PNAS:金以胶体形式运移和絮凝形成超常富集金矿脉

PNAS:金以胶体形式运移和絮凝形成超常富集金矿脉

PNAS:金以胶体形式运移和絮凝形成超常富集金矿脉

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黄金是国际储备和投资的特殊通货,同时又是首饰、电子、现代通讯、航天航空业等产业的重要原材料。热液金矿脉提供了地球上大部分的黄金,容纳的金比地壳中金的浓度高出数百万倍,使得它们成为勘探和开采的重要目标。长期以来,研究者普遍认为金在热液流体中以含水络合物的形式运移。然而,这种观点不能解释超高品位明金矿脉的形成,因为成矿流体中金浓度相对较低(十亿分之几十,10–30 ppb),而在一些浅成低温热液和造山带矿床中,超高品位金矿脉的金含量可达百分之几(分米尺度可达50 wt.%)。如果通过从成矿流体中直接沉淀金或银金矿来形成这种超高品位金矿脉来解释,则需要裂隙保持不合理的长时间开放状态(>>50000年,超过许多斑岩-浅成低温热液矿床的寿命,并且大大超过形成1 m宽矿脉所需的约1400年),或需要的流体通量高得离奇,这与最近的研究结果不符(Pearce et al., 2015)。含金量如此低的成矿流体是如何产生超高品位金矿脉的,一直是未解之谜。

自19世纪中叶以来,研究者提出金胶体的存在,并提出金可能以胶体形式(即表面带电荷的固体纳米颗粒)在成矿流体中运移,聚集沉淀形成树突状金的想法(Faraday, 1857; Saunders, 1990; Liu et al., 2019)。然而,他们并没有提供金胶体存在并絮凝沉淀的直接证据。为了验证成矿热液系统中纳米金颗粒的存在并深入了解它们形成超常富集金矿脉的过程,加拿大麦吉尔(McGill)大学地球与行星科学系McLeish博士、Williams-Jones教授及其团队利用透射电子显微镜(TEM)研究了不列颠哥伦比亚省Brucejack金矿(McLeish et al., 2021)。他们提供了金可以作为胶体颗粒在成矿流体中运移并以絮凝的方式沉淀在纳米级方解石细脉中,从而形成超常富集金矿脉的直接证据。

实验结果得到的TEM图像(图1b和图2-图4)显示,许多直径约5–15 nm的暗色球体散布在0.5–1 cm的含方解石基质细脉中或集中在含方解石的纳米细脉(< 100 nm)中。如图2a所示,暗色球体出现在银金矿大颗粒附近,并表现出间距为2.2–2.4 Å的晶格条纹(图2b),与相邻银金矿颗粒以及实验合成的金-银金矿纳米颗粒的晶格间距相同。在所有薄片中还有较大的银金矿颗粒,直径约30–150 nm(图3a),由多个5–10 nm宽的具有不同晶格面取向的区域组成(图3b),这些较大的颗粒被解释为纳米颗粒的集合体。在所有的薄片中,含有银金矿纳米颗粒的基质矿物具有3.0–3.1 Å的晶格条纹间距,与方解石(~3.0 Å)相同,但与石英(~3.4 Å)明显不同。虽然在一些薄片中观察到石英,但未含有银金矿纳米颗粒。图4展示了含有银金矿纳米颗粒的方解石纳米细脉(宽50–100 nm),发育在绿泥石和绢云母的解理面(图4a、图4b)、晶体边界或横切石英中(图4c)。银金矿作为孤立颗粒或聚集体占据纳米细脉的整个宽度。研究结果表明,球状的1–5 nm银金矿颗粒在Brucejack金矿中很常见,并且多个球形至卵形亚颗粒聚集形成较大的银金矿颗粒。较大的聚集体所表现出的不规则形状与矿脉中粗粒银金矿所表现出的树突状习性惊人地相似。这种从纳米到宏观尺度的银金矿结构相似性,与实验研究中观察到的胶体聚集体的分形性质以及计算机模拟的金胶体絮凝相一致。

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图1 超高品位银金矿矿化发育在(A)赋存在绢云母化蚀变凝灰岩中的方解石-石英脉中,(B)方解石纳米细脉中(TEM图像)。两张图强调了银金矿在宏观和纳米尺度上的强烈相似性

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图2 方解石-石英脉中银金矿大颗粒和方解石基质接触边界TEM图。(a)方解石中大量球状银金矿纳米颗粒,(b)银金矿纳米颗粒晶格条纹间距为2.32 Å

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图3 (a)较大的银金矿纳米颗粒TEM图,(b)a中颗粒放大图,显示较大颗粒是由许多具有不同晶格面取向的卵球形-球形纳米颗粒组成

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图4(a)产出在绿泥石和绢云母解理面中的含银金矿纳米颗粒的方解石纳米细脉(图1b相同区域);(b)产出在绢云母理面中的方解石纳米细脉,含有絮凝的孤立的球状银金矿纳米颗粒;(c)产出在绿泥石和石英接触边界的含银金矿纳米颗粒的方解石纳米细脉,该细脉也切穿石英颗粒

在非平衡系统中(如沸腾热液系统),由于物理化学条件变化迅速,溶液过饱和,矿物成核速率太高,生长速率太低,在这种情况下,原子没有足够的时间结晶,而是以球状纳米颗粒形式积聚,以保持最小表面积。由于非平衡环境可以在斑岩-浅成低温热液系统整个演化过程中持续存在(如在发生沸腾/流体混合位置),有利于金属纳米颗粒形成。热液流体中金属纳米颗粒的絮凝可以通过沸腾、冷却和/或流体混合来实现。沸腾可以两种独立的方式促进絮凝:(1)沸腾的物理效应增加了纳米颗粒的碰撞效率;(2)与沸腾相关的pH值增加导致含有阳离子絮凝剂(例如Al3+和Fe3+)的矿物沉淀。冷却会减慢Au+还原成Au0的速率,并减少金纳米颗粒的成核中心数量,促使更容易絮凝的较大纳米颗粒的产生。酸性-中性的热液流体与碱性的海水混合,pH值升高,有利于阳离子絮凝剂的沉淀,但同时也增加了阳离子絮凝剂(Na+)并加速冷却,进而促进絮凝。对于Brucejack金矿床,流体包裹体和硫化物硫同位素证据表明,含金石英-方解石脉的形成过程中流体发生了周期性的沸腾,促使形成金胶体颗粒(Gartman et al., 2018)。而金絮凝与最后一期黄铁矿结晶的同时,银金矿与该期黄铁矿处于结构平衡状态,该期黄铁矿硫同位素和地质证据综合表明在剧烈的周期性流体沸腾后,成矿流体与海水发生了混合,这是引起金胶体絮凝的主要原因。多期矿脉中的裂缝-填充结构表明地震断层阀机制的存在,裂缝反复打开并被絮凝的银金矿填充,最终形成超高品位金矿脉。

总之,该项研究提供了金纳米颗粒以胶体形式存在并絮凝的直接证据,也记录了它们在纳米尺度热液细脉中的运移。结合前人的间接证据和实验研究结果(如Gartman et al., 2018; Liu et al., 2019),表明金在成矿流体中的机械富集可能是一种普遍的现象。这种矿化过程可能发生在多种类型的金矿化系统中,特别是造山金矿床,这是理解形成超高品位或特富金矿床的关键。

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主要参考文献

Faraday M. Experimental relations of gold(and other metals) to light[J]. Philosophical Transactions to the Royal Societyof London, 1857, 147: 145–181.

Gartman A, Hannington M, Jamieson J W, et al. Boiling-inducedformation of colloidal gold in black smoker hydrothermal fluids[J]. Geology,2018, 46(1): 39-42.

Liu W, Chen M, Yang Y, et al. Colloidal gold in sulphur andcitrate-bearing hydrothermal fluids: An experimental study[J]. Ore GeologyReviews, 2019, 114: 103142.

McLeish D F, Williams-Jones A E, Vasyukova O V, et al. Colloidaltransport and flocculation are the cause of the hyperenrichment of gold innature[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(20).

Pearce M A, White A J R, Fisher L A, et al. Gold deposition causedby carbonation of biotite during late-stage fluid flow[J]. Lithos, 2015, 239:114-127.

Saunders J A. Colloidal transport of gold and silica in epithermalprecious-metal systems: Evidence from the Sleeper deposit, Nevada[J]. Geology,1990, 18(8): 757-760.

(撰稿:李兴辉,范宏瑞/矿产室)