Erschließen Sie die Reise des Goldes durch magmatische Flüssigkeiten

Wenn eine tektonische Platte unter eine andere sinkt, entsteht Magma, das reich an flüchtigen Stoffen wie Wasser, Schwefel und Chlor ist. Wenn diese Magmen aufsteigen, setzen sie magmatische Flüssigkeiten frei, in denen sich Schwefel und Chlor an Metalle wie Gold und Kupfer binden und diese Metalle zur Erdoberfläche transportieren.

Da die für natürliche Magmen relevanten extremen Bedingungen im Labor nur sehr schwer zu reproduzieren sind, bleibt die genaue Rolle der verschiedenen Formen von Schwefel beim Metalltransport umstritten. Ein innovativer Ansatz eines Teams der Universität Genf (UNIGE) hat jedoch gezeigt, dass Schwefel in seiner Bisulfidform (HS-) für den Transport von Gold in magmatischen Flüssigkeiten von entscheidender Bedeutung ist.

Diese Erkenntnisse sind veröffentlicht In Naturgeowissenschaften.

Wenn zwei tektonische Platten kollidieren, taucht die subduzierende Platte in den Erdmantel ein, erhitzt sich und gibt große Mengen Wasser ab. Dieses Wasser senkt die Schmelztemperatur des Mantels, der unter hohem Druck und Temperaturen von über tausend Grad Celsius schmilzt und Magmen bildet. Da das flüssige Magma eine geringere Dichte als der Rest des Erdmantels hat, wandert es in Richtung Erdoberfläche.

„Aufgrund des Druckabfalls sättigen zur Erdoberfläche aufsteigende Magmen eine wasserreiche Flüssigkeit, die dann als magmatische Flüssigkeitsblasen freigesetzt wird und eine Silikatschmelze zurücklässt“, erklärt Stefan Farsang, Postdoktorand am Department of Earth Naturwissenschaften an der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Erstautor der Studie.

Magmatische Flüssigkeiten bestehen daher zum Teil aus Wasser, aber auch aus gelösten flüchtigen Elementen wie Schwefel und Chlor. Diese beiden Elemente sind von entscheidender Bedeutung, da sie Gold, Kupfer und andere Metalle aus der Silikatschmelze in die magmatische Flüssigkeit extrahieren und so deren Wanderung zur Oberfläche erleichtern.

Mehrere Formen von Schwefel

Schwefel kann leicht reduziert oder oxidiert werden, also Elektronen aufnehmen oder verlieren, ein Prozess, der als Redox bezeichnet wird. Der Redoxzustand von Schwefel ist wichtig, da er seine Fähigkeit beeinflusst, sich an andere Elemente, beispielsweise Metalle, zu binden. Eine Debatte spaltet die wissenschaftliche Gemeinschaft jedoch seit mehr als einem Jahrzehnt: Wie ist der Redoxzustand des Schwefels in der magmatischen Flüssigkeit, die Metalle mobilisiert und transportiert?

Zoltán Zajacz, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Geowissenschaften an der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Co-Autor der Studie, erklärt: „Eine wegweisende Arbeit aus dem Jahr 2011 legte nahe, dass S3-Schwefelradikale diese Rolle spielen. Die experimentellen und analytischen Methoden hatten jedoch keinen Erfolg.“ Mehrere Einschränkungen, insbesondere wenn es darum ging, relevante magmatische Druck-Temperatur- und Redoxbedingungen zu reproduzieren, die wir nun überwunden haben.“

Methodische Revolution

Das UNIGE-Team platzierte einen Quarzzylinder und eine Flüssigkeit mit einer Zusammensetzung, die der einer magmatischen Flüssigkeit ähnelt, in einer versiegelten Goldkapsel. Die Kapsel wurde dann in einen Druckbehälter gegeben, der dann auf Druck- und Temperaturbedingungen gebracht wurde, die für Magmen in der oberen Erdkruste charakteristisch sind.

„Unser Aufbau ermöglicht vor allem eine flexible Steuerung der Redoxbedingungen im System, was vorher nicht möglich war“, fügt Farsang hinzu.

Während der Experimente wird der Quarzzylinder zerbrochen, wodurch die synthetische magmatische Flüssigkeit eindringen kann. Der Quarz fängt dann mikroskopisch kleine Flüssigkeitströpfchen ein, wie sie in der Natur vorkommen, und die darin enthaltene Schwefelform kann bei hoher Temperatur und hohem Druck mithilfe von Lasern mit einer Analysetechnik namens Raman-Spektroskopie analysiert werden.

Während frühere spektroskopische Experimente typischerweise bis zu 700 °C durchgeführt wurden, gelang es dem UNIGE-Team, die für natürliche Magmen typische Temperatur auf 875 °C zu erhöhen.

Bisulfid als Transporter

Die Studie zeigt, dass Bisulfid (HS-), Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefeldioxid (SO2) die wichtigsten Schwefelspezies sind, die in den experimentellen Flüssigkeiten bei magmatischen Temperaturen vorkommen. Die Rolle von Bisulfid beim Metalltransport wurde bereits in sogenannten hydrothermalen Flüssigkeiten niedrigerer Temperatur, die aus magmatischen Flüssigkeiten höherer Temperatur stammen, gut dokumentiert. Es wurde jedoch angenommen, dass Bisulfid bei magmatischen Temperaturen nur eine sehr begrenzte Stabilität aufweist.

Dank seiner hochmodernen Methodik konnte das UNIGE-Team zeigen, dass auch in magmatischen Flüssigkeiten Bisulfid für den Transport des größten Teils des Goldes verantwortlich ist.

„Durch die sorgfältige Auswahl unserer Laserwellenlängen haben wir auch gezeigt, dass in früheren Studien die Menge an Schwefelradikalen in geologischen Flüssigkeiten stark überschätzt wurde und dass die Ergebnisse der Studie von 2011 tatsächlich auf einem Messartefakt basierten, was dem ein Ende setzte.“ Debatte“, sagt Farsang.

Die Bedingungen, die zur Entstehung bedeutender Edelmetallerzvorkommen führten, sind inzwischen geklärt. Da ein Großteil der weltweiten Kupfer- und Goldproduktion aus Lagerstätten stammt, die durch aus Magma gewonnene Flüssigkeiten entstanden sind, kann diese Studie zu ihrer Erforschung beitragen, indem sie wichtige Perspektiven für das Verständnis ihrer Entstehung eröffnet.