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- 영상 제목: 인류가 지구에 남아있는 99%의 금을 절대 쓸 수 없는 이유ㅣ🥤콜라보다 (곽민수x장홍제 1부)
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🗂️ 논문 정보
- DOI: 10.2113/gsecongeo.98.3.643
- ISO 690: SISSON, T. W. Native gold in a Hawaiian alkalic magma. Economic Geology, 2003, 98.3: 643-648.
- 저자: T. W. SISSON
- 카테고리: 지구과학, 지질학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
Sisson et al.의 연구는 JAMSTEC 모래암 샘플 S508-R3에서 발견된 금을 함유한 바사나이트 유리 입자 B-19의 전자 현미경 이미지를 통해 금이 포함된 바사나이트-네펠리나이트 군의 특성을 분석합니다. 이 연구는 초기 킬라우에아의 해저 및 해상 화산 활동 결과로 다양한 황 함량을 가진 유리들이 존재함을 보여주며, 특히 높은 황 함량을 가진 유리는 해저 조건에서의 급속한 냉각과 높은 압력으로 인해 탈기가 제한되어 보존된 것으로 해석합니다. 연구는 금 덩어리가 자연적 기원을 가지며, 마그마 기원임을 시사합니다.
방법론
연구에서는 원소 분산 전자 현미경 분석을 통해 자연 금의 구성을 조사했습니다. 20 kV의 가속 전위, 25 nA의 전류, 집중된 빔을 사용하고 각 원소당 40초 동안 계수하여 수행된 분석을 통해, 금속 덩어리는 대략 98.4 wt 퍼센트의 금(Au), 1.4 wt 퍼센트의 팔라듐(Pd), 그리고 0.2 wt 퍼센트의 구리(Cu)로 구성되어 있음을 확인했습니다. 이 금 덩어리는 신선하고 비수화된 유리 내에 포함되어 있으며, 알칼리성 액체 내 마그마 단계에서 형성된 것으로 추정됩니다.
결과
황화물의 안정성과 금의 운반 및 침전 과정에 대한 연구는 황화물의 재흡수가 금의 침전을 유발했을 가능성을 제시합니다. 바사나이트에서 네펠리나이트로의 점진적 결정화-분화 과정에서 황, P2O5, Cl, Sr 등이 농축되었으며, 특히 황은 다른 성분들보다 현저히 높은 농축 비율을 보여 초기 마그마 황화물이 재흡수되면서 황이 추가된 것으로 추정됩니다. 이는 실리케이트 용융액 내에서의 금의 용해도를 초과할 경우 마그마 반응 생성물로서 금이 침전되었을 것을 시사합니다. 또한, 올리빈과 용융액 사이의 Fe2+와 Mg의 교환 및 용융액 내 Fe2+-Fe3+ 평형에 대한 조성 의존적 표현을 적용한 결과, 바사나이트-네펠리나이트 유리 스위트 내 올리빈 페노크리스트 가장자리의 Mg/(Mg+Fe) 비율이 확인되었습니다.
결론
연구 결과는 마피크 알칼리암이 전 세계적으로 경제적인 금 매장지를 제공하며, 하와이와 같은 일부 해양 섬 화산에서 초기 킬라우에아의 바사나이트, 네펠리나이트, 알칼리 현무암과 유사한 알칼리암이 노출되지만, 알려진 해양 섬 금 매장지의 부재는 매장지가 없기보다는 노출된 알칼리암 침입체의 부족과 관련이 있을 수 있습니다. 초기 킬라우에아 샘플, 특히 유리체의 신선도는 금이 어떻게 그리고 어떤 마그마에 의해 운반되었는지에 대한 이해를 크게 향상시킵니다. 중요한 요소로는 마그마의 알칼리성 조성, 낮은 용융 정도, 높은 산소 분압 및 황 용해도가 있으며, 이는 금을 맨틀 소스에 유지할 수 있는 잔류 황화물의 양을 줄였습니다. 본 연구는 화산암 내 금이나 그 전구체인 황화물이 알칼리성 집합암으로 분리되어, 분출된 마그마에서는 오직 미량만이 남게 될 수 있음을 시사하며, 이는 금 자원의 탐사와 개발에 있어 새로운 지평을 열 수 있는 중요한 시사점을 제공합니다.
📖 논문 상세 요약
초록
Sisson et al.의 연구에서는 JAMSTEC 모래암 샘플 S508-R3에서 발견된 금을 함유한 바사나이트 유리 입자 B-19의 전자 현미경 이미지를 통해, 금이 포함된 바사나이트-네펠리나이트 군의 특성을 분석하였습니다. 이 연구는 다양한 황 함량을 가진 유리들이 초기 킬라우에아의 해저 및 해상 화산 활동의 결과임을 보여줍니다. 특히, 높은 황 함량을 가진 유리는 해저 조건에서의 급속한 냉각과 높은 압력으로 인해 탈기가 제한되어 보존된 것으로 해석됩니다. 연구에서는 또한, 금 덩어리가 자연적 기원을 가지며, 전자 프로브 분석 중 생성된 직사각형의 제거 구덩이 내에 위치하는 것을 확인하였습니다. 이는 금 덩어리가 표면 오염물이 아니라 마그마 기원임을 시사합니다.
Composition of native gold
본 연구에서는 원소 분산 전자 현미경 분석을 통해 자연 금의 구성을 조사하였습니다. 이 분석은 20 kV의 가속 전위, 25 nA의 전류, 집중된 빔을 사용하고 각 원소당 40초 동안 계수하여 수행되었습니다. 분석 결과, 금속 덩어리는 대략 98.4 wt 퍼센트의 금(Au), 1.4 wt 퍼센트의 팔라듐(Pd), 그리고 0.2 wt 퍼센트의 구리(Cu)로 구성되어 있으며, 거의 이항 금-팔라듐 합금으로 나타났습니다. 다른 원소들은 일관되게 검출되지 않았으며, 이 덩어리의 구성은 상업적으로 정제된 금이나 금 합금과는 다르며, 시료 준비 과정에서 인위적으로 도입된 오염물이 아님을 확인했습니다. 이 금 덩어리는 신선하고 비수화된 유리 내에 포함되어 있으며, 모래암 내 다른 곳에서 금 입자가 발견되지 않아, 시료의 변형 제품이 아니라 알칼리성 액체 내 마그마 단계에서 형성된 것으로 추정됩니다.
Sulfide stability, and gold transport and precipitation
황화물의 안정성과 금의 운반 및 침전 과정에 대해, 황화물의 재흡수가 금의 침전을 유발했을 가능성이 제시됩니다. 바사나이트에서 네펠리나이트로의 점진적 결정화-분화 과정에서 매끄러운 조성 변화가 관찰되며, 이는 기초암석에서 자식액체로의 변화 과정에서 황, P2O5, Cl, Sr 등이 농축되었음을 나타냅니다. 특히 황은 다른 성분들보다 현저히 높은 농축 비율을 보여, 초기 마그마 황화물이 재흡수되면서 황이 추가된 것으로 추정됩니다. 이러한 황화물의 재흡수는 금을 포함한 귀금속의 방출을 초래하며, 이는 실리케이트 용융액 내에서의 금의 용해도를 초과할 경우 마그마 반응 생성물로서 금이 침전되었을 것을 시사합니다. 또한, 황화물의 분해는 귀금속 및 기타 금속들을 광상 형성 시스템으로 도입할 수 있으나, 바사나이트-네펠리나이트 유리에서의 높고 증가하는 황과 염소 농도는 황화물 분해의 메커니즘이 탈기가 아님을 나타냅니다. 대신, 용융액이 더 알칼리성 조성으로 분화됨에 따라 황의 용해도가 증가함에 따라 황화물이 불안정해졌을 가능성이 있습니다.
본 연구에서는 올리빈과 용융액 사이의 Fe2+와 Mg의 교환 및 용융액 내 Fe2+-Fe3+ 평형에 대한 조성 의존적 표현을 적용하여, 바사나이트-네펠리나이트 유리 스위트 내 올리빈 페노크리스트 가장자리의 Mg/(Mg+Fe) 비율이 0.853에서 0.831 사이임을 전자 마이크로프로브 측정을 통해 확인했습니다. 이는 쿼츠-파이알라이트-마그네타이트(QFM) 기준 버퍼보다 1.3 log10 단위 높은 산소 퓨가도(fO2) 추정치에서 0.3 log10 단위 낮은 추정치까지 다양함을 보여줍니다. 용융액의 차별화가 진행됨에 따라 알칼리성이 증가하면서 총 S 용해도 및 황산염으로 용해된 S의 비율이 증가했으며, 이는 황화물 상의 재흡수와 황화물에 의해 이전에 호스트되었던 금의 최종 침전을 유도했습니다. 가장 강력한 알칼리성을 가진 네펠리나이트 유리는 다른 입자들보다 더 환원된 상태를 보이며, 이는 알칼리가 마그마성 액체 내 Fe2O3의 활성도를 낮추는 강력한 효과를 반영합니다.
본 연구에서는 올리빈 미세결정 가장자리와 유리 조성을 이용하여 산소 휘발성을 계산하고, 이를 통해 고압에서의 황의 용해도가 낮음에도 불구하고, 고산소 휘발성 조건과 용융 중 황의 용해도가 증가함에 따라 맨틀 소스 지역에서 금과 같은 귀금속을 유지할 수 있는 잔류 마그마 황화물의 양이 감소했음을 제시합니다. 또한, 금은 규산염 용융체에서 팔라듐보다 용해도가 낮으며, 이러한 용해도 차이는 1100에서 1200도 섭씨의 조건에서 가장 크며, 이는 진화된 금을 포함하는 스위트의 가능한 조건을 나타냅니다. 예측된 금/팔라듐 비율은 하와이안 현무암과 유사하며, 이는 특별히 높은 금/팔라듐 비율을 요구하지 않고도 거의 순수한 금 용융체의 침전이 가능함을 시사합니다.
Gold in other early kilauea rocks
초기 킬라우에아 화산암에서 발견된 금은 마그마 단계에서 형성된 것으로, 인위적 오염이나 변성 생성물이 아닌 것으로 보입니다. 이는 초기 킬라우에아의 알칼리성 및 전이성 현무암질 암석에서 높은 전체암 금 함량(최대 36 ppb)이 관찰되며, 이는 주로 톨레이트질 하와이 용암보다 훨씬 높은 수치입니다. 이러한 암석들은 해저 기후의 영향으로 일부 변화가 있었으나, 높은 금 함량은 초기 킬라우에아를 공급한 마그마가 상대적으로 금이 풍부했거나, 아직 알려지지 않은 저온 과정을 통해 금이 지역적으로 도입되었음을 시사합니다. 또한, 초기 킬라우에아 마그마의 높은 금 함량은 다른 지역의 신선한 화산암과의 비교 및 동일한 분석 방법을 통해 샘플 준비 과정에서의 오염이 아님을 보여줍니다. 이는 초기 킬라우에아 마그마의 특징적인 지화학적 특성으로, 일부 마그마에서 황화물이 흡수됨에 따라 불용성 금 액체가 침전될 수 있음을 나타냅니다.
본 섹션에서는 다양한 연구자들의 논문이 언급되고 있습니다. Shimizu et al.(2001)과 Zindler와 Hart(1986)를 비롯하여, Chen과 Frey(1983), Stille et al.(1986), 그리고 Tilling et al.(1973)과 Crocket(2002)의 연구가 포함되어 있습니다. 이들 논문은 각각 지질학과 지구화학 분야에서 중요한 발견과 이론을 제시하며, 지구의 구성, 역사, 그리고 내부 프로세스에 대한 깊은 이해를 도모합니다. 본 섹션은 이러한 연구들을 통해 얻어진 지식을 종합하여, 지구과학 분야에서의 주요 발전과 발견들을 개관하고 있습니다.
Concluding remarks
연구에 따르면, 마피크 알칼리암은 전 세계적으로 경제적인 금 매장지를 제공하며, 특히 대륙에서 발달한 알칼리 연관 금 매장지가 주로 발견됩니다. 하와이와 같은 일부 해양 섬 화산에서는 초기 킬라우에아의 바사나이트, 네펠리나이트, 알칼리 현무암과 유사한 알칼리암이 노출되지만, 알려진 해양 섬 금 매장지의 부재는 매장지가 없기보다는 노출된 알칼리암 침입체의 부족과 관련이 있을 수 있습니다. 킬라우에아에서는 초기 암석이 산사태와 단층 활동을 통해 노출되었으나, 상당한 수중 깊이에 위치합니다. 하와이가 경제적인 금 매장량을 보유하고 있을 가능성은 낮지만, 초기 킬라우에아 샘플, 특히 유리체의 신선도는 금이 어떻게 그리고 어떤 마그마에 의해 운반되었는지에 대한 이해를 크게 향상시킵니다. 중요한 요소로는 마그마의 알칼리성 조성, 낮은 용융 정도, 높은 산소 분압 및 황 용해도가 있으며, 이는 금을 맨틀 소스에 유지할 수 있는 잔류 황화물의 양을 줄였습니다.
본 연구에서는 화산암 내 금이나 그 전구체인 황화물이 알칼리성 집합암으로 분리되어, 분출된 마그마에서는 오직 미량만이 남게 될 수 있음을 시사합니다. 이는 Bird et al.(1991, 1995)과 Arnason et al.(1997)에 의해 추론된 바와 같이, 집합암에서 호스팅된 금 광상에 대한 연구에서도 유사하게 관찰되었습니다. 또한, Keith et al.(1997)과 Hattori와 Keith(2001)는 해양 섬에서 형성된 마피알칼리성 집합암이 과소평가된 금 자원을 포함할 수 있음을 제안합니다. 이러한 발견은 금 자원의 탐사와 개발에 있어 새로운 지평을 열 수 있는 중요한 시사점을 제공합니다.
📚🔄 논문 전체 번역
하와이 알칼리성 마그마에서의 천연 금
초록
하와이 킬라우에아 화산의 초기 해저 단계에서 발견된 신선한 바사나이트 유리에서 발견된 천연 금은 맨틀에서 유래한 마그마에서 독립적인 귀금속 상으로 금이 운반된 첫 번째 문서화된 사례일 수 있습니다. 금이 함유된 유리는 킬라우에아 남쪽 사면 3879m 깊이에서 잠수함 신카이 6500에 의해 수집된 해양과학기술센터(JAMSTEC) 샘플 S508-R3의 층상 화산 유리 사암의 입자입니다. 그곳의 광범위한 노두는 초기 킬라우에아에서 해저 분출된 알칼리성 암석 조각과 유리를 포함하는 파편류 브레키아와 사암을 드러냅니다. 결정화-분화 과정에서 마그마 황화물이 재흡수되면서 황화물에 포함된 금이 방출되어 비혼합성 금 액체가 침전되었습니다. 초기 킬라우에아의 신선한 용암과 암괴에서 전체 암석 금 농도가 높게 나타나며(최대 36 ppb), 하와이 순상 화산의 초기 단계에서 분출된 일부 마그마가 독특하게 금이 풍부했음을 보여줍니다. 이는 아마도 맨틀 원천에 남아 있는 황화물이 제한적이었기 때문일 것입니다. 다른 해양 섬의 알칼리성 마그마도 금이 풍부할 수 있으며, 해양 핫스팟 지역은 과소평가된 금 자원을 포함할 수 있습니다.
금의 발견과 발생
천연 금 방울(Fig. 1)은 바사나이트에서 네펠리나이트 유리 입자(Fig. 2, Table 1)로 이루어진 동질성 집합체에서 마그마 황화물을 찾는 과정에서 발견되었습니다. 이 유리 입자들은 사암 S508-R3에서 풍부하게 발견됩니다. 킬라우에아 해안 깊은 곳의 이 사암과 다른 사암에서 유리 입자는 두 가지 주요 원천에서 유래했습니다(Lipman et al., 2000, 2002; Sisson et al., 2002). 탈가스된(낮은 S) 톨레이트 유리는 주로 마우나 로아의 지상 용암에서 유래했으며, 이 용암은 바다로 흐르면서 파편화되었습니다. 탈가스되지 않은(높은 S) 알칼리성 및 강한 알칼리성 유리는 킬라우에아의 초기 해저 단계에서 유래했습니다. 킬라우에아 남쪽 사면 사암의 유리 입자는 가장자리를 따라 팔라고나이트로 변환되지만, 다른 곳에서는 신선하고 변형되지 않았으며 수화되지 않아 차가운 바닷물에 저장되어 1차 마그마 조성을 보존합니다(Sisson et al., 2002). 사암 S508-R3의 바사나이트에서 네펠리나이트 유리 집합체는 황(1,000에서 3,000 ppm)과 염소(780에서 1,750 ppm)가 높으며, 올리빈과 스피넬의 광물 조합을 포함합니다. 철 황화물 방울은 바사나이트-네펠리나이트(35개의 S 508-R3에서 조사된 입자) 중 하나의 바사나이트 입자에서 발견되었습니다. 사암 내의 phlogopite와 kaersutite 파편은 알칼리질 암석군에서 기원한 더 거친 반정(phenocryst)의 조각들일 수 있습니다. 해저 환경과 같은 수중 조건에서 알칼리질 용융체가 급랭되면서, 높은 압력과 빠른 냉각이 탈기(degassing)를 제한하였고, 그 결과 매우 높은 S와 Cl 농도가 보존되었습니다. 금 입자(bleb)는 구상(spheroidal) 형태이며, 지름은 약 0.75 µm로, 전체 둘레에 걸쳐 유리(glass)와 접촉하고 있습니다. 금 입자가 노출된 연마 박편(polished thin section)은 금으로 코팅된 적이 없으며, 사암의 세 개 연마 박편을 관찰했을 때 유리 입자 내부나 팔라고나이트질(palagonitic) 기질 모두에서 다른 금 입자는 발견되지 않았습니다.해당 금을 함유한 입자가 표면 오염이 아님을 확인하기 위해, 탄소 코팅층은 면봉과 용제를 사용해 문질러 제거하였습니다. 주사 전자 현미경 관찰(30 000배) 결과, 금 입자는 여전히 시료 내에 남아 있는 것으로 나타났으며, 이는 마그마 기원(magmatic origin)과 일치합니다. 다만, 현재 이 금 입자는 래스터 방식의 고빔 전류 전자 미세탐침 분석(electron-probe analysis) 동안 생성된 직사각형 어블레이션 피트(rectangular ablation pit) 내부에 위치하게 되었습니다.
그림 1. JAMSTEC 사암 샘플 S508-R3에서 금을 함유한 바사나이트 유리 입자 B-19의 반사 전자 이미지(스케일 바는 20 µm). 유리는 팔라고나이트 매트릭스에 둘러싸여 있다. 유리 내 희미한 원(4개 표시)은 전자 마이크로프로브 분석 위치를 나타낸다(표 1). 삽입된 그림은 블레브 영역의 Au Mα X선 지도를 보여준다(스케일 바는 1 µm). X선 지도에서 날카로운 경계가 없는 것은 빔 플레어 때문이다.
그림 2. Kilauea 남쪽 사면 해저 화산쇄설암에서 유리의 총 알칼리-실리카 다이어그램(Sisson et al., 2002 이후 업데이트), JAMSTEC 사암 샘플 S508-R3에서 금을 함유한 바사나이트-네펠리나이트 계열(회색 원)을 보여준다. 높은 S 유리(>750 ppm)는 초기 Kilauea의 해저 분출물이다. 중간 S 유리(400–750 ppm)는 부분적으로 탈가스화된 것으로, 아마도 초기 Kilauea의 얕은 해저 산물일 가능성이 있지만, 부분적으로 탈가스화된 테프라가 포함되거나 탈가스화된 마그마와 비탈가스화된 마그마의 혼합물일 수 있다. 낮은 S(<400 ppm) 유리는 아마도 Mauna Loa와 Mauna Kea에서 유래한 지상 용암에서 파생된 것이다.
표 1. Au-블레브 및 관련 알칼리성 입자에 대한 마이크로프로브 분석
보고된 조성은 5회 반복 분석의 평균값이다
천연 금의 구성
Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Bi, Te, Sb의 농도는 파장 분산 전자 미세 탐침 분석을 통해 측정되었으며, 기기 조건은 20 kV 가속 전압, 25 nA 전류, 집중된 빔을 사용하였고, 각 원소당 40초 동안 계수하였습니다. 블렙의 크기가 작기 때문에 전자 빔이 인접한 유리에 겹치는 것을 피할 수 없으며, 이는 겉보기 농도를 희석시키고 분석 총량을 낮게 만듭니다. 유리와의 겹침을 배제하기 위해 100 중량 퍼센트로 정규화한 결과, 반복 분석은 상당히 균일하며(표 2), 블렙은 약 98.4 중량 퍼센트 Au, 약 1.4 중량 퍼센트 Pd, 약 0.2 중량 퍼센트 Cu로 구성되어 있습니다. 다른 원소는 일관되게 검출되지 않았으며, 블렙은 거의 이원 합금인 Au-Pd 합금으로 보입니다. Au와 Pd 이외의 성분 농도에 대해서는 확실한 결론을 내릴 수 없으며, 1 퍼센트 수준 이하로 존재합니다. 블렙의 구성은 일반적인 상업적으로 정제된 금이나 금 합금과 일치하지 않으며(Wise, 1964), 이는 샘플 준비 중에 도입된 인위적 오염물이 아님을 확인합니다. 신선하고 비수화된 유리 내에 포함되어 있으며, 사암 내 다른 곳에서 금 입자가 발견되지 않는 것은 금 블렙이 샘플의 변질로 인한 산물이 아님을 증명합니다. 알칼리성 액체 내에서 마그마 단계의 상으로 기원했을 가능성이 가장 높습니다. Au98.5-Pd1.5에 가까운 조성으로, 블렙은 ~1,075°C 이상에서 용융되었을 것이며(Hansen, 1958), 마그마 조건에서 불혼화 Au 액체의 방울로 존재했을 가능성이 큽니다.
표 2. Au-블렙의 전자 미세 탐침 분석
유리와의 겹침을 고려하여 100%로 정규화된 분석; 1, 2, 4-6은 집중된 빔으로, 3은 2-µm2 영역에서 블렙과 유리를 스캔하여 분석. — = 분석되지 않음
황화물 안정성, 금의 운반 및 침전
점진적인 결정화-분화 과정에서 황화물의 재흡수가 금의 침전을 유발했을 수 있습니다. 바사나이트-네펠리나이트 유리 계열을 따라 부드러운 조성 변화는 마그네슘 규산염과 스피넬이 바사나이트 모체에서 분화하여 네펠리나이트 자식 액체를 생성하는 점진적인 결정화-분화 과정을 시사합니다(그림 3). 강하게 비호환적인 성분인 P2O5, Cl, Sr은 가장 진화된 네펠리나이트에서 2.1에서 2.3배로 농축되어 있으며, 이는 바사나이트 모체에서 용융 분율이 절반 이상 감소했음을 나타냅니다. 칼륨과 Na는 덜 강하게 농축되어 1.7배로, 이는 분화 과정에서 K 및 Na가 풍부한 상 또는 상들이 분리되었음을 나타내며, 아마도 카에르수타이트와 아마도 필로고파이트일 가능성이 큽니다. 반면, 황은 3배로 농축되어 있으며, 이는 유리 계열의 다른 어떤 성분보다도 크게 증가한 것입니다. 강하게 비호환적인 성분보다 황이 더 많이 농축될 수 있는 것은 황이 액체에 추가되었을 때만 가능하며, 이는 초기 마그마 황화물이 점진적인 분화 과정에서 재흡수되었을 때 발생할 것입니다. 마그마 황화물은 금과 다른 귀금속을 강하게 농축하며(Crocket et al., 1997; Fleet et al., 1999), 황화물이 재흡수되면서 방출될 것입니다. 만약 황화물 재흡수 중 방출된 금의 양이 규산염 용융에서의 용해도를 초과했다면, 금은 마그마 반응 생성물로 침전되었을 것입니다.
황화물(sulfide)의 분해는 탈기(degassing)에 의해 유도될 수 있으며, 이로 인해 용해되어 있던 금속들이 방출되어 귀금속을 포함한 다양한 금속들이 광상 형성 시스템에 공급될 수 있습니다 (Keith et al., 1997; Larocque et al., 2002). 또한, 화성질 용융체(mafic melts)의 직접 탈기 역시 이러한 현상을 일으킬 수 있습니다 (Hattori and Keith, 2001). 그러나 바사나이트-네펠리나이트 유리 내에서 관찰되는 높고 증가하는 황(S) 및 염소(Cl) 농도는 황화물 분해를 유발하는 탈기 기작을 배제하게 합니다. 대신, 용융물이 보다 알칼리성이 강한 조성으로 분화됨에 따라, 황 용해도가 증가하여 황화물의 안정성이 저하되었을 수 있습니다. 황은 규산염 용융체에서 황화물(S²⁻)과 황산염(S⁶⁺) 형태로 용해되며, 이들의 상대적 비율은 전자탐침분석 시 생성되는 황 Kα X선의 파장을 통해 측정할 수 있습니다 (Carroll and Rutherford, 1988; Wallace and Carmichael, 1994). 고산소분압(fO₂) 및 고알칼리성 마그마 환경은 용융체 내에서 황화물보다는 황산염의 존재를 촉진합니다 (Carroll and Webster, 1994). 파장 측정 결과(Fig. 3), 가장 덜 분화된 바사나이트 유리에서는 황산염 비율이 약 30~35%이며, 가장 분화가 심한 네펠리나이트에서는 약 90%로 지속적으로 증가하였습니다. 마그마의 fO₂는 올리빈 미세 반정(microphe nocryst) 가장자리와 공존하는 유리를 분석함으로써 독립적으로 평가할 수 있으며, 올리빈-용융체 간의 Fe²⁺/Mg 교환 조성식(Carmichael and Ghiorso, 1990)과 용융체 내 Fe²⁺-Fe³⁺ 평형(Ghiorso and Sack, 1995)을 적용합니다. 전자 미세탐침 결과, 바사나이트-네펠리나이트 유리군 내 올리빈 반정 가장자리의 Mg/(Mg+Fe) 비는 0.853~0.831 범위로, 이는 규석-철장석-자철석(Quartz-Fayalite Magnetite, QFM) 완충계 기준 대비 로그 단위로 +1.3에서 -0.3 사이의 fO₂ 범위에 해당합니다(Fig. 3). 분화가 진행되면서 황산염 비율의 증가는 fO₂ 증가는 물론 연관되지 않았으며, 오히려 용융물 내 알칼리 함량 증가가 총 황 용해도와 황산염 형태 황 용해 비율의 증가를 주도한 것으로 나타났습니다. 가장 강한 알칼리성인 네펠리나이트 유리들은 다른 입자들에 비해 상대적으로 더 환원된 상태를 보이며(Fig. 3), 이는 알칼리성분이 마그마 내 Fe₂O₃ 활성도를 낮추는 강한 영향을 반영합니다 (Snyder and Carmichael, 1992). 분화가 진행되면서 용융물은 점점 더 알칼리성이 되었고, 이에 따라 황 용해도 및 황산염 형태 황 용해 비율이 상승하였습니다. 이러한 변동은 마그마 황화물상을 다시 용해(resorption)시키는 역할을 하였으며, 이로 인해 이전에 황화물 내에 존재하던 금의 침전이 일어나게 되었습니다.
그림 3. 전자 현미경 탐침으로 측정한 JAMSTEC 사암 샘플 S508-R3의 금 함유 바사나이트-네펠리나이트 유리군의 조성. 대표적인 유리 분석 결과는 표 1에 제공됨. (A) 두 개의 가장 적게 분별된(가장 낮은 알칼리, 가장 높은 실리카, 가장 마피크한) 유리 입자의 평균에 대한 농축. (B) 유리 내 총 S의 백분율로서의 황산염, S Kα X선 파장의 변화에 의해 결정됨, 유리의 SiO2에 대한. 파장 변화 측정은 S Kα X선 피크를 가로질러 각기 겹치지 않는 위치에서 5~8회 스캔(각 2~3분 소요)의 평균값이며, S2-에 대해서는 합성 트로일라이트, S6+에 대해서는 바라이트를 기준으로 함. (C) 바사나이트-네펠리나이트 용융물의 산소 포화도(로그 바 단위로 QFM 산소 버퍼에 상대적)와 유리의 SiO2에 대한. 산소 포화도는 감람석 미세결정 가장자리와 유리 조성으로부터 계산되며, Fe2+-Mg 교환 평형식을 사용하여 액체 내 Fe2O3와 FeO를 결정하고, 이를 MELTS(Ghiorso and Sack, 1995)를 통해 fO2와 동일시함(Carmichael and Ghiorso, 1990). 불확실성 범위는 1100에서 1200°C 및 감람석 가장자리의 ± 0.005를 포함함. 금 함유 입자는 감람석 미세결정을 포함하지 않아 fO2 추정이 불가능함. 점선은 Ni-NiO 기준 산소 버퍼를 나타냄.
분화 시리즈의 시작점에 있는 바사나이트는 일반적인 하와이 현무암과 비교하여 산화되고 황산염이 풍부하며, 이는 S의 <15%가 S6+로 존재하고, fO <QFM +0.4 (Wallace and Carmichael, 1994)보다 낮습니다. 이는 상대적으로 바사나이트 기원 지역에서의 높은 산소분압(fO₂) 조건은 다른 구조적 환경의 알칼리 마그마에 대해 여러 방법으로 추정된 바 있습니다(Carmichael, 1991). 유리 내 높은 황(S) 농도, 낮은 부분 용융도(Sisson et al., 2002), 그리고 고압에서의 낮은 황 용해도(Mavrogenes and O’Neill, 1999; Holzheid and Grove, 2002)는 황화물이 용융 과정에서 잔류 상(residual phase)임을 시사합니다. 그러나 용융 시기 높은 fO₂와 황산염(S⁶⁺) 용해도는 만약 잔류했다면 맨틀 원천에서 금 및 기타 귀금속을 보유하고 있었을 마그마 황화물의 양을 감소시켰을 가능성이 있습니다.
금은 규산염 용융물에서 팔라듐보다 용해도가 낮으며 (Borisov and Palme, 1996), 용해도 차이는 1350°C 미만에서 가장 큽니다. QFM 버퍼에서 1100~1200°C의 용해도 관계를 외삽하면 (Borisov and Palme, 2000), 비교적 진화된 금 함유 계열의 조건으로, 액체 금속에서 Au와 Pd의 이상적인 혼합을 가정하면, Au/Pdcn (콘드라이트 정규화) 3~9 (중량)의 바사나이트 액체가 Au-방울과 공존할 것으로 예측됩니다. 예측된 상대적 풍부도는 하와이 현무암에서의 Au/Pdcn 약 3과 유사하여 (Tatsumi et al., 1999; Crocket, 2000), 거의 순수한 Au 용융물의 침전(Au/Pdcn 250)이 비정상적으로 높은 Au/Pd를 가진 마그마를 필요로 하지 않았음을 시사합니다. 황화물 용융-규산염 용융 시스템에서 Pd는 Au보다 황화물에서 더 호환성이 높으며, 약 20배 정도입니다 (Fleet et al., 1999). 이는 평형 상태에서 Au/Pd가 액체 금속 > 규산염 액체 > 황화물 액체 순서로 변동함을 나타냅니다. 따라서 황화물의 점진적인 재흡수는 침전된 금속에서 Pd의 증가로 이어져야 하지만, 이는 현재의 맥락에서 단일 Au 방울만으로는 확인할 수 없습니다.
다른 초기 킬라우에아 암석의 금
금 방울이 인위적 오염물이나 변질 산물이 아닌 마그마 단계의 상이었다는 증거는 설득력이 있지만, 방울이 화산 기저에서 끌려온 것이며 동종이 아닐 가능성도 있습니다. 동종 기원의 증거는 초기 킬라우에아의 알칼리성과 전이성 현무암 암석에서 나옵니다. 이 암석들은 전체 암석 금 함량이 높아 36 ppb에 이르며, 주로 톨레이트 아열대 하와이 용암의 금 값보다 훨씬 큽니다 (그림 4, 표 3). 초기 킬라우에아 암석은 변질되지 않았지만 (금 함량이 낮은 하와이이트 하나 제외, 표 3), 해저 풍화로 인해 소량의 점토가 기공과 구멍에 도입되었고, 지질 유리질이 다양하게 수화되었으며, 현무암 유리질 표면에 팔라고나이트가 형성되었습니다 (Sisson et al., 2002). 높은 금 함량 암석(>6 ppb)에는 파편류 브레키아의 암괴, 제자리에 있는 현무암 베개 용암, 베개-브레키아 조각이 포함됩니다. 이 암석들은 고온 열수 조건을 경험하지 않았으며, 금 함량이 높은 것은 초기 킬라우에아에 공급된 일부 마그마가 비교적 금이 풍부했거나, 인식되지 않은 저온 과정에 의해 지역적으로 금이 도입되었음을 나타냅니다. 금 함량은 분석 총량으로 측정된 수화 정도, 변질에 민감한 원소(CS, K); (Sisson et al., 2002), 또는 황화물 도입을 나타낼 수 있는 원소(Sb, As) (표 3)와 상관관계가 없으며, 따라서 마그마적임을 나타냅니다. 초기 킬라우에아 암석의 높은 전체 암석 금 함량이 샘플 준비 중 오염에 의한 것이 아님을 보여주는 것은 동일한 시설에서 동일한 중성자 활성화 방법을 통해 처리 및 분석된 다른 지역의 신선한 화산암의 일관되게 낮은 금 함량입니다(표 3). 비교적 높은 전체 암석 금 함량은 초기 킬라우에아 마그마의 널리 퍼진 지구화학적 특징으로 보이며, 금 함량이 충분히 높아 일부 마그마가 황화물이 재흡수되면서 비혼합 금 액체를 침전시킬 수 있었다는 해석과 일치합니다. 알칼리 유리 입자의 납 동위원소 값은 초기 킬라우에아 알칼리 마그마가 이후 톨레이트 또는 방패 이후 알칼리 마그마와는 다른 맨틀 소스 지역에서 유래했음을 보여줍니다 (Shimizu et al., 2001). 알칼리 마그마의 한 소스는 방패 단계 톨레이트의 구성 요소인 가설된 "Kea" 하와이 동위원소 종단원과 유사했습니다. 또 다른 소스는 S508-R3의 금 함유 바사나이트-네펠리나이트 유리로 대표되며, "himu" (높은 U/Pb) 맨틀 종단원 쪽으로 이동되어 있으며, 높은 금 함량은 그 소스에서 상대적으로 산화된 알칼리 마그마의 특징일 수 있습니다 (Shimizu et al., 2001; Zindler and Hart, 1986). 방패 이후 알칼리 하와이 마그마는 주로 고갈된 맨틀 소스에서 유래하고 (Chen and Frey, 1983; Stille et al., 1986) 낮은 Au 함량을 가지고 있습니다 (Tilling et al., 1973; Crocket, 2002).
그림 4. 킬라우에아의 해저 남쪽 측면에서 발견된 베개 용암과 암괴의 금 농도. 톨레이트는 얕은 수준에서 탈가스된 지상 방패 단계의 킬라우에아와 마우나 로아의 산물이며, 전이 현무암에서 네펠리나이트까지는 초기 해저 킬라우에아의 산물이다 (Lipman et al., 2002; Sisson et al., 2002). 필드는 하와이 용암, 주로 톨레이트에 대한 문헌 값을 보여준다 (Tilling et al., 1973; Tatsumi et al., 1999; Crocket, 2000).
표 3. 킬라우에아 남쪽 플랭크 전암 SiO2, Au, As, Sb 함량
SiO2는 XRF로 분석되었으며, 모든 Fe를 FeO로 하여 100%로 정규화된 분석 결과 (Sisson et al., 2002); Au, As, Sb는 INAA로 분석; 비하와이안 용암은 워싱턴의 레이니어 산 지역에서 채취
ML 툴레이트 = 마우나 로아형 툴레이트
결론
마피 알칼리암은 전 세계적으로 경제적인 금 매장지를 호스팅하거나 (Jensen and Barton, 2000) 인근 매장지에 금 및 기타 귀금속을 공급합니다 (Keith et al., 1997). 개발된 알칼리 연관 금 매장지는 주로 대륙에 위치해 있습니다 (Jensen and Barton, 2000). 일부 해양 섬 핫스팟 화산은 초기 킬라우에아의 바사나이트, 네펠리나이트 및 알칼리 현무암과 유사한 알칼리암을 노출하며, 알려진 해양 섬 금 매장지의 부족은 노출된 알칼리 침입체의 희소성과 관련이 있을 수 있으며, 매장지의 부재 때문은 아닐 수 있습니다. 하와이 화산의 초기 알칼리질 부위는 대부분 후속되는 금 함량이 낮은 토라이트(tholeiite) 퇴적층 아래 수 킬로미터 깊이로 묻혀 있어, 여기 수반되는 고등급 금 광상은 접근이 어려울 것으로 판단됩니다. 킬라우에아 화산에서는 산사태와 단층 활동(Lipman et al., 2000, 2002; Morgan et al., 2000)의 영향으로 초기 암석이 부분적으로 노출되었으나, 여전히 상당한 수심 깊이에 위치합니다. 하와이가 경제적 규모의 금 광상을 보유할 가능성은 낮지만, 초기 킬라우에아 샘플, 특히 유리 시료들의 신선함은 금을 운반하는 마그마의 성질과 운반 메커니즘을 보다 잘 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 주요 영향 인자로는 낮은 부분 용융도를 반영하는 사장질 알칼리 조성(Sisson et al., 2002)과 아마도 독특한 마그마 기원이 있으며, 높은 산소분압(fO₂)과 황 용해도는 맨틀 기원 내 금을 보유했을 수 있는 잔류 황화물의 양을 감소시켰습니다. 킬라우에아에서 이러한 특성들은 ‘Kea’ 또는 ‘himu’와 같은 기원 지역으로부터 기인하며, 이후 토라이트 마그마 활동에서 금이 거의 없는 용융물들에 크게 희석되었습니다 (Shimizu et al., 2001).
마그마가 강한 알칼리 분화 과정을 거치면서 황화물상의 후속 용해(resorption)가 발생함에 따라, 비혼화성 금 액체가 침전된 것으로 보입니다. 황이 풍부한 기체의 손실이 거의 또는 전혀 동반되지 않아(Keith et al., 1997; Hattori and Keith, 2001), 이는 상대적으로 덜 알칼리성 마그마에서 발생하는 금의 증기 상 운반 및 손실 과정과는 달리, 금이 마그마 내에서 비혼화성 귀금속 액체 상태로 유지되었음을 의미합니다. 높은 밀도로 인해 침전된 금 또는 그에 선행하는 황화물 매개체는 알칼리 누층체(cumulates) 내로 분리되었을 가능성이 있으며, 이는 누층체 내 금 광상에 대한 선행 연구들(Bird et al., 1991, 1995; Arnason et al., 1997)에서 제안된 바 있습니다. 이로 인해 분출된 마그마에는 금의 흔적만 소량 남게 됩니다. 바다 섬에서 형성된 사장질 알칼리 누층체는 아직 충분히 평가되지 않은 금 자원을 포함할 수 있습니다.
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👤 작성자
문지기 baibel
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문지기 baibel
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