser Faktoren auf seismische Geschwindigkeiten macht es oft schwierig, sie eindeutig zu interpretieren. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass Vp/Vs-Verhältnisse diese Mehrdeutigkeit verringern. Während beispielsweise in Vulkansystemen gezeigt wurde, dass Vp hauptsächlich auf die Gesteinszusammensetzung und Vs auf das Vorhandensein von Flüssigkeiten reagiert, z. B. Koulakov et al.12, kann das Vp/Vs-Verhältnis verwendet werden, um hydrothermale Flüssigkeiten von partiellen Schmelzen zu unterscheiden sowie gasführendes aus flüssigkeitsführendem Gestein11.

Wir stellen fest, dass die lokale Erdbebentomographie trotz ihrer nachgewiesenen Wirksamkeit bei der Bildgebung unter der Oberfläche erst seit kurzem weltweit für die Exploration von Brownfield- und Greenfield-Mineralen eingesetzt wird und über die Bedeutung von Vp/Vs-Anomalien in Erzsystemen noch viel zu lernen bleibt.

Die Ergebnisse der lokalen Erdbebentomographie sind in den Abbildungen dargestellt. 4 und 5 einschließlich der Vp/Vs-Verhältnisse in der Kartenansicht bzw. im Vertikalschnitt (Vp und Vs sind in Anhang 3 dargestellt; Abb. S7 und S8). Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass wir entlang des Untersuchungsgebiets über eine ausreichende Tiefen- und räumliche Auflösung verfügen, wie aus den Ergebnissen der Schachbretttests hervorgeht (Anhang 2). Um die Diskussion zu erleichtern, charakterisieren wir die Werte der Vp/Vs-Verhältnisse als: niedrige Vp/Vs (~ 1,55–1,65), mittlere Vp/Vs (~ 1,65–1,75), hohe Vp/Vs (~ 1,75–1,85) und sehr hohe Vp/Vs (~ 1,85–1,90).

Draufsichtkarte für Vp/Vs-Verhältnisse des Untersuchungsgebiets (Abb. 2 und 3). Die schwarzen Linien kennzeichnen die extrahierten Profile für die in Abb. 5 dargestellten vertikalen Vp/Vs-Vertikalabschnitte. Die gelben Sterne entsprechen historischen Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und Prospektionen im Untersuchungsgebiet. A1 bis A4 entsprechen den im Text beschriebenen niedrigen Vp/Vs-Anomalien. Die Datengeoreferenzierung wurde mit ArcGIS Pro10.1 (www.esri.com) durchgeführt. Die zur Erstellung dieser Figur verwendete Software war Leapfrog 2022.1 (www.seequent.com) und die endgültige Bearbeitung erfolgte mit Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com).

Vertikalschnitte für Vp/Vs-Verhältnisse entlang der Profile P1-P8 (siehe Abb. 4 für die Lage auf der Karte). Die weiß gepunkteten Kurven kennzeichnen Bereiche mit niedrigem Vp/Vs. Die gelben Sterne (Oberfläche) entsprechen historischen Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und Prospektionen im Untersuchungsgebiet. Die Anomalien A (A1 bis A4), B (B1 und B2) und C (C1 bis C4) entsprechen den im Text beschriebenen Anomalien mit niedrigem, mittlerem und hohem Vp/Vs. Die Datengeoreferenzierung wurde mit ArcGIS Pro10.1 (www.esri.com) durchgeführt. Die zur Erstellung dieser Figur verwendete Software war Leapfrog 2022.1 (www.seequent.com) und die endgültige Bearbeitung erfolgte mit Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com).

Die Kartenansicht und die vertikalen Abschnitte zeigen vier markante Anomalien mit niedrigem Vp/Vs (A1 bis A4 in Abb. 4 und 5). Diese Anomalien mit niedrigem Vp/Vs stimmen mit den Standorten bekannter Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und -Vorkommen innerhalb des Untersuchungsgebiets überein und erstrecken sich bis in eine Tiefe von ca. 5–15 km (Abb. 5). Die erste (A1) und die zweite (A2) Vp/Vs-Anomalie befinden sich nordwestlich des Mocha-Projekts bzw. südöstlich des Queen Elizabeth-Projekts. Die dritte Vp/Vs-Anomalie (A3) stimmt mit dem Standort der Lagerstätte Cerro Colorado überein und wird im Süden durch das Prospektionsgebiet Sagasca begrenzt. Die vierte Vp/Vs-Anomalie (A4) liegt unmittelbar südlich des Projekts Yabricoya (Abb. 5). Mittlere Vp/Vs-Anomalien (B1 und B2) finden sich unterhalb der A1- und A2-Anomalien im tiefen Teil der vertikalen Abschnitte P1 bis P4 (~ 10–35 km) (Abb. 5). Im vertikalen Abschnitt P3 scheint sich die B1-Anomalie in einer kanalähnlichen Struktur auf eine flachere Ebene auszudehnen (Abb. 5). Hohe Vp/Vs-Anomalien (C1 bis C4) werden in den vertikalen Abschnitten P1 bis P8 in Tiefen von mehr als 15 km gefunden (Abb. 5). Die auffälligste Anomalie mit hohem Vp/Vs, die C3-Anomalie, befindet sich direkt unterhalb der Lagerstätte Cerro Colorado (vertikaler Abschnitt P6; Abb. 5).

Das dreidimensionale (3D) lokale Erdbebentomographiemodell ist in Anhang 4 dargestellt, einschließlich der Vp/Vs-Verhältnisse in perspektivischer und Draufsicht (Abb. S9). Dieses Modell zeigt sehr heterogene Strukturen, die verbundenen und isolierten Körpern entsprechen, die durch Anomalien mit niedrigem Vp/Vs, mittlerem Vp/Vs und hohem Vp/Vs gekennzeichnet sind (Abb. S9). Bemerkenswerterweise korrelieren diese Körper mit den A-, B- und C-Anomalien, die in vertikalen Schnitten identifiziert wurden (Abb. S9a). Unterhalb von 35 km Tiefe erscheinen Anomalien mit niedrigem und mittlerem Vp/Vs als konzentrische Körper, die aus einem inneren Kern (A-Anomalien) und einer äußersten Hülle (B-Anomalien) bestehen (Abb. S9b, c). Darüber hinaus ist das Untersuchungsgebiet in einen nördlichen und einen südlichen Bereich unterteilt. Die nördliche Domäne umfasst nur die A1-Anomalie, während die südliche Domäne die A2-, A3- und A4-Anomalien umfasst, die in der Tiefe miteinander verbunden sind (Abb. S9c). In ähnlicher Weise trennt die SSE-NNW-orientierte kanalartige Struktur, die zuvor im vertikalen Abschnitt P3 (Abb. 5) beschrieben wurde, das System in diese beiden Domänen und verbindet den tieferen B1-Körper mit der flacheren A1-Anomalie (Abb. S9c). In Tiefen von mehr als 35 km werden markante Volumina verbundener und isolierter Körper beobachtet, die durch hohe Vp/Vs- bis sehr hohe Vp/Vs-Verhältnisse gekennzeichnet sind, und in der Tiefe ist ein kleiner tropfenförmiger Körper (B3) mit mittlerem Vp/Vs-Verhältnis zu sehen Teil des Modells (~ 100 km) (Abb. S9a).

Basierend auf den vertikalen Schnitten durch das 3D-Modell identifizieren wir Körper, die durch Anomalien mit niedrigem Vp/Vs (A-Körper), mittlerem Vp/Vs (B-Körper) und hohem Vp/Vs (C-Körper) gekennzeichnet sind (Abb. 5 und S9). , was wir auf das Vorhandensein magmatischer Reservoirs sowie Flüssigkeits- und Schmelzzonen unterhalb des Untersuchungsgebiets zurückführen.

In Tiefen von weniger als 15 km korrelieren Anomalien mit niedrigem Vp/Vs (A1- bis A4-Körper) mit der Lage der Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und Prospektionen in unserem Untersuchungsgebiet, d. h. Cerro Colorado, Mocha, Queen Elizabeth, Yabricoya und Sagasca (Abb . 5 und S9). Die Verringerung des Vp/Vs im Untergrund ist charakteristisch für verschiedene Arten von hydrothermalen Erzlagerstätten, darunter IOCG17, porphyrische und epithermale Au-(Cu)20- und porphyrische Cu-(Mo)-Lagerstätten16,18. Basierend auf früheren Studien schließen wir, dass niedrige Vp/Vs-Anomalien im Untersuchungsgebiet wahrscheinlich auf eine höhere Konzentration von Mineralien mit geringer Elastizität, z. B. Quarz mit imprägnierten Sulfiden, im Vergleich zu den Mineralansammlungen, aus denen das Wirtsgestein besteht, zurückzuführen sind42; das Vorkommen hydrothermal veränderter Zonen43,44,45; und das Vorhandensein tongefüllter Bruchzonen sowie wassergesättigter Brüche, die zu ungewöhnlich niedrigen Vp- und Vs-Werten führen können46,47.

Kürzlich haben Spichak und Goidina18 ein 3D-Modell erstellt, das die starke Korrelation zwischen niedrigem Vp/Vs, niedrigem elektrischen Widerstand und Domänen geringer Dichte unter der Cu-Mo-Lagerstätte Sorskoe in Russland bis zu einer Tiefe von 45 km zeigt. Diese geophysikalischen Signaturen wurden so interpretiert, dass sie auf das Vorhandensein von wässrigen Flüssigkeiten in Bruchzonen, mit Sulfiden imprägnierten Stockwerken sowie dicken Metalladern hinweisen. Dementsprechend könnte bei Cerro Colorado, der größten Porphyr-Kupfer-Lagerstätte in unserem Untersuchungsgebiet, das Vorkommen stark fragmentierter Strukturen, einschließlich Brekzien, Adern und Stockworks, gefüllt mit Sulfiden, Quarz und Ton26, die mit der Lagerstätte verbundene niedrige Vp/Vs-Anomalie erklären . Analog dazu schlagen wir vor, dass in unserem Untersuchungsgebiet die Erzkörper und die damit verbundene hydrothermale Alteration auf Domänen mit niedrigem Vp/Vs beschränkt sind.

In Tiefen von mehr als 20 km interpretieren wir Anomalien mit mittlerem Vp/Vs (B-Körper) und hohem Vp/Vs (C-Körper) als Magmareservoirs, intrusive Plutons und Schmelzleitungen. Einerseits treten Anomalien mit mittlerem Vp/Vs (B-Körper) direkt unter und um Anomalien mit niedrigem Vp/Vs (A-Körper) auf und sind auch durch eine höhere prozentuale Variation von Vp als die umgebenden Medien gekennzeichnet (Abb. S7 und S9c). Wir schlussfolgern daher, dass B-Körper intermediären bis felsischen Intrusionen entsprechen, die mit wahrscheinlich abgekühlten Porphyr-Kupfer-Lagerstätten in Zusammenhang stehen. Diese Idee wird durch die Tatsache gestützt, dass die Zusammensetzung der felsischen Masse (z. B. Granodiorit) zu Vp/Vs ~ 1,738 führt, sowie durch das Vorhandensein von zutage tretenden intermediären bis felsischen Intrusionen im Untersuchungsgebiet (Abb. 2). Daraus folgt, dass das kanalartige Merkmal (B1-Körper), das durch mittlere Vp/Vs-Verhältnisse gekennzeichnet ist, einem Schmelzkanal entsprechen könnte (Abb. S9c). Da wir keine starke Abschwächung der prozentualen Variation von Vs beobachten (Abb. S2), schlagen wir vor, dass keine teilweise Schmelze übrig bleibt. Darüber hinaus schlagen wir vor, dass der Schnittpunkt verschiedener Verwerfungsebenen im Zusammenhang mit den Duplixa-Juan de Morales- und Loa-Verwerfungssystemen (Abb. 2) diese Kanäle für die Migration magmatischer und hydrothermaler Flüssigkeiten erzeugen könnte.

Darüber hinaus zeichnen sich C-Körper durch das Fehlen von Seismizität, hohe Vp/Vs-Anomalien (Abb. S9a) und Bereiche mit überwiegend geringen prozentualen Schwankungen von Vp und Vs aus (Abb. S7 und S8). Wir interpretieren C-Körper daher als mafische magmatische Reservoire. Dies steht im Einklang mit experimentellen Studien, die darauf hindeuten, dass Vp/Vs-Erhöhungen mit hohen Temperaturen und Schmelzen verbunden sind, im Vergleich zu Vp/Vs-Abnahmen, die möglicherweise mit einem hohen Gasgehalt oder überkritischen Flüssigkeiten zusammenhängen49. Konsequenterweise führt die mafische Massenzusammensetzung von Gesteinen zu hohen Vp/Vs ~ 1,85 (z. B. Gabbro)38. Schließlich stellt der tiefe tropfenförmige Körper, der durch mittlere Vp/Vs gekennzeichnet ist (B3-Körper; Abb. S9a), möglicherweise keine felsische Zusammensetzung dar. Vielmehr könnte der Unterschied zwischen B3- und C-Körpern auf das Vorhandensein einer teilweisen Schmelze in C zurückzuführen sein, die Vs verringert und daher Vp/Vs erhöht.

Die räumliche Verteilung von Erzvorkommen wird hauptsächlich durch die Krustenarchitektur beeinflusst, die aufgrund ihrer Auswirkungen auf den Flüssigkeitsfluss in der Kruste teilweise durch tektonische und geodynamische Prozesse gesteuert wird50. Daher können Krustenmerkmale und Strukturgerüste, die aus der lokalen Erdbebentomographie abgeleitet wurden, zu einem besseren Verständnis der Entwicklung kupfermetallogener Gürtel im Norden Chiles führen. In Porphyr-Kupfer-Systemen gilt die Krustendicke als eine Steuerung erster Ordnung für die Dauer und das Volumen magmatischer Aktivität, Metall- und Flüssigkeitsquellen, Erzbildungsprozesse, Flüssigkeitswege, Erzablagerungsorte und die Einlagerungstiefe von Erzkörpern7.

Die Krusten- und obere Mantelarchitektur unterhalb der Nazca-Südamerikanischen Plattengrenze zwischen ~ 18 ° S und 24 ° S im Norden Chiles wurde zuvor mithilfe lokaler Erdbebentomographie13 entdeckt (Abb. 6a). Unterhalb des Vulkanbogens wurde eine Gesamtdicke der kontinentalen Kruste von ca. 50–65 km ermittelt13,15. Der obere kontinentale Mantel ist durch Vp/Vs ~ 1,76 gekennzeichnet, während der lithosphärische Mantelkeil durch Vp/Vs ~ 1,76–1,8 im Zusammenhang mit der Serpentinisierung des Mantels gekennzeichnet ist13,38. Die Lage des kontinentalen Moho wurde mithilfe von P-zu-S-konvertierten teleseismischen Wellen im Norden Chiles auf eine Tiefe von ca. 50 km geschätzt51, die Tiefe auf ca. 35 km wurde mithilfe einer morphometrischen Analyse in Kombination mit einem numerischen Modell der Landschaftsentwicklung geschätzt, um die Hebungsraten entlang der zentralen Anden abzuschätzen52 und ca. 40 km Tiefe, die ein Dichte-Tiefen-Modell entlang des Nazca-Südamerika-Subduktionsrandes von 18° S bis 23,5° S darstellen53. Der untere Teil der kontinentalen Kruste besteht aus kristallisierten Schmelzen, die die Kruste unterschichten und zu ihrer kontinuierlichen Verdickung führen, während der magmatische Bogen zunehmend nach Osten wandert15. Die Ostwärtswanderung des magmatischen Bogens im Norden Chiles begann zumindest während des Jura und verursachte die Wanderung des Vulkanbogens von der Küstenkordillere in die Westkordillere53.

Untergrundarchitektur unter der Subduktionszone der Zentralanden und dem Untersuchungsgebiet. (a) Schematische Darstellung der zentralen Anden-Subduktionszone basierend auf seismischen und magnetotellurischen Modellen13,15. Die Dehydrierung der Subduktionsplatte (gelbe Pfeile) verursacht eine Mantelkeil-Serpentinisierung und sorgt für den Fluss, der zur Senkung der Schmelztemperatur erforderlich ist. In Tiefen von 120–150 km kommt es zum teilweisen Schmelzen ultramafischer Mantelgesteine, wodurch basaltische Magmen entstehen (blaue Pfeile). Die Abbildung zeigt auch die Lage des magmatischen Bogens der Westkordillere. (b) Vorgeschlagene Untergrundarchitektur im Untersuchungsgebiet basierend auf dem Vp/Vs-Modell. Die Abbildung zeigt abgeleitete Pop-up-Strukturen, die in der östlich angrenzenden Ablösung der Anden in einem regionalen Kontext verwurzelt sind, der von Kompression dominiert wird55. (c) Eozänes Porphyr-Intrusionslagerungsmodell in einer Pop-up-Geometrie. Abbildung (a) wurde mit der Software Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com) generiert und basiert auf Comte et al. 13. Abbildung (b) wurde mit Leapfrog 2022.1 (www.seequent.com) generiert und die endgültige Bearbeitung erfolgte mit Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com). Die Fehlerverteilung basiert auf Valenzuela et al.24. Abbildung (c) wurde mit der Software Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com) generiert und von Masterman et al.59 modifiziert.

Aus struktureller Sicht stimmen die seismischen Tomographiemodelle in dieser Studie mit der regionalen Geologie überein (Abb. 2). Anomalien mit niedrigem Vp/Vs fallen mit dem Auftreten von Pop-up-Strukturen und typischerweise positiven Blütenstrukturen entlang zweier klarer Hauptverwerfungen zusammen, darunter der Duplixa-Juan de Morales-Verwerfung im Westen und der Loa-Verwerfung im Osten (Abb. 6b). Pop-up-Strukturen wurden zuvor als Teil der Andenarchitektur beschrieben, darunter das miozäne westliche Vergent-Überschiebungssystem, das den Norden Chiles zwischen 18°S und 21°S dominiert55,56, und die mesozoischen Beckenstrukturen, die in der späten Kreidezeit reaktiviert wurden Känozoikum57. Abbildung 6b zeigt die Breitenausdehnung dieser bivergenten Struktur, nämlich die Konvergenz der östlichen und westlichen Grenzen in etwa 20–25 km Tiefe, was mit der plausiblen Position der Andenablösung in dem Gebiet übereinstimmt55,58. Wir interpretieren, dass die Einlagerung von Porphyrintrusionen in der Kruste durch diese Pop-up-Geometrien begünstigt wird, wie bereits für die Cu-(Mo)-Porphyrlagerstätte Collahuasi59 vorgeschlagen, die sich im Kupfergürtel des späten Eozäns und frühen Oligozäns weiter südlich der Studie befindet Bereich (Abb. 1). Unsere Ergebnisse der seismischen Tomographie zeigen, dass die Krustenarchitektur – einschließlich wichtiger Krustenstrukturen – als Kontrolle erster Ordnung für die Lage kupfermetallogener Gürtel im Norden Chiles fungiert.

Ein konzeptionelles Modell zeigt die unterirdische Architektur bis zu einer Tiefe von 120 km und bezeichnet die vermuteten magmatischen Reservoire, Intrusivkörper und Flüssigkeitswege, die das Porphyr-Kupfer-System unter dem Untersuchungsgebiet bildeten (Abb. 7; Video S1). Wir haben die 3D-Visualisierung des Vp/Vs-Modells (Abb. S9) mit weithin akzeptierten Formationsmodellen für Porphyr-Kupfer-Lagerstätten gekoppelt3,7,8. Unsere konzeptionelle Darstellung steht im Einklang mit der Subduktionsarchitektur des Andenrandes (Abb. 6a) und der Wanderung des Magmabogens nach Osten während des Känozoikums. Letzteres wird durch die U-Pb-Zirkon-Geochronologie intrusiver Porphyre und die oberflächliche Ausprägung von Porphyr-Kupfer-Lagerstätten gestützt, wobei das jüngere Konzessionsgebiet Queen Elizabeth (~ 46–38 Ma34) weiter östlich im Vergleich zur älteren Lagerstätte Cerro Colorado (~ 53–50 Ma29). Darüber hinaus wird die relative Position des modernen Vulkanbogens durch Anomalien mit niedrigem Vp und niedrigem Vs im östlichsten Teil des Untersuchungsgebiets deutlich, die wir als Schmelzmigration interpretieren (Abb. S7 und S8). Dieser Standort korreliert konsistent mit dem des aktiven Isluga-Vulkans, der sich weiter nördlich des Untersuchungsgebiets auf dem Längengrad 68,83°W befindet.

Konzeptionelles Modell für die Bildung des Porphyr-Kupfer-Systems unter dem Untersuchungsgebiet basierend auf der Verteilung der Vp/Vs-Verhältnisse (siehe auch Zusatzvideo S1). Pfeile zeigen die möglichen Wege von Flüssigkeiten und/oder Magmen an. Die gestrichelten Linien zeigen abgeleitete Merkmale an und die rosafarbenen Kreise entsprechen der in dem Gebiet aufgezeichneten Seismizität. Wir haben eine durchschnittliche Moho-Tiefe von Melnick52 und Maksymowicz et al.53 verwendet. Die in den Kreisen angegebenen Zahlen entsprechen den im Haupttext erläuterten Stadien der Porphyrsystembildung (Stufen 1 bis 5). Zur Diskussion siehe Text. Die Datengeoreferenzierung wurde mit ArcGIS Pro10.1 (www.esri.com) durchgeführt. Die zur Erstellung dieser Figur verwendete Software war Leapfrog 2022.1 (www.seequent.com) und die endgültige Bearbeitung erfolgte mit Adobe Illustrator 2022 (www.adobe.com).

Unser vorgeschlagenes konzeptionelles Modell in Abb. 7 berücksichtigt eine Reihe von Phasen, um die Bildung des Porphyrsystems unter dem Untersuchungsgebiet zu erklären. Das Vorhandensein der subduzierten Erdplatte, die in mehr als 100 km Tiefe nach Osten abfällt, wird durch die intensive seismische Aktivität sowie durch das sehr hohe Vp/Vs-Verhältnis der Körper im tieferen Teil des Modells abgeleitet (Abb . S9a). Beachten Sie in diesem Zusammenhang, dass Vp/Vs-Verhältnisse von ~ 1,9–2,0 mit hydratisierten Mantelgesteinen wie Serpentinit übereinstimmen13,38. Stufe 1 umfasst die Freisetzung oxidierender Flüssigkeiten aus der subduzierenden Platte, die zur Hydratisierung des Mantelkeils führt, gefolgt von einem teilweisen Schmelzen des Mantels, wodurch oxidierte, wasserhaltige Basaltbogenmagmen entstehen7. Während der Stufe 2 steigen die zahlreichen Impulse basaltischer Bogenmagmen, dargestellt durch aufsteigende Körper, die durch hohe Vp/Vs-Verhältnisse gekennzeichnet sind, auf und sammeln sich später an der Mantel-Kruste-Grenze (d. h. Moho), wodurch in der Mitte bis unten Reservoirs mit mehreren Tiefen entstehen Kruste (~ 30–70 km Tiefe)7. Stufe 3 umfasst die Differenzierung basaltischer Magmen durch fraktionierte Kristallisation, Krustenassimilation, Wiederauffüllung und Mischprozesse7. Wichtig ist, dass die Tiefe der magmatischen Differenzierung im Wesentlichen von der Krustendicke und der tektonischen Umgebung bestimmt wird60. Diese magmatischen Lagerstätten könnten als potenzielle Quelle für Cu-reiche Mineralisierungsflüssigkeiten betrachtet werden, die an hydrothermalen Prozessen in der unteren und mittleren Kruste im Entwicklungsstadium erzhaltiger Porphyrintrusionen beteiligt sind. Während der Stufe 4 steigen die entwickelten Magmen auf und bilden Magmakammern in der oberen Kruste in Tiefen von ~ 5–15 km8, dh die Ausgangsplutons für die Porphyr-Kupfer-Bildung. Diese magmatischen Reservoirs werden regelmäßig von Magmen aus den unteren Krustenreservoirs gespeist3,7. Dekompressions-, Entgasungs-, Metamorphose- und Differenzierungsprozesse führen zur Freisetzung erzbildender Flüssigkeiten, die in der Lage sind, erhebliche Mengen an Metallen aus Magmen zu entfernen3,7,60. Porphyr-Kupfer-Intrusionen umfassen zusammengesetzte Vorläufer-Plutons, Ausgangs-Plutons sowie mehrere Phasen der pfropfenartigen Porphyr-Kupfer-Intrusionen, die in einer Tiefe von 1–7 km3,7 eingelagert wurden. Wir interpretieren, dass die darunter liegende intrusive Gesteinsreihe, die durch mittlere Vp/Vs-Verhältnisse gekennzeichnet ist, als Wirt für eine Ansammlung von Kupfervorkommen im Untersuchungsgebiet fungiert (siehe Cerro Colorado und Queen Elizabeth in Abb. 7). Die letzte Stufe (Stufe 5) umfasst die Bildung einer Porphyr-Kupfer-Mineralisierung, die um pfropfenartige Intrusionen herum auftritt, durch die Ausfällung von Cu-Sulfiden aus erzbildenden Flüssigkeiten, die aus diesen Pfropfen freigesetzt werden3,7,8. In der oberen Kruste, wo plastische Verformung in spröde übergeht, erfolgt der Flüssigkeitstransport hauptsächlich entlang eines Netzwerks von Poren und Brüchen18. Daher treten mehrere Ereignisse hydrothermaler Alteration und Mineralisierung in Form von Stockworks und Brekzien auf, die typische Strukturen von Systemen sind, die von hohen Wasser-Gesteins-Verhältnissen dominiert werden3. Stufe 5 wird von Anomalien mit niedrigem Vp/Vs entlang von Flüssigkeitswegen, hydrothermal veränderten Zonen und Ablagerungs- und Akkumulationsstellen für metallisches Erz begleitet18.

Weltweit schreitet die Exploration und Ausbeutung von Porphyr-Kupfer-Ressourcen immer tiefer voran1. Die Explorationsbemühungen werden durch die Tatsache beeinflusst, dass die meisten der flacheren und zutage tretenden Lagerstätten im Norden Chiles entdeckt wurden. Darüber hinaus konzentrierte sich die Exploration in der Vergangenheit auf Brachflächen, wo die inhärenten Clustereigenschaften der Porphyr-Kupfer-Formation dies zu einer konzeptionell risikoärmeren Investition machen. Derzeit konzentrieren sich die Möglichkeiten zur Neuentdeckung erstklassiger Lagerstätten auf die Exploration auf der grünen Wiese, insbesondere unter der Deckung nach der Mineralisierung oder in blinden Zielen entlang der metallogenen Kupfergürtel im Norden Chiles.

Die Herausforderung, neue Porphyr-Kupfer-Lagerstätten zu entdecken, erfordert eine Verbesserung der lateralen und vertikalen Auflösung tiefliegender Erzkörper für den gezielten Abbau. Wir demonstrieren das Potenzial der lokalen Erdbebentomographie zur Abgrenzung von Strukturen, die Porphyr-Kupfer-Systeme beherbergen. Unsere Vp/Vs-Modelle stützen nachdrücklich die Annahme, dass die Krustenarchitektur, z. B. Pop-up-Geometrien, als Kontrolle erster Ordnung über die Lage der Erzkörper fungiert (Abb. 7), was auch Auswirkungen auf die Erzgenese und die Intrusionslagerung haben kann Modelle. Darüber hinaus kann die Größe der tieferen Krustenreservoirs ein wichtiger Faktor sein, der zur Porphyrmineralisierung beiträgt und eine langlebige magmatische Aktivität ermöglicht7. Interessanterweise liegt die größte hohe Vp/Vs-Anomalie (C-Anomalie) unterhalb von Cerro Colorado, der einzigen großen Lagerstätte in unserem Untersuchungsgebiet (vertikaler Abschnitt P6 in Abb. 5, S9a).

Wir betonen, dass die seismische Tomographie eines lokalen Erdbebens allein potenziell mineralisierte Zonen möglicherweise nicht ausreichend von verwandten hydrothermal veränderten Zonen und dem umschließenden Wirtsgestein unterscheiden kann. Zukünftige Arbeiten werden sich auf integrierte 3D-Modelle mithilfe von Daten aus mehreren Quellen konzentrieren, beispielsweise durch die Kombination von geophysikalischer 3D-Modellierung mit geologischer, geochemischer und struktureller Interpretation, Fernerkundung und Mustererkennung durch maschinelles Lernen. Letztendlich empfehlen wir die seismische Tomographie als wertvolles und umweltfreundliches Instrument zur Identifizierung neuer Porphyr-Kupfer-Lagerstätten und wahrscheinlich auch anderer Arten von magmatisch-hydrothermalen Erzsystemen, beispielsweise Eisenoxid-Kupfer-Gold-Lagerstätten (IOCG).

Mithilfe der lokalen Tomographie der Erdbebenankunftszeit konnten wir eine hochauflösende Visualisierung der tiefliegenden Strukturen unter einem Porphyr-Kupfer-System im Norden Chiles erzielen. Das erhaltene 3D-Vp/Vs-Modell bietet Einblicke in Porphyr-Kupfer-Lagerstätten auf regionaler Ebene aus der Perspektive der Krustenarchitektur, der Flüssigkeits-/Schmelzwege und Reservoirs sowie der mineralisierten und hydrothermal veränderten Zonen. Obwohl die seismische Tomographie die Mineralisierungszonen immer noch nicht direkt abbilden kann, kann sie gute Indikatoren für die Strukturen liefern, die Porphyr-Kupfer-Lagerstätten beherbergen. Im Bestreben, neue Bodenschätze zu entdecken, könnte die lokale Erdbebentomographie ein leistungsstarker und effektiver Ansatz zur Suche nach verborgenen Lagerstätten mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt sein. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Vp/Vs-Modelle neue Möglichkeiten zur Abbildung der Untergrundarchitektur magmatischer Erzsysteme vom oberen Erdmantel bis zur Oberfläche eröffnen und daher für die Erkundung tiefer und verdeckter Erzkörper verwendet werden könnten.

Alle während dieser Studie generierten und analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel im Zusatzmaterial (Excel-Datei; Tabelle S1) enthalten.

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Diese Forschung wurde von der Nationalen Agentur für Forschung und Entwicklung Chiles (ANID) durch das Projekt AFB180004, das Projekt AFB220002 und das Projekt FONDEF ID21I10022 finanziert.

Abteilung für Geophysik, Fakultät für Physikalische und Mathematische Wissenschaften, Universität Chile, 8370449, Santiago, Chile

Diana Comte

Advanced Mining Technology Center, Universidad de Chile, 8370451, Santiago, Chile

Diana Comte, Gisella Palma, Daniela Calle-Gardella, Matías Peña, Sergio García-Fierro und Joëlle D'Andres

Fakultät für Geologie, Major University, Av. Manuel Montt 367, James

Gisella Palma, Matías Peña und Sergio García-Fierro

CODELCO, Exploration Management, Hauptsitz, Huérfanos 1270, Santiago, Chile

Jimena Vargas und Sergio Pichott

Research School of Earth Sciences, The Australian National University, Canberra, ACT, 2601, Australien

Joëlle D'Andres

Erd- und Umweltwissenschaften, School of Science, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 12180, USA

Steven Roecker

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DC und JV konzipierten und gestalteten die Studie. DC, GP, MP, JD haben den Artikel geschrieben. DC, DC-G., SG-F. und SR realisierte die Methoden, Datenverarbeitung und Visualisierung. GP und SG-F. bereitete die Figuren vor. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Gisella Palma.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Comte, D., Palma, G., Vargas, J. et al. Abbildung der Untergrundarchitektur in Porphyr-Kupfer-Lagerstätten mittels lokaler Erdbebentomographie. Sci Rep 13, 6812 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33820-w

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Eingegangen: 5. Januar 2023

Angenommen: 19. April 2023

Veröffentlicht: 26. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33820-w

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