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西班牙揭纳米黄金粒子在地下熔化与搬运过程

示意图，图为2023年4月底人们在加州淘金，左侧为真金，右侧为黄铁矿（愚人金）。（Frederic J. Brown/AFP）

黄金象征财富，但人们对于它如何被搬运和聚集成矿床的过程并不了解。西班牙一所大学观察矿床中的金纳米颗粒，发现它的熔点低于一般黄金，且能被存于矿物中的热水溶液流（热液）熔化，并藉由热液实现移动和聚集。

这项研究成果由西班牙巴塞罗那大学（Universitat de Barcelona, UB）地球科学学院和纳米科学与纳米技术研究所（IN2UB）、安达卢西亚地球科学研究所（IACT-CSIC）等共同研究得出，成果在5月底被发表到《自然》杂志上。

论文中介绍，科学家在化石水热系统、现代地热、一些浅层热液和造山带（板块运动挤压区）金矿床等地区的天然胶体悬浮液中发现Au和Ag的纳米粒子（NPs）含量超过6,000ppm。

介绍中提到，新的观察发现沉淀热液矿石的流体可能具有更高的运输和沉积金属能力，但这些含有纳米粒子在热液矿石系统的形成机制和出现位置以及它们可能被热液携带的距离仍不清楚。

介绍中还讲述，天然的纳米金粒子在1990年的美国内华达州一处天然、藏量丰富的金矿床中被发现，并与二氧化硅共同沉淀在矿床中。矿床中含有热液系统，将粒子以流体的方式进行运输和沉积。

这种金矿床的主要特征是含有砷的黄铁矿和含毒砂的沉积物形成。沉积物的黄金通常在微观矿物内和溶于水中，因此这种溶解的黄金被称为“隐形黄金”，只能通过化学分析才能找到。

UB矿物学、岩石学和石油学系的教授华金‧A‧普罗恩扎（Joaquín A. Proenza）对巴塞罗那大学新闻室表示，“在全球范围内，热液金矿床种类繁多，尤其是那些浅层热液金矿床、板块运动造成金矿床和沉积式含金的矿床，都无法用矿化流体的特征去解释为何存在大量黄金。”

普罗恩扎补充说，“由于矿化流体溶解金的能力非常低，而这些流体都无法解释金矿化所需的含金量，尤其是那些富金矿型的矿床。因此，金矿床的形成不可能只依靠输送溶解金的热液形成。”

这些金纳米粒子的被发现，支持黄金可以作为纳米粒子悬浮在流体中而不是溶于矿物才能进行运输的假设。不过科学家还是无法确定这些纳米颗粒是如何在不稳定期间（金纳米粒子）存于宿主矿物当中的。

于是，该团队对古巴夏湾拿-马坦沙士火山的一处硫化物矿床进行分析，发现二砷化物和硫砷化物中含有Au和Ag的NPs。这些矿物的独特之处，在于它们保留了溶解和沉淀过程的结构证据，同时揭示金纳米颗粒是如何暴露于热液中，且有能力熔化和生产金纳米熔体。

为了分析这些矿石，该团队动用光学显微镜、扫描电子显微镜、水分离机、聚焦离子束、高分辨率透射电子显微镜（TSM）等技术，将这项可能分析出来。

他们发现，尺寸在5µm到10纳米（nm）之间的Au-Ag颗粒，可以存在于二砷化物和硫砷化物的晶粒中。同时发现100nm～350nm的Au-Ag NPs存于钠钙闪石（红闪石）中，而10nm～20nm的Au-Ag NPs存于钴矿中，还有一些存于红铝石和钴矿的界面处。

尽管这些类型的Au-Ag纳米颗粒都表现出均匀性，但经仪器检测，它们的主体缺乏晶体学的连续性质。

该团队认为一些最初寄宿在红铝石和钴矿中的Au-Ag NPs在400°C到500°C的热流中被熔解出（远低于金和银的熔点），并存在于热流当中，且再被分解成更小的纳米颗粒，形成Au-Ag NPs熔体。这些Au-Ag NPs熔体被钴矿沉淀物捕获后冷却，让Au-Ag NPs熔体变回Au-Ag纳米粒子结晶状态（10nm～20nm）。

因此他们得出结论：与热液产生较多反应的Au-Ag NPs（10nm～100nm），很可能在常见的热液温度下熔化，并产生Au-Ag NPs熔体，并随着热液被搬运。这些Au-Ag NPs熔体出现再活化的性质，是研究热液金矿床成因必须考虑的现象。

该文章的第一作者迭戈‧多明格斯-卡雷特罗（Diego Domínguez-Carretero）则表示，“先前在古巴夏湾拿-马坦沙士富含金的矿床采集样品中发现大量的金纳米颗粒。这次研究揭示，金纳米颗粒是如何暴露于热液中且有能力熔化和生产金纳米熔体。”

研究人员解释，“我们的研究首次描述了金纳米粒子的整个形成过程，并更好地理解黄金的起源，有助于建立更现实的矿床模型。”确定矿床成因和影响矿床生成的因素，是矿床地质学家的主要的目标。