在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生孟雷（現(xiàn)在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所做博士后），在導(dǎo)師趙太平研究員的指導(dǎo)下，研究揭示黃鐵礦中金的賦存狀態(tài)和捕獲-富集機(jī)制。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《美國礦物學(xué)家》和《礦床地質(zhì)評(píng)述》。

　　黃鐵礦為地殼中最常見的金屬硫化物，含有大量Au、Tl、Te、Sb和Se等具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的微量元素。在熱液礦床中，黃鐵礦為最主要的載金礦物，其所含Au和As的耦合關(guān)系已被廣泛認(rèn)識(shí)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為這是對(duì)As控制Au富集過程的反映。前人對(duì)含砷黃鐵礦中結(jié)構(gòu)金的捕獲-富集機(jī)制已開展過大量研究，但仍然存在較大爭議。人們對(duì)于含砷黃鐵礦中金的化學(xué)態(tài)的模糊認(rèn)識(shí)和理解，主要是源于天然樣品的多樣性、含砷黃鐵礦中金的低濃度和不均一分布特征以及金的XAS分析結(jié)果的解釋有很多的爭議。

　　傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，Au可能以Au⁺或Au³⁺的形式賦存于含砷黃鐵礦中，但到目前為止Au³尚未被精確的光譜數(shù)據(jù)所證實(shí)。基于大束斑同步輻射X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）譜分析，前人在含砷黃鐵礦中識(shí)別出Au⁰和離子態(tài)Au⁺兩種不同化合態(tài)的金。然而，這種大束斑分析方法所獲的光譜很可能為不同化合態(tài)金的混合光譜，進(jìn)而影響人們對(duì)金化學(xué)態(tài)的辨別。

　　此外，含砷黃鐵礦中金和砷耦合共存使得準(zhǔn)確測(cè)定金的化學(xué)態(tài)變得更為困難，這是由于As的XANES譜可部分遮擋金的XANES譜。新近開發(fā)的高分別率同步輻射X射線吸收光譜（HERFD-XAS）技術(shù)可在一定程度上克服這一問題。然而，基于該技術(shù)的研究結(jié)果表明，對(duì)于黃鐵礦中結(jié)構(gòu)金的化學(xué)態(tài)也未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

　　一部分學(xué)者指出，貧砷黃鐵礦中化合態(tài)的金直接替代了其結(jié)構(gòu)中的鐵。相反，另一部分學(xué)者則認(rèn)為，貧砷黃鐵礦中化合態(tài)的Au⁺不是替代了其結(jié)構(gòu)中的Fe²⁺，而是主要賦存于黃鐵礦中的Au₂S納米顆粒中。另一方面，有些學(xué)者認(rèn)為含砷黃鐵礦中化合態(tài)的Au⁺可取代其結(jié)構(gòu)中的Fe²⁺。然而，另一些學(xué)者卻認(rèn)為，在無砷黃鐵礦或含砷黃鐵礦中，化合態(tài)的Au⁺既可以結(jié)構(gòu)Au⁺的形式替代黃鐵礦結(jié)構(gòu)中的Fe²⁺，也可以Au₂S納米顆粒的形式存在。

　　在本項(xiàng)研究工作中，研究人員選取華北克拉通南緣上宮超大型金礦床中最主要的載金礦物——含砷黃鐵礦為研究對(duì)象，綜合利用EPMA（電子探針）、SEM（掃描電鏡）、FIB-SEM（聚焦離子束-掃描電子顯微鏡）、LA-ICP-MS（激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜儀）、NanoSIMS（納米二次離子探針質(zhì)譜儀）、ACSTEM（球差矯正透射電鏡）和μ-XANES光譜等分析技術(shù)，開展了系統(tǒng)的研究工作，并獲得四點(diǎn)主要認(rèn)識(shí)：

　　一是，EPMA、NanoSIMS和LA-ICP-MS結(jié)果表明，上宮金礦床最主要的載金礦物為含砷黃鐵礦，主成礦階段黃鐵礦發(fā)育明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，Au（0.05 ~0.78 wt%）和As（0.39 ~4.60 wt%）在Py2中明顯富集，且二者主要以固溶體的形式賦存于黃鐵礦中。此外，Au與Fe呈負(fù)相關(guān)，而與As呈正相關(guān)。

　　二是，ACSTEM的Z 襯度圖解顯示，Au原子直接占據(jù)了黃鐵礦中Fe原子的位置。μ-XANES研究結(jié)果表明，Au和As分別主要以Au⁺和As^-形式賦存于含砷黃鐵礦中。

　　三是，基于黃鐵礦化學(xué)和原子尺度顯微結(jié)構(gòu)分析，本研究提出化合態(tài)的Au⁺和As^-均被捕獲進(jìn)入黃鐵礦的結(jié)構(gòu)中，并分別占據(jù)了黃鐵礦中Fe和S原子的位置。另外，Au替代Fe的過程中所引起的黃鐵礦正電荷虧損可能是通過原子間的部分電子轉(zhuǎn)移來彌補(bǔ)的，而不是在黃鐵礦結(jié)構(gòu)中S原子位置上形成陰離子空位。該研究還認(rèn)為As在黃鐵礦中的捕獲對(duì)于結(jié)構(gòu)Au的捕獲而言，應(yīng)是一個(gè)有利而非必要條件。

　　四是，黃鐵礦中結(jié)構(gòu)金的超常富集是成礦流體物理化學(xué)條件的變化和晶體-流體界面動(dòng)力學(xué)效應(yīng)共同作用的產(chǎn)物。

　　該研究成果不僅對(duì)于理解Au從低Au和As的成礦流體向黃鐵礦富集的機(jī)制，具有十分重要的意義，而且對(duì)研究其他稀貴金屬（如PGE、Ag、Tl、Co）在其寄主硫化物中的賦存狀態(tài)和捕獲-富集機(jī)制也具有重要參考價(jià)值。

　　相關(guān)論文信息：

　　https://doi.org/10.2138/am-2021-7812

　　https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2022.104728