在矿床尺度金的品位一般在克/吨级变化，但在矿体局部可出现高达百分之几的超常富集，传统的热液成矿理论无法解释这种客观事实。上世纪90年代起人们分别用胶体迁移富集、矿物溶解再平衡和奥斯瓦尔德熟化理论成功解释了开放体系流体介质中金超常富集现象，但仍无法解释无明显热液活动痕迹黄铁矿中金的超常富集现象。

为了探究黄铁矿内金超常富集机制，中国科学院广州地球化学研究所鲜海洋副研究员、何宏平研究员和朱建喜研究员等人对胶东大开头金矿的载金黄铁矿开展了精细矿物学研究。研究者利用同步辐射纳米X射线断层扫描（SR-nanoXCT）和透射电子显微镜（TEM）技术，并结合密度泛函理论（DFT）计算，发现了金在黄铁矿中固相迁移的关键证据，揭示了金在黄铁矿中超常富集的新机制。

图1  黄铁矿中裂隙金的三维空间展布情况（三维盒子尺寸：35 μm × 20 μm × 35 μm）

图2  黄铁矿中裂隙金的纳米尺度赋存状态

SR-nanoXCT实验结果显示，裂隙金在黄铁矿内呈箔片状产出，根据组成可以分为富金和贫金富碲两类，前者为单晶银金矿，后者则为多晶的一种未知碲硫化物矿物（化学式为Ag8Fe0.94Te4.83S3.99）；而TEM研究则表明，在黄铁矿基体中存在着大量贫金富碲的纳米颗粒，在黄铁矿裂隙同样也能观察到银金矿的纳米颗粒（图2）。基于上述地质现象，研究团队推测黄铁矿基体中贫金富碲的纳米颗粒可能为裂隙金的形成提供了物质来源。金、银等元素在黄铁矿中呈杂质存在，因此可以将金向裂隙中迁移与聚集过程实际上是杂质元素或纳米团簇在黄铁矿晶格中发生的移动与扩散的过程，这一个过程受构造应力和物理化学条件变化的驱动。这种固相扩散使得杂质相逐步迁移至各类晶格缺陷、晶格点阵截止面（晶体表面）等低晶格能区域汇聚，最终体现为晶体的“自净化”和成矿元素超常富集现象；DFT计算充分证实这一个过程可以自发进行。

研究团队将黄铁矿中金的“自净化”固相迁移与超常富集过程分为两个阶段：（1）黄铁矿生长过程中将富金的纳米颗粒包裹进黄铁矿内部；（2）在构造应力和（或）物理化学条件变化的驱动下，黄铁矿晶体发生形变和破裂，内部纳米颗粒通过固相的“管道扩散”方式在裂隙中富集（图3）。本研究不但成功地解释了黄铁矿裂隙中箔片状金的形成过程、揭示了高品位金矿床（矿体）的形成机制，而且对黄铁矿型金矿石的选冶也一定的启示。

图3  金在黄铁矿中超常富集的“自净化”固相迁移模型

 

该研究得到了国家重点研发计划“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”（2018YFA0702600）等项目的资助。研究成果于12月6日在线发表于《通讯地球与环境》（Communications Earth & Environment）。

论文信息：Haiyang Xian(鲜海洋), Hongping He(何宏平)*, Jianxi Zhu(朱建喜), Kunfeng Qiu(邱昆峰), Yang Li(李扬), Yiping Yang(杨宜坪), Jieqi Xing(邢介奇), Akira Tsuchiyama, Masahiro Yastake, Satomi Enju, Akira Miyake, Runliang Zhu(朱润良), 2022. Hyperenrichment of gold in pyrite induced by solid-state transportation. Comunications Earth & Environment, 3, 1-6.

  文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-022-00628-x