当前全球能源转型进程加快，钴（Co）因其在锂电池、尤其是电动汽车电池中的关键作用，成为极重要的战略关键金属。然而，世界上绝大多数钴资源集中于非洲中部的沉积型铜钴矿床，存在资源过于集中、受地缘因素影响导致的供应链不稳定等风险。因此，迫切需要寻找非传统钴资源的新增长点。
斑岩型矿床作为全球最重要的铜、金和钼来源，其成矿系统中是否存在有经济意义的钴富集，不断未被充分认识。尽管少量研究注意到一些斑岩系统中钴的存在，但现在对钴的富集机制、沉淀过程、物质来源均缺乏系统研究。斑岩矿床与低温条件下形成的沉积岩容矿层状铜钴矿床和红土型镍钴矿床不同，其形成于中-高温岩浆-热液系统，在此条件下钴元素的地球化学行为仍未空白。斑岩矿床与基性-超基性岩密切相关的岩浆硫化物矿床也显著不同，其形成总是与中酸性斑岩侵入体的就位密切相关，而这类岩石通常因钴含量较低不被认为是钴富集的有利载体，钴能否在与中-酸性岩浆有关的热液流体中富集成矿尚不清楚。现在全球范围内具有重要经济价值的富钴斑岩矿床尚无报道，其形成过程仍不明确，这制约了对斑岩矿床钴资源潜力的评估。
针对上述问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室曹明坚研究员团队与德国汉诺威莱布尼茨大学、澳大利亚科廷大学和中国地质大学（武汉）的学者召开合作，选取我国黑龙江省内的金厂大型斑岩金（铜）矿床作为研究对象（图1），围绕黄铁矿这一主要载钴矿物，展开原位主微量元素分析、Fe-S同位素测试、晶体结构分析等手段，从矿物尺度揭示钴的富集沉淀与流体演化过程。研究取得的主要认识和结论如下：
图1 （a）全球存在钴矿化的斑岩矿床；（b）吉林-黑龙江东部地质图
富集机制方面：研究发现斑岩矿床中钴的富集并非偶然，而是由多次富钴镁铁质岩浆注入引发的系统性过程。矿物微量元素变化和热力学模拟指示矿化早期高温、高盐度的条件为钴在流体中的预富集给予了有利环境。黄铁矿（Py1与Py2）表现出明显的结构、元素、同位素分带特征，富钴环带中钴含量高达10.4 wt.%（图2）。研究显示，钴富集与流体中Co/Fe比值高度相关，当镁铁质岩浆注入带来富钴流体时，瞬时钴饱和导致其在黄铁矿晶格中快速固定。这种节奏性的钴分带是多期富钴镁铁质岩浆脉冲作用的直接记录。
图2 Py1表现为核-幔-边结构，其中核和边部富钴，幔部贫钴；Py2则为核-边结构，仅边部富钴。元素和同位素协同变化
沉淀过程方面：研究表明钴的沉淀主要受到降温的影响，常发生于矿化早期阶段的钙钠蚀变和钾化蚀变内，首次钴矿化早于铜金矿化。研究顺利获得原位Fe-S同位素与EBSD技术识别出耦合溶解-再沉淀过程，其中富钴流体重新注入，导致黄铁矿边部富钴，并形成硫镍钴矿、辉砷钴矿与黄铜矿共生，形成多次钴矿化并叠加早期矿化。隐爆角砾岩筒由于温度压力急剧下降被认为是钴沉淀的理想空间位置。因此，尽管钴矿化具备工业意义，但由于其主要发生在斑岩系统的早期阶段，常常在传统以铜金为主的勘查中被忽视。
物质来源方面：顺利获得原位Fe-S同位素分析，排除了沉积层或地壳贡献，指出钴源自深部镁铁质岩浆。更关键的是，流体的铁同位素值高达0.65‰，远高于普通斑岩系统中岩浆流体值（通常为-0.7‰至0.1‰），推测其来源有蛇纹岩化俯冲洋壳板块物质的加入。该蛇纹岩化洋壳不仅富含钴，还可为成矿流体给予重铁同位素和砷元素，形成了图2黄铁矿中元素和同位素协同变化。
该研究从富集机制、沉淀过程到物质来源，全面揭示了富钴斑岩矿床成矿过程的科学本质，确立了“多期镁铁质岩浆注入-高温高盐环境-蛇纹石化洋壳源”三大控制因素（图3）。研究不仅深化了对钴在斑岩系统中行为的理解，也为未来在斑岩矿床中寻找钴资源给予了理论基础与勘查方向。
图3 富钴斑岩矿床成矿模式图
研究成果近期发表于国际权威学术期刊GCA（单鹏飞，曹明坚*，唐冬梅，邱正杰，Noreen J. Evans，Marina Lazarov，王大川，胡伟，秦克章，Ingo Horn，Stefan Weyer.Cobalt-rich porphyry deposits derived from multiple mafic magma injections. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 399: 125-143. DOI: 10.1016/j.gca.2025.04.022.）。该项工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目（42122013）战略性关键金属超常富集成矿动力学培育项目（92162102）、中国科研实验室战略重点研究计划（XDA0430301），中国科研实验室地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202204）联合资助。
单鹏飞（博士生）
