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大自然的金色变奏——矿物因境而变的秘密
来源:地球杂志 作者:高平 发布时间:2023-12-25 点击量:
国人提起黄色,更离不开气势恢宏、金色琉璃瓦铺顶的紫禁城,沿袭两千年专属帝王的黄袍袈裟。
当然,自然金、自然硫、自然铜、黄铁矿无愧为天然黄色矿物的当家花旦,金色也同样闪耀在黄铜矿、磁黄铁矿矿石,以及绿柱石、石榴子石、碧玺等宝石矿物中。

黄铜矿和黄铁矿共生 中国地质博物馆馆藏
黄铁矿是肉眼最易辨识的金属矿物,大大方方的立方体(五角十二面体、八面体)、亮闪闪的黄色金属光泽,即便氧化变成褐色的褐铁矿,也仍然坚守着漂亮的晶型不失尊容,为此它成为科普教学中最常用的矿物晶体。它也是地壳中分布最广的硫化物矿物,广到在各类岩石、矿床中,甚至在煤层、含油气地层中都有它的身影,平凡到在家居装饰的地砖上,也能看到它方头方脑憨憨的样子,它是我们身边最近的金属矿物晶体。在地质学家眼里,黄铁矿不但好看,绝对是个名角儿。黄铁矿的“一生”既是风云激荡的热液活动的最佳配角儿,也是幽闭阴湿环境中默默成长的“金色哨兵”,更是成矿作用中掌握找矿核心机密的关键角色。

黄铁矿
黄铁矿的自型能力超强,也就是说,在任何环境下它都能自主结晶形成完好的晶型,颜值一流,可身材、体态却忠实地反映了环境的优劣和变迁。在热液活动中,单晶个头大、立方体身材、成分纯净的,大多形成于铁和硫矿质不太充足、温度较高(或较低)的环境里,由于晶核不多,晶体可以悠然地按照自己最美的样子慢慢长大;如果铁、硫矿质充足,温度适中的话,铁、硫会同时凝成很多晶核,必然出现各自为政,群龙无首的局面,黄铁矿单晶要成长就必须靠增加晶体面、快速结晶来强占资源,所以个头中等偏小的五角十二面体、八面体身材居多,晶体包裹的杂质组分也较多。那么在温度、压力正常的自然沉积环境下,沉积物中的铁、硫离子也会向着黄铁矿的方正晶型顽强生长,限于生长空间小、活动半径局促以及热动力不足,它们只能长成微米大小的微晶颗粒,挤在一起组成貌似草莓的球形聚合体,从此也有了草莓状黄铁矿这么温柔的名字。由于草莓状黄铁矿晶型、大小和成分不太受后期地质作用改造影响,它也就成功保留了沉积时期的环境特征信息。这样,通过矿石中黄铁矿身材、颜值和所处位置等特征,科学家就可判断矿石所处的成矿环境,并推断在其深部、两侧是不是还可能有未知的矿化体。自信、平凡的黄铁矿晶体从而成为地质学家的侦察兵、好帮手。

黄铁矿 来源:中国地质博物馆“矿意飞扬-矿物与艺术主题展”
黄金源于自然,坚韧稳定、光芒闪耀,精诚所至、金石为开,真金不怕火炼,一诺千金,一寸光阴一寸金,都是对黄金品质的褒奖之词。矿物收藏中的自然金多为金的集合体,大的有如树枝、叶片状的。沟壑纵横,那是原生矿脉夹壁的印痕,有如浑圆块状的,带着坑洼,那是原生金矿石经地表水流反复冲刷磨圆,残砂剥落而成,俗称狗头金。天然的金晶体多是人的肉眼难以辨认的微粒金,许多博物馆,都在金矿石上架个放大镜,观众只能眯着眼通过镜片搜寻那明黄一闪。

黄铁矿假象自然金

自然金

油画“自然金” 创作/高平
20世纪70年代,在西伯利亚博代博(Bodaibo)地区的世界级金矿田中,发现了个头有核桃般大小的自然金
“ 晶体”,它们的形态有立方体、八面体,惊艳了科学家,以为终于发现了肉眼可辨的自然金晶体。四十年后,科学家用各种精密仪器测定才揭秘,原来,那是在漫长的地质过程中,金原子完全交代黄铁矿晶体中的铁、硫等原子,充填了所有晶格空穴,却仍然保持黄铁矿的外观晶型和条纹所致,这些完美的晶体,就是披着黄铁矿战袍的金贵人!
我国科学家经过对百余座金矿床研究发现,85%的金矿床是以黄铁矿为主要载金矿物,而且黄铁矿中八成以上的金是以颗粒或显微颗粒形式存在的,其余的18%为胶态,2%为离子态或其他形式的金。为什么金会“屈尊”藏身于黄铁矿呢?原来,这缘于黄铁矿与自然金的晶格参数非常相似,黄铁矿晶体的导电性又很强,在铁、硫、金物源充足的成矿热液中,它们相伴相随先后结晶的结果。

黄铁矿假象自然金
前面说过黄铁矿的自型能力超强,在热液中,黄铁矿率先结晶释放出多余电子,这些电子迅速被金离子俘获变身为金原子。恰巧,黄铁矿的半导体电极特性会牵拉着电子不离开黄铁矿晶面,抱住电子的金原子于是就势躺倒,长在黄铁矿晶面形成金核。而黄铁矿慌忙结晶时出现的凹陷、坑角缺陷,甚至被后期地质作用挤压碾碎的破裂处,更是金核最理想的栖息地。所以,随着黄铁矿的不断生长,金核也栽种成功,寄生在黄铁矿的晶面、凹陷、裂隙中。黄铁矿成长越曲折、越压抑,黄金晶体长得越大、越富集,直至成矿。
2022年4月,中央电视台《开讲啦》节目首次邀请地质专家出场,找矿地质专家唐菊兴研究员讲了一堂非常生动的矿产资源公开课。期间,主持人撒贝宁请主讲人用一种金属(矿物)比喻自己,唐菊兴用自信、自豪的语气说:“就我们学地质,做矿产勘查的人来说,最像的就是黄铁矿。它是世界上最普通的矿物,又是最宝贵的,因为最贵的金经常产于黄铁矿中,是含金量非常高的矿物,我们要学习黄铁矿这个精神,看似普通,在哪里都能扎下根,在哪里都能散发出自己的价值!”
唐菊兴研究员是我熟知的优秀科学家之一,科研一流、找矿高手,他长期奋战在青藏高原找矿一线,亲自主持勘查发现了多个特大型矿床。“我们要学习黄铁矿这个精神”打动了我,征得唐菊兴专家同意,我创作了第一幅科学家画像。青藏高原群山中,挤压褶皱巨型岩层背景下,科学家正凝神观察着手中的黄铁矿标本,仿佛又抓到了金矿成矿的新证据。
金是一种微量元素,在地壳中平均含量只有十亿分之一,一座有开采价值的金矿,是在历经了复杂多期的迁移、沉淀、富集地质过程后,把金的浓度提高到了2000倍以上才可能有的结果。自从黄金成为世界货币的硬通货,黄金储备事关国力、黄金交易牵动经济,找到更多的金矿,是地质工作者的神圣使命。在金矿勘查领域,中国的勘查地球化学家堪称低成本、快速找金的世界领跑者。
利用地壳中元素分散分布,不均匀成矿特点,勘查地球化学家通过分析岩石、土壤、水系沉积物、水体等样品中元素含量变化,找出成矿元素浓集中心,进而发现矿藏。
谢学锦院士是位尊重实践,敢想敢干的著名勘查地球化学家,他策划组织的“区域化探全国扫面计划”世界瞩目。在他眼中,大自然中的金形态比化学实验室丰富多彩得多。在固体岩石中,大量个头小于5微米的超微细金粒儿,弥散在地质体岩石矿物中,甚至还在地表捕集到了六边形纳米尺度的原生金晶体,要知道它可是经历亿万年旅程,穿透了地下约千米的厚重岩层,从深部缓慢迁移而来的。在地表环境下,生物作用却能使金变成可溶态或胶体状,在机械搬运形式共同作用下,金随水流迁移,直接进入植物、土壤、河流、大海。
在他的组织和研究指导下,首先明确了“以金找金”的大方向,坚持把当时国际上都头疼的金元素分析纳入必测的39种元素清单,接着利用当时简陋的设备条件巧攻三道难关:
一是用活性炭、泡沫塑料等廉价材料从样品溶液中成功富集超微细金,再用常规的光谱仪、原子吸收仪测试,只用几克样品就能定量测出比地壳丰度低十倍的金元素含量;
二是专注小于十亿分之四低含量微金的标准化分析,保证测试结果统一、定量,巧妙避开“粒金效应”;
三是因地制宜,按每平方公里1~4个点位的密度,采集当地最有矿化代表性的水系沉积物、土壤、水或者植物样品,迅速控制全区。
就这样实干加巧干,以极低的勘查成本,发现了大量金富集区,有的规模可达几百千米宽,叩开了藏在地下的“金库”之门。据统计,应用勘查地球化学技术,在我国发现金矿近千处,占新发现金矿的80%以上,为中国成为世界第一黄金生产大国作出了重大贡献。
在谢先生领导下开启了我的科研生涯,近距离聆听他关于“地球化学块体”“化学定时炸弹”“地球是个漏气的气球”等大胆新颖的科学观点和科研设想,并见证了这些宏大设想一一实现,得到国际上高度认可。他常说:“我是个生产思想的人,永远不会停止”。我们永远怀念他,崇敬他像金子一样闪闪发光的思想。
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