Вчені пояснили походження золота у магматичних флюїдах

Команда з UNIGE трансформує наше розуміння транспортування золота та формування рудних покладів, досліджуючи вміст сірки в магматичних рідинах за екстремальних тисків і температур. Коли одна тектонічна плита занурюється під іншу, утворюється магма, багата леткими елементами, такими як вода, сірка та хлор. Коли ці магми піднімаються, вони виділяють магматичні рідини. Ці рідини містять сірку та хлор, які зв’язуються з такими металами, як золото та мідь, допомагаючи транспортувати їх до поверхні Землі. Оскільки екстремальні умови, які зустрічаються в природних магмах, важко відтворити в лабораторії, точна роль сірки в транспортуванні металу вже давно є предметом дебатів.

Дослідницька група з Женевського університету (UNIGE) запровадила інноваційний підхід для вирішення цієї невизначеності. Їхнє дослідження показує, що сірка, зокрема у формі бісульфіду (HS⁻), відіграє вирішальну роль у транспортуванні золота в магматичних флюїдах. Цей прорив, опублікований у Nature Geoscience, проливає нове світло на процеси, які переміщують дорогоцінні метали через земну кору.

Коли дві тектонічні плити стикаються, субдукційна плита занурюється в мантію Землі, нагрівається і виділяє велику кількість води. Ця вода знижує температуру плавлення мантії, яка плавиться під високим тиском і температурами, що перевищують тисячу градусів Цельсія, утворюючи магму. Оскільки рідка магма менш щільна, ніж решта мантії, вона мігрує до поверхні Землі.

«Через падіння тиску магма, що піднімається до поверхні Землі, насичує багату водою рідину, яка потім виділяється у вигляді бульбашок магматичної рідини, залишаючи силікатний розплав», — пояснює Стефан Фарсанг, докторант Департаменту наук про Землю. на факультеті природничих наук UNIGE та перший автор дослідження. Таким чином, магматичні флюїди частково складаються з води, але також і з розчинених летючих елементів, таких як сірка та хлор. Ці два елементи мають вирішальне значення, оскільки вони витягують золото, мідь та інші метали з силікатного розплаву в магматичну рідину, таким чином полегшуючи їх міграцію до поверхні.

Кілька форм сірки

Сірку можна легко відновити або окислити, тобто отримати або втратити електрони, процес, відомий як окисно-відновний процес. Окисно-відновний стан сірки важливий, оскільки він впливає на її здатність зв’язуватися з іншими елементами, такими як метали. Однак одна дискусія розділила наукове співтовариство більше десяти років: який окисно-відновний стан сірки, присутньої в магматичній рідині, яка мобілізує та транспортує метали?

Золтан Заяч, доцент кафедри наук про Землю факультету природничих наук UNIGE та співавтор дослідження, пояснює: «Основна стаття 2011 року припустила, що цю роль відіграють радикали сірки S3-. Однак експериментальні та аналітичні методи мали кілька обмежень, особливо коли йшлося про відтворення відповідних магматичних тиску, температури та окислювально-відновних умов, які ми зараз подолали».

Методологічна революція

Команда UNIGE помістила кварцовий циліндр і рідину зі складом, схожим на склад магматичної рідини, в запечатану золоту капсулу. Потім капсулу поміщали в резервуар під тиском, який потім доводили до умов тиску та температури, характерних для магм, що містяться у верхній частині земної кори. «Перш за все, наша установка забезпечує гнучкий контроль окисно-відновних умов у системі, що було неможливо раніше», — додає Стефан Фарсанг.

Під час експериментів кварцовий циліндр розламується, що дозволяє проникнути синтетичній магматичній рідині. Потім кварц вловлює мікроскопічні краплі рідини, схожі на ті, що зустрічаються в природі, і форму сірки в них можна проаналізувати за високих температур і тиску за допомогою лазерів із аналітичною технікою, відомою як Раманівська спектроскопія. У той час як попередні спектроскопічні експерименти зазвичай проводилися при температурі до 700 °C, команді UNIGE вдалося підняти температуру до 875°C, характерну для природних магм.

Бісульфід як транспортер

Дослідження показує, що бісульфід (HS-), сірководень (H₂S) і діоксид сірки (SO₂) є основними формами сірки, присутніми в експериментальних рідинах при магматичних температурах. Роль бісульфіду в транспортуванні металу вже була добре задокументована в так званих гідротермальних флюїдах з нижчою температурою, які походять з магматичних флюїдів з вищою температурою. Однак вважалося, що бісульфіт має дуже обмежену стабільність при магматичних температурах. Завдяки своїй передовій методології команда UNIGE змогла показати, що в магматичних флюїдах також бісульфід відповідає за транспортування більшої частини золота.

«Ретельно підбираючи довжину хвилі нашого лазера, ми також показали, що в попередніх дослідженнях кількість радикалів сірки в геологічних рідинах була сильно переоцінена і що результати дослідження 2011 року фактично базувалися на артефакті вимірювань, поклавши цьому край. дебати», — каже Стефан Фарсанг. Умови, що призвели до утворення важливих родовищ руд дорогоцінних металів, тепер з’ясовані. Оскільки більша частина світового виробництва міді та золота відбувається з родовищ, утворених магматичними рідинами, це дослідження може сприяти їх дослідженню, відкриваючи важливі перспективи для розуміння їх утворення.