巨大的金块是怎么来的?

作者: Takeko

来源: 原理

发布日期: 2024-09-06 20:31:21

研究团队提出,地震中的石英压电效应可能是形成巨大金块的关键。石英在地震中受压产生电势,推动附近液体的氧化还原反应,使金从溶液中析出并沉积在石英表面。这一过程在数百万年间不断重复累积,形成了我们今天看到的巨大金块。

早在数千年前,人类就开始对黄金产生了特殊的迷恋。古希腊和古罗马的文献中都有关于采金的描述。人类历史上一波又一波的淘金热,尤其是19世纪的淘金热,在塑造现代世界的过程中也发挥了强大的作用。对黄金的渴望曾让文明崛起,也曾让文明灰飞烟灭。

金之所以如此珍贵,其中一个原因是它具有高度非反应性,金制品往往可以保持着光泽。在温度、压强和化学变化的作用下,这种致密的黄色金属通常存在于岩石矿物石英的矿脉中。金通常形成于石英矿脉中。

然而,金的特性也让它几乎不会溶解,这使得它很难从其他材料中被提纯。在天然流体中,它的溶解度只有百万分之一左右,即使在热液中的浓度也不高。根据传统的颗粒浓度模型,想要形成那种硕大的金块,需要在一个位置积聚下大量金。具体来说,要形成一块1千克重的金块,就要大约5个奥林匹克游泳池的热液。这在石英矿脉中是不可能的。

那金究竟是如何浓缩成几十甚至几百千克重的金块的呢?近日,一组研究团队认为,这个过程可能比我们想象的更“电光火石”,因为答案很可能与石英非同寻常的电特性,以及它们在地震中的状态有关。研究已发表在《自然·地球科学》上。人类获得的金中约有75%来自所谓的造山金矿床。顾名思义,造山运动指的是山脉的构造过程,造山金矿床形成于两块岩体移动的缝隙中。

这些区域通常充满了高温的热液,热量可以让金的溶解度从“几乎不溶解”提高到“一升水不到一毫克”的极低状态。这些矿床的另一个显著特点是,它们通常与矿物石英(二氧化硅的结晶形式)有关。石英是一种压电材料,在受到机械应力(受到物理力的压缩或拉伸)时,它会产生瞬时电荷。力越大,电荷也越大。

想象一下地震的时候。地球构造板块的运动会让地下的石英受到巨大压力,这会产生大量电荷。那么,这种压电现象是否也与金块的形成有关呢?地震中,石英在受压时会产生电势,而由于石英本身又恰好是一种绝缘体,因此电势不容易自行消散。不过,它可以通过与石英晶体接触的任何材料(包括液体)发生电子转移来消除。这也意味着,电荷可以推动附近液体的氧化还原反应,中和溶解的离子,让它们从溶液中析出。

科学家设计了一个实验来模拟石英晶体在地震中的状态,他们将石英晶体浸没在富含金的液体中,然后用电机对晶体反复施加应力。每次撞击石英都会产生电压。金以氯化金离子溶液或者金纳米颗粒悬浮液的形式存在。石英晶体要么是纯石英,要么是从富含金的地区获得的,并且已经含有一些小的金矿床。晶体受到的应变频率则与小型地震产生的频率相似。实验持续了一小时。

之后,他们将石英样品放在电子扫描显微镜下,观察石英表面有没有金的沉积。结果发现,一小时的时间足以让纯石英晶体上形成小的金沉积。就天然形成的石英而言,金最终会沉积在已有的金的位置上,而不是形成额外的沉积。这一点非常合理,因为石英是电绝缘体,金却是导电的。已有的金粒会成为沉积金反应的焦点。这其实和工业镀金的原理差不多,只不过是在给金镀金。有了石英和金在实验室中的行为方式,就可以再次思考地质问题了。

这个故事应该是这样的:含金的流体经过地震多发岩石断层的石英矿脉中。地震中,石英受到应力,产生压电电压,从这些流体中析出金。这个过程还有自我强化的作用。也就是说,一旦在石英表面形成少量金属沉积物,就会促进与附近液体的电子交换,这意味着会有更多金属沉积在同一位置。这也会降低附近溶液中的金属浓度,有利于更多的金属离子扩散到这个位置。

随着流体不断渗入,这个位置也会成为后来“压电镀金”的焦点,因此金矿床会随着时间的推移而不断扩大。在数百万年间,这个过程不断重复累积。这或许就是我们在这种石英矿脉中看到大金块的部分原因。

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