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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: 10.1038/nature02972
- ISO 690: SUN, Weidong, et al. Release of gold-bearing fluids in convergent margin magmas prompted by magnetite crystallization. Nature, 2004, 431.7011: 975-978.
- 저자: Weidong Sun, Richard Arculus, Vadim Kamenetsky, Raymond Binns
- 카테고리: 지구과학, 지질학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
서론
본 연구는 파푸아뉴기니 동부 마누스 분지에서 채취한 해저 및 섭입대 관련 화산 유리를 대상으로, 금(Au)과 구리(Cu)의 함량 변화와 이와 관련된 지화학적 과정을 분석합니다. 연구는 특히 금과 구리의 급격한 고갈 현상과 이산화규소(SiO2)의 증가, 티타늄(Ti)과 철(Fe)의 거동 변화에 초점을 맞추며, 이러한 현상이 고산소분압(fO2) 버퍼링과 황 환원 과정에 의해 발생하는 구리-금 황화물 복합체의 형성 및 제거와 관련이 있다고 제안합니다. 이 연구는 세계의 구리-금 광상 대부분이 고 fO2를 특징으로 하는 섭입대 마그마와 관련이 있다는 사실을 뒷받침하며, 구리-금 광화와 아크 마그마티즘 사이의 연결 고리를 탐구합니다.
방법론
연구팀은 레이저 소거, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(LA-ICP-MS)을 사용하여 동부 마누스 분지에서 채취한 해저 및 섭입대 관련 화산 유리 및 올리빈이 포함된 유리 포유물의 금과 구리 함량을 분석했습니다. 이 분석을 통해 아크형 마그마의 분화 과정에서 금과 구리의 거동을 이해하는 데 중요한 기회를 제공했습니다. 분석된 유리 샘플들은 화학적 조성이 현무암에서 유문암에 이르기까지 다양하며, 강한 아크 지화학적 친화성을 보였습니다. 금의 농도는 0.9에서 7.8 ppb 범위에 이르며, 일부 유리 조각에서는 최대 73 ppb까지 금이 풍부하게 관찰되었습니다.
결과
연구 결과, SiO2 함량이 58%를 넘어서면서 구리와 금의 농도가 현저히 감소하는 경향을 보였습니다. 이는 초기 분별 결정화 과정에서 금과 이트륨(Yb)이 유사하게 비호환적으로 행동한다는 것을 시사합니다. 마그마의 진화 과정에서 SiO2 함량이 약 58%에서 금과 구리가 제거되는 과정은 마그마티트의 분화, 사전 분출 탈기, 또는 마그마 황화물의 침전 등 여러 메커니즘에 의해 설명될 수 있습니다. 그러나 이 연구는 단일 메커니즘으로는 설명되지 않는 마그마의 진화와 관련된 금과 구리의 거동 변화를 제시합니다.
결론
본 연구는 마그마에서 철의 비율이 변하고 특히 삼가 철(Fe³⁺)이 제거되는 속도가 증가함에 따라 금과 구리의 황화수소 복합체 형성이 촉진되고, 이 복합체들이 고온의 수성 초임계 유체에 효율적으로 분배되어 화산유리에서 관찰되는 금과 구리의 급격한 감소를 설명합니다. 이 과정을 통해 생성된 깊은 지층의 Cu-Au 풍부한 마그마 유체가 탈출하면서 현대 및 화석 아크에서의 Cu-Au 광상과 아크 관련 마그마 사이의 결정적 연결고리를 제공합니다. 이 유체들이 심부에서 냉각되면서 전형적인 융합 마진의 선상/열수 Cu-Au 광상을 형성하고, 상부 지각에서는 해수와 혼합되거나 화산 적층의 열수 변성으로 방출된 금속들과 결합하여 동마누스 분지의 해저 광산과 같은 Cu-Au 풍부한 대규모 황화물 광상을 형성합니다. 이 연구는 구리-금 광화와 아크 마그마티즘 사이의 복잡한 상호작용을 밝히며, 섭입대 마그마에서의 금속 농축 과정에 대한 새로운 이해를 제공합니다.
📖 논문 상세 요약
테스트 : 상세 요약 생략
📚🔄 논문 전체 번역
수렴 경계 마그마에서 자철석 결정화에 의해 유도된 금 함유 유체의 방출
초록
수렴 경계 마그마와 구리-금 광석 광화작용 사이의 관계는 오랫동안 인식되어 왔습니다1–6. 유전적 연관성의 본질은 논란의 여지가 있으며, 특히 이 연관성이 고산소분압( f O2 ) 용융물 및 침강된 슬래브에서 방출된 유체 때문인지5–7, 아니면 마그마 진화 동안 염수 배출 때문인지4에 대한 논의가 있습니다. 파푸아뉴기니 동부 마누스 분지의 해저, 섭입대 관련 화산 유리에서 우리는 금과 구리 함량의 급격한 감소를 보고하며, 이는 SiO2가 증가함에 따라 티타늄과 철의 농도가 증가에서 감소로 전환되는 행동과 결합됩니다. 우리는 금과 구리의 급격한 고갈이 f O2 완충에 따른 황의 감소로 인해 발생하며, 이는 구리-금 하이드로설파이드 복합체의 형성을 촉진하여 결정화되는 수성 유체 용융물에서 동시 발생하는 마그마로부터 제거되는 결과를 초래한다고 제안합니다. 이 과정은 상당한 황산염을 포함한 산화된 호상 마그마에서 특히 효율적입니다. 우리는 분리된 수성 유체의 후속 이동 및 냉각이 Manus 분지8,9 및 일반적으로 수렴 경계에서 구리-금 광물화와 호상 마그마 작용 사이의 연결을 생성한다고 추론합니다1–6.
본문
세계의 대부분의 구리-금(Cu–Au) 광상(예: 에피서멀/포피리 유형)은 수렴 경계 마그마와 관련이 있습니다1–7. 이는 일반적으로 높은 f O(ref. 6)로 특징지어집니다. 이러한 광물 금속은 궁극적으로 침강된 슬래브에서 재활용되었을 수 있지만6, 아크 아래 맨틀은 Au와 Cu가 크게 풍부하지 않으며7, 현재까지 Cu–Au 광물화와 침강 유래 마그마 사이의 관계는 논란의 여지가 있습니다. 많은 다양한 생성 모델이 이 관계를 설명하기 위해 개발되었습니다4–7. 주로 침강대 마그마가 상대적으로 높은 f O2를 가지고 있다는 사실에 기반을 두고 있습니다. 이러한 모델에는 슬래브에서 방출된 산화 유체가 맨틀 쐐기의 황화물 함유 변질 조합에서 금속을 농축할 수 있으며, 이는 아크 마그마 형성 중에 선택적으로 녹아들어가고7, 높은 f O가 쐐기 내 잔류 황화물의 산화를 촉진하여 황친성 원소를 방출할 수 있다는 가능성이 포함됩니다3,6. 다른 모델은 마그마 내 황화물 불포화 상태를 선호하여6, 결정화 중에 비호환성 Au와 Cu의 마그마 농축을 증가시킵니다.
진화하는 마그마 시스템에서 Au의 거동은 잘 이해되지 않았습니다10. 초기 연구에서는 Au가 마그마 형성 중에 호환된다고 제안했지만11, 이는 항상 사실이 아닙니다12. 호상 화산암에서 금 농도는 다양하지만 마그마 진화 초기 단계에서 증가(비호환적 거동)하고, 이후 유문암에서 감소(명백히 호환적)합니다10,13. 한 가지 가능한 설명은 특정 화학적 및 물리적 조건에서 상당한 양의 Au가 H2O가 풍부한 증기14 및 유체4,7,15에 용해될 수 있으며, 따라서 H2O 포화 호상 마그마의 탈가스화를 통해 손실될 가능성이 있다는 것입니다. 육상에서 분출된 호상 화산암에 대해 보고된 금 농도의 큰 변동성은 탈가스화 중 금 손실의 정도 차이를 부분적으로 반영할 수 있습니다10. 이 과정은 심해 바닥에서의 분출에 대해서는 덜 효과적입니다. 이 연구에서는 동부 Manus 분지에서 수집된 해저, 침강 관련 화산 유리 및 감람석에 포함된 유리 포획물(포획된 모용융물)을 레이저 유도 플라즈마 질량분석기(LA-ICP-MS) 기술을 사용하여 분석했습니다. 이 기술은 1억분의 1 이하의 농도에서 미량 원소를 정량화하기 위해 정제되었습니다16–18. 이 데이터는 호상 마그마의 분별화 동안 Au와 Cu의 거동을 이해할 수 있는 뛰어난 기회를 제공합니다.
본질적으로 무결정질인 동부 Manus 분지 유리는 조성이 현무암에서 유문암까지 다양하며, SiO2 함량은 50.4에서 74.1 wt%, MgO 함량은 11.7%에서 0.3%(무수로 계산)입니다. Nb와 Ta의 상대적 고갈과 H2O, Cs, Rb, Ba, U 및 Pb의 풍부함으로 강한 호상 지구화학적 친화성을 가지고 있습니다(참조 18,19). 우리의 샘플 세트(Table 1)는 잘 특성화된 샘플의 대규모 CSIRO 컬렉션에서 선택된 일관된 분별화 세트로, 인접한 화산 구조물에서 유사한 현무암 부모로부터 유래한 것으로 보입니다(보충 그림 1 및 2).
그림 1 동부 Manus 분지 화산 유리의 선택된 조성 특성. a, SiO2 wt% 대 총 Fe를 FeO(FeO*)로; b, SiO2 wt% 대 Au. SiO2와 FeO 총량은 휘발성 물질이 없는 상태로 100%로 재계산되며 Fe3+/Fetotal은 0.25로 설정됩니다. 금은 이전에 Re의 ppb에서 서브 ppb 수준을 분석하는 데 사용된 것과 동일한 방법으로 결정되었습니다(참조 16–18; 세부 사항은 보충 정보 참조).
특히 TiO2와 FeO(전체)는 양의 상관관계에서 음의 상관관계로 변화합니다. 이는 ,58% SiO2에서 올리빈 결정화가 중단되고 티타노마그네타이트 결정화가 시작됨에 따라 마그마 진화의 중요한 변화를 나타냅니다(Table 1, Fig. 1a, Supplementary Fig. 2). 이 고도로 기포가 많은 Manus 유리의 금 농도는 대부분 0.9에서 7.8 ppb 범위에 있으며(Table 1), 이전 데이터13와 비교할 때 더 나은 민감도와 정밀도를 가지고 있습니다. 두 개의 유리 조각은 Au가 극도로 풍부한 지점을 포함하고 있으며(최대 73 ppb; Table 1), 이는 이전의 Re 분포 관찰과 유사합니다18. 그러나 그들의 절삭 스펙트럼 패턴은 Re와 직접적으로 연결되지 않은 단기적인 고-Au 신호를 보여주며(보충 그림 3), 이러한 원소가 부분적으로는 기포 또는 유체 포획물 내의 황화물과 같은 다른 미량 광물에 의해 호스팅되고 있음을 시사합니다. 감람석에 포함된 용융물 포획물의 금은 높고 다양하며(3.2–8.7 ppb, Table 1), 호스트 유리의 풍부함(4.1 ppb)을 넘나듭니다. 특정 유리 내 Cu 분포는 더 균일합니다.
동부 Manus 분지 샘플에서 LA-ICP-MS로 측정된 Cu의 풍부함은 초기에는 SiO2가 증가함에 따라 증가하여 ,58% SiO2에서 최고값에 도달합니다. 중요한 것은 Cu 농도가 58% SiO2를 넘어서면서 급격히 감소한다는 것입니다(Table 1, Supplementary Fig. 2). Manus 분지의 96개의 무결정질 유리에 대한 기존의 벌크 Cu 분석은 동일한 경향을 보입니다. 위에서 언급한 이상치를 제외한 금 농도는 58% SiO2를 넘어서면서 뚜렷하지만 덜 두드러진 감소를 보입니다(Fig. 1b). 유리 내 총 S는 덜 일관되지만 유사한 패턴을 보여주며, ~58–64% SiO2에서 350 ppm의 최고값을 넘어서면서 점진적으로 감소합니다.
반면에 마피성 용융물 포획물은 최대 1,000 ppm까지 상당히 높고 다양한 총 S를 가지고 있습니다(보충 그림 4). 이는 마피성 유리조차도 S를 잃었음을 나타내며, 이는 아마도 황산염 형태로19,20, 마그마에서 Au를 많이 제거하지 않았을 것입니다. 더 마피성 유리와 그 용융물 포획물의 Yb/Au 및 Yb/Cu 비율은 상당히 일정합니다(Fig. 2).
그림 2 Yb/Au 대 Yb의 플롯은 Au와 Yb의 상대적 비호환성을 보여줍니다. 마피크 샘플(원)과 용융물 포획체(다이아몬드)의 비교적 일정한 Yb/Au는 Au가 Yb와 유사하게 중간 정도로 비호환적임을 시사합니다. 펠식 샘플(사각형)의 높고 다양한 Yb/Au는 상당한 Au 손실을 나타냅니다.
Au와 Yb가 초기 부분 결정화 동안 유사하게 비호환적인 방식으로 행동한다는 것을 나타냅니다. 올리빈(Fo89–91)에 포함된 용융 포획물의 Yb/Au 비율은 호스트 현무암 유리의 비율과 비교할 수 있으며, 초기 부분 결정화 동안 Au의 유의미한 손실을 배제합니다. 마피성 샘플의 평균 Yb/Au(350) 및 Cu/Au(25,000)는 원시 맨틀 값(각각 440 및 30,000)과 가깝지만 약간 낮습니다21.
대조적으로, 보다 유문암질 유리(.58% SiO2)의 Yb/Au 및 Yb/Cu 값은 가변적이며 마피성 유리 및 용융 포획물의 값보다 상당히 높습니다. 이는 Au 및 Cu 농도의 급격한 감소를 반영하며, 이는 마그마 진화 중 ,58% SiO2에서 Au 및 Cu의 제거 과정을 요구합니다(표 1, 그림 2). 유문암질 마그마에서 낮은 Cu 및 Au는 이전에 이 금속들이 자철석으로 분배되는 것10,13, 분출 전 탈가스13 또는 마그마 황화물의 침전5에 기인한 것으로 설명되었습니다. 동부 마누스 계열의 경우 유리 내 총 S 함량이 낮고(보충 그림 4) 유리 또는 가끔의 누적 포획물에서 황화물 구체가 없거나 극히 드물기 때문에 황화물 침전은 가능성이 낮은 설명입니다. 동부 마누스 분지 안산암의 티타노자철석에 대한 예비 LA-ICP-MS 분석(,6 ppb Au, 2.9 ppm Cu; 참조 10)에서는 이 광물의 추출이 ,58% SiO2에서 유리 내 이러한 금속의 현저한 감소를 설명하지 못함을 나타냅니다. 동부 마누스 분지의 모든 마그마(마피성에서 유문암질까지)는 올리빈 내의 풍부한 유체 포획물과 유리 내의 유체 기포에 의해 휘발성 포화 상태임이 입증되었습니다19,22. 따라서 지속적인 분출 전 탈가스23는 자철석 결정화가 시작되는 ,58% SiO2에서 Au 및 Cu의 행동 변화만으로는 설명되지 않습니다.
금과 Cu는 모두 황친화성이 높은 원소로, 예를 들어 유체 내 HS를 포함한 복합체로 S의 풍부함과 산화 상태에 의해 행동이 제어됩니다24. 또한 Cl이 풍부한 수성 유체로 분배될 수 있으며, Cl을 포함한 복합체로 존재할 수 있습니다25. 호상 마그마에서 Cl의 높은 풍부함을 고려할 때, Cl 복합체는 마그마에서 Au와 Cu를 제거하는 데 중요할 수 있지만, 마그마 온도와 압력에서 어떤 복합체가 더 중요한지를 입증하는 실험은 아직 없습니다. 100 MPa에서, 고염화물(총 Cl = 2 몰랄) 및 저-H2S 시스템에서의 실험은 온도가 증가함에 따라 AuCl2가 우세한 종이 됨을 보여줍니다25. 반면, 50 MPa에서의 실험은 온도가 증가함에 따라 Au의 용해도가 HS 복합체로 증가함을 보여줍니다24,26. 지각 마그마 챔버에서 낮은 압력에서는, HS 복합체가 마그마 진화 초기 단계 동안 주요 종일 가능성이 높습니다. 이 가설은 다른 관찰에 의해 뒷받침됩니다. 동부 마누스 분지 마그마에서의 높은 CO2 농도19,20,22와 Au 매장지의 f O 특성은 Au+가 선호되는 이온 상태임을 나타냅니다27. 가장 부드러운 양이온 중 하나로서, Au+는 부드러운 리간드(예: HS2) Cl2와 같은 중간 정도의 경도를 가진 음이온보다. 따라서 우리는 매너스 분지 용융물과 관련된 유체에서 Au와 Cu의 풍부함이 주로 환원된 S 복합체에 의해 지배된다고 제안합니다.
현무암에서 유문암까지의 동원 매너스 분지 용융물은 상대적으로 일정한 Fe3+/Fe 총량 약 23 원자%를 가지고 있습니다(보충 그림 5). 이는 합성 페이알라이트-마그네타이트-석영 버퍼28보다 약 2log10 단계 더 산화된 f O2를 암시하며, 이는 Au 광상과 관련된 화성암에 일반적입니다6. 매너스 분지 계열에서의 마그마 Ti 및 Fe 조성 경향의 변화(그림 1a, 보충 그림 2)는 주로 티타노마그네타이트(Fe2+Fe3+O –Fe2+TiO 고용체) 결정화의 시작에 의해 제어되며, f O2 버퍼링이 없는 상태에서 상대적인 Fe 산화 환원 비율의 변화를 동반해야 합니다. 우리는 매너스 분지 마그마의 조성 범위에 걸쳐 일정한 상대적 산화 환원 상태가 분리된 유체와 마그마 간의 지속적인 산화 환원 버퍼링 및 교환에 의해 병행된다고 제안합니다. 높은 f O2로 인해, 마피크 마그마와 관련된 유체에서는 황산염이 지배적이며, 이는 올리빈에 포함된 용융물 포획체 내의 유체 거품에서 황산염 광물의 존재로 확인됩니다20,22,23. 그러나 자철석의 분별 결정화가 시작되고, 마그마로부터 전체 철(Fe), 특히 삼가 철(Fe³⁺)이 제거되는 속도가 증가함에 따라, 그림 2는 Yb 대비 Yb/Au의 플롯을 보여주며, 이는 Au가 Yb에 비해 상대적으로 비적합적임을 나타냅니다. 엽색암 시료(원형)와 용융 포획물(마름모꼴)의 거의 일정한 Yb/Au 값은 Au가 Yb과 유사하게 보통 수준의 비적합 원소임을 시사합니다. 반면, 규장질 시료(사각형)에서 나타나는 높은 그리고 다양한 Yb/Au 값은 Au의 상당한 손실을 의미합니다. 이러한 현상은 산화환원 교환의 변화를 반영합니다:
8FeO + SO22 = 4Fe2O3 + S22
용융물에서 SO22가 S22로 환원되면 Au와 Cu 하이드로설파이드 복합체의 형성을 촉진하며, 이는 공존하는 고온의 수성 초임계 유체로 효율적으로 분배되어 펠식 매너스 유리에서 관찰된 Au와 Cu의 급격한 고갈을 설명합니다.
원천 챔버에서 올리빈에서 마그네타이트 결정화로의 전환 시점에서 유래된 깊은 곳의 Cu-Au 풍부한 마그마 유체의 탈출은 현대 및 화석 호에서의 섭입 관련 마그마와 Cu-Au 광상 간의 중요한 연결고리를 제공합니다. 상승하는 유체의 깊이에서의 냉각은 전형적인 수렴 경계 포피리/에피서멀 Cu-Au 광상을 생성할 것입니다. 상부 지각 수준에서 상승하는 마그마 유체는 해수와 혼합되거나 화산 더미의 열수 변질 동안 방출된 금속과 혼합되어 동부 매너스 분지의 해저 굴뚝과 같은 Cu-Au 풍부한 대량 황화물 광상을 형성할 수 있습니다9,30.
🌐 논문 링크
👤 작성자
문지기 baibel
🔎 검토
문지기 baibel
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