КАК ПРИРОДА ИЗГОТАВЛИВАЕТ ЗОЛОТО?

Abstract

Известно, что золото - один из наиболее благородных металлов - оно крайне неохотно вступает в химические реакции и принадлежит к числу наименее распространенных на нашей планете элементов: в весовых единицах его всего лишь около двух миллионных долей процента по всей земной коре. Однако разогретые воды, циркулирующие в недрах коры, каким-то образом ухитряются выщелачивать золото из огромных масс геологической породы и при 300 - 400 оС осаждать в жильных месторождениях, где его концентрация может быть в 10000 раз большей, чем в среднем по всей коре. Возникают вопросы: 1) какие именно виды водных растворов в состоянии растворять столь нереактивный желтый металл; 2) почему элемент концентрируется в жилах, тогда как иные металлы, например, свинец, цинк, медь, которых в породах коры в 100 тыс. раз больше, так не поступают; 3) при каких гидротермальных условиях жидкое золото становится растворимым; 4) в чем причина того, что большая часть месторождений этого вещества образуется в столь узком коридоре температур между 300 и 400 оС в метаморфической среде зеленых сланцев? На эти проклятые вопросы дают ответы работы Роберта Р. Лукса (R.R. Loucks) и Джона А. Маврогенеса (J.A. Mavrogenes) с Геологического факультета Австралийского национального университета в Канберре. Золото является на нашей планете редкостью по трем причинам: астрономической, атомной и сугубо земной. В ходе реакций ядерного синтеза, происходящих на звездах типа Солнца, сперва выгорают водород и гелий, а тяжелые элементы - вплоть до железа с атомным числом 56 - уже потом. Элементы тяжелее железа могут возникать лишь путем нейтронного захвата - реакций, происходящих при редких событиях, именуемых взрывом сверхновой звезды. Кроме того, все нуклиды (изотопы) с нечетным атомным числом являются редкими по сравнению с их четными соседями потому, что их ядра менее cтабильны и в результате этого золото (79Au) встречаются реже, чем платина (ат. число 78) или ртуть (80). Наконец, в процессе образования планет земного типа жидкое железо тяготением было уведено в глубинные недра, где образовало железное ядро. А золото и другие сидерофильные элементы - платина, палладий, иридий и радон, были увлечены туда же. Поэтому уделом большей части золота является область ядра планеты, а в коре его осталось мало. Следовательно, для того, чтобы сконцентрировать в одном месте обильное количество золота, необходимы весьма длительные и сложные природные процессы. Вот пример такого природного химического производства, осуществлявшегося в Северной Америке в пределах древнего Канадского щита (возрастом 2,7 млрд. лет). Здесь в провинции Онтарио находится диоритовый (диабазовый) пояс протяженностью 200 - 300 км, из недр которого было извлечено около 4 тыс. тонн золота! Оно добывалось только из жил, где концентрация металла была достаточной для окупаемости работ, так что в действительности там количество золота еще в 10 раз больше. Если эффективность процессов выщелачивания из породы источника составляла 50 %, то объем его мог достигать 20 тыс км3, что равно блоку земной коры площадью 50 на 50 км при глубине 8 км. Примерно 1 тыс км3 водных флюидов с начальной Т=500 оС должна была выщелачивать этот блок, вынести золото в жидком виде и канализировать его вдоль разломов коры, где золото при той самой магической температуре - от 300 до 400 оС подвергалось осаждению вместе с кварцем в жильных отложениях. Какая химия растворов лежит в основе подобного геохимического чуда? Хотя желтый металл и относительно нереактивен, а содержащие его вещества не отличаются заметной стабильностью, известно, что золото растворяется в водных флюидах, образуя комплексы Au-Cl и Au-S. В качестве агентов растворения золота из каменных пород называли комплексы Au-Te (теллурий). Однако это предположение в реальности проверено не было. Эксперименты, поставленные Р. Луксом и Дж. Маврогенесом, позволяют утверждать, что таковым является комплекс AuHS (H2S)3°. Это соответствует ионным характеристикам и природным ассоциациям золота с пиритом (FeS2), недаром прозванным дурацким золотом. Данный вывод также отвечает на вопрос относительно отложений драгоценного металла: большее количество свинца, цинка и меди, чем золота образует растворимые комплексы с хлором, а не с серой, это объясняет невозможность для них подвергаться концентрации при помощи того же механизма. Авторы использовали принципиально новую методику. Обычно эксперименты, проводимые с целью установить степень растворимости золота в естественных системах флюид - горная порода при Т от 200 до 700 оС и Р в несколько сотен мегапаскалей страдают из-за нежелательного охлаждения. Когда флюиды под высоким давлением при высокой температуре удаляются, они охлаждаются до температуры в лаборатории и из раствора выпадает осадок. Измеренная растворимость может не отражать растворимость в соответствующих гидротермических условиях. Исследователи использовали явление естественного роста кристаллов. Когда минералы (особенно кварц - SiO2) осаждаются из водных флюидов, крошечное количество жидкости оказывается запертым в пустотах размерами в микрометры, которые затем, в ходе роста кристаллов, прочно запечатываются. Подобные флюидные включения сохраняют некую долю способности к растворению. Так в пустотах повышается концентрация золота и других металлов. Имитируя этот процесс, Лукс и Маврогенес прокололи в образце кварца углубления и поместили его в гидротермальный раствор вместе с образцом золота, флюидами и минералами. Углубления под гидротермальным давлением заполнились флюидом; растущие кристаллы их запечатали в насыщенном кремнеземом растворе, сохранив весьма малые количества флюидов, содержащих золото в виде сульфида AuHS (H2S)3°, тем самым сохраняя химическое равновесие. Заполненные флюидом углубления были открыты при помощи ультрафиолетового лазера с диаметром луча менее 10 мкм. При этом флюид и раствор испарялись. Анализ микроскопических количеств испарений требует высокочувствительной аппаратуры. В них направляли газ аргон, используя масс-спектрометр, строящий спектр всего за несколько миллисекунд. Так возникала возможность обнаруживать очень слабый приходящий сигнал, образующийся при вскрытии включения лазерным лучом. Эксперименты доказали, что степень растворимости AuHS (H2S)3 сильно зависит от изменений давления и температуры. Охлаждение с 400 до 340 оС приводит к осаждению в металлическом виде 90 % растворенного золота. Падение давления, происходящее по мере подъема горячего флюида вверх по разлому, уменьшает растворимость золота тоже на 90 %. Это объясняет узость температурного коридора, в котором образуются большинство залежей драгоценного металла.