Zespół z UNIGE zmienia nasze rozumienie transportu złota i powstawania złóż rudy, badając siarkę w płynach magmowych pod ekstremalnymi ciśnieniami i temperaturami.
Kiedy jedna płyta tektoniczna opada pod drugą, tworzą się magmy bogate w lotne pierwiastki, takie jak woda, siarka i chlor. Kiedy magmy się unoszą, uwalniają płyny magmowe. Płyny te przenoszą siarkę i chlor, które wiążą się z metalami, takimi jak złoto i miedź, pomagając w transporcie ich w kierunku powierzchni Ziemi. Ponieważ ekstremalne warunki panujące w naturalnych magmach są trudne do odtworzenia w laboratorium, dokładna rola siarki w transporcie metali od dawna jest przedmiotem debaty.
Zespół badawczy z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) wprowadził innowacyjne podejście do rozwiązania tej niepewności. Ich badania pokazują, że siarka, zwłaszcza w postaci wodorosiarczku (HS⁻), odgrywa kluczową rolę w transporcie złota w płynach magmowych. Ten przełom, opublikowany w Nauka o przyrodzierzuca nowe światło na procesy przemieszczania metali szlachetnych przez skorupę ziemską.
Kiedy zderzają się dwie płyty tektoniczne, płyta subdukcyjna zanurza się w płaszczu Ziemi, nagrzewa się i uwalnia duże ilości wody. Woda ta obniża temperaturę topnienia płaszcza, który topi się pod wysokim ciśnieniem i w temperaturach przekraczających tysiąc stopni Celsjusz do tworzenia magm. Ponieważ ciekła magma jest mniej gęsta niż reszta płaszcza, migruje w kierunku powierzchni Ziemi.
„Z powodu spadku ciśnienia magmy unoszące się w kierunku powierzchni Ziemi nasycają bogaty w wodę płyn, który następnie jest uwalniany w postaci pęcherzyków płynu magmowego, pozostawiając po sobie stopiony krzemian” – wyjaśnia Stefan Farsang, doktorant na Wydziale Nauk o Ziemi na Wydziale Naukowym UNIGE i pierwszy autor badania. Dlatego płyny magmowe składają się częściowo z wody, ale także z rozpuszczonych pierwiastków lotnych, takich jak siarka i chlor. Te dwa pierwiastki są kluczowe, ponieważ wydobywają złoto, miedź i inne metale ze stopu krzemianu do cieczy magmowej, ułatwiając w ten sposób ich migrację w kierunku powierzchni.
Kilka form siarki
Siarkę można łatwo zredukować lub utlenić, czyli zyskać lub stracić elektrony, w procesie znanym jako redoks. Stan redoks siarki jest ważny, ponieważ wpływa na jej zdolność wiązania się z innymi pierwiastkami, takimi jak metale. Jednakże jedna debata dzieli społeczność naukową od ponad dziesięciu lat: jaki jest stan redoks siarki obecnej w płynie magmowym, który mobilizuje i transportuje metale?
Zoltán Zajacz, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk o Ziemi UNIGE i współautor badania, wyjaśnia: „Przełomowa praca z 2011 roku sugerowała, że tę rolę odgrywają rodniki siarki S3. Metody eksperymentalne i analityczne miały jednak kilka ograniczeń, szczególnie jeśli chodzi o odtwarzanie odpowiednich warunków ciśnienia magmowego, temperatury i redoks, które obecnie udało nam się pokonać”.
Rewolucja metodologiczna
Zespół UNIGE umieścił kwarcowy cylinder i ciecz o składzie podobnym do płynu magmowego w szczelnie zamkniętej złotej kapsule. Kapsułkę następnie umieszczono w naczyniu ciśnieniowym, w którym następnie doprowadzono warunki ciśnienia i temperatury charakterystyczne dla magm znajdujących się w górnej skorupie ziemskiej. „Przede wszystkim nasza konfiguracja umożliwia elastyczną kontrolę warunków redoks w systemie, co nie było wcześniej możliwe” – dodaje Stefan Farsang.
Podczas eksperymentów cylinder kwarcowy pęka, umożliwiając przedostanie się syntetycznego płynu magmowego. Kwarc następnie wychwytuje mikroskopijne kropelki płynu, podobne do tych występujących w naturze, a postać zawartej w nich siarki można analizować w wysokich temperaturach i ciśnieniu za pomocą laserów wykorzystujących technikę analityczną znaną jako spektroskopia Ramana. Podczas gdy poprzednie eksperymenty spektroskopowe zwykle prowadzono w temperaturze do 700°C, zespołowi UNIGE udało się podnieść temperaturę do 875°C, charakterystyczną dla naturalnych magm.
Dwusiarczek jako transporter
Badanie pokazuje, że wodorosiarczek (HS-), siarkowodór (H₂S) i dwutlenek siarki (SO₂) są głównymi substancjami siarki gatunek obecne w płynach doświadczalnych w temperaturach magmowych. Rola wodorosiarczku w transporcie metali została już dobrze udokumentowana w tak zwanych płynach hydrotermalnych o niższej temperaturze, które pochodzą z płynów magmowych o wyższej temperaturze. Uważano jednak, że wodorosiarczyn ma bardzo ograniczoną stabilność w temperaturach magmowych. Dzięki swojej najnowocześniejszej metodologii zespołowi UNIGE udało się wykazać, że wodorosiarczek jest odpowiedzialny za transport większości złota także w płynach magmowych.
„Starannie dobierając długości fali naszego lasera, wykazaliśmy również, że we wcześniejszych badaniach liczba rodników siarki w płynach geologicznych była znacznie przeszacowana oraz że wyniki badania z 2011 r. w rzeczywistości opierały się na artefakcie pomiarowym, co kładło kres tej kwestii. debaty” – mówi Stefan Farsang. Obecnie wyjaśniono warunki prowadzące do powstania ważnych złóż rud metali szlachetnych. Ponieważ znaczna część światowej produkcji miedzi i złota pochodzi ze złóż utworzonych przez płyny pochodzące z magmy, niniejsze badanie
mogą przyczynić się do ich eksploracji, otwierając ważne perspektywy dla zrozumienia ich powstawania.
Odniesienie: „Gatunki siarki i transport złota w płynach magmowych łuku”, Stefan Farsang i Zoltán Zajacz, 16 grudnia 2024 r., Nauka o przyrodzie.
DOI: 10.1038/s41561-024-01601-3
