通过研究极端压力和温度下岩浆流体中的硫，来自联合国大学的一个研究小组正在改变我们对黄金运输和矿床形成的认识。当一个构造板块下沉到另一个构造板块之下时，会产生富含水、硫和氯等挥发性元素的岩浆。 当这些岩浆上升时，会释放出岩浆流体。 这些流体中含有硫和氯，它们与金和铜等金属结合，帮助它们向地球表面迁移。 由于天然岩浆中的极端条件难以在实验室中复制，硫在金属迁移中的确切作用一直是一个争论不休的话题。
西西里海岸附近火山岛上的索尔法塔拉，岩浆流体产生的火山气体中析出硫元素。 图片来源：Zoltán Zajacz
来自日内瓦大学（UNIGE）的研究小组引入了一种创新方法来解决这一不确定性。 他们的研究揭示了硫，特别是以硫化氢（HS-）形式存在的硫，在岩浆流体中运输金的过程中起着至关重要的作用。 这一突破发表在Nature Geoscience上，为贵金属在地壳中的移动过程提供了新的线索。
当两个构造板块相撞时，俯冲板块陷入地幔，升温并释放出大量的水。 这些水降低了地幔的熔化温度，地幔在超过一千摄氏度的高压和高温下熔化，形成岩浆。 由于液态岩浆的密度低于地幔的其他部分，因此会向地球表面迁移。
由于压力下降，向地球表面上升的岩浆使富含水的流体达到饱和，然后以岩浆流体气泡的形式释放出来，留下硅酸盐熔体，联合国大学理学院地球科学系博士后研究员、该研究的第一作者 Stefan Farsang 解释说。 因此，岩浆流体的部分成分是水，但也有溶解的挥发性元素，如硫和氯。 这两种元素至关重要，因为它们能将硅酸盐熔体中的金、铜和其他金属提取到岩浆流体中，从而促进它们向地表迁移。
硫很容易被还原或氧化，即获得或失去电子，这一过程被称为氧化还原。 硫的氧化还原状态非常重要，因为它会影响硫与金属等其他元素结合的能力。 然而，十多年来，科学界一直在争论：岩浆流体中存在的硫的氧化还原状态是什么？
这项研究的共同作者、联合国大学理学院地球科学系副教授佐尔坦-扎亚茨（Zoltán Zajacz）解释说："2011年的一篇开创性论文指出，S3-硫自由基发挥了这种作用。 然而，实验和分析方法存在一些局限性，特别是在重现相关岩浆压力-温度和氧化还原条件时，我们现在已经克服了这些局限性。"
工程师小组将一个石英圆筒和一种成分类似于岩浆流体的液体放入一个密封的金胶囊中。 然后将胶囊放入一个压力容器中，使其处于地壳上部岩浆所特有的压力和温度条件下。 Stefan Farsang 补充说："最重要的是，我们的装置有助于灵活控制系统中的氧化还原条件，这在以前是不可能实现的。"
在实验过程中，石英圆柱体破裂，合成岩浆流体进入其中。 然后，石英会捕获类似自然界中的微小液滴，在高温高压条件下，利用激光和一种名为拉曼光谱的分析技术，可以分析这些液滴中硫的形态。 以前的光谱实验通常在 700 ℃ 以下进行，而工程师学会的研究小组成功地将温度提高到了天然岩浆特有的 875 ℃。
研究表明，在岩浆温度下的实验流体中，硫化氢（HS-）、硫化氢（H₂S）和二氧化硫（SO₂）是主要的硫种。 在源自高温岩浆流体的低温所谓热液中，亚硫酸氢盐在金属迁移中的作用已经得到了很好的记录。 然而，人们认为亚硫酸氢盐在岩浆温度下的稳定性非常有限。 由于采用了最先进的方法，UNIGE 团队得以证明，在岩浆流体中，亚硫酸氢盐也负责运输大部分黄金。
Stefan Farsang 说："通过精心选择激光波长，我们还发现在以前的研究中，地质流体中硫自由基的数量被严重高估，而 2011 年的研究结果实际上是基于一个测量假象，从而结束了这一争论。 重要贵金属矿床的形成条件现已得到澄清。 由于世界上的铜和金产量大部分来自岩浆流体形成的矿床，这项研究为了解这些矿床的形成开辟了重要的视角，从而可能有助于这些矿床的勘探。
编译自/ScitechDaily
