Το ταξίδι του χρυσού μέσα από τα μαγματικά υγρά

 Solfatara, στο νησί ηφαιστείων κοντά στις ακτές της Σικελίας με στοιχειακό θείο που κατακρημνίζεται από ηφαιστειακά αέρια τα οποία προέρχονται από μαγματικά υγρά. Από: Zoltán Zajacz .

Ξεκλειδώνοντας το ταξίδι του χρυσού μέσα από μαγματικά υγρά.

Όταν μια τεκτονική πλάκα βυθίζεται κάτω από την άλλη, δημιουργεί μάγματα πλούσια σε πτητικά όπως νερό, θείο και χλώριο. Καθώς αυτά τα μάγματα ανεβαίνουν, απελευθερώνουν μαγματικά υγρά, στα οποία το θείο και το χλώριο συνδέονται με μέταλλα όπως ο χρυσός και ο χαλκός και μεταφέρουν αυτά τα μέταλλα προς την επιφάνεια της Γης. 

Καθώς οι ακραίες συνθήκες που σχετίζονται με τα φυσικά μάγματα είναι πολύ δύσκολο να αναπαραχθούν στο εργαστήριο, ο ακριβής ρόλος των διαφορετικών μορφών θείου στη μεταφορά μετάλλων εξακολουθεί να απασχολεί την επιστημονική κοινότητα. Ωστόσο, μια καινοτόμος προσέγγιση από μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE) έδειξε ότι το θείο, στη μορφή του διθειώδους (HS-), είναι ζωτικής σημασίας για τη μεταφορά χρυσού σε μαγματικά υγρά.

Αυτά τα ευρήματα δημοσιεύονται στο Nature Geoscience. Όταν δύο τεκτονικές πλάκες συγκρούονται, η πλάκα καταβύθισης βυθίζεται στον μανδύα της Γης, θερμαίνεται και απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες νερού. Αυτό το νερό μειώνει τη θερμοκρασία τήξης του μανδύα, ο οποίος λιώνει υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 1000 βαθμούς Κελσίου σχηματίζοντας μάγματα. Καθώς το υγρό μάγμα είναι λιγότερο πυκνό από τον υπόλοιπο μανδύα, μεταναστεύει προς την επιφάνεια της Γης. 

«Λόγω της πτώσης της πίεσης, τα μάγματα που ανεβαίνουν προς την επιφάνεια της Γης προκαλούν κορεσμό σε ένα πλούσιο σε νερό υγρό, το οποίο στη συνέχεια απελευθερώνεται ως φυσαλίδες μαγματικού υγρού, αφήνοντας πίσω του ένα πυριτικό τήγμα», εξηγεί ο Stefan Farsang, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Τμήμα Γης. Sciences στη Σχολή Επιστημών του UNIGE και πρώτος συγγραφέας της μελέτης. 

Τα μαγματικά υγρά επομένως αποτελούνται εν μέρει από νερό, αλλά και από διαλυμένα πτητικά στοιχεία όπως το θείο και το χλώριο. Αυτά τα δύο στοιχεία είναι ζωτικής σημασίας γιατί εξάγουν χρυσό, χαλκό και άλλα μέταλλα από το πυριτικό τήγμα στο μαγματικό υγρό, διευκολύνοντας έτσι τη μετανάστευση τους προς την επιφάνεια. 

Διάφορες μορφές θείου 

Το θείο μπορεί εύκολα να αναχθεί ή να οξειδωθεί, δηλαδή να κερδίσει ή να χάσει ηλεκτρόνια, μια διαδικασία γνωστή ως οξειδοαναγωγή. Η οξειδοαναγωγική κατάσταση του θείου είναι σημαντική επειδή επηρεάζει την ικανότητά του να συνδέεται με άλλα στοιχεία, όπως τα μέταλλα. Ωστόσο, μια συζήτηση διχάζει την επιστημονική κοινότητα για περισσότερο από μια δεκαετία: ποια είναι η οξειδοαναγωγική κατάσταση του θείου που υπάρχει στο μαγματικό υγρό που κινητοποιεί και μεταφέρει μέταλλα; 

Ο Zoltán Zajacz, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης στη Σχολή Επιστημών της UNIGE και συν-συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί: «Μια θεμελιώδη εργασία το 2011 πρότεινε ότι οι ρίζες του θείου S3 παίζουν αυτόν τον ρόλο. Ωστόσο, οι πειραματικές και αναλυτικές μέθοδοι είχαν αρκετούς περιορισμούς, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για την αναπαραγωγή σχετικών συνθηκών μαγματικής πίεσης-θερμοκρασίας και οξειδοαναγωγής, που έχουμε τώρα ξεπεραστεί».

Μεθοδολογική επανάσταση 

Η ομάδα UNIGE τοποθέτησε έναν κύλινδρο χαλαζία και ένα υγρό με σύνθεση παρόμοια με αυτή ενός μαγματικού υγρού σε μια σφραγισμένη χρυσή κάψουλα. Στη συνέχεια, η κάψουλα τοποθετήθηκε σε δοχείο πίεσης, το οποίο στη συνέχεια φέρθηκε σε συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας χαρακτηριστικές για τα μάγματα που βρίσκονται στον ανώτερο φλοιό της Γης. 

«Πάνω από όλα, η εγκατάσταση μας διευκολύνει τον ευέλικτο έλεγχο των συνθηκών οξειδοαναγωγής στο σύστημα, κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν», προσθέτει ο Farsang. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ο κύλινδρος χαλαζία σπάει, επιτρέποντας στο συνθετικό μαγματικό υγρό να εισέλθει. Στη συνέχεια, ο χαλαζίας παγιδεύει μικροσκοπικού μεγέθους σταγονίδια υγρού όπως αυτά που βρίσκονται στη φύση και η μορφή του θείου σε αυτά μπορεί να αναλυθεί σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση χρησιμοποιώντας λέιζερ με μια αναλυτική τεχνική γνωστή ως φασματοσκοπία Raman. Ενώ τα προηγούμενα φασματοσκοπικά πειράματα διεξήχθησαν συνήθως μέχρι τους 700 °C, η ομάδα UNIGE κατάφερε να αυξήσει τη θερμοκρασία στους 875 °C, χαρακτηριστικό των φυσικών μάγματος. 

Το δισουλφίδιο ως μεταφορέας 

Η μελέτη δείχνει ότι το όξινο θειούχο (HS-), το υδρόθειο (H2S) και το διοξείδιο του θείου (SO2) είναι τα κύρια είδη θείου που υπάρχουν στα πειραματικά υγρά σε μαγματικές θερμοκρασίες. Ο ρόλος του διθειώδους στη μεταφορά μετάλλων ήταν ήδη καλά τεκμηριωμένος στα λεγόμενα υδροθερμικά ρευστά χαμηλότερης θερμοκρασίας που προέρχονται από τα μαγματικά ρευστά υψηλότερης θερμοκρασίας. Ωστόσο, το δισουλφίδιο θεωρήθηκε ότι έχει πολύ περιορισμένη σταθερότητα σε μαγματικές θερμοκρασίες. Χάρη στην πρωτοποριακή μεθοδολογία τους, η ομάδα UNIGE μπόρεσε να δείξει ότι και στα μαγματικά υγρά, το όξινο θειούχο είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά του μεγαλύτερου μέρους του χρυσού.

 «Επιλέγοντας προσεκτικά τα μήκη κύματος λέιζερ μας, δείξαμε επίσης ότι σε προηγούμενες μελέτες, η ποσότητα των ριζών θείου στα γεωλογικά ρευστά είχε υπερεκτιμηθεί σοβαρά και ότι τα αποτελέσματα της μελέτης του 2011 βασίστηκαν στην πραγματικότητα σε ένα τεχνούργημα μέτρησης, βάζοντας τέλος σε αυτό συζήτηση», λέει ο Farsang. 

Οι συνθήκες που οδηγούν στο σχηματισμό σημαντικών κοιτασμάτων μεταλλευμάτων πολύτιμων μετάλλων έχουν πλέον αποσαφηνιστεί. Δεδομένου ότι μεγάλο μέρος της παγκόσμιας παραγωγής χαλκού και χρυσού προέρχεται από κοιτάσματα που σχηματίζονται από υγρά που προέρχονται από μάγμα, αυτή η μελέτη μπορεί να συμβάλει στην εξερεύνηση τους ανοίγοντας σημαντικές προοπτικές για την κατανόηση του σχηματισμού τους.

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα phys.org

Stefan Farsang et al, Sulfur species and gold transport in arc magmatic fluids, Nature Geoscience (2024). DOI: 10.1038/s41561-024-01601-3

https://phys.org/news/2024-12-journey-gold-magmatic-fluids.html#google_vignette