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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: 10.1130/G24022A.1
- ISO 690: SIMMONS, Stuart F.; BROWN, Kevin L. The flux of gold and related metals through a volcanic arc, Taupo Volcanic Zone, New Zealand. Geology, 2007, 35.12: 1099-1102.
- 저자: Stuart Simmons, Kevin Brown
- 카테고리: 지구과학, 지질학
📄 논문 대표 이미지
✨ 논문 핵심 요약
타우포 화산 지대의 금 및 관련 금속 흐름 연구
서론
귀금속 광상, 특히 열수 활동과 섭입대 마그마 작용에 의해 형성된 광상은 글로벌 금과 은 생산량의 상당 부분을 차지합니다. 이러한 광상의 형성 과정은 열수 용액 내 금속의 농도와 유동에 의해 크게 영향을 받지만, 높은 온도와 깊은 위치로 인해 이에 대한 연구는 제한적입니다. 본 연구는 타우포 화산 지대에서 귀금속의 흐름을 조사하여, 열수 용액의 금속 원천과 광상 형성 과정에 대한 새로운 통찰을 제공합니다.
방법론
본 연구는 타우포 화산 지대의 깊은 열수 용액에서 금, 은, 비소, 안티몬, 수은의 샘플링 및 분석을 수행했습니다. 이 지역은 귀금속이 지열 시스템과 화산을 따라 침전되는 것으로 알려져 있으며, 다양한 지질학적 특성을 가지고 있습니다. 샘플링은 액체와 가스의 혼합물을 방출하기 전, 액체만이 존재하는 공급 지점에서 가장 높은 온도(195-322°C)와 실제로 가능한 가장 깊은 수준(950-1600m)에서 이루어졌습니다. 이를 통해 액체가 끓기 시작하기 전에 상승하는 용액에서 금속의 농도를 결정할 수 있었습니다.
결과
연구 결과, 깊은 용액에서의 귀금속 농도는 황화수소 농도와 온도와 상관관계가 있음을 보여주었습니다. 특히, 금의 농도는 Rotokawa에서 가장 높았으며, 은의 경우도 이 지역에서 농도가 가장 높았습니다. 이는 귀금속의 공급에 대한 깊은 지역적 제어를 시사하며, 안산암 마그마의 침입이 금속 원천일 가능성을 나타냅니다. Rotokawa 지역은 연간 금(37-109kg)과 은(5200-11400kg)의 유출량이 세계 최대의 열수 금광 중 하나인 Ladolam 지열 시스템과 비교하여 현저히 높았습니다. 그러나 금과 은의 유출량은 비소, 안티몬, 수은과 같은 다른 금속들과는 상관관계가 낮아, 이들 금속의 저장량에 영향을 미치는 요인이 서로 다름을 시사합니다.
결론
본 연구는 타우포 화산 지대에서 강력한 열수성 금속 유동을 보여주었습니다. 이러한 금속 유동은 화산 지대의 다양한 지역과 시간에 걸쳐 일관된 금속 유동을 시사하며, 귀금속 광상 형성 과정의 효율성이 매우 낮음을 나타냅니다. 본 연구는 집중된 유체 흐름과 효율적인 금속 침전(예: 끓는 현상)이 광석 형성 과정에서 중요하다는 것을 강조합니다. 이러한 과정 없이는 지열 시스템을 통해 얼마나 많은 금속이 이동하든 광체가 형성되지 않습니다. 따라서, 금속 농축과 광상 형성 조건에 대한 추가 연구가 필요함을 시사합니다.
📖 논문 상세 요약
테스트 : 상세 요약 생략
📚🔄 논문 전체 번역
뉴질랜드 타우포 화산 지대에서 화산호를 통한 금과 관련 금속의 흐름
초록
우리는 뉴질랜드 타우포 화산 지대의 화산호 250km 구간에서 여섯 개의 지열 시스템으로부터 깊은 열수 용액(~1km 깊이, 200~300°C 이상)에서 금, 은, 비소, 안티모니, 수은의 농도를 측정하고 그들의 흐름을 계산했습니다. 농도(<0.1–23 ppb Au; 2.7–2400 ppb Ag)와 귀금속의 흐름이 호를 가로질러 세 가지 순서로 변동하는 것은 깊은 열수 용액에서 금속의 공급이 안산암과 현무암 마그마의 침입에 의해 영향을 받으며, 이는 또한 대류 열 전달과 금속의 흐름을 지배한다는 것을 나타냅니다. 두 개의 지열 시스템, 로토카와와 모카이는 알려진 금과/또는 은의 가장 높은 열수 흐름을 가지고 있으며, 약 50,000년 또는 그 이하의 시간 동안 세계에서 가장 큰 열수 광상과 일치하는 금속을 공급할 수 있습니다. 그러나 현재까지 이 시스템에서는 광물화가 발견되지 않았습니다. 타우포 화산 지대를 통해 흐르는 막대한 양의 열수 귀금속(최소 값 범위 80–163 kg Au/yr 및 6800–13,850 kg Ag/yr)이 모든 호를 통해 시간 내내 대표적이라면, 집중된 유체 흐름과 효율적인 금속 침전이 금과 은 광상 형성을 지배하는 가장 중요한 과정입니다.
서론
귀금속 광석 매장지(에피서멀 및 포피리 스타일 포함)는 현대 및 고대 화산호에서 열수 활동과 섭입대 마그마 작용의 귀중한 경제적 산물로, 전 세계 금과 은 생산량의 20% 이상을 차지합니다(Hedenquist and Lowenstern, 1994; Simmons et al., 2005). 마그마가 귀금속의 원천일 수 있지만(예: Hedenquist and Lowenstern, 1994; Ulrich et al., 1999; Sillitoe, 2000a; Sillitoe and Hedenquist, 2003; Heinrich, 2005; Simmons and Brown, 2006), 광석 매장지의 형성은 열수 용액 내 금속의 농도와 유속에 의해 제한되며, 이는 미량 금속 분석을 위한 깊고 뜨거운 용액 샘플을 얻는 것이 매우 어렵기 때문에 잘 알려져 있지 않습니다. 여기에서는 타우포 화산대의 깊은 열수 용액에서 금, 은, 비소, 안티몬, 수은을 샘플링하고 분석한 결과를 보고합니다. 이는 250km 구간의 호를 따라 지열 시스템과 화산에서 귀금속이 침전되는 것으로 알려져 있으며, 공통의 지질학적 틀을 공유하기 때문에 이상적인 자연 실험실입니다(Weissberg, 1969; Henley, 1985; Brown, 1986; Krupp and Seward, 1987; Hedenquist et al., 1993; Simmons and Browne, 2000; Brown and Simmons, 2003). 지열 시스템의 상승 흐름 구역에서 1km 이상 깊이로 시추된 우물은 최적의 유체 샘플링 장소를 제공합니다. 귀금속은 상승하는 유체가 끓고 가스가 손실되면서 우물에서 침전되기 때문에(Brown, 1986; Krupp and Seward, 1987; Hedenquist et al., 1993; Simmons and Browne, 2000; Reyes et al., 2003), 우리는 분석을 위해 깊은 유체를 얻기 위해 티타늄 하향 샘플러를 제작했습니다. 샘플러가 표면으로 상승하는 동안 침전된 금속은 강산으로 샘플러를 헹구어 액체 샘플에 포함됩니다. 분석 결과는 유체 흐름과 결합하여 개별 지열 시스템 및 전체 화산호에 대한 금속 유속을 추정합니다. 이러한 데이터는 주로 대기수로 구성된 열수 용액에서 금속의 출처를 밝히고 금속 유속이 열수 광석 형성의 지속 기간을 어떻게 제한하는지 보여줍니다.
타우보 화산대
타우포 화산대는 루아페후에서 화이트 아일랜드까지 약 250km에 걸쳐 있는 젊은(<1.6 Ma) 열곡 호입니다(그림 1). 북부 및 남부 구간의 화산 활동은 안산암의 원추형 분출이 지배적이며, 중앙 구간은 유문암의 폭발적인 칼데라 형성 분출이 지배적입니다(Wilson et al., 1995). 이 지역을 세계 최고의 열대 중 하나로 만드는 높은 열 흐름(4000–5000 MW)은 주로 광범위한 지열 활동과 관련된 대류 열 전달에서 비롯됩니다(Bibby et al., 1995; Hochstein, 1995). 이 활동은 마그마 침입으로 인해 대기수가 깊이 순환(>5 km)하면서 발생하며, 물리적 및 화학적 특성에 따라 구별되는 개별 열수 기둥을 생성합니다(Bibby et al., 1995; Giggenbach, 1995). 대부분의 이러한 지열 시스템은 타우포 화산대의 중앙 구간에 집중되어 있으며, 이는 지구상에서 가장 높은 유문암 마그마 분출 속도를 가지고 있습니다(Wilson et al., 1995). 그러나 열수 유체의 N2/Ar, CO2/He, B/Cl 비율은 대류 세포 아래로 침입하는 깊은 마그마가 동부 지역에서는 안산암이고 서부 지역에서는 현무암임을 시사합니다(Giggenbach, 1995; Christenson et al., 2002; 그림 1).
우리는 타우포 화산대 중앙의 동부 및 서부 지열 시스템에서 세 곳씩 깊은 열수 용액을 샘플링했으며, 이곳에는 생산, 모니터링 및 탐사 우물에 접근할 수 있습니다(그림 1). 이 시스템의 시추된 부분의 지질학은 메조조대 변성 퇴적암 위에 부정합으로 놓인 유문암에서 안산암까지의 화산암의 층상 구조(1~>3km 두께)가 지배적입니다. 열수의 화학적 및 동위원소 조성은 대기 기원과 깊은 순환, 마그마 가스의 통합 및 이후의 유체-광물 상호작용 반응을 반영합니다(Giggenbach, 1995; 1997; Giggenbach et al., 1993). 샘플링된 모든 심층 용액은 거의 중성 pH이며 환원 상태였고, 알바이트, 아둘라리아, 석영, 녹니석, 일라이트, 방해석, 녹렴석, 황철석 등 심층 변질 화산 호스트 암석에서 흔히 발생하는 열수 광물과 열역학적 평형에 가까웠습니다 (Giggenbach, 1997). 그들의 마그마 기원을 구별하는 비활성 가스 및 깊게 유래된 성분(N2/Ar, CO2/He, B/Cl)의 비율을 제외하고, 동부 지열 시스템의 열수 용액은 서부 시스템의 용액보다 기체 성분(CO2, H2S)의 농도가 높지만 총 용해 염(Na, K, Cl)은 낮습니다 (GSA 데이터 저장소 표 DR11 참조). 생산정에서 뜨거운 액체는 상승하면서 끓어 액체와 가스의 혼합물을 방출합니다. 샘플링 깊이(950–1600 m)는 따라서 가장 높은 온도(195–322 °C)에서 알려진 액체만의 공급 지점과 일치하도록 선택되었으며, 끓기 전에 상승하는 용액에서 금속 농도를 결정할 수 있도록 가장 깊은 수준에서 실용적으로 선택되었습니다.
그림 1. 타우포 화산 지대의 지열 시스템 및 안데스 화산의 위치. 안데스 마그마 침입을 나타내는 유체 특성을 가진 동부 지열 시스템(육각형)은 루아페후 및 화이트 아일랜드 안데스 화산을 포함하여 지대의 길이를 따라 북동쪽으로 정렬되어 있습니다. 현무암 마그마 침입을 나타내는 유체 특성을 가진 서부 지열 시스템(사각형)은 지대의 중심 유문암 지배 지역에 제한됩니다. 샘플링되지 않은 지열 시스템(작은 열린 원)도 표시됩니다. B—브로드랜즈-오하아키; K—카웨라우; M—모카이; N—응가타마리키; R—로토카와; W—와이라케이.
논의
심층 용액의 귀금속 농도(표 1)는 세 자릿수 범위(<0.1–23 ppb, Au; 2.7–2400 ppb Ag)에 걸쳐 있으며, H2S 농도 및 온도와 상관관계가 있으며, 이는 금과 은의 용해 실험과 일치합니다 (Stefánsson and Seward, 2003, 2004). 따라서 금 농도는 로토카와에서 가장 높고 와이라케이 및 응가타마리키에서 가장 낮습니다. 은 농도도 로토카와에서 가장 높지만, 가장 낮은 값은 브로드랜즈- 오하아키, 카웨라우, 와이라케이, 응가타마리키 사이에서 공유됩니다. 로토카와, 브로드랜즈-오하아키, 카웨라우의 동부 지열 시스템 표면 파이프에서 고급 귀금속 스케일 침전물이 발견되었으며 (Brown, 1986; Krupp and Seward, 1987; Simmons and Browne, 2000; Reyes et al., 2003), 이러한 시스템은 귀금속의 높은 수용 농도를 가진 유체를 호스팅합니다. 모카이의 높은 은 농도(250 ppb)는 서부 지열 시스템의 열수 용액에서도 상당한 귀금속 농도가 발생함을 나타냅니다. 귀금속 광석에서 일반적으로 발생하는 As, Sb, Hg의 수용 농도는 금이나 은 농도와 독립적으로 약 두 자릿수 범위에 불과합니다 (표 1, 그림 2; 그림 DR1).
종의 계산은 모든 여섯 시스템의 심층 용액이 금에 대해 상당히 불포화 상태임을 보여줍니다 (log Q/K<0; 표 DR3) 그리고 세 시스템에서는 은 황화물(Ag2S)에 대해 불포화 상태임을 보여줍니다. 이는 금과 어느 정도 은의 용액 내 양을 제한하는 것은 금속 예산이지 온도나 수용 H2S 농도가 아님을 나타냅니다. 이러한 결과와 여섯 지열 시스템의 유사한 층서학은 귀금속 공급에 대한 깊은 지역적 통제를 가리키며, 이는 로토카와와 와이라케이 사이의 유체 조성 및 금속 농도의 뚜렷한 차이로 예시됩니다 (그림 2), 이들은 불과 10 km 떨어져 있습니다 (그림 1). 동부 지열 시스템의 경우, 화이트 아일랜드 화산에서의 화산 방출에서 금, 비소, 안티몬의 흐름이 나타내듯이 안데스 마그마의 침입이 금속 원천일 가능성이 높습니다 (Hedenquist et al., 1993; Wardell et al., 2004; 표 2); 깊은 증기와 같은 단계에 의한 금의 운반 (Ulrich et al., 1999; Heinrich, 2005)은 이 시스템의 심층 부분에 마그마 가스가 기여하는 것에 대한 (Giggenbach, 1995) 증거와 일치합니다.
그림 2. Wairakei(서부 지열 시스템)와 Rotokawa(동부 지열 시스템)의 심층 열수에서의 미량 금속 농도 범위를 화산암 및 변성퇴적암의 미량 금속 농도 범위(회색 음영 영역 "암석"으로 표시됨; 표 DR4 [각주 1 참조])와 비교한 것입니다.
표 1. 심부 지열 용액의 미량 금속 농도와 샘플링 온도
참고: 표 DR2에서 요약 (각주 1 참조).
*Broadlands-Ohaaki의 심층수에서 금과 은 농도의 상한 추정치는 Brown (1986)에서 가져왔습니다.
심층 유체가 금에 불포화 상태이기 때문에 암석은 미량 금속의 또 다른 가능한 원천을 나타내며, Wairakei 데이터는 변형되지 않은 화산암 및 변성퇴적암에서 As, Sb, Ag, Au의 분포 패턴과 유사합니다(그림 2). 이 경우에도 마그마는 수용성 염화물 및 황화물의 주요 원천으로서 중요한 역할을 하며, 이는 금속을 심층 용액으로 이동시키기 위한 리간드를 제공합니다(예: Seward and Barnes, 1997).
금속 유속(그림 3; 표 2)은 미량 금속 농도(표 1)와 열수 상승 속도(Bibby et al., 1995; Hochstein, 1995)로 계산되었습니다. 높은 유량과 귀금속 농도의 조합으로 인해 로토카와는 금(37–109 kg/yr)과 은(5200–11,400 kg/yr)의 가장 높은 유속을 자랑합니다. 로토카와의 금 유속은 세계에서 가장 큰 열수 금 매장지 중 하나를 호스팅하는 라돌람 지열 시스템(24 kg/yr; Simmons and Brown, 2006)보다 상당히 큽니다; 또한 화이트 아일랜드 화산(37 kg/yr; Hedenquist et al.,1993)보다 크며, 에트나 산 화산의 추정 유속 범위의 하단부와 겹칩니다(80–1200 kg/yr; Andres et al., 1993). 모카이의 금 유속은 로토카와보다 상당히 적지만, 카와레우와 브로드랜즈-오하아키와 유사하며, 두 곳 모두 용액에서 더 높은 금속 농도를 가지고 있습니다. 모카이는 또한 카와레우, 브로드랜즈-오하아키, 와이라케이, 응아타마리키보다 훨씬 높은 은 유속으로 주목할 만합니다. 가장 높은 비소 유속은 모카이와 와이라케이에서, 가장 높은 안티몬 유속은 모카이에서, 가장 높은 수은 유속은 카와레우에서 나타납니다. 그러나 이러한 금속의 농도와 유속은 금과 은과 잘 상관되지 않으며(표 2), 이는 각각의 재고에 대한 제어가 금과 은에 영향을 미치는 요인과 분리되어 있음을 시사합니다.
금속 유속 데이터를 지난 100,000년 동안 외삽하면(그림 3; 표 2), 타우포 화산 지대 지열 시스템의 전형적인 최소 수명(Hochstein and Browne, 2000), 화산호의 250km 길이 구간에서 열수 활동으로 인한 총 처리량은 금 8000–16,300톤, 은 680,000–1,385,000톤에 이릅니다. 이는 보수적인 추정치로, 연구된 시스템은 지열 활동과 화산 탈가스로 인한 총 열 및 질량 전달의 약 25%만을 나타내며, 평균 금 농도 약 1 ppb를 기반으로 유문암 및 안산암 마그마와 함께 표면으로 분출된 추가 약 1800톤의 금이 있습니다.
표 2. 타우포 화산 지대의 열 출력(MW), 지열 유량, 그리고 열수 금속 유속
참고: 열 출력과 심층수 상승(Bibby et al., 1995; Hochstein, 1995)은 지열 시스템의 금속 유속을 계산하기 위해 심층 용액의 금속 농도와 결합됩니다. 결과는 타우포 화산 지대의 최소 전체 금속 유속을 결정하기 위해 화이트 아일랜드 화산의 금속 유속(Hedenquist et al., 1993; Wardell et al., 2004)에 추가됩니다.
그림 3. 타우포 화산 지대(TVZ) 지열 시스템에서의 금속 유속 비율(1000년당 톤, t/k.y.)을 보여주는 심부 열수 용액의 귀금속 농도 대 심부 상승 유량(표 1 및 2). B—브로드랜즈-오하아키; K—카와레우; M—모카이; N—응아타마리키; R—로토카와; W—와이라케이.
화산-플루토닉 호에서 가장 큰 마그마-열수 광상들이 포함하는 금속 유출량 추정치는 엄청납니다. ~1000–2000톤의 금(Sillitoe, 2000b)과 최대 100,000톤의 은(Simmons et al., 2005). 로토카와의 금속 유출량만으로도 금은 <20,000–55,000년, 은은 <10,000–20,000년 만에 그러한 광상 재고를 생산할 수 있으며, 모카이는 45,000–75,000년 만에 100,000톤의 은 재고를 생산할 수 있습니다. 그러나 라돌람의 활성 열수 금 광상(Simmons and Brown, 2006)과 달리, 지금까지는 Zone 지열 시스템에서 광체가 발견되지 않았습니다(예: Simmons and Browne, 2000). 이는 깊은 용액의 금속 농도가 시간이 지남에 따라 변동했거나, 광상을 형성하기 위한 금속 침전 조건이 Zone 지열 시스템에서 개발되지 않았음을 의미합니까? 이러한 질문에 대한 답을 얻기는 어렵습니다. 왜냐하면:
(1) 깊은 지열 유체의 조성에 대한 데이터는 지난 50년 동안만 제공되었으며, 이 기간은 금속 농도가 훨씬 더 긴 시간 규모에서 변동했을 수 있는지를 알기에는 너무 짧기 때문입니다. 그리고
(2) 지하 광물화의 발생에 대한 정보는 지열정의 상대적으로 넓은 간격(수십에서 수백 미터)과 불규칙한 코어링 간격, 특히 천부 수준(<500 m 깊이)에서 제한됩니다. 여기서 에피서멀 광상이 형성됩니다(예: Simmons and Browne, 2000). 그럼에도 불구하고, 타우포 화산 지대의 금속 유출량이 다른 화산 호와 시간 전반에 걸친 유출량을 나타낸다면, 귀금속 광상을 생산하는 과정의 효율성, 특히 금속 침전에 관한 효율성은 매우 낮은 것으로 보입니다. 이는 거대 귀금속 광상의 희귀성에 의해 시사됩니다(Sillitoe, 2000b).
요약하자면, 우리의 결과는 화산 호 내에서 귀금속 및 관련 금속의 매우 강한 열수 유출이 있음을 보여줍니다. 이러한 금속 유출은 안산암과 현무암 마그마의 침입에 의해 조절됩니다:
(1) 금속을 함유한 유체의 투입 또는 금속 운반 리간드의 공급을 통해, 이는 용액 내 금속 농도에 영향을 미치고;
(2) 대류 질량 전달을 지시하는 열 흐름. 타우포 화산 지대 지열 시스템에서 자연적으로 형성된 귀금속 광체의 명백한 부재, 그러나 우물에서의 놀라운 금-은 규모의 광상(Brown, 1986; Simmons and Browne, 2000)은 집중된 유체 흐름과 효율적인 금속 침전(예: 비등)의 중요성을 강조합니다. 결국, 지열 시스템을 통해 얼마나 많은 금속이 유출되든 간에, 이러한 과정 없이는 광체가 형성되지 않을 것입니다.
🌐 논문 링크
👤 작성자
문지기 baibel
🔎 검토
문지기 baibel
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