Термодинамичен модел показва как златото достига до повърхността на Земята

Изследователски екип разкрива значението на комплекс от злато и сяра, което помага на изследователите да разберат как се образуват златните залежи.

Златото в рудните находища, свързани с вулканите около Тихоокеанския огнен пръстен, се заражда в земната мантия и се пренася от магмата до повърхността. Но начинът, по който това злато се извежда на повърхността, е предмет на дискусии. Сега изследователският екип е използвал числено моделиране, за да разкрие специфичните условия, които водят до обогатяване на златото в магмите, които се издигат от земната мантия към нейната повърхност.

Наличието на този златно-трисулфиден комплекс при много специфичен набор от налягания и температури в мантията на 50 до 80 км под активните вулкани води до прехвърляне на злато от мантията в магми, които в крайна сметка се придвижват към земната повърхност.

Резултатите на екипа са публикувани в Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Този термодинамичен модел, който сега публикуваме, е първият, който разкрива наличието на комплекса злато-трисяра, за който преди това не знаехме, че съществува при тези условия", заявява Адам Саймън (Adam Simon), професор по науки за Земята и околната среда в Университета в Мадрид и съавтор на изследването.

"Това предлага най-правдоподобното обяснение за много високите концентрации на злато в някои минерални системи в среда на субдукционна зона."

Златният трисерен йон (Au(HS)S₂^-) играе решаваща роля в мобилизирането на златото от мантията към повърхността, което позволява образуването на икономически жизнеспособни находища

• Комплексът позволява златото да се транспортира в концентрации до няколко грама на кубичен метър във водни течности;
• Тази концентрация е над 1000 пъти по-висока от средното изобилие в мантията;
• Стабилността на комплекса злато-трисяра при специфични условия на налягане и температура обяснява обогатяването на злато в рудни находища, свързани със субдукция.

Идентифицирането на този комплекс не само разрешава дългогодишни дебати в областта, но също така осигурява количествена рамка за разбиране на поведението на сярата и златото по време на процеси на субдукция, предлагайки нови прозрения за образуването на гигантски златни находища в тези геоложки условия

Субдукция

Механизъм за транспортиране на златото

Транспортирането на злато от мантията на Земята до нейната повърхност включва сложно взаимодействие на химични и физични процеси. Скорошни изследвания разкриват, че комплексът злато-трисяра (Au(HS)S₂^-) играе решаваща роля в този механизъм. Този комплекс позволява златото да бъде мобилизирано във водни течности в концентрации до няколко грама на кубичен метър, което е над 1000 пъти по-високо от средното изобилие на мантията.

Транспортният механизъм е тясно свързан с динамиката на зоната на субдукция, където въвеждането на сулфат в клина на мантията увеличава фугитивността на кислорода (Фугативността е мярка за химичен потенциал, отнасяща се до склонността на дадено вещество да предпочита една фаза (течност, твърдо вещество, газ) пред друга. При фиксирана температура и налягане водата ще има различна фугитивност за всяка фаза). Този процес на окисление, съчетан със специфично налягане и температурни условия, позволява образуването и стабилността на комплекса злато-трисяра. Тъй като магмата се издига през земната кора, промените в тези условия карат комплекса да се разпадне, което води до утаяване на злато в икономически изгодни находища, особено във вулканичните региони около Тихоокеанския огнен пръстен.

Тихоокеански златни горещи точки

Златните находища, свързани с вулкани, се образуват в така наречените зони на субдукция. Зоните на субдукция са региони, в които една континентална плоча - Тихоокеанската плоча, която се намира под Тихия океан - се гмурка под заобикалящите я континентални плочи. В тези прорези, където континенталните плочи се срещат една с друга, магмата от земната мантия има възможност да се издигне на повърхността.

"На всички континенти около Тихия океан, от Нова Зеландия до Индонезия, Филипините, Япония, Русия, Аляска, западните Съединени щати и Канада, чак до Чили, има много активни вулкани", разказва Саймън. "Всички тези активни вулкани се формират над или в среда на зона на субдукция. Същите процеси, които водят до вулканични изригвания, са процесите, които формират златните находища."

Тихоокеански огнен пръстен.

Тихоокеанският огнен пръстен, обхващащ приблизително 40 000 км, е не само огнище на вулканична и сеизмична активност, но и съкровищница от минерални находища, особено злато.

Това геоложко чудо е домакин на някои от най-значимите златодобивни региони в света, включително:

• Западна Северна и Южна Америка, от Аляска до Чили
• Япония, Филипините и Индонезия
• Нова Зеландия и Папуа Нова Гвинея

Тези области се характеризират със зони на субдукция, където сблъсъкът на тектонични плочи създава идеални условия за образуване на злато. Процесът на субдукция задейства магматична активност, която транспортира златото от мантията към повърхността, което често води до създаване на порфирни и епитермални находища. Трябва да се отбележи, че регионът на Южния Пасифик се очертава като особено продуктивна зона за добив на злато, с известни мини като Grasberg в Индонезия и Lihir в Папуа Нова Гвинея. Остров Фиджи например е с признат потенциал за добив на злато от 30-те години на миналия век и продължава да бъде привлекателно място за проучване на минерали поради благоприятните си геоложки условия и подкрепящите го правителствени политики. 

Окисляване и обогатяване на злато

Кредит: Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404731121

Образуването на гигантски златни находища в зоните на субдукция е тясно свързано с окисляването на мантията под дъгата от течности, получени от плочи. Този процес играе решаваща роля в обогатяването и транспортирането на злато от дълбините на Земята до икономически жизнеспособни находища близо до повърхността.

Новото изследване разкрива, че богатите на сяра течности от субдуциращи плочи са ключови двигатели на окисляването на мантията, което от своя страна улеснява мобилизирането на злато.

Златото се намира в земната мантия над субдуциращата океанска плоча. Но когато условията са точно такива, че от субдуциращата плоча към мантията се добави течност, съдържаща трисерни йони, златото силно предпочита да се свърже със сярата, за да образува комплекс злато-трисяра. Този комплекс е силно подвижен в магмата.

Учените и преди са знаели, че златото се свързва в комплекси с различни серни йони, но това изследване е първото, което представя надежден термодинамичен модел за съществуването и значението на комплекса злато-трисулфид.

За да идентифицират този нов комплекс, изследователите разработват термодинамичен модел въз основа на лабораторни експерименти, при които учените контролират налягането и температурата на експеримента, след което измерват резултатите от експеримента. След това изследователите разработват термодинамичен модел, който предсказва резултатите от експеримента. След това този термодинамичен модел може да бъде приложен към реални условия.

"Тези резултати дават наистина солидно разбиране за това какво кара определени зони на субдукция да произвеждат много богати на злато рудни находища", заявява Саймън. "Комбинирането на резултатите от това изследване със съществуващите проучвания в крайна сметка подобрява разбирането ни за това как се формират златните находища и може да има положително въздействие върху проучванията."

Справка: Deng-Yang He et al, Mantle oxidation by sulfur drives the formation of giant gold deposits in subduction zones, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404731121

Източници:

Thermodynamic model identifies how gold reaches Earth's surface, University of Michigan

How Gold Reaches Earth’s Surface, perplexity.ai

Още по темата

21/10/2024

Земята

Циркони на 165 милиона години от Великденския остров противоречат на тектониката на плочите

21/03/2024

Земята

Вулканите, които са изхвърляли диаманти със свръхзвукова скорост, може би ще се върнат към живот

14/07/2023

Земята

Най-старите ледници в света са открити под златните залежи в Южна Африка

06/07/2021

Земята

Защо изобщо има златни залежи? Учените откриват отговора