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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
根据上述观察结果并结合前人的研究，作者提出铋金属熔体中自然金生长的三阶段模型（图4）。首先，小于2nm的金原子团簇的形成，这代表了金的成核阶段；随后，这些金原子团簇聚集形成结晶度较低、处于亚稳定状态的金纳米颗粒；接着，这些金纳米颗粒进一步转变为结构稳定的金纳米颗粒。最终，这些稳定的金纳米颗粒沿着{111}晶面定向附着并聚集生长，通过反复的聚集过程，最终形成矿石中微米级的自然金颗粒。这一纳米尺度的金结晶生长过程代表了金属熔体萃取金至形成金矿石的中间环节，使得金属熔体-流体反应模型更为完善。此外，本文还基于研究结果，初步探讨了其他金属熔体体系以及热液中的胶体金模型中金的聚集行为。▲图4. 金属铋熔体中金的聚集过程，详细信息见原文
以上成果发表在国际期刊“Contributions to Mineralogy and Petrology”，信息如下：Fan, GH., Li, JW., Wu, YF., Hu, SY., Deng, XD., Zhou, HY., Li, ZK., Liu, Y.
2024. Nanoparticle attachment promotes nugget effect of Au-rich metallic melts
in hydrothermal ore deposits. Contributions to Mineralogy and Petrology. 179,
107. https://doi.org/10.1007/s00410-024-02184-3欢迎投稿,投稿到地学之家的稿件不影响在其他任何平台的再次发布,已经在网上或其他公众号发布的也可投稿。投稿请点击"投稿指南"
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