Согласно новому исследованию, золотые самородки образуются в результате землетрясений, которые сжимают кварц в достаточной степени, чтобы генерировать электрические поля — так называемый «пьезоэлектрический» эффект. В частности, традиционная гипотеза образования, включающая гидротермальный процесс, недостаточна для объяснения богатства золотых месторождений и внушительных размеров, которых достигают некоторые самородки. Новая теория также может объяснить, почему большинство золотых жил находится в кварцевых жилах.
Золото может образовываться в земной коре естественным образом в результате гидротермальных процессов, когда горячие, богатые минералами жидкости просачиваются через трещины. Драгоценный металл выпадает в осадок, когда эти жидкости остывают и претерпевают химические изменения. Отделяясь от остальных растворителей, оно попадает в кварцевые жилы. Затем геологические процессы, такие как эрозия и тектонические движения, поднимают руду на поверхность.
Однако, «хотя эта теория широко распространена, она не полностью объясняет образование крупных золотых самородков, тем более что концентрация золота в этих жидкостях крайне низка», — говорит Кристофер Войси, ведущий автор нового исследования, в пресс-релизе Университета Монаша (Австралия).
По данным World Gold Council, ежегодно добывается около 3 000 тонн золота, большая часть которого добывается из кварцевых жил. Некоторые самородки могут достигать гигантских размеров и весить до нескольких десятков килограммов. Однако в жидкостях, просачивающихся через кварцевые жилы, концентрация золота составляет не более одной части на миллион. Если бы золото образовывалось исключительно в результате гидротермального процесса, то для образования 10 килограммов золота потребовался бы объем, эквивалентный 5 олимпийским бассейнам.
Войси и его коллеги предлагают объяснение этой загадке в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Geoscience. Среди прочего, они предполагают, что образование гигантских самородков может быть связано с необычными электрическими свойствами кварца. «Наше открытие дает правдоподобное объяснение образованию крупных золотых самородков в кварцевых жилах», — объясняет Войси.
Электрические свойства, позволяющие золоту накапливаться
Кварц — один из самых пьезоэлектрических материалов, встречающихся в природе. «На Земле не так много минералов такого типа, и кварц — самый распространенный из них», — объясняет Воисей. Этот тип минерала мгновенно генерирует электрический заряд при механическом воздействии. Чем выше напряжение, тем больше заряд. Это явление можно наблюдать, например, в силе трения, которая создает искру для зажигания зажигалки, или в механизме, обеспечивающем работу кварцевых часов.
Движения, возникающие при землетрясениях, могут подвергать кварц, находящийся в земле, большим механическим нагрузкам, что приводит к значительному накоплению электрического заряда. Предполагается, что именно это явление может быть причиной «сейсмических огней» — странных свечений или вспышек, которые иногда можно наблюдать в небе во время землетрясения. Исследователи в новом исследовании предполагают, что это явление также может быть причиной образования гигантских золотых месторождений и самородков.
Хотя частота сейсмических волн зависит от силы землетрясения и состава горных пород, она может составлять от 1 до 20 герц. Это достаточно высокая частота, чтобы деформировать кварц и создать пьезоэлектрическое напряжение. С другой стороны, хотя кварц является изоляционным материалом, золото — отличный проводник. Наличие золотообразующих ядер в минерале может служить катализатором для осаждения большего количества золота, тем самым ускоряя формирование самородков.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи провели эксперимент, в ходе которого дюжину кусочков чистого природного кварца погрузили в жидкость, насыщенную частицами золота. Используя специально разработанный двигатель, они в течение часа прикладывали 20 толчков в секунду, создавая пьезоэлектрическое напряжение от 0,4 до 1,4 вольта. Цель состояла в том, чтобы воспроизвести условия, в которых находится кварц во время землетрясения.
Оценив скорость выпадения золота с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), эксперты обнаружили, что в кварцевых плитках, подвергшихся сотрясению, образовались зерна золота размером около одного микрометра, в то время как в контрольных партиях осадка не наблюдалось. «Результаты были поразительными», — сказал Энди Томкинс из Университета Монаша, соавтор исследования. «Кварц не только электрохимически откладывал золото на своей поверхности, но и формировал и накапливал золотые наночастицы», — пояснил он.
Слева: изображение сканирующим электронным микроскопом золота, осажденного на кварце в результате пьезоэлектрических реакций во время экспериментов. На вставке — увеличенное изображение, показывающее, что текстура золотого зерна состоит из нескольких золотых наночастиц, соединенных вместе. Справа: карта энергодисперсионной спектроскопии образца.
Кварц: «природная батарейка с золотом в качестве электрода»
На втором этапе эксперимента был воспроизведен тот же протокол, но на этот раз на кварцевых плитках, уже инкрустированных частицами золота. После стимуляции частицы золота выпали в осадок еще больше, чем в первом эксперименте, собравшись в основном в инкрустированных зернах. Это подтверждает гипотезу о том, что золото, присутствующее в кварце, действует как катализатор для формирования крупных самородков, благодаря своей отличной проводимости. «По сути, кварц действует как природная батарея, в которой золото выступает в качестве электрода, постепенно накапливая все больше золота с каждым сейсмическим событием», — объясняет Войси.
По мнению экспертов, эти результаты могут объяснить, почему крупные самородки были найдены в основном в кварцевых жилах, образовавшихся в месторождениях, где ранее происходили землетрясения. Однако условия проведения экспериментов предполагают, что для формирования самородков весом в десятки килограммов потребуется очень много времени. Тем не менее, если рассматривать геологическую шкалу времени, этот процесс происходит относительно быстро.
