Как зарождается золото в природе
Как происходит образование золота в природе
Запись обновлена: Май 25, 2020
Золото как драгоценный металл используется человечеством на протяжении всей своей истории. Его ценность обусловлена трудностью добычи: найти металл в природе сложно, еще сложнее извлечь его из породы. История добычи желтого металла пережила несколько «золотых лихорадок», когда старатели в поисках золота переселялись на новые территории Северной Америки, Австралии и Канады в поисках драгметалла и лучшей жизни. Подобные события были характерны и для России в 19-20 веках, когда осваивались сибирские месторождения и Ленские золотые прииски. Как образуется золото и насколько редко встречается металл в природе?
Распространенность металла
Золото как химический элемент встречается повсеместно. Мнение о том, что драгметалл можно найти только на территории месторождений неверно. Золото в распыленном состоянии находится в растениях и животных, а также в организме человека. Определить наличие металла в этих случаях можно только особыми аналитическими методами. Золото в природе содержится в водах Мирового океана, его концентрация на тонну воды составляет от 4 до 10 мг. Такой показатель является хорошим, вот только эффективные способы извлечения металла из вод Мирового океана на сегодняшний день отсутствуют.
Среднее содержание желтого металла в коре нашей планеты не превышает одну миллионную долю процента, поэтому порог концентрации золота в основной породе, позволяющий считать некую территорию месторождением, также очень низок. Иногда даже соотношение в четверть грамма драгоценного металла на тонну породы может быть признано выгодным для начала добычи золота в этом месте.
Виды месторождений
Мировая золотодобывающая промышленность использует в качестве сырьевой базы непосредственно золотые месторождения и комплексные месторождения, содержащие драгоценный металл. Как появляется золото? Существует два типа месторождений металла в природе: коренные и россыпные.
Коренные месторождения являются первичными, так как их появление связано с магматическими процессами. Сама по себе магма Земли характеризуется высокой концентрацией драгоценного металла. В процессе вулканической активности она вырывалась на поверхность планеты, а затем начинала остывать. Но, так как в ее составе имеется множество элементов, остывание происходило неравномерно. Сначала кристаллизовались самые тугоплавкие вещества, затем более легкоплавкие компоненты простреливали в окружающую породу, образуя жилы. Последними остывали растворы золотосодержащих солей.
Причины нахождения золота в природе в виде сплавов с другими элементами также объясняется магматическими процессами. Состав магмы в разных местах мог отличаться, соотношение компонентов состава, как и условия формирования жил не относятся к постоянным величинам. По этой причине, разные месторождения отличаются друг от друга составом основной породы и золотого сплава, формой и местом залегания золотоносных жил, условиями добычи драгметалла. Чаще всего среди примесей золота встречаются медь, серебро и металлы платиновой группы.
Россыпные месторождения называются вторичными, так как образовались в результате воздействия внешних факторов на залежи драгметалла в коренных месторождениях. Золото в природе высвобождается из горной породы в результате ее разрушения из-за температурных перепадов, ветра, осадков и жизнедеятельности микроорганизмов. Перемещению драгметалла способствует вода, которая размывает породу, размельчая ее на мелкие куски и унося за собой частицы золота. Желтый металл благодаря своей плотности оседает в определенных местах, остальные компоненты породы уносятся водным потоком дальше.
По количеству запасов драгметалла коренные месторождения подразделяются на уникальные (более 1000 т), весьма крупные (100-1000 т), крупные (100-400 т), средние (25-100 т) и мелки (менее 25 т). Как выглядит золото в природе? Внешний вид драгметалла при его добыче зависит от фазового состояния элемента. Встречается свободное золото, в сростках с другими минералами (чаще всего с кварцем), а также тонковкрапленное в сульфидах или минералах породы.
Россыпные месторождения желтого металла делятся на аналогичные группы: уникальные (более 50 т), весьма крупные (5-50 т), крупные (1-5 т), средние (500 кг – 1 т), мелкие (менее 500 кг). На сегодняшний день запасы золотых россыпей достаточно истощены, тем не менее в России добыча драгметалла на таких месторождениях составляет около половины все добычи металла.
Самородки металла
Золото в природе встречается в виде самородков. На фото самых известных находок видно, что самородками принято называть большие природные куски драгметалла. Большинство таких невероятных находок было сделано в процессе поиска желтого металла, хотя были и случайные открытия. На сегодняшний день специалисты признают самородком кусок золота, вес которого превышает 5-12 г, а поперечное сечение более половины сантиметра.
Самые известные самородки металла весят несколько десятков килограммов. Наибольшим самородков за всю историю человечества является кусок золота, найденный в 11 веке в южных областях Афганистана. По описанию, дошедшему до наших дней, он должен был весить примерно 2,5 тонны.
Как выглядит самородное золото в природе? Рассмотрите фото известнейших самородков, среди которых можно отметить найденные в Австралии «Плиту Хольтермана» (100 кг), «Желанного незнакомца» (71 кг) и «Блестящего Баркли» (54 кг), «Японца» (71 кг) с острова Хоккайдо. В историю золотодобычи вошли и находки российских месторождений: «Большой треугольник» (36 кг, Урал), «Большой Тыелгинский» (14 кг, Челябинская область), «Золотой великан» (14 кг, Магаданская область), «Поход им. Калинина» (14 кг, Урал), «Апрельский» (12,24 кг, Ленские прииски).
Свойства золота в природе
Чистое золото характеризуется насыщенным желтым цветом и ярким блеском, но встретить такой металл можно только в виде банковских слитков. В природе чистое золото найти практически нельзя, поэтому его цвет в природе будет зависеть от размера частиц металла и состава примесей. Необработанное золото может иметь серо-зеленый оттенок, при этом непривлекательный цвет будет сопровождаться тусклым блеском металла. Как выглядит драгметалл в таком состоянии можно увидеть на фото золотосодержащих пород. Иногда блеск у частиц драгметалла в породе может и вовсе отсутствовать. Золото желтого цвета встречается в природе гораздо реже «зеленого» металла. Непривлекательный вид золотых частиц способствует тому, что определить ценность находки обычно может только специалист.
Россыпные месторождения золота в природе существуют благодаря тому, что тяжелые частицы металла оседали по пути своего следования в потоках воды, а легкая порода разрушалась и вымывалась. Высокая плотность драгметалла используется в процессе промывки на шлюзах, так как именно это физическое свойство обеспечивает высокие показатели излечения металла из промываемой породы.
Высокая отражательная способность элемента позволяет использовать тончайшие листы металла в производстве офисных стекол, стекол для самолетов и водных судов, шлемов для космонавтов. Изготовление тонких листов золота возможно благодаря его отличной ковкости и легкой полировке.
Золото в природе химически инертно. Металл не вступает в реакцию с другими элементами, из-за чего был отнесен к числу благородных. Седи известных химических реакций, в которые вступает аурум, можно отметить растворение металла в «царской водке» и горячей селеновой кислоте высокой концентрации. Драгметалл вступает в реакцию кислородом в присутствии комплексообразователей, в качестве которых могут выступать цианиды.
Желтый металл способен реагировать с фтором, но только при температуре в 300-400 градусов по Цельсию: при более низких параметрах реакция не осуществляется, а при более высоких – образующиеся фториды начинают разлагаться. Еще одной известной реакцией золота является его растворение во ртути с образованием амальгамы.
Металлоискатели в России / Только белая техника!
КОМПАНИЯ
УСЛУГИ
РЕСУРСЫ И СЕРВИСЫ
Как в природе формируются золотые самородки?
Золотой самородок является естественным образованием из драгоценного металла. В водоемах часто можно найти более мелкие частицы золота в россыпях и в виде песка. Самородки же извлекают чаще всего из-под земли, в местах добычи полезных ископаемых, также они встречаются в так называемых «остаточных месторождениях», где много сотен лет назад произошло выветривание и разрушение золотоносных жил. Самородки также можно отыскать в местах добычи золота, особенно — после работы золотодобывающих драг.
Самый большой золотой самородок Welcome Stranger был найден в Австралии в 1869 году. Его вес — 97,14 кг. Точная копия самородка хранится в Мельбурне.
Происхождение золотых самородков является предметом многочисленных научных дискуссий. Золотые самородки образуются, когда кластеры кристаллов золота под воздействием очень горячей воды или сверхвысоких температур заполняют трещины в минералах наподобие кварца, или в иных твердых породах. Позже, под воздействием силы тяжести и атмосферных явлений, самородки перемещаются на глубину, покидая свое «укрытие».
Однако многие золотые самородки встречаются в районах, где нет рудного золота, но есть много рассыпного.
Вот еще 5 геологических теорий, как образуются золотые самородки:
1) Снежный ком.
Золотые самородки образуются, потому что золото — очень податливый металл. Во время перемещения мелкие частицы золота могут практически срастаться друг с другом по методу, сходному с холодной сваркой. Тем более, под воздействием давления или движения по руслу реки либо ручья.Так что по этой теории, самородок представляет собой своеобразный «снежный ком» из более мелких самородков, гравия, прочих субстанций. К слову, платиновые самородки, наоборот, распадаются, и становятся меньше и меньше.
2) Осадок.
Золотые самородки образуются в виде осадка от грунтовых вод. Известно, что если в воде растворено золото, оно имеет тенденцию к движению вниз, таким образом, если в грунтовых водах произойдет оседание золота, оно осядет на доступных камнях. Со временем масса золотого «налета» все возрастает, пока не превращается в самородок.
3) Золотые камни.
Золотые самородки формируются из больших золотых камней, которые распадаются. Поэтому их так трудно найти (практически невозможно).
4) Размывание.
Золотые самородки из современных мест добычи — это остатки размывания больших золотоносных жил. Этот процесс длился тысячи или миллионы лет.
5) Верхний слой.
Процесс образования золота и разработки его месторождений
Золото — один из самых дорогостоящих металлов в природе. Оно всегда считалось символом богатства. А ценится оно не только потому, что имеет красивый внешний вид, но это еще и труднодобываемый металл, который не вступает в химические реакции практически ни с кем, кроме ртути.
Итак, о золоте узнали еще в древние времена. Истории известны случаи использования золота в Египте и в Индокитае. Люди изготавливали из него монеты и украшения, обменивая их на товары.
Но несмотря на то что сейчас о золоте появилось гораздо больше информации, его ценность не упала. Все это потому что в природе не существует золотых слитков. Частицы этого металла находят во время раскопок в мизерных и раздробленных количествах. Поэтому несколько граммов добытого золота практически не имеют никакой ценности.
А вот большое количество драгоценного металла может образоваться в месторождениях золота. Поэтому чтоб находить в дальнейшем потенциальные места скопления золота, нужно знать, каким образом оно образовалось в предыдущих случаях.
Процесс образования золота
По этому поводу у ученых имеются несколько версий, но прийти к консенсусу им пока так и не удалось. Среди популярных предположений:
Но также следует помнить, что золото является результатом перемен, которые со временем происходят в коре Земли. А все процессы на глубине происходят под большим давлением и высокими температурами. Правда, что служит толчком процессов золотообразования, ученые спорят до сих пор. И пока нет ответа на вопрос о том, продолжает ли образовываться новое золото, или просто искатели находят ранее неизвестные места рождения?
Разработка месторождений металла
Существует три типа территорий, на которых можно найти золото: залежи, россыпи и месторождения. Первые два не используются в промышленных масштабах.
Месторождения разделяют условно на два вида: первичные и вторичные:
Считается что в мире за все время существования человечества добыто около 160 тысяч тонн золота. Эта цифра объективна, поскольку только в раскопках Древнего Египта насчитали 50 тысяч тонн золота. Этот металл не теряет ценность, а наоборот, может стабилизировать финансовый рынок и экономику государства. Поэтому многие банки хранят активы в виде слитков из чистого золота.
Нередкое явление в мире — «золотая лихорадка», которая охватывала людей при нахождении новых мест образования золота. Аляска, Бразилия и даже Австралия — вот те места, в которых золотоискатели испытывали свою удачу. Но по-настоящему опасным стал 1896 год, когда «золотая лихорадка» охватила жителей всего мира и те стали приезжать в Америку, чтоб найти золото и разбогатеть. Месторождение Клондайк стало испытанием на прочность многих добытчиков золота. Это тяжелый вид работы, поскольку вручную много золота за день не отмыть. Вода в реках холодная, поэтому многие добытчики возвращались без денег, но с инвалидностью на всю жизнь или погибали на месте.
Спустя десять лет, золото научились добывать в промышленных масштабах. Если золото находится в составе руды, его можно отчистить с помощью специальных устройств. Месторождения ищут в несколько этапов:
Что такое золотые самородки?
А вот на берегах рек, где есть золото в россыпях, его можно найти в свободном виде. Поэтому настоящей мечтой человека, добывающего золото, является нахождение самородка.
Самородок «Желанный незнакомец»
Понятно, почему именно самородки пользуются такой популярностью. За всю историю человечества их находили нечасто:
Людей, нашедших самородки, ждет пожизненное богатство. Вот почему этот факт так будоражит золотоискателей. На небольших островах в Тихом океане люди часто находят небольшие самородки весом до килограмма. Они регулярно сдают их на продажу, потому что держать такие вещи дома очень опасно, тем более в неразвитых странах.
В России также находились самородки на северных берегах, граничащих с Северным Ледовитым океаном. Они отличались как по весу, так и по содержанию золота. Но это не значит, что камень полностью состоит из драгоценного металла. Часть содержимого — это кварц, обыкновенная руда, свинец, никель.
Поэтому чтоб оценить стоимость находки, с помощью специального устройства определяют количество чистого золота. Даже если его много, очищать такой самородок никто не будет, его зафиксируют в реестре и укажут приблизительную пробу. Поэтому если золота в камне мало, самородок упадет в стоимости.
Образование самородков — очередной вопрос для геологов. Вот популярные версии этого явления:
В получении чистого золота без примесей важны такие этапы:
Цианидный способ с помощью цианида натрия, цинковой пыли и царской водки более трудоемкий, но дешевый. Оба варианта очищения проводятся в специальных лабораториях. Образовавшийся металл направляется на рынок металлов для продажи, а далее перенаправляется в активы крупных корпораций и центральных банков государств.
Об искусственном образовании золота в лабораториях давно мечтают ученые и алхимики. Существовала версия получения золота из ртути, но алхимики не смогли объяснить закономерности и создать хоть несколько граммов этого металла. Кто-то из химиков советовал попробовать добыть металл из морской воды путем жесточайшего фильтрования. Но пока золото можно только лишь получить естественным путем и его стоимость не снизится ближайшее десятилетие.
На сегодняшний день драгоценного металла в Земле по подсчетам ученых осталось не более 200 тысяч тонн. Поэтому активно разрабатываются теории о происхождении и образовании этого металла. Чтоб в будущем научится добывать золото еще легче, и его количество не уменьшалось.
Раскрыта загадка образования богатых золоторудных жил
Рис. 1. Бонанца — обогащенная часть золоторудной жилы. Месторождение Брюсджек, Канада (Brucejack mine). Для масштаба приложена монета 1 канадский доллар, диаметр которой равен 26,5 мм. Фото с сайта mcgill.ca
Месторождения золота образуются в процессе осаждения металла из горячих газово-жидких (гидротермальных) растворов, которые поднимаются по разломам от расположенного на глубине магматического очага. При охлаждении этих растворов кристаллизующиеся из них минералы заполняют трещины. Так возникают золоторудные жилы, подчас весьма богатые — с участками из чистого золота толщиной несколько сантиметров. Как образуются такие скопления драгоценного металла, долгое время оставалось загадкой для геологов, поскольку в исходных растворах, как правило, концентрация золота крайне низка. Канадские ученые нашли ответ на этот вопрос, показав, что богатые ценным металлом жилы могут формироваться, если на каком-то этапе подъема раствора к поверхности содержащиеся в нем наночастицы золота потеряют электрический заряд (из-за которого они отталкиваются) и образуют коллоидную систему, в которой почти мгновенно происходит флокуляция — слипание частиц в более крупные «хлопья», которые впоследствии выпадают в осадок и формируют золотоносные жилы.
Среднее содержание (кларковое число) золота в земной коре составляет около 0,004 грамма на тонну. Это в несколько тысяч раз меньше, чем у таких металлов, как медь, цинк или свинец. К счастью для добытчиков на Земле есть немало мест, в которых концентрация золота на порядки выше: например, в рудах промышленных месторождений она достигает десятков, а иногда и сотен граммов на тонну.
Первичные (эндогенные) руды золота имеют гидротермальное происхождение. Они образуются из горячих газово-жидких растворов (флюидов), отделяющихся от магматических расплавов, главным образом кислого состава. Постмагматические водные растворы несут лишь следовые количества золота, и при осаждении металла из простого водного раствора потребовались бы десятки и даже сотни тысяч лет, чтобы заполнить рудой трещину шириной всего в один сантиметр. Но гидротермальные системы не живут так долго — рудные жилы образуются в течение нескольких лет, а иногда и дней. По оценкам ученых, максимальное количество золота, которое за такое время может быть отложено из раствора — 20 грамм на тонну (M. Pearce et al., 2015. Gold deposition caused by carbonation of biotite during late-stage fluid flow). Поэтому геологи давно пытаются понять, как флюиды со сверхнизкими концентрациями золота создают богатые золотые руды.
Для этого ученые исследуют возможные формы присутствия металла в растворах. Например, существует предположение, что концентрация золота может резко повышаться, если этот элемент транспортируется в гидротермальных флюидах в виде хлоридов или бисульфидов. Канадские геологи во главе с профессором Энтони Уильямс-Джонсом (Anthony E. Williams-Jones) из департамента наук о Земле и планетах Университета Макгилла предложили другой вариант. По их мнению, богатые золотые руды могли отложиться из коллоидных растворов с твердыми наночастицами золота.
Диспергированные в растворе наночастицы металла обладают зарядом и отталкиваются друг от друга. В таком состоянии они могут переноситься на большие расстояния. Но когда заряд нарушается, происходит флокуляция — процесс, похожий на коагуляцию, при котором частицы моментально слипаются в крупные хлопья (флокулы) и выпадают из раствора.
Это напоминает поведение взвешенных жировых частиц в молоке, представляющем собой водный коллоидный раствор. При уровне pH свежего молока, близкого к нейтральному, микроскопические шарики жира в нем имеют отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга. В процессе скисания бактерии превращают лактозу в молочную кислоту, снижая при этом уровень pH. Это вызывает разрушение поверхностного заряда на частицах жира, которые отделяются от молочной сыворотки и слипаются друг с другом, образуя простоквашу — коагулированное желе из молочного жира.
Изучая богатейшие золоторудные жилы месторождения Брюсджек (Brucejack mine) в Британской Колумбии, в которых содержание золота местами достигает 41,5 кг на тонну (!), авторы обнаружили свидетельства того, что главный фактор образования богатых залежей золота — переход на определенных этапах рудоносных растворов в коллоидное состояние с их последующей флокуляцией. При этом концентрация металла в исходных гидротермальных растворах может составлять всего несколько частей на миллиард.
Авторы предложили следующий сценарий. Заряженные наночастицы золота в коллоидном растворе до определенного момента отталкиваются друг от друга, но, когда они по каким-то причинам теряют заряд (например, в результате резкого изменения уровня рН), происходит флокуляция, и выпадающее желеобразное вещество заполняет трещины в породе, образуя богатые золотые жилы.
Для проверки работоспособности своей гипотезы исследователи создали в лаборатории золотоносные коллоидные растворы и с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) получили первые изображения наночастиц золота, а также задокументировали весь процесс заполнения трещин флокулированным агрегатом этих частиц.
Богатые участки месторождения Брюсджек обычно представляют собой скопления рудной минерализации размером от 1 до 30 см в кварц-кальцитовых жилах толщиной от 1 до 50 см и жильных роях (штокверках), а также в цементе жильных брекчий. Скопления сложены микроагрегатами электрума — природного сплава золота и серебра — с соотношением Au:Ag около 62:38. Для изучения материала жил методом ПЭМ авторы изготовили пять ультратонких пластин толщиной от 50 до 100 нм. Под электронным микроскопом ученые обнаружили в кальцитовой матрице жил вокруг сростков электрума многочисленные сферические наночастицы электрума диаметром от 5 до 15 нм, которые встречаются как в рассеянном виде, так и в виде агрегатов частиц.
Последние по своему строению удивительным образом напоминают более крупные сростки электрума, обладающие ветвящейся, дендритной структурой. Считается, что такие сложнокристаллические образования возникают при ускоренной кристаллизации в неравновесных условиях. Авторы отмечают, что полное подобие структур на нано- и макроуровнях согласуется с фрактальной природой коллоидных агрегатов, наблюдаемой в экспериментальных исследованиях, а также при компьютерном моделировании флокуляции коллоидов золота (рис. 2).
Рис. 2. а — участок богатой минерализации электрума (бонанца) в кварц-кальцитовой жиле в серицитизированных туфах (фото сделано в забое подземной горной выработки); b — наноразмерная кальцитовая (Cal) жила с агрегатами электрума (Elec) в серицитизированной (Ser) вмещающей породе (снимок получен методом ПЭМ). В нижней части жил видны сферические наночастицы электрума. Фото из обсуждаемой статьи в PNAS
Проведенные эксперименты показали, что на начальной стадии охлаждения гидротермальные растворы проходят фазу наночастиц. Обычно эта фаза недолговечна и быстро сменяется стадией кристаллизации, для которой характерен медленный рост кристаллов. Однако в неравновесных системах, например, когда кипящий флюид встречается с холодной жидкостью, или попадает в открытую полость, резкая смена физико-химических параметров — сброс давления (вскипание), охлаждение или смена кислотности — приводит к быстрой флокуляции металлических наночастиц из гидротермального флюида. При этом у атомов недостаточно времени, чтобы организоваться в кристаллы, и они формируют сферические агрегаты с минимальной площадью поверхности для данного объема.
Авторы считают, что такие условия могут возникать, например, в местах выхода кислых или почти нейтральных гидротермальных металлоносных растворов на морском дне, где они смешиваются с умеренно щелочной морской водой (рН 7,5–8,5). Ускоряют осаждение и присутствующие в морской воде катионные коагулянты (например, Na + ).
Результаты проведенного ранее исследования газово-жидких включений в кварце электрумсодержащих кварц-кальцитовых жил месторождения показали, что во время образования жил флюид вскипал (S. P. Tombe et al., 2018. Origin of the high-grade Early Jurassic Brucejack epithermal Au-Ag deposits, Sulphurets Mining Camp, northwestern British Columbia). Это подтверждают и изотопные данные серы в золотосодержащем пирите, а также широкое развитие в жильных зонах гидротермальных брекчий, формирующихся в условиях разрыва пород.
В раннеюрское время, когда образовались руды месторождения Брюсджек, район находился на континентальной окраине, в зоне долгоживущей островной дуги, где поднимающиеся к поверхности и вскипающие гидротермальные рудные флюиды могли смешиваться с морской водой. Авторы считают, что это смешение было основной причиной флокуляции и образования участков богатого золотого оруденения. Аналогичные процессы могли действовать и при образовании других золоторудных месторождений, для которых характерны жилы с бонанцами. Это, например, месторождения Балларат в Австралии, Серра Пелада в Бразилии или Ред-Лейк в Канаде.
Источник: Duncan F. McLeish, Anthony E. Williams-Jones, Olga V. Vasyukova, James R. Clark, Warwick S. Board. Colloidal transport and flocculation are the cause of the hyperenrichment of gold in nature // PNAS. 2021. DOI: 10.1073/pnas.2100689118.