[AI논문요약/분석/번역][Nature][지질학] 산화 조건 하에서 황화물을 포함한 마그마 내 높은 금 농도

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🟥📺 관련 유튜브 영상

• 채널: 보다 BODA
• 영상 제목: 인류가 지구에 남아있는 99%의 금을 절대 쓸 수 없는 이유ㅣ🥤콜라보다 (곽민수x장홍제 1부)
• 영상 링크: https://www.youtube.com/watch?v=T5MPrMi_Y9Y

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🗂️ 논문 정보

• DOI: 10.1038/NGEO1042
• ISO 690: BOTCHARNIKOV, Roman E., et al. High gold concentrations in sulphide-bearing magma under oxidizing conditions. Nature Geoscience, 2011, 4.2: 112-115.
• 저자: Roman Botcharnikov, Robert Linnen, Max Wilke, Francois Holtz, Pedro Jugo, Jasper Berndt
• 카테고리: 지질학, 지구과학

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📄 논문 대표 이미지

✨ 논문 핵심 요약

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서론

본 연구는 마그마가 귀금속, 특히 금(Au)의 중요한 원천임을 밝히는 것을 목표로 합니다. 마그마 내에서 금의 거동을 이해하기 위해, 황과 물이 존재하는 환경에서 현무암 및 안산암 유리에 대한 실험을 수행하였습니다. 이 실험은 200 MPa의 압력과 1,050°C의 온도에서 진행되었으며, 금 캡슐을 사용하여 금의 용해도를 측정하였습니다. 연구는 황화물에 포화된 맨틀 시스템에서 상대적으로 산화된 조건 하에서 금이 풍부한 마그마가 생성될 수 있음을 제안합니다.

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방법론

​본 연구에서는 금을 핵심 요소로 선택하여 자연 마그마가 고융점 산화물 원소(HSE)를 추출하는 능력을 평가하였습니다. 실험은 황이 없는 및 황이 함유된 수화 안산암 및 현무암 용융액에서 수행되었으며, 다양한 산소 풍화도 조건에서 진행되었습니다. 이는 중앙해령 기저암, 후방호 해저분지 기저암, 해양 섬 기저암, 섬 아크 기저암, 램프로파이어 용암 및 섭입 슬랩 위의 변성된 맨틀 쐐기 등 다양한 지질 환경을 대표합니다. 실험을 통해 금의 용해도가 산화환경, 온도 및 휘발성 물질의 활동도에 의해 제어되며, 규산염 용융액의 조성은 미미한 영향을 미친다는 것을 확인하였습니다.

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결과

​실험 결과, 황이 함유된 용융액에서의 금 농도는 황이 없는 용융액보다 현저히 높으며, 산소 풍화도가 증가함에 따라 금 농도가 지속적으로 증가한다는 것을 확인하였습니다. 특히, 금의 최대 용해도는 용해된 S2- 종의 농도가 가장 높은 용융체에서 나타났으며, 이는 금의 농도가 황 분압(log f S2)에 잘 의존한다는 것을 보여줍니다. 또한, 산화 조건이 강화될수록 황산염 종의 존재는 금의 용해도에 큰 영향을 미치지 않음을 관찰하였습니다. 이 결과는 맨틀 내 조건이 자연 마그마의 금 함량에 큰 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

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결론

본 연구는 마그마 내에서 금의 거동을 이해하는 데 중요한 기여를 합니다. 실험 결과는 황화물이 포화된 마그마 시스템에서 금의 농도가 산화 상태에서보다 더 높거나 비슷할 수 있음을 보여주며, 이는 맨틀 소스에서 금과 같은 금속의 이동에 필수적으로 간주되었던 황화물 불포화나 고도의 산화 조건이 반드시 요구되지 않음을 시사합니다. 또한, 실험과 자연 사례 연구는 황화물이 원천에 존재하더라도 자연 용융체가 높은 금 농도를 운반할 수 있으며, 맨틀에서 금의 이동을 위해 높은 용융 분율이 요구되지 않는다는 것을 보여줍니다. 이러한 발견은 금이 풍부한 마그마의 생성에 가장 유리한 조건이 황화물-황산염 전환점에서 기대될 수 있음을 시사하며, 이는 금이 풍부한 마그마가 형성되는 주요 원천으로, 특히 변성작용을 받은 맨틀 웨지에서 생성된 마그마와 관련된 광상에 중요한 정보를 제공합니다.

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📖 논문 상세 요약

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테스트 : 상세 요약 생략

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📚🔄 논문 전체 번역

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산화 조건 하에서 황화물을 포함한 마그마 내 높은 금 농도

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초록

마그마는 귀금속의 중요한 원천입니다. 금속은 맨틀 깊은 곳에서 얕은 지각으로 마그마에 의해 운반되며, 여기서 지하 광상으로 형성됩니다1–6. 규산염 용융물 내 귀금속의 농도는 상부 맨틀과 지각에서 황화물 광물의 안정성에 의해 제어된다고 여겨져 왔으며, 황화물이 포화되지 않은 마그마만이 맨틀에서 상당한 양의 금속을 추출할 수 있습니다1–6. 여기서 우리는 금 캡슐 내에서 물과 황의 존재 하에 용융된 현무암질 및 안산암질 유리에 대해 수행된 일련의 실험을 제시합니다. 이 실험은 200 MPa의 압력과 1,050 ◦C의 온도에서 다양한 산화환원 조건 하에 수행되었습니다. 우리는 규산염 용융물 내 금의 용해도가 마그마 내 황화물이 황산염으로 변환되는 산화환원 조건의 좁은 범위 내에서 가장 높다는 것을 보여줍니다. 이 산화환원 범위 내에서 금은 특히 이동성이 높았으며 황화물을 포함한 성분으로 규산염 용융물에 용해되었습니다. 우리는 상대적으로 산화된 황화물 포화 맨틀 시스템에서 금이 풍부한 마그마가 생성될 수 있다고 제안합니다. 금(그리고 아마도 다른 귀금속)의 이동성과 운반에 유리한 조건은 섭입대 위의 마그마 시스템과 핫스팟 화산 아래 환경에서 우세할 수 있습니다.

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본문

부분 용융 동안 생성된 마그마 내 고농도의 고친화성 원소(HSE)는 일반적으로 황화물 상의 분해를 초래하는 조건과 과정에 의해 설명됩니다. 예를 들어, 원암의 모든 (HSE를 포함한) 황화물은 용융물 내 황화물의 완전한 용해에 의해 소비될 수 있습니다1,5. 또는 황화물이 존재하지 않을 수 있으며, 이는 황화물의 안정성 범위 밖의 산화 조건에서 용융 반응이 발생하기 때문입니다3. 첫 번째 가설에서는 높은 용융도(즉, >25%; 참조 2) 또는 2단계 용융과 같은 과정이 모든 황화물 상을 소비하기 위해 필요하며 부분 용융은 피크리틱, 코마티틱2 및 보니니틱 마그마1의 형성을 초래합니다. 두 번째 가설3에서는 맨틀 암석의 산화환원 조건이 적어도 산소 분압이 log f O2 > FMQ+ 2 (여기서 FMQ는 파야라이트–마그네타이트–석영 고체 산소 버퍼)이어야 하며, 이는 황화물이 안정하지 않은 조건입니다. 산화된 맨틀 원천의 낮은 부분 용융도는 하와이 핫스팟 마그마에서 알칼리 풍부한 바사나이트에서 원생 금의 발생을 설명하기 위해 제안되었습니다7. 마그마 시스템에서 HSE 이동성을 설명하는 이전에 제안된 모델은 자연 마그마 내 HSE의 측정된 풍부도, 다양한 지질 설정에 대한 산화환원 조건의 추정치 및 다양한 유형의 마그마와의 광상 연관성에 기반합니다. 그러나 HSE 행동의 정량적 해석은 지질학적으로 관련성이 있는 실험적 연구의 수가 제한적입니다. 이 연구에서는 Au가 맨틀 암석의 부분 용융 동안 자연 마그마가 HSE를 추출할 수 있는 능력을 이해하기 위한 핵심 요소로 선택되었습니다. 이는 Au의 마그마 상 간 분배가 다른 HSE보다 강렬한 매개변수의 변동에 덜 영향을 받기 때문입니다(참조 8,9). 기존 실험 데이터의 컴파일은 Au의 용해도가 산화환원 조건, 온도 및 휘발성 물질의 활동에 의해 제어되며, 규산염 용융물의 조성은 미미한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다10,11 (보충 그림 S1 참조). 높은 산소 분압은 Fe 및 S가 없는 하플로바살트 용융물12 및 아다키틱 용융물11에서 Au 용해도를 증가시키며, 이는 Au가 금속 산화물 성분(주로 AuO0.5로서; 참조 12)으로 규산염 용융물에 포함될 수 있음을 나타냅니다. 주어진 f O2에서, 규산염 용융물 내 Au 용해도는 S 및 Cl 농도와 함께 증가하며, 이는 S 및 Cl에 의한 Au의 복합화를 암시합니다(참조 10,11). S를 포함한 시스템에서의 연구는 흑연 포화 현무암질 마그마에서 황화물과 규산염 용융물 간 Au의 분배 계수가 약 10^3–10^4이며, 유문암질 마그마에서는 log f O2 ∼ FMQ + 1에서 약 10^2임을 보여줍니다(참조 9,13,14). 여기서 우리는 산소 분압의 함수로서 S를 포함한 마그마 내 Au의 행동에 중점을 둔 실험 결과를 제시합니다.

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황이 없는 및 황을 포함한 수화 안산암질 및 현무암질 용융물(보충 표 S1 참조)은 Au 캡슐에서 합성되었습니다. 실험은 1,050 ◦C 및 200 MPa에서 log f O2의 범위에서 FMQ − 0.4에서 FMQ + 3.3까지 수행되었습니다(방법 섹션 및 보충 정보 참조). 이 범위는 중양 대양 능선 현무암, 후호 분지 현무암, 해양 섬 현무암, 섬 호 현무암, 람프로피릭 용암 및 섭입 슬래브 위의 변질된 맨틀 쐐기에 관련된 조건을 나타냅니다15. 이러한 산화환원 조건은 또한 마그마 시스템에서 황화물–황산염 전환이 관찰되는 조건입니다15–17. 냉각된 규산염 유리는 주요 원소 조성 및 용해된 S, 수분 함량 및 S의 종류에 대해 분석되었습니다. 금의 농도는 규산염 용융물 및 황화물 상에서 결정되었습니다(방법 섹션 및 보충 표 S2, S3 참조).

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이 연구의 황(S)을 포함한 용융물에서의 금(Au) 농도는 ∼FMQ+2에서 S가 없는 용융물보다 상당히 높으며(Fig. 1a), 이는 다른 시스템에서의 실험과 일치합니다10,11. 더욱이, 이러한 용융물에서의 금 농도는 ∼FMQ− 0.5에서 ∼FMQ+ 1의 최대치까지 산소 분압(f O2)이 증가함에 따라 지속적으로 증가합니다(한 자릿수 증가, 그림 1a).

그림 1 | 마피성 마그마 시스템에서 S와 Au의 거동에 대한 산화환원 조건의 효과. a, S가 없는 haplobasalt에서의 Au 용해도 (두꺼운 선) 1,300 ◦C에서 (참조 12); S가 없는 규산염 용융물에서 1,000 및 1,050 ◦C (점선, 본 연구 및 참조 11; S가 포함된 현무암 (빨간색) 및 안산암 (파란색) 데이터의 보간). B, A 및 Ad는 각각 현무암, 안산암 및 아다카이트를 나타냅니다. b, S2−에서 S6+로의 전환15. 별표는 천연 금을 포함하는 바사나이트 마그마의 조건을 나타냅니다7. MORB: 중양대 해령 현무암; BABB: 후호분지 현무암; OIB: 해양 섬 현무암; IAB: 섬 호 현무암; LL: 람프로피릭 용암. c, 현무암질 (빨간 선) 및 안산암질 (파란 선) 용융물의 황 함량. FeS 및 Anhy 라벨은 각각 FeS 및 CaSO4 상을 가진 샘플을 보여줍니다. d, 황화물 내 Au 농도. e, 황화물과 규산염 용융물 간의 Au 분배 계수. f, 황화물 조성에서의 log f S2 23. 오류 막대는 실험 및 분석의 불확실성을 나타냅니다 (보충 정보 참조). 빈 사각형: S가 없는 현무암; 빈 원: S가 없는 안산암; 빨간 사각형: S가 포함된 현무암; 파란 원: S가 포함된 안산암; 십자가: S가 없는 아다카이트11; 회색 다이아몬드: S가 포함된 haplogranites13; 회색 삼각형: S가 포함된 haplogranites14; 회색 십자가 사각형: S가 포함된 아다카이트11.

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더 산화적인 조건에서, 용융물 내 Au 농도는 S가 없는 샘플의 농도 수준으로 크게 감소합니다. 가장 높은 Au 용해도는 황산염(SO4−)과 황화물(S2−) 종이 모두 용해된 용융물에서 관찰됩니다 (그림 1b). 그러나 최대 Au 농도는 가장 높은 총 S 함량을 가진 용융물에서 관찰되지 않으며, 용해된 S2− 종의 농도가 가장 높은 용융물에서 관찰됩니다 (그림 1b,c, 또한 보충 그림 S2 참조). 가장 높은 S2− 농도는 황화물-황산염 전환의 좁은 산소 분압 범위에서 도달합니다 (그림 1a,b; 보충 그림 S2). 따라서 규산염 용융물 내 Au 농도는 규산염 용융물 내 Au 산화물 종의 존재로 인해 예상되는 것처럼 f O2의 함수일 뿐만 아니라, 황화물 종의 비율 증가의 함수인 f S2의 함수이기도 합니다. 반면에 황산염 종의 존재는 Au 용해도에 크게 영향을 미치지 않으며, 이는 강하게 산화적인 조건에서 (그림 1a) S가 포함된 시스템과 S가 없는 시스템 간의 Au 종 분포에 큰 차이가 없음을 나타냅니다. 용융체에서 황화물에 대해 포화된 상태에서의 S²⁻ 농도는, log fO2가 FMQ−0.5에서 FMQ+1로 증가함에 따라 약 2배 증가합니다(보충 그림 S2 참조). 동일한 fO2 범위에서 금(Au)의 용해도는 약 10배 증가하였으며, 이는 단순한 금을 함유한 산화물 또는 황화물 종이 금의 거동을 완전히 지배하지 않을 수도 있음을 시사합니다(자세한 내용은 보충자료를 참조하십시오). 따라서, 금 농도의 증가는 주로 상당한 비율의 황(S)을 포함하는 다른 Au–S–O 또는 Au–Fe–S–O 계 성분에 기인할 수 있습니다. 실제로 용융체 내 금 농도는 log fS2에 대해 뚜렷한 의존성을 보입니다(그림 1a, f, 및 보충 그림 S3 참조). 그러나 이러한 성분들이 규산염 유리나 용융체에 존재한다는 사실은 분광학적 연구로 아직 확인되지 않았습니다.

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얻어진 데이터는 f O2가 증가함에 따라 규산염 용융체와 황화물 상(phase) 모두에서 금 농도가 증가함을 보여줍니다(그림 1a, d). 그리고 규산염(DAusulph/sil)의 범위는 100에서 300까지이며, 이전에 결정된 값보다 낮습니다9(보충 그림 S1 및 그 안의 참고 문헌 참조). 이는 황화물 포화 시스템에서 f O2가 증가함에 따라 f S2/f O2 비율이 증가하는 것에 기인합니다(그림 1f; 황화물 포화를 유지하기 위해 f O2와 f S2가 모두 공변해야 하며, 자세한 설명은 보충 정보 및 보충 그림 S1을 참조하십시오). 황화물-황산염 전환에 해당하는 산화 환원 조건에서 황화물 포화 규산염 용융물은 맨틀 암석에서 금을 추출할 수 있는 가장 높은 잠재력을 가집니다(즉, 최적의 f S2/f O2). 더 산화적인 조건에서는 용융물에서 황산염이 지배적인 S 종이 되는 경우 Au–S–O 성분이 더 이상 안정하지 않게 되어 Au 함량이 Au-산화물 성분에 의해 주로 용해도가 제어되는 수준까지 현저히 감소합니다.

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위의 결과는 마그마 시스템의 광석 잠재력을 평가하는 새로운 제약을 제공합니다. 맨틀에서의 금 추출 효율은 우리의 실험 데이터를 사용하여 부분 용융 과정을 모델링함으로써 추정할 수 있습니다. 우리의 데이터는 1,050 ◦C와 200 MPa에서 얻어진 것이며, 하부 리소스피어 맨틀에서 생성된 마그마에 적용하려면 더 높은 온도와 압력으로 외삽해야 한다는 점을 유의해야 합니다. 그러나 금속 추출을 제어하는 가장 중요한 매개변수는 규산염 용융물에서의 황화물 용해도(즉, S2− 농도)와 황화물과 규산염 용융물 간의 금 분배 계수이며, 이는 주로 f S2와 f O2에 의해 제어되며, 온도와 압력은 미미한 영향을 미치는 것으로 보입니다(보충 정보 참조). 맨틀에 약 690 ppm의 황화물이 포함되어 있다고 가정하고(상부 맨틀의 S 농도는 약 250 µg g−1로 추정됨; 참조 18), 보수적인 값으로맨틀의 전체 금 농도를 약 1 ng g−1로 가정하고(참조 19, 20), 1에서 20 wt%의 분별 용융을 고려할 때, 부분 용융물에서의 Au 농도가 계산되었습니다. FMQ − 3에서 FMQ + 1까지의 log f O2에서(방법 섹션 참조). 높은 정도의 부분 용융에서 Au 농도는 거의 변하지 않습니다. f O2가 증가함에 따라 약간 증가하고 황화물은 FMQ − 1에서 FMQ 범위의 log f O2에서 완전히 소모됩니다(Fig. 2). 가장 높은 Au 농축은 낮은 용융도에서 용융물에서 관찰되며, 용융물의 Au 농도는 FMQ에서 FMQ + 1 범위의 log f O2에서 원천보다 약 10–30배 높을 수 있습니다. 5% 용융의 경우, 황화물은 황화물-황산염 전환이 완료되기 직전에 거의 완전히 소모됩니다(잔류 맨틀 조합에 매우 적은 황화물이 남아 있음). 따라서 유리한 조건 하에서는 황화물 포화 시스템에서의 용융물 내 Au 농축이 산화 시스템에서의 농축과 비교할 수 있거나 심지어 더 높을 수 있으며, 이는 이전 모델과 대조됩니다3. 황화물 포화 시스템에서 높은 Au 농도를 달성하기 위한 최적의 맨틀 용융도는 황화물의 양 맨틀 내 황화물의 용해도와 산화환원 조건(즉, 우세한 f S2와 f O2 간의 관계)에 따라 달라집니다. 반면, 산화 조건에서의 용융물 내 Au 농도는 용융 분율이 증가함에 따라 체계적으로 감소할 것입니다(Au가 비호환적이라고 가정할 때).

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우리의 결과는 1차 마그마의 황화물 불포화 또는/및 고도로 산화된 조건이 맨틀 원천에서 금속 이동을 위한 필수 요인으로 널리 가정되지만 반드시 필요한 것은 아님을 보여줍니다. 맨틀에서 우세한 f S2와 f O2 조건 간의 상호작용은 Au가 풍부한 자연 마그마의 비옥도에 강한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 섭입대 위의 맨틀 쐐기, 후호분지 및 해양 섬에서 생성된 현무암은 최적의 조건이 충족될 경우 높은 Au 농도를 포함할 수 있습니다(그림 1b 및 2 참조). 이는 Kilauea 화산의 바사나이트 유리 포획물에서 발견된 높은 전체 암석 Au 농도(최대 36 ppb) 및 천연 Au의 발생과 같은 자연 예시로 뒷받침됩니다7. Kilauea 바사나이트는 현무암에서 가장 높은 Au 농도가 예상되는 조건에서 정확히 형성되었습니다7(즉, log f O2 = FMQ+ 0.8, 황산염/S 총 = 0.4, 그림 1b의 별로 표시됨; 그림 2도 참조). 분명히, Kilauea 마그마는 이전 모델에서 요구되었던 것만큼 고도로 산화되지 않았습니다. 높은 Au 농도를 설명하기 위해. 따라서 실험과 자연 사례 연구는 황화물이 원천에 존재하더라도 (황화물 포화 조건) 자연 용융물이 높은 Au 농도를 운반할 수 있으며, 이전에 제안된 것처럼 맨틀에서 높은 용융 분율이 Au 이동을 위해 필요하지 않음을 보여줍니다1,2. Au가 풍부한 마그마를 생성하기 위한 가장 유리한 조건은 황화물-황산염 전환에서 기대됩니다. 금 광상은 주로 열수 기원이며 일련의 후속 과정을 필요로 하지만, 원천 마그마에서의 금 농축은 광상 형성의 중요한 단계일 수 있습니다21. 따라서 우리의 결과는 변질된 맨틀 쐐기에서 생성된 마그마와 관련된 포피리 및 에피서멀 관련 광상에서 금의 중요한 원천을 제한하며, 일부 해양 섬 현무암이 금으로 농축되는 이유를 설명합니다. f O2와 f S2가 다른 HSE에 대한 Au 행동에 미치는 영향이 유사하다고 가정하면, 마그마 환경에서 금속 이동에 대한 모델은 상당히 재고되어야 합니다.

Figure 2 | 다양한 산화환원 조건에서 맨틀 원천의 분별 용융에 의해 생성된 규산염 용융물 내 Au의 모델링된 농도. F는 용융도를 나타냅니다(F = 1, 5, 10 및 20%). 회색 사각형은 Kilauea7의 바사나이트 마그마에 대한 전체 암석의 산화환원 조건과 Au 농도 범위를 나타냅니다. 실선은 황화물의 안정성 영역을 정의합니다(그림 1b 참조). 점선은 5% 용융에서 산화된 용융물 내 예상 Au 농도를 보여줍니다.

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🌐 논문 링크

링크: ​https://www.nature.com/articles/ngeo1042

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👤 작성자

문지기 baibel

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🔎 검토

문지기 baibel

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(🔴🟡🟢)번역 완성도

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