高品位金矿石作为探究金异常富集机制的理想载体，其成因一直是地质学界研究的热点。为揭开自然界中这类矿石形成的机制，前人提出了多种理论模型，其中对热液体系中胶体金迁移富集模型，以及金属熔体从含金不饱和溶液中萃取金模型的关注较多。这两种模型为理解金的高效富集提供了重要视角，但对其背后的微观机制的认识还不深入。胶体金模型中，一个关键步骤是金纳米颗粒通过聚集与沉淀转化为粗粒金晶体，但对这一过程的认识主要依据微米级别的显微观察，缺少纳米尺度上的直接证据。前人对金属熔体-流体反应模型也进行了大量的研究，但前人的研究主要集中在金属熔体萃取金的过程，包括通过岩相学证实熔体存在的可能性，研究其与成矿流体的共存环境，以及通过实验和数值模拟探讨熔体对金的萃取能力，但金被金属熔体萃取后，如何进一步演化成为矿石中肉眼可见的粗粒金颗粒的具体机制，当前的认识仍较为笼统，缺乏清晰明确的解释。
针对这一问题，中国地质大学（武汉）的范高华博士后在导师李建威教授以及其他合作者的指导和协作下，选取华北克拉通五龙金矿床中具有代表性的金-铋矿石（图1）为研究对象。利用高分辨透射电子显微镜，对该矿石中金纳米颗粒的微观结构进行了精细观察与分析。
▲图1. 华北克拉通五龙金矿床金-铋矿石中形成于金-铋熔体的金属矿物组合以及显微特征
研究结果显示，自然铋与黑铋金矿内均广泛存在自然金纳米颗粒（见图2A-D）。对这些纳米颗粒的结构进行深入表征后，作者发现了揭示金生长历程的重要证据。在自然铋中，观测到大量尺寸小于2nm的金颗粒（图2E-G）。严格来说，这些极小颗粒应被视为金原子团簇，而非传统意义上的金颗粒。这些金原子簇常围绕一个较大的纳米金颗粒聚集，而这些纳米金颗粒的晶格呈现短程有序、长程无序的特点（图2F, G）。此外，金原子簇的聚集使得聚集体表面整体呈现粗糙不平的特征（图2E-G）。值得注意的是，自然铋中还发现了大量晶格结构稳定的金纳米颗粒。这些颗粒常沿{111}晶面以不同角度紧密附着粘接（图3）。在粘接角度较大的界面及金颗粒内部，频繁出现晶格位错（图3A-E），而在粘接角度较小的界面，原子排列则相对平整有序（见图3E-G）。此外，纳米颗粒的粘接还促成了常见的金孪晶结构（图3H）。
▲图2. 自然铋中金纳米颗粒的结构特征，E-G：金原子团簇以及亚稳态金纳米颗粒；详细信息见原文
▲图3. 金纳米颗粒定向附着的结构特征，H：金孪晶；详细信息见原文
▲图4. 金属铋熔体中金的聚集过程，详细信息见原文
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