Как Земля «варит» золото в мантийных котлах: почему для создания руды нужны истощенная мантия и кислород

На дне Тихого океана, к северу от Новой Зеландии, расположена система Кермадек — протяженная цепь подводных вулканов, образованная в зоне субдукции. Зона субдукции — это область, где одна тектоническая плита (в нашем случае Тихоокеанская) погружается под другую (Австралийскую) и уходит глубоко в мантию Земли. Этот процесс сопровождается высокой вулканической и гидротермальной активностью. В таких зонах на морском дне формируются массивные сульфидные отложения, которые привлекают особое внимание геологов из-за аномально высокой концентрации драгоценных металлов.

В некоторых гидротермальных источниках дуги Кермадек, например, на подводном вулкане Бразерс, концентрация золота в породах достигает 43-90 граммов на тонну. Для сравнения, руды, образующиеся в зонах срединно-океанических хребтов (где тектонические плиты расходятся), содержат значительно меньше драгоценных металлов. Главный вопрос, который десятилетиями стоял перед научным сообществом: какие именно геологические и химические процессы обеспечивают столь высокое содержание золота в первичных магмах островных дуг?

Долгое время в геологии доминировала теория прямого переноса. Предполагалось, что океаническая плита, погружаясь в горячую мантию, выделяет воду и различные летучие соединения. Согласно этой модели, водные растворы вымывают золото из породы тонущей плиты и переносят его наверх, в так называемый мантийный клин — область мантии, расположенную непосредственно под вулканами. Оттуда металл попадает в формирующуюся магму.

Однако исследование, проведенное международной группой ученых, опровергает эту модель. Опираясь на данные, собиравшиеся в ходе морских экспедиций на протяжении двадцати лет, исследователи доказали, что обогащение магмы золотом происходит в результате совершенно иного механизма — многостадийного плавления самой мантии.

Методология исследования и анализ вулканического стекла

В ходе семи научных экспедиций исследователи собрали 66 образцов вулканического стекла с 17 различных подводных вулканов дуги Кермадек. Вулканическое стекло — это идеальный материал для геохимического анализа. Когда лава извергается на дне океана, она мгновенно охлаждается ледяной водой. Порода не успевает кристаллизоваться, и внутри стекла сохраняется первоначальный химический состав магмы, существовавший до того, как летучие газы и металлы могли бы испариться или изменить свою структуру.

Ученые использовали метод масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией (LA-ICP-MS). Этот способ позволяет с высокой точностью определять наличие химических элементов даже в тех случаях, когда их содержание исчисляется миллиардными долями. Полученные данные сравнили с составом образцов, собранных на обычных срединно-океанических хребтах в Атлантическом и Северном Ледовитом океанах.

Анализ показал, что концентрация золота в первичных расплавах Кермадека достигает 6 нанограмм на грамм породы. Это в несколько раз превышает показатели обычных базальтов океанического дна (1-2 нанограмма). Кроме того, ученые обратили внимание на еще одну аномалию: в образцах Кермадека было зафиксировано нетипично высокое соотношение золота и меди.

Если бы верной была старая теория о том, что золото приносит вода от погружающейся плиты, то содержание золота должно было бы возрастать синхронно с концентрацией элементов, которые легко растворяются в воде (например, хлора, бария или урана). Но химический анализ стекол показал полное отсутствие такой связи. Следовательно, источник золота находится не в жидкостях погружающейся плиты, а в химических процессах внутри самой мантии.

Химия мантии и проблема сульфидов

Чтобы понять механизм концентрации золота, необходимо рассмотреть поведение этого элемента в условиях высоких температур и давлений. В мантии Земли золото не существует в свободном виде. Оно обладает сильным химическим сродством к сере и формирует прочные связи, концентрируясь внутри сульфидных минералов. Пока сульфидная фаза остается твердой и не расплавится, золото не сможет перейти в силикатный расплав, из которого образуется магма.

При стандартном одноэтапном плавлении мантии, которое происходит повсеместно при образовании океанической коры, температура недостаточна для полного разрушения сульфидов. Основной объем золота остается заблокированным в твердой породе мантии, а образующаяся магма оказывается бедной драгоценными металлами. Для того чтобы магма стала богатой золотом, требуются особые условия.

Механика многостадийного обогащения

Опираясь на данные масс-спектрометрии, исследователи построили термодинамическую модель, которая объясняет феномен Кермадека. Процесс разделен на несколько обязательных этапов.

Первый этап — это истощение мантии. Определенный участок мантийной породы подвергается первоначальному частичному плавлению. В ходе этого процесса образуется первая порция магмы, которая забирает с собой часть элементов, в том числе значительную долю меди и серебра. Однако из-за того, что золото прочно связано с мантийными сульфидами, оно остается в твердой породе. В результате первая порция магмы уходит к поверхности, а оставшаяся в глубине мантия становится истощенной по многим параметрам, но при этом в ней резко возрастает пропорция золота по отношению к меди.

Второй этап — повторное плавление в измененных условиях. Спустя геологическое время эта истощенная порода подвергается новому циклу плавления. На этом этапе ключевую роль начинает играть погружающаяся тектоническая плита. Она не приносит в мантию дополнительное золото, но поставляет туда кислородсодержащие соединения.

Поступление окисленных жидкостей сильно меняет химическую среду в зоне плавления. В условиях повышенного окисления способность силикатной магмы растворять серу возрастает в два-четыре раза. Из-за этого тугоплавкие сульфидные соединения, которые пережили первый этап плавления, начинают стремительно разрушаться. По мере их полного растворения все накопленное в них золото одномоментно высвобождается и переходит в новую порцию магмы. Эта магма поднимается по вулканическим каналам, формируя богатые рудные отложения на морском дне.

Различия в составе образцов с севера и юга дуги Кермадек подтверждают эту модель. На севере, где мантия наиболее истощена предыдущими геологическими процессами, зафиксированы самые высокие уровни золота. На юге, где под дугу уходит массивная структура океанического плато Хикуранги и условия плавления отличаются, содержание золота в расплавах системно ниже.

Значение для мировой геологии

Результаты этого исследования меняют подход к пониманию металлогении — науки о закономерностях формирования и распределения месторождений полезных ископаемых.

Ранее, при прогнозировании месторождений медно-золотых руд в вулканических дугах, геологи фокусировали внимание на составе тектонических плит, погружающихся в мантию. Считалось, что богатая руда образуется там, где плита отдает больше металлов. Новые данные доказывают, что критическим фактором является термическая и химическая история самой мантии. Сверхбогатые золотом магмы формируются исключительно в тех регионах, где мантийная порода прошла через предварительное истощение и последующее окисление при высоких температурах.

Теперь специалисты смогут использовать специфические геохимические маркеры, такие как соотношение золота и меди или бария и тория в вулканических породах, для выявления скрытых массивных месторождений не только на дне современных океанов, но и на континентах, где миллионы лет назад располагались древние зоны субдукции.

Источник:Communications Earth & Environment