Месторождения самородного золота, как правило, связаны с кварцевыми жилами. Предполагается, что золото выпадает в осадок из горячих магматических растворов, проникающих по трещинам в горных породах. Однако формирование крупных скоплений золота остается минералогической загадкой. Австралийские исследователи высказали предположение, что ключевую роль играют пьезоэлектрические свойства кварца, которые, под воздействием частых землетрясений, могут способствовать образованию значительных скоплений драгоценного металла.
Самородное золото встречается в горных районах разных стран и чаще всего ассоциируется с кварцевыми жилами. Именно из этих месторождений добывается 75% всего золота.
Горячие гидротермальные растворы (флюиды) поднимаются по трещинам во время землетрясений. В земной коре эти растворы обычно находятся при температуре от 200 до 650 градусов Цельсия и под давлением от одного до пяти килобар. Для формирования месторождения кварцевых жил необходимо сотни, а иногда и тысячи сейсмических событий, которые создают разветвлённую сеть трещин в горных породах.
Геохимические аспекты осаждения золота из флюидов достаточно хорошо прояснены. Механизм проникновения растворов в трещины также в целом понятен. Однако формирование крупных золотин в кварцевых жилах остается неразгаданной загадкой.
Растворимость золота в жидкостях составляет одну часть на миллион (1 ppm). Это означает, что для извлечения 10 килограммов золота потребуется 10 миллионов килограммов воды, что сопоставимо с объемом пяти олимпийских бассейнов. Однако, поскольку в рудных жилах обнаруживаются скопления золота и кварца, достигающие десятков и сотен килограммов (в которых золото составляет более половины), возникает противоречие.
Чтобы прояснить ситуацию, был использован подход, основанный на концепции золотых наночастиц, позволяющих преодолеть ограничение растворимости. Однако механизм, вызывающий объединение миллионов наночастиц в единый слиток золота, остается неясным.
Сотрудники нескольких австралийских научных учреждений, под руководством Кристофера Войзи из Университета Монаша, провели исследование, посвященное изучению пьезоэлектрических свойств кварца. Результаты их работы изложили в статье в журнале Nature Geoscience.
Пьезоэлектрический эффект обусловлен кристаллической структурой. Поскольку у кварца отсутствует центр симметрии, деформация кристалла приводит к накоплению различных электрических зарядов в его верхней и нижней частях, что вызывает напряжение, величина которого зависит от приложенной силы. Пьезоэлектрические свойства проявляются у кварцевой жилы в целом и усиливаются в направлении, соответствующем ориентации большинства кристаллов.
Образцы были отобраны учеными 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.
Пьезоэлектрический потенциал кристалла кварца выше, чем у окружающей горной породы. Исходя из этого, авторы нового исследования предполагают, что при сейсмической деформации максимальный потенциал в кварцевой жиле возникает в кристаллах с идеальной ориентацией. Наиболее эффективная работа наблюдается при контакте с проводящими материалами, такими как золото.
Тысячи афтершоков, сопровождающие землетрясения, оказывают влияние на кварцевые жилы по мере их роста. Даже незначительные деформации кристалла вызывают пьезоэлектрический потенциал, который, в свою очередь, стимулирует электрохимическое осаждение золота из флюидов. Наночастицы золота, как правило, концентрируются на поверхности кристалла кварца, которая действует как электрод.
Исследователи полагают, что аналогичные процессы могут наблюдаться и в естественной среде.
«Ученые, как они отметили в статье, считают, что это может объяснить формирование зародышей и увеличение размеров крупных самородков золота в горных рудных системах. Эти системы характеризуются высоким содержанием металла, но не содержат крупных скоплений, что отличает их от золотоносных месторождений другого типа.
Пьезоэлектрические свойства кварца также позволили объяснить, почему золото часто встречается вдоль трещин в кварцевых жилах. Мгновенное действие пьезоэлектрического потенциала и отсутствие каких-либо следов, которые он оставляет, создают впечатление, будто частицы золота свободно перемещаются в кварце. Новые исследования, по мнению авторов, разрешили многолетний «парадокс золотых самородков».