Nat. Geosci.：硫化物种类是金成矿关键

地刊速览 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-12-22 09:22

主要观点总结

近日发表在《自然·地球科学》上的研究表明，硫种类在弧岩浆流体中对金的迁移起着关键作用。研究利用金刚石压腔技术和拉曼光谱，在模拟地球深部高温高压条件下，发现了不同硫种类对金溶解度的影响。氧化条件下金溶解度较低，中等还原条件下金的溶解度显著升高。研究还指出，硫化物的氧化还原反应在金迁移过程中起着重要作用。这一发现为金矿勘探提供了新的方向。

关键观点总结

关键观点1: 硫种类在弧岩浆流体中对金迁移的关键作用

研究发现氧化条件下金溶解度较低，中等还原条件下金的溶解度反而更高，证明还原硫是金迁移的关键。岩浆上升过程中，还原硫氧化形成硫酸根，降低了金的溶解度，促使金沉淀成矿。

关键观点2: 实验方法和结果

研究利用金刚石压腔技术和拉曼光谱，在模拟地球深部高温高压条件下，原位研究了不同硫种类对金溶解度的影响。实验结果表明，在氧化条件下，金的溶解度较低，随着氧逸度的降低，金的溶解度显著升高。

关键观点3: 对金矿勘探的指导意义

这项研究揭示了硫种类在弧岩浆流体中对金迁移的关键控制作用，金的溶解度并非仅取决于流体的氧化还原状态，更与不同硫种类的相对含量密切相关。这一发现对于金矿的勘探具有重要的指导意义。

正文

【导读】 近日一篇发表在《自然·地球科学》上的研究揭示了硫种类在弧岩浆流体中对金迁移的关键作用。结果发现氧化条件下金溶解度较低，中等还原条件下反而更高，证明还原硫才是金迁移的关键。岩浆上升过程中，还原硫氧化形成硫酸根，降低了金的溶解度，促使金沉淀成矿。此研究强调了硫形态而非简单的氧化还原条件对金迁移和沉淀的控制作用，为金矿勘探提供了新的方向。

长期以来，科学家们一直致力于研究金矿的成因。普遍认为，金在热液流体中的溶解度与其配体（Ligands）的种类和浓度密切相关。在氧化条件下，金通常与氯（Chlorine）络合形成AuCl ²⁻ ，而在还原条件下，金则与硫（Sulfur）络合形成Au(HS) ²⁻ 。然而，以往的研究大多集中在地表或近地表条件下的低温热液体系，对于深部弧岩浆流体中金的迁移机制却知之甚少。

这项由苏黎世大学的 Stefan Farges 和 Zoltan Zajacz 领导的研究，利用金刚石压腔（Diamond anvil cell）技术结合拉曼光谱（Raman spectroscopy），首次在模拟地球深部高温高压条件下，原位（In-situ）研究了不同硫种类对金溶解度的影响。

研究人员选取了与弧岩浆流体成分类似的含硫水溶液，并将其密封在金刚石压腔中。通过调节氧逸度（Oxygen fugacity， f O₂），模拟了从氧化到还原的不同岩浆环境。在 500°C 和 1 千巴（kilobar）的条件下，他们利用拉曼光谱原位测定了不同 f O₂ 条件下溶液中硫的种类和相对含量，并结合热力学计算，模拟了金的溶解度。

实验结果表明，在氧化条件下，溶液中主要的硫种类为硫酸根（Sulfate，SO₄²⁻）和亚硫酸氢根（Bisulfite，HSO ^3- ），金的溶解度较低。随着 f O₂ 的降低，即体系逐渐变为还原环境，硫化氢（Hydrogen sulfide，H₂S）和硫氢根（Hydrosulfide，HS⁻）成为主要的硫种类，金的溶解度也显著升高。这表明，在弧岩浆流体中，H₂S 和 HS⁻ 是金的主要配体，还原环境更有利于金的迁移。

值得注意的是，该研究发现，即使在中等还原条件下，SO₄²⁻ 也依然存在于流体中。这与以往认为还原条件下 SO₄²⁻ 会完全转化为 H₂S 的观点相悖。研究人员解释说，这是由于岩浆系统中复杂的化学反应和平衡所导致的。

此外，研究人员还发现，在金迁移过程中，硫化物的氧化还原反应起着至关重要的作用。在岩浆上升过程中，压力和温度的降低会导致流体中 H₂S 的部分氧化，形成 SO₄²⁻ 和单质硫（Elemental sulfur，S⁰）。由于 SO₄²⁻ 对金的络合能力较弱，这会导致金从流体中析出，从而形成金矿床。

这项研究揭示了硫种类在弧岩浆流体中对金迁移的关键控制作用，金的溶解度并非仅仅取决于流体的氧化还原状态，更与不同硫种类的相对含量密切相关。这一发现对于金矿的勘探具有重要的指导意义。

参考文献 ： Farsang, S., Zajacz, Z. Sulfur species and gold transport in arc magmatic fluids. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01601-3

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