来源: 矿床成因公众号
文章速读
（1）断裂活动过程中，石英破碎与水反应生成硅醇基及氢气，还原流体中的金、银、碲、铋等金属络合物形成金属液滴；
（2）金属液滴作为催化剂，加速石英对金属络合物的吸附-还原进程，汲取被还原的金属原子继续生长；
（3）低熔点的金属液滴可长时间以液态形成存在，在多次热液活动中从流体中汲取金，形成超富金矿石；
（4）除金属液滴外，自然金颗粒也具有良好的催化能力，因此，石英的破碎及自然金的自我催化生长，代表了金高效富集的另一种可能机制。
研究背景
黄金是我国紧缺战略性矿产资源，对外依存度大于60%。超富金矿石（bonanza grade gold ore, >31克/吨金）极具经济价值，是找矿勘探的重要对象，其形成机制亦是学术界关注的重要科学问题。热液金矿中金的沉淀，通常认为是受金的溶解度控制，流体中金过饱和，金发生沉淀。然而，地质流体中的金含量普遍低于模拟实验中计算出的金溶解度，暗示流体中金过饱和并非金沉淀的必要条件。在许多热液金矿，特别是超富金矿石中，自然金及含金碲化物沿石英的裂隙密集产出，这些矿石的金含量可高达数千克每吨。在此类超富金矿石中，金的高度富集，难以用溶解度控制的沉淀机制解释。如流体沸腾、混合等机制触发金快速沉淀的同时，也必然导致常见脉石和金属矿物的大量沉淀，大大降低矿石的金品位。为破解超富金矿石的成因谜团，中国地质大学（北京）毛景文院士科研团队简伟副研究员及其合作者，通过对小秦岭含金石英脉超富金矿石的精细研究，提出一种金超常富集的新机制，文章简介如下：
富金、银、碲、铋矿物组合是金属液滴冷凝结晶的产物
（1）富金、银、碲、铋矿物组合（含少量铅、铜、铁、硫）具有固定的结晶顺序：黄铜矿、碲铅铋矿\碲铋矿\自然金，碲金矿、碲铅矿、碲金银矿，碲金银矿总是最后结晶，并且充填其它矿物的晶粒间隙 （图1、2），说明这些矿物组合是在有限空间内，熔体结晶的产物。
图1石英中的金属液滴结晶物及流体包裹体. A. 沿石英愈合裂隙分布的金属液滴，B-C. 沿石英愈合裂隙中共存的金属液滴结晶物及流体包裹体，D-H. 金属液滴结晶物及共存的流体相. A-B为单偏光透射光照片，C-H为透射-反射光照片，A-E经过景深叠加优化. Alt—碲铅矿；Au—自然金；Clv—碲金矿；Ptz—碲金银矿；Ruk—碲铅铋矿；Tb—碲铋矿；L—液相；V—气相.
图2石英中的金属液滴结晶物（单偏反射光）. 上图为总体照片，下图为局部放大图. Alt—碲铅矿；Au—自然金；Clv—碲金矿；Ccp—黄铜矿；Ptz—碲金银矿；Ruk—碲铅铋矿；Tb—碲铋矿
（2）富金、银、碲、铋矿物组合在180 °C开始熔化，360 °C 至396°C完全熔化，形成浑圆的液态金属球（图3、4），其完全熔化温度与共生流体包裹体的完全均一温度区间重合（293–400 °C）。
图3 金属液滴结晶物加温熔化过程. 白色箭头指示最早出现熔化的位置. Au—自然金；Ccp—黄铜矿；Clv—碲金矿；Ptz—碲金银矿；Ruk—碲铅铋矿；Tb—碲铋矿
图4 热液金刚石压腔中金属液滴结晶物加温熔化过程. Alt—碲铅矿；Au—自然金；Clv—碲金矿；Ptz—碲金银矿；Tb—碲铋矿
金属液滴的形成机制
石英通常被认为化学性质不活泼，但物理化学缺陷发育的石英具良好的化学活性。石英被物理化学活化后（如断裂活动导致石英发生破碎），SiO2的原子键断裂，产生≡Si•和≡SiO•自由基。≡Si•自由基可以与H2O分子反应形成硅醇基（≡Si─OH）和氢自由基（H•），氢自由基重新结合形成氢气，方程如下：
≡Si• + H2O→H• + ≡Si─OH
H•+ H• → H2
石英破碎后与水反应能生成氢气，这一过程已得到实验证实。在现代活动断层（如美国San Andreas断裂）以及断层面假玄武玻璃岩中（由断层中岩石强烈摩擦作用熔化后而形成），均检测到异常高含量的氢气。此外，高速摩擦实亦显示，地震过程中不仅能产生氢气，且氢气产生量与地震震级存在幂律关系。因此，在地质过程中，石英破碎后与水反应生成的氢气和硅醇基，可作为含金、银、碲、铋等金属络合物的还原剂，反应方程如下：
≡Si─OH + M+ → ≡SiO• + H+ + M0
M+ + ½H2 → H+ + M0
石英表面被还原的金、银、碲、铋等金属原子聚集并生长，形成金属液滴，因为这些金属集合体的熔点低于流体温度。
金的高效富集机制
金属液滴形成后，可以作为催化剂，加速石英对金属络合物的吸附-还原进程，并汲取被还原的金属原子继续生长。由于吸附-还原作用不受溶解度控制，而取决于矿物和流体之间的固液界面反应，因此石英的吸附-还原作用及金属液滴的催化作用，可使金高效富集，即便流体中的金并未达到饱和。高密度的表面缺陷，是石英能高效吸附-还原金的关键。比如，物理化学缺陷发育的石英/SiO2（如介孔二氧化硅、激光轰击的石英表面）被广泛应用于纳米金颗粒的合成。在选矿实验中，微细粒（0.1–2.5 μm）的石英可在数小时内吸附-还原溶液中98%的溶解金，研磨后的石英对金的吸附-还原能力大大增强。因此，大型剪切带中石英广泛而强烈的破碎（现表现为大量的次生流体包裹体面，也即愈合的微裂隙），不仅为成矿流体的提供了通道，也创造了大量的表面缺陷，为金、银、碲、铋等金属的吸附-还原创造了有利的条件。金在所有金属元素里具有最高的电负性，总体而言，金的络合物相较于其他金属络合物更倾向于被还原。然而，金、银、碲、铋等低背景含量元素为何能在金属液滴里高度富集，还需要进一步研究破解。
上述成果近期发表于地质学领域顶尖期刊《Geology》，中国地质大学（北京）副研究员简伟为第一作者和通讯作者，共同作者为中国地质大学（北京）毛景文院士、德国克劳斯塔尔工业大学Bernd Lehmann教授、澳大利亚阿德莱德大学Nigel J. Cook教授、中国地质科学院矿产资源研究所李建康研究员、中国地质大学（北京）宋世伟副研究员和博士研究生朱磊。
该研究获得国家自然科学基金面上基金（41972093）及中央高校基本科研业务费（2652020026）资助。
论文信息及全文链接
文章来源：Jian, W*., Mao, J., Lehmann, B., Cook, N.J., Li, J., Song, S, and Zhu, L., 2024. Hyper-enrichment of gold via quartz fracturing and growth of polymetallic melt droplets. Geology,
https://doi.org/10.1130/G51875.1
