Kullan siirtymisen mysteeri maassa ratkaistu đź’°

Tutkimalla rikin käyttäytymistä magmakuulassa äärimmäisissä paine- ja lämpötiloissa, Geneven yliopiston (UNIGE) tiimi mullistaa kultakuljetuksen ja metalliesiintymien muodostumisen ymmärtämistä.


Kun yksi mannerlaatta uppoaa toisen alle, se tuottaa magmaja, jotka ovat rikkaita haihtuvista aineista, kuten vedestä, rikistä ja kloorista. Matkallaan kohti pintaa nämä magmat vapauttavat magmakuulia, joissa rikki ja kloori sitoutuvat metalleihin, kuten kultaan ja kupariin, ja kuljettavat näitä metalleja maan pinnalle. Koska luonnollisten magmojen äärimmäiset olosuhteet ovat hyvin vaikeita toistaa laboratoriossa, erilaisten rikkimuotojen tarkka rooli metallien kuljetuksessa on edelleen paljon keskusteltu.

Geneven yliopiston (UNIGE) tiimin innovatiivinen lähestymistapa osoittaa, että rikki bisulfidimuodossaan (HS-) on ratkaiseva kultakuljetuksessa magmakuulassa. Nämä tulokset löytyvät lehdestä Nature Geoscience.

Kun kaksi mannerlaattaa liikkuu kohti toisiaan, uppoava laatta syöksyy maapallon vaippaan, kuumenee ja vapauttaa suuren määrän vettä. Tämä vesi alentaa vaipan sulamislämpötilaa, jolloin se sulaa korkeassa paineessa ja yli tuhannen celsiusasteen lämpötilassa tuottaen magmaja. Nesteenä oleva magma on vähemmän tiheää kuin muu vaippa, joten se siirtyy kohti maan pintaa.

Huipputeknologian metodologian ansiosta UNIGE:n tiimi on pystynyt osoittamaan, että bisulfidi on vastuussa suurimman osan kullan kuljetuksesta.


"Paineen laskun vuoksi maan pinnalle nousevat magmat ovat kyllästyneet vedestä rikkaalla kuulla, joka vapautuu sitten magmakuulan kuplina", tarkentaa Stefan Farsang, Geneven yliopiston maantieteellisten tieteiden osaston postdoc ja tutkimuksen pääkirjoittaja. Magmakuulat koostuvat siis osittain vedestä, mutta myös liuenneista haihtuvista aineista, kuten rikistä ja kloorista. Nämä kaksi ainetta ovat ratkaisevia, sillä ne eristävät kultaa, kuparia ja muita metalleja silikaattinesteestä magmakuulaan ja helpottavat siten niiden siirtymistä pintaan.

Useita rikkimuotoja

Rikki voi helposti hapettua tai pelkistyä, eli menettää tai saada elektroneja, prosessi, jota kutsutaan "hapetus-pelkistys" tai "redox". Rikin redox-tilat ovat tärkeitä, koska ne vaikuttavat sen kykyyn sitoutua muihin alkuaineisiin, kuten metalleihin. Kuitenkin tiedeyhteisöä on jakava keskustelu kestänyt yli kymmenen vuotta: mikä on magmakuulassa oleva rikin redox-tila, joka mobilisoi ja kuljettaa metalleja?

Zoltán Zajacz, Geneven yliopiston maantieteellisten tieteiden osaston apulaisprofessori ja tutkimuksen pääkirjoittaja, kertoo: "Vuonna 2011 julkaistu merkittävä tutkimus ehdotti, että rikki-radikaalit S3- täyttivät tämän roolin. Kuitenkin kokeelliset ja analyyttiset menetelmät olivat useilta osin rajoittuneita, erityisesti kun oli kyse magmakuulan paine-lämpötila- ja hapetus-pelkistysolosuhteiden toistamisesta, jotka olemme nyt voittaneet."

Menetelmällinen vallankumous

UNIGE:n tiimi asetti kvartsi-sylinterin ja magmakuulan koostumukseltaan samanlaisen nesteen tiiviisti suljettuun kultakapseliin. Kapseli asetettiin sitten paineastiaan, joka saatiin paine- ja lämpötilaolosuhteisiin, jotka ovat tyypillisiä maapallon yläkuoren magmoille. "Ennen kaikkea, laitteistomme mahdollistaa joustavan hallinnan hapetus-pelkistysolosuhteissa järjestelmässä, mikä ei ollut aiemmin mahdollista", lisää Stefan Farsang.


Kokeiden aikana kvartsi-sylinteri murtuu, mikä mahdollistaa synteettisen magmakuulan tunkeutuvan halkeamiin. Kvartsi vangitsee sitten mikropisaroita kuulaa, kuten luonnossa esiintyy, ja niiden sisältämän rikin muotoa voidaan analysoida korkeassa lämpötilassa ja korkeassa paineessa käyttämällä lasereita ja analyyttista tekniikkaa, jota kutsutaan Raman-spektroskopiaksi. Aiemmat spektroskooppiset kokeet suoritettiin yleensä 700 °C:een asti, mutta UNIGE:n tiimi onnistui nostamaan lämpötilan 875 °C:een, mikä on tyypillistä luonnollisille magmoille.

Bisulfidi kuljettajana

Tutkimus osoittaa, että bisulfidi (HS-), rikkivety (H₂S) ja rikkidioksidi (SO₂) ovat pääasialliset rikkimuodot, jotka esiintyvät kokeellisissa kuuloissa magmakuulan lämpötiloissa. Bisulfidin rooli metallien kuljetuksessa on jo hyvin dokumentoitu matalammissa lämpötiloissa niin sanotuissa "hydrotermisissä" kuuloissa, jotka ovat peräisin korkeampilämpöisistä magmakuulista.

Kuitenkin, bisulfidin uskottiin olevan hyvin rajallinen vakaus magmakuulan lämpötiloissa. Huipputeknologian metodologian ansiosta UNIGE:n tiimi on pystynyt osoittamaan, että myös magmakuulassa bisulfidi on vastuussa suurimman osan kullan kuljetuksesta.

"Valitsemalla huolellisesti laserin aallonpituudet, olemme myös osoittaneet, että aiemmissa tutkimuksissa geologisissa kuuloissa olevien rikkiradikaalien määrä oli voimakkaasti yliarvioitu ja että vuoden 2011 tutkimuksen tulokset perustuivat itse asiassa mittausartefaktiin, mikä päätti tämän keskustelun", toteaa Stefan Farsang. Luonnolliset olosuhteet, jotka johtavat merkittävien jalometalliesiintymien muodostumiseen, ovat nyt selkeytyneet.

Koska suuri osa maailman kuparin ja kullan tuotannosta tulee magmakuulista muodostuneista esiintymistä, tämä tutkimus voi edistää niiden tutkimusta avaamalla tärkeitä näkymiä niiden muodostumisen ymmärtämiseen.