钨具有高熔点、高硬度和耐腐蚀等特性，广泛应用于新能源、航空航天、以及国防军工等领域，是国际高度关注的战略性关键金属矿产。全球钨资源分布极不均衡（图1），大多数钨矿床具有一些共同的地质特征：（1）钨矿床通常与富挥发份、高分异的花岗岩在时空及成因上密切相关；（2）成矿花岗岩大多源自变质沉积岩的重熔，具有高硅、过铝质、和富集的Sr‒Nd‒Hf‒O同位素特征；（3）钨成矿带/省通常远离汇聚板块边缘，位于弧后或陆内等构造背景。基于这些特征，现有的钨成矿模型大都认为地幔活动对钨成矿贡献有限。然而，许多钨矿床中的硫化物及含钨矿石矿物沉淀捕获的成矿流体具有强烈的地幔组分信号。例如，葡萄牙Panasqueira钨矿床的硫化物具有>5 Ra的3He/4He比值，指示成矿流体有明显的地幔组分加入，但分异成矿流体的成矿花岗岩则表现出典型的壳源特征（如A/CNK = 1.20, δ18O = 10‰）。目前对于这种成矿与成岩之间普遍存在的同位素解耦现象尚缺乏深入研究。因此，地幔对于钨成矿作用的贡献仍不明确，其必要性及具体机制有待深入探讨。
图1 全球钨矿床分布图
针对上述科学问题，中国科学院地球化学研究所的阳杰华研究员，在胡瑞忠院士和周美夫研究员的指导下，与国内外研究者开展合作，首次联用挥发性元素Hg‒He‒Ar同位素，对华南典型钨矿床中矿石矿物和花岗岩开展分析，汇编了全球主要钨成矿省的Hg‒He‒Ar‒Sr‒Nd同位素及华南镁铁岩Sr-Nd同位素数据，利用数据统计分析，地球化学模拟，以及机器学习等方法，探讨了地幔活动对全球钨循环与成矿的贡献及其机制，取得了以下认识：
（1）明确了华南燕山期爆发性钨成矿作用由壳-幔相互作用诱发
尽管华南地区发育大规模加里东期和印支期花岗岩，但钨矿床大多数与燕山期花岗岩密切相关。然而，燕山期重大地质事件造成钨成矿大爆发的独特性仍需查明。本文对全球钨矿床的He‒Ar同位素数据进行了汇编，统计结果显示成矿流体主要为岩浆-热液且有显著的地幔组分加入，华南钨矿床样品中的地幔组分比例峰值为~10%，其他地区钨矿床样品的比例有的更高（峰值>40%），表明钨成矿过程普遍与强烈的壳-幔相互作用有关，地幔活动对钨成矿作用的影响远被低估（图2a‒b）。结合华南成钨花岗岩和不成矿花岗岩的Hg同位素组成，发现成钨花岗岩的Hg同位素非质量分馏信号明显不同于不成矿花岗岩（图3a），即~20%的成钨花岗岩具有偏正的Δ199Hg值（>0.1‰），分析表明这些成钨花岗岩偏正的Δ199Hg值继承了大洋俯冲过程中海洋沉积物Hg同位素特征。
进一步对华南镁铁质岩Sr‒Nd同位素的统计分析，筛选出能反映源区性质的原生镁铁质岩石（即未经历明显风化蚀变、地壳混染、岩浆混合作用），发现华南新元古代至早中生代原生镁铁质岩具有一致的、较为富集的Sr‒Nd同位素组成（图3c‒d），且主要分布于江南造山带及其周缘（图4a‒b），这些镁铁质岩石很可能为新元古代形成的富集岩石圈地幔及其后续重熔的产物，而非同时期大洋俯冲成因。与之不同，华南地区与钨成矿同时期（燕山期）形成的镁铁质岩则表现出明显亏损的Sr‒Nd同位素特征（图3d），表明古太平洋板块的俯冲过程可能对古老富集地幔进行了大规模的改造置换，使其变得较为亏损，形成的燕山期镁铁质岩显示出壳幔混合特征。
综上表明，由大洋俯冲引发的强烈壳-幔相互作用是造成华南陆内燕山期钨成矿大爆发的独特动力学背景。
图2 全球钨矿床矿石矿物He‒Ar同位素组成
图3 （a）华南成钨花岗岩与不成矿花岗岩Hg同位素组成；（b）华南成钨花岗岩与不成矿花岗岩Sr‒Nd同位素组成；（c‒d）华南原生镁铁质岩Sr‒Nd同位素组成
图4 华南岩石圈地幔起源原生镁铁质岩Sr‒Nd同位素空间变化
（2）发现了地幔挥发性组分注入对钨成矿至关重要，构建了成钨花岗岩智能判别和普适性钨成矿模型
本文建立了系统的华南花岗岩全岩地球化学数据库，基于此开展了机器学习，训练了高准确率的成钨花岗岩智能判别模型。数据统计发现，成钨和不成矿花岗岩在A/CNK比值和Nd同位素组成上表现出明显重叠（图5），但机器学习结果揭示，成钨花岗岩以一系列高分异指标与不成矿花岗岩相区别（图6），表明华南地区成钨花岗岩中大量挥发分可能并非仅由特定的地壳基底重熔所提供，否则华南应该存在更多的前燕山期钨矿床。许多研究表明，俯冲板片中富含一定数量的含水矿物（如角闪石和白云母），其中氟元素可通过F⁻与OH⁻之间的离子交换机制进入这些矿物晶格，构成卤素元素（F‒Cl）的重要储库，结合Hg‒He‒Ar同位素所揭示的深源挥发分信号，推测在古太平洋板块俯冲及回撤过程中，这些含水矿物发生分解而释放大量的卤素元素，可能为成矿岩浆体系提供了关键的额外挥发分补给，最终促进了成矿岩浆的高度演化与大规模成矿作用的发生。
图5 华南成钨花岗岩与不成矿花岗岩Nd同位素与A/CNK值统计分析
图6 华南成钨花岗岩与不成矿花岗岩可解释性机器学习结果
图7 广义钨成矿动力学模型
（3）揭示了钨在地球内部圈层中的循环过程，首次发现地壳中钨的显著初始富集与Nuna超大陆聚合裂解过程有关
地球化学模拟表明钨矿床的形成不仅与岩浆的高度分离结晶有关，而且源区钨的初始富集也至关重要（图8）。然而，目前尚不清楚地幔活动对源区钨的初始富集有何种贡献。通过对全球成钨花岗岩与白钨矿的Nd同位素数据统计分析，发现主要钨成矿省的二阶Nd模式年龄（TDM2）峰值虽然不同，但主要集中在1.8‒1.2 Ga期间，与Nuna超大陆的聚合与裂解时期高度吻合（图9）。前人对深时锆石Hf‒O同位素数据研究表明，此时期板块俯冲构造活动较弱，发育有大量幔源岩浆活动和伸展构造。
图8 部分熔融与分离结晶地球化学模拟结果
同时，钨作为一种中度亲铁的元素，在地球早期的核幔分异过程中，其绝大部分（>90%）优先进入地核。Nuna超大陆旋回时期发育的大规模地幔柱岩浆活动，很可能将地核中丰富的钨直接带入岩石圈，主要证据有：（1）OIB型岩浆岩（0.56 ppm）与中下地壳（0.60 ppm）的钨含量相当，显著高于软流圈地幔（<0.1 ppm）；（2）Ru‒W同位素研究证实地幔柱可以有效地将地核物质输送至地球浅部圈层（Messling et al., 2025, Nature）。地幔柱活动除了直接将大量钨元素带入岩石圈外，其释放的高热通量及引发的伸展构造还会促使岩石圈基底发生部分熔融，进而形成大规模岩浆活动向浅部侵位（如A型花岗岩），这些富钨岩浆岩风化后的物质可能沉积于Nuna超大陆的某些特定地区，形成富钨的地壳基底，促使钨在上地壳中进一步富集（图10）。最近超大陆重建模型也将分布有大量钨矿床的华夏地块配置于Nuna超大陆的内陆地区（图11），是有利的沉积中心，为后续中生代钨成矿大规模爆发提供了充足的物质基础。除了Nuna超大陆旋回时期外，全球钨矿床样品的TDM2年龄次峰值（如2.2–2.1 Ga、1.1–1.0 Ga 和 0.9–0.8 Ga）与锆石Hf‒O同位素亏损峰值也存在时间对应关系（图9），表明在整个地质历史时期中，地幔活动在调控钨元素在地壳中的富集过程中始终发挥着关键且不可忽视的作用。值得注意的是，与钨元素地球化学性质相似的锡元素，也可能通过上述方式进行循环与富集成矿（课题组未发表资料）。
图9 主要钨成矿省Nd模式年龄（TDM2）与全球锆石深时Age‒Hf‒O数据
图10 钨在地球内部圈层循环及在Nuna超大陆旋回长期富集过程的示意图
图11 Nuna超大陆重建模型与大火成岩分布（Li et al., 2023）
（4）系统评估不同钨成矿省及典型造山带钨成矿潜力
为验证上述成矿理论，我们系统整理了全球主要钨成矿省及典型造山带中酸性岩浆岩的Nd同位素数据，并将其划分为增生型、碰撞型和陆内型三类。统计结果表明（图12），尽管碰撞型造山带具有较高比例的富钨地壳基底，但其钨矿床数量与规模显著低于增生型造山带，表明与大洋板块俯冲相关的伸展构造环境更有利于形成大规模钨矿床。该模型可较好地解释华南地区异常丰富的钨矿资源：华南地区不仅具有较高的富钨地壳基底比例，而且在燕山期受到古太平洋板块俯冲后伸展作用的强烈影响，构成了有利于形成大规模钨矿的最佳组合条件。
图12 主要钨成矿省与典型造山带富钨基底比例与矿床规模数量统计
（5）提出数据驱动的钨矿找矿勘查新方法
地质学发展至今已积累了海量的地球化学、地球物理、遥感等数据资料，找矿勘查工作日益进入了“数据驱动，智能勘查”的新阶段。上述数据分析研究表明，在全球范围内，形成于大洋俯冲后伸展背景，Nd模式年龄（TDM2）为1.8‒1.2 Ga的花岗岩可能具有较高的成钨潜力。因此，开展目标区带中酸性岩浆岩的Nd同位素填图，结合区域地球化学异常（如W，Sn，Zr/Hf，Nb/Ta等）、岩石地化数据、及机器学习方法，即可快速圈定高成矿潜力花岗岩体，实现大范围、高效、准确、且智能化的找矿预测工作。此外，本文通过对全球钨矿的分布与构造背景总结，指出太平洋北部俯冲带周边（俄罗斯远东-美国阿拉斯加-加拿大西北地区）、中亚造山带、以及特提斯域东部是未来全球钨资源找矿突破的高潜力地区。
研究成果近期发表于Nature旗下国际著名地学期刊Communications Earth & Environment，本研究获得了国家自然科学基金（42372113，92162323，42403062），国家重点研发项目（2023YFC2906401），中国科学院全球共性挑战专项（056GJHZ202205GC），中国博士后科学基金面上项目（2024M753200），以及中国科学院“西部之光”项目的联合资助。
论文详细信息：Jie-Hua Yang, Jing-Hua Wu, Mei-Fu Zhou*, Rui-Zhong Hu*, Jun-Hong Zhao, Anthony E. Williams-Jones, Qian Hu, Run-Sheng Yin, 2025. Mantle contributions to global tungsten recycling and mineralization. Communications Earth & Environments, https://doi.org/10.1038/s43247-025-02471-2.
参考文献：
Li, Z.X., Liu, Y., Ernst, R., 2023. A dynamic 2000—540 Ma Earth history: From cratonic amalgamation to the age of supercontinent cycle. Earth-Science Reviews 238,104336.
Messling, N., Willbold, M., Kallas, L., Elliott, T., Fitton, J.G., Müller, T., Geist, D., 2025. Ru and W isotope systematics in ocean island basalts reveals core leakage. Nature 642, 376‒380.
（阳杰华/供稿）