Месторождения самородного золота приурочены главным образом к кварцевым жилам. Считается, что оно осаждается из горячих магматических растворов, внедряющихся по трещинам в горных породах. Однако образование крупных скоплений золота представляет собой минералогическую загадку. Австралийские ученые предположили, что дело — в пьезоэлектрических свойствах кварца, которые под действием частых землетрясений способствуют образованию больших скоплений драгоценного металла.
Месторождения самородного золота расположены в горных районах по всему миру и в большинстве своем связаны с кварцевыми жилами. Из них извлекают 75 процентов этого металла.
Во время землетрясений по трещинам поднимаются горячие гидротермальные растворы (флюиды). Обычные для них условия в земной коре — температура от 200 до 650 градусов Цельсия, давление в один-пять килобар. Чтобы образовалось месторождение кварцевых жил, требуются сотни, даже тысячи сейсмических событий, создающих густую сеть трещин в горных породах.
С точки зрения геохимии процесс осаждения золота из флюидов хорошо изучен. Механизм инфильтрации растворов в трещины тоже более менее понятен. А вот образование крупных золотин в кварцевых жилах — загадка.
Растворимость золота во флюидах равна одной части на миллион (1 ppm). То есть, чтобы получить 10 килограмм золота, нужно взять 10 миллионов килограмм воды, что равноценно пяти олимпийским плавательным бассейнам. Учитывая, что в жилах находят конгломераты золота и кварца весом десятки и сотни килограмм (причем, золота в них больше половины), возникает парадокс.
Для объяснения привлекли концепцию золотых наночастиц, с помощью которых можно обойти ограничение растворимости. Но что заставляет миллионы наночастиц собираться в одну золотину, неясно.
Ученые из нескольких научных организаций Австралии во главе с Кристофером Войзи из Университета Монаша решили разобраться в этом вопросе и обратились к пьезоэлектрическим свойствам кварца. Выводы они изложили в статье в журнале Nature Geoscience.
Пьезоэлектричество происходит из симметрии кристаллов. У кварца нет центра симметрии, поэтому, если его кристалл деформируется, верхняя и нижняя половины получают разные электрические заряды, между ними возникает напряжение (пропорциональное приложенному усилию). Кварцевая жила в целом проявляет пьезоэлектрические свойства, которые усиливаются в направлении ориентации большинства кристаллов.
Ученые взяли образцы из подземного рудника Fosterville в штате Виктория в Австралии и исследовали их методом нейтронографии. Им потребовалось 12 пластин кварца, из которых половина — для контроля. Образцы поместили в камеру с раствором золота и линейным приводом, имитирующим сейсмические волны различной частоты. Экспериментировали с разными растворами, где золото образует комплексы с гидросульфидами, хлоридами или присутствует в виде наночастиц.
У кристалла кварца более высокий пьезоэлектрический потенциал по сравнению с объемом горной породы. Поэтому, полагают авторы нового исследования, во время сейсмической деформации наивысший потенциал внутри кварцевой жилы появляется у идеально ориентированных кристаллах. Лучше всего он срабатывает на стыке с проводящим материалом — золотом.
По мере роста на кварцевые жилы воздействуют тысячи афтершоков, сопровождающих землетрясения. Даже малейшая деформация кристалла порождает пьезоэлектрический потенциал, который, в свою очередь, способствует электрохимическому осаждению золота из флюидов. Наночастицы золота особенно охотно скапливаются на поверхности кристалла кварца, действующей как электрод.
По мнению исследователей, описанные ими процессы могут происходить и в природе.
«Это может объяснить образование зародышей и рост крупных самородков золота в горных рудных системах, которые отличаются от золотоносных месторождений другого происхождения с высоким содержание металла, но без крупных скоплений», — пояснили ученые в статье.
Пьезоэлектрические свойства кварца также объяснили тесную связанность проявлений золота вдоль трещин в кварцевых жилах. Поскольку пьезоэлектрический потенциал действует мгновенно и не оставляет следов, куски золота оказываются как бы плавающими в кварце. Авторы новой научной работы убеждены, что решили более чем вековой «парадокс золотых самородков».