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科学研究

简伟:石英破碎及金属液滴生长导致金的超常富集【Geology,2024】
2024-03-20 阅读:2996

黄金是我国紧缺战略性矿产资源,对外依存度大于60%。超富金矿石(bonanza grade gold ore, >31/吨金)极具经济价值,是找矿勘探的重要对象,其形成机制亦是学术界关注的重要科学问题。热液金矿中金的沉淀,通常认为是受金的溶解度控制,流体中金过饱和,金发生沉淀。然而,地质流体中的金含量普遍低于模拟实验中计算出的金溶解度,暗示流体中金过饱和并非金沉淀的必要条件。在许多热液金矿,特别是超富金矿石中,自然金及含金碲化物沿石英的裂隙密集产出,这些矿石的金含量可高达数千克每吨。在此类超富金矿石中,金的高度富集,难以用溶解度控制的沉淀机制解释。如流体沸腾、混合等机制触发金快速沉淀的同时,也必然导致常见脉石和金属矿物的大量沉淀,大大降低矿石的金品位。因此,需要破解超富金矿石成因谜团,明确超富金矿石的富集机制。

针对这一关键科学问题,我校地球科学与资源学院简伟副研究员和毛景文院士,通过对小秦岭含金石英脉超富金矿石的精细研究,提出一种金超常富集的新机制,取得了以下创新性认识:

1. 富金、银、碲、铋矿物组合是金属液滴冷凝结晶的产物:

1)富金、银、碲、铋矿物组合(含少量铅、铜、铁、硫)具有固定的结晶顺序:黄铜矿、碲铅铋矿\碲铋矿\自然金,碲金矿、碲铅矿、碲金银矿,碲金银矿总是最后结晶,并且充填其它矿物的晶粒间隙(图12,说明这些矿物组合是在有限空间内,熔体结晶的产物。

2)富金、银、碲、铋矿物组合在180 °C开始熔化,360 °C 396°C完全熔化,形成浑圆的液态金属球(图34,其完全熔化温度与共生流体包裹体的完全均一温度区间重合(293–400 °C)。

2. 金属液滴的形成机制:

石英通常被认为化学性质不活泼,但物理化学缺陷发育的石英具良好的化学活性。石英被物理化学活化后(如断裂活动导致石英发生破碎),SiO2的原子键断裂,产生≡Si·≡SiO·自由基。≡Si·自由基可以与H2O分子反应形成硅醇基(≡Si─OH)和氢自由基(H·),氢自由基重新结合形成氢气,方程如下:

≡Si· + H2O→H·+ ≡Si─OH

H· + H· → H2

石英破碎后与水反应能生成氢气,这一过程已得到实验证实。在现代活动断层(如美国San Andreas断裂)以及断层面假玄武玻璃岩中(由断层中岩石强烈摩擦作用熔化后而形成),均检测到异常高含量的氢气。此外,高速摩擦实验亦显示,地震过程中不仅能产生氢气,且氢气产生量与地震震级存在幂律关系。因此,在地质过程中,石英破碎后与水反应生成的氢气和硅醇基,可作为含金、银、碲、铋等金属络合物的还原剂,反应方程如下:

≡Si─OH + M+ → ≡SiO· + H+ + Au0,

M+ + 1/2H2 → H+ + M0.

石英表面被还原的金、银、碲、铋等金属原子聚集并生长,形成金属液滴,因为这些金属集合体的熔点低于流体温度。

 3. 金的高效富集机制:

金属液滴形成后,可以作为催化剂,加速石英对金属络合物的吸附-还原进程,并汲取被还原的金属原子继续生长。由于吸附-还原作用不受溶解度控制,而取决于矿物和流体之间的固液界面反应,因此石英的吸附-还原作用及金属液滴的催化作用,可使金高效富集,即便流体中的金并未达到饱和。高密度的表面缺陷,是石英能高效吸附-还原金的关键。比如,物理化学缺陷发育的石英/SiO2(如介孔二氧化硅、激光轰击的石英表面)被广泛应用于纳米金颗粒的合成。在选矿实验中,微细粒(0.1–2.5 μm)的石英可在数小时内吸附-还原溶液中98%的溶解金,研磨后的石英对金的吸附-还原能力大大增强。因此,大型剪切带中石英广泛而强烈的破碎(现表现为大量的次生流体包裹体面,也即愈合的微裂隙),不仅为成矿流体的提供了通道,也创造了大量的表面缺陷,为金、银、碲、铋等金属的吸附-还原创造了有利的条件。金在所有金属元素里具有最高的电负性,总体而言,金的络合物相较于其他金属络合物更倾向于被还原。然而,金、银、碲、铋等低背景含量元素为何能在金属液滴里高度富集,还需要进一步研究破解。

总结

1)断裂活动过程中,石英破碎与水反应生成硅醇基及氢气,还原流体中的金、银、碲、铋等金属络合物形成金属液滴;

2)金属液滴作为催化剂,加速石英对金属络合物的吸附-还原进程,汲取被还原的金属原子继续生长;

3)低熔点的金属液滴可长时间以液态形成存在,在多次热液活动中从流体中汲取金,形成超富金矿石;

4)除金属液滴外,自然金颗粒也具有良好的催化能力,因此,石英的破碎及自然金的自我催化生长,代表了金高效富集的另一种可能机制。


图1 石英中的金属液滴结晶物及流体包裹体

                                             


图2 石英中的金属液滴结晶物(单偏反射光)




图3 金属液滴结晶物加温熔化过程




图4 热液金刚石压腔中金属液滴结晶物加温熔化过程


上述研究成果受到国家自然科学基金面上基金(41972093)及中央高校基本科研业务费(2652020026)资助,发表于地质学领域权威期刊《Geology》,新葡萄最新官网(北京)副研究员简伟为第一作者和通讯作者,共同作者为新葡萄最新官网(北京)毛景文院士、德国克劳斯塔尔工业大学Bernd Lehmann教授、澳大利亚阿德莱德大学Nigel J. Cook教授、中国地质科学院矿产资源研究所李建康研究员、新葡萄最新官网(北京)宋世伟副研究员和博士研究生朱磊。

论文信息:Jian, W*., Mao, J., Lehmann, B., Cook, N.J., Li, J., Song, S, and Zhu, L., 2024. Hyper-enrichment of gold via quartz fracturing and growth of polymetallic melt droplets. Geology, https://doi.org/10.1130/G51875.1


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