Поскольку экстремальные условия, характерные для природных магм, очень сложно воспроизвести в лабораторных условиях, точная роль различных форм серы в переносе металлов остается весьма спорной. Однако инновационный подход группы специалистов из Женевского университета (UNIGE) показал, что сера в ее бисульфидной (HS-) форме имеет решающее значение для переноса золота в магматических флюидах.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Когда сталкиваются две тектонические плиты, субдуцирующая плита погружается в мантию Земли, нагревается и высвобождает большое количество воды. Эта вода понижает температуру плавления мантии, которая плавится под высоким давлением и при температуре свыше тысячи градусов Цельсия, образуя магму. Поскольку жидкая магма менее плотная, чем остальная часть мантии, она мигрирует к поверхности Земли.

Из-за падения давления магмы, поднимающиеся к поверхности Земли, насыщаются богатой водой жидкостью, которая затем высвобождается в виде пузырьков магматической жидкости, оставляя после себя силикатный расплав, — объясняет Стефан Фарсанг, постдокторант кафедры наук о Земле Научного факультета UNIGE и первый автор исследования.

Таким образом, магматические флюиды состоят частично из воды, а также из растворенных летучих элементов, таких как сера и хлор. Эти два элемента имеют решающее значение, поскольку они извлекают золото, медь и другие металлы из силикатного расплава в магматический флюид, тем самым способствуя их миграции к поверхности.

Несколько форм серы

Сера может легко восстанавливаться или окисляться, то есть получать или терять электроны — этот процесс известен как окислительно-восстановительный. Окислительно-восстановительное состояние серы очень важно, поскольку оно влияет на ее способность связываться с другими элементами, например, с металлами. Однако уже более десяти лет в научном сообществе не утихают споры: каково окислительно-восстановительное состояние серы, присутствующей в магматическом флюиде, который мобилизует и переносит металлы?

Золтан Заяц, доцент кафедры наук о Земле факультета естественных наук УНИГЕ и соавтор исследования, объясняет:

В 2011 году в одной из основополагающих работ было высказано предположение, что эту роль играют серные радикалы S3-. Однако экспериментальные и аналитические методы имели ряд ограничений, особенно когда речь шла о воспроизведении соответствующих магматических условий давления-температуры и окислительно-восстановительных процессов, которые мы теперь преодолели.

Методологическая революция

Команда UNIGE поместила кварцевый цилиндр и жидкость с составом, аналогичным составу магматического флюида, в герметичную золотую капсулу. Затем капсула была помещена в сосуд под давлением, в котором были созданы условия давления и температуры, характерные для магм, залегающих в верхней части земной коры.

Прежде всего, наша установка позволяет гибко управлять окислительно-восстановительными условиями в системе, что раньше было невозможно, — добавляет Стефан Фарсанг.

В ходе экспериментов кварцевый цилиндр разламывается, позволяя синтетическому магматическому флюиду проникнуть внутрь. Затем кварц улавливает микроскопические капли жидкости, подобные тем, что встречаются в природе, а форма серы в них может быть проанализирована при высокой температуре и давлении с помощью лазеров и аналитической техники, известной как спектроскопия комбинационного рассеяния. В то время как предыдущие спектроскопические эксперименты обычно проводились при температуре до 700 °C, команде UNIGE удалось поднять температуру до 875 °C, характерных для природных магм.

Бисульфид как переносчик

Исследование показало, что бисульфид (HS-), сероводород (H₂S) и диоксид серы (SO₂) являются основными видами серы, присутствующими в экспериментальных жидкостях при магматических температурах. Роль бисульфида в переносе металлов уже была хорошо задокументирована в низкотемпературных, так называемых гидротермальных флюидах, которые происходят из более высокотемпературных магматических флюидов.

Однако считалось, что бисульфид обладает весьма ограниченной стабильностью при магматических температурах. Благодаря своей передовой методике команда UNIGE смогла показать, что и в магматических флюидах бисульфид отвечает за перенос большей части золота.

Тщательно подобрав длины лазерных волн, мы также показали, что в предыдущих исследованиях количество серных радикалов в геологических жидкостях было сильно завышено и что результаты исследования 2011 года на самом деле были основаны на артефакте измерения, что положило конец этим дебатам, — говорит Стефан Фарсанг. Теперь прояснены условия, приводящие к образованию важных месторождений руд драгоценных металлов.

Поскольку большая часть мировой добычи меди и золота приходится на месторождения, образованные магматическими флюидами, данное исследование может способствовать их изучению, открывая важные перспективы для понимания их формирования.

Ранее ученые выяснили, как в магме разделяются тяжелые и легкие изотопы.