Nat. Geosci. | 张良等：构造中的黄金宝藏

学术 2024-11-12 18:57 北京

以下文章来源于地刊速览

黄金对人类社会既有经济意义，也有文化意义，地壳中黄金的存在归功于重复的板块构造循环。

黄金长期以来一直受到人类文明的重视。黄金的装饰用途可以追溯到7000年前的古埃及，第一枚金币是由克罗伊索斯国王（King Croesus）于公元前550年，在现在的土耳其铸造的。黄金 (Au) 几乎是不可摧毁和可重复使用的，历史上生产的大约21.2万吨黄金中，约有85%仍在流通。然而，它是地壳中最稀有的元素之一，浓度约为十亿分之三，相当于全球约80亿人口中的约25人。

幸运的是，贯穿地球历史的板块构造再循环过程，反复地将黄金富集到其平均地壳丰度的1000倍以上，从而形成矿床。在矿床中，黄金以矿物形式存在，例如自然金（图1）、银金矿（金银合金）和碲化物（含碲矿物），以及以纳米颗粒和难熔硫化物矿物中的固溶体形式存在的“不可见金”。

图1：来自澳大利亚的狗头金。金代表了板块构造再循环过程的顶点，导致地壳中黄金的富集。

在行星分异过程中，黄金像其他金属一样，富集在地核深处或下地幔，远远超出了地壳作用的范围。前寒武纪早期（约40-36亿年前）的构造运动在一个炎热的地球中导致了下地幔和上地核的翻转，使上地幔或岩石圈中的黄金富集，在那里它更容易活化进入地壳。在地球形成约10亿年后，板块构造循环发展起来，为壳幔物质循环提供动力，在超大陆汇聚和分散过程中反复地将包括黄金在内的金属从地幔循环到地壳，然后再返回地幔。

由于金有两种氧化态，它可以与几种元素结合，特别是氯和硫，生成络合物，这些络合物可以在各种温度和压力条件下在含水热液中迁移。从构造的角度来看，大多数原生金矿床是在大陆（例如安第斯山脉）和大洋（例如西南太平洋）弧的汇聚边缘俯冲过程中形成的。此外，造山型金矿床形成于造山事件的后期，此时主要的构造地体相互滑动，而深部俯冲过程中富含挥发分的富金流体从上地幔中释放出来。与深部地幔隆起相关的伸展作用，导致了这些山脉最终的崩塌，在此期间形成了与侵入体相关的矿床。这些富金矿床类型（有些规模巨大）的全球实例标志着整个地质时期主要的俯冲和超大陆事件。

此外，近地表次生过程可以物理改造原生矿床中的游离金，从而在河流系统或海岸线形成砂矿——以19世纪90年代的淘金热而闻名。在含硫化物金矿床中的酸释放到地下水中期间，黄金的化学风化也可以在地表附近的风化层中产生富集的金矿床。

地球上已知的最大金矿源位于南非的威特沃特斯兰德Witwatersrand Basin盆地，形成于约29-27.5亿年前。测年表明，黄金比盆地中的其他岩性更古老，但证据表明，它并非像更现代的砂矿那样被侵蚀和直接沉积。相反，有人提出，黄金（其最初广泛分布的来源尚不清楚）是通过吸附到藻类algal mats（在富含金属的水池8中形成的原始生命）上再循环的，并最终重新沉积到前陆盆地（现代砂矿金矿床的构造背景）中。

因此，地壳蕴藏着无数在各种条件下形成的原生和次生金矿床。由于这种多样性，有一句俗语说“黄金就在你找到它的地方”，这也使得勘探工作具有挑战性，因为经济上可开采的金矿石矿床的足迹不到地球表面的0.1%。尽管它们非常稀有，但我们依赖资源的社会将这些可开采矿床的存在归功于地球独特的早期地质历史和后来的板块构造循环。

论文信息：Zhang, L., Groves, D.I. Tectonics’ bounty of gold. Nat. Geosci. 17, 1074 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01565-4

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