黄金是我国紧缺战略性矿产资源，对外依存度大于60%。超富金矿石（bonanza grade gold ore, >31克/吨金）极具经济价值，是找矿勘探的重要对象，其形成机制亦是学术界关注的重要科学问题。热液金矿中金的沉淀，通常认为是受金的溶解度控制，流体中金过饱和，金发生沉淀。然而，地质流体中的金含量普遍低于模拟实验中计算出的金溶解度，暗示流体中金过饱和并非金沉淀的必要条件。在许多热液金矿，特别是超富金矿石中，自然金及含金碲化物沿石英的裂隙密集产出，这些矿石的金含量可高达数千克每吨。在此类超富金矿石中，金的高度富集，难以用溶解度控制的沉淀机制解释。如流体沸腾、混合等机制触发金快速沉淀的同时，也必然导致常见脉石和金属矿物的大量沉淀，大大降低矿石的金品位。因此，需要破解超富金矿石成因谜团，明确超富金矿石的富集机制。

针对这一关键科学问题，MGM美高梅官网登录1688地球科学与资源学院简伟副研究员和毛景文院士，通过对小秦岭含金石英脉超富金矿石的精细研究，提出一种金超常富集的新机制，取得了以下创新性认识：

1. 富金、银、碲、铋矿物组合是金属液滴冷凝结晶的产物：

（1）富金、银、碲、铋矿物组合（含少量铅、铜、铁、硫）具有固定的结晶顺序：黄铜矿、碲铅铋矿\碲铋矿\自然金，碲金矿、碲铅矿、碲金银矿，碲金银矿总是最后结晶，并且充填其它矿物的晶粒间隙（图1，2），说明这些矿物组合是在有限空间内，熔体结晶的产物。

（2）富金、银、碲、铋矿物组合在180 °C开始熔化，360 °C 至396°C完全熔化，形成浑圆的液态金属球（图3，4），其完全熔化温度与共生流体包裹体的完全均一温度区间重合（293–400 °C）。

2. 金属液滴的形成机制：

石英通常被认为化学性质不活泼，但物理化学缺陷发育的石英具良好的化学活性。石英被物理化学活化后（如断裂活动导致石英发生破碎），SiO₂的原子键断裂，产生≡Si·和≡SiO·自由基。≡Si·自由基可以与H₂O分子反应形成硅醇基（≡Si─OH）和氢自由基（H·），氢自由基重新结合形成氢气，方程如下：

≡Si· + H₂O→H·+ ≡Si─OH

H· + H· → H₂

石英破碎后与水反应能生成氢气，这一过程已得到实验证实。在现代活动断层（如美国San Andreas断裂）以及断层面假玄武玻璃岩中（由断层中岩石强烈摩擦作用熔化后而形成），均检测到异常高含量的氢气。此外，高速摩擦实验亦显示，地震过程中不仅能产生氢气，且氢气产生量与地震震级存在幂律关系。因此，在地质过程中，石英破碎后与水反应生成的氢气和硅醇基，可作为含金、银、碲、铋等金属络合物的还原剂，反应方程如下：

≡Si─OH + M⁺ → ≡SiO· + H+ + Au⁰,

M⁺ + 1/2H₂ → H⁺ + M⁰.

石英表面被还原的金、银、碲、铋等金属原子聚集并生长，形成金属液滴，因为这些金属集合体的熔点低于流体温度。

 3. 金的高效富集机制：

金属液滴形成后，可以作为催化剂，加速石英对金属络合物的吸附-还原进程，并汲取被还原的金属原子继续生长。由于吸附-还原作用不受溶解度控制，而取决于矿物和流体之间的固液界面反应，因此石英的吸附-还原作用及金属液滴的催化作用，可使金高效富集，即便流体中的金并未达到饱和。高密度的表面缺陷，是石英能高效吸附-还原金的关键。比如，物理化学缺陷发育的石英/SiO₂（如介孔二氧化硅、激光轰击的石英表面）被广泛应用于纳米金颗粒的合成。在选矿实验中，微细粒（0.1–2.5 μm）的石英可在数小时内吸附-还原溶液中98%的溶解金，研磨后的石英对金的吸附-还原能力大大增强。因此，大型剪切带中石英广泛而强烈的破碎（现表现为大量的次生流体包裹体面，也即愈合的微裂隙），不仅为成矿流体的提供了通道，也创造了大量的表面缺陷，为金、银、碲、铋等金属的吸附-还原创造了有利的条件。金在所有金属元素里具有最高的电负性，总体而言，金的络合物相较于其他金属络合物更倾向于被还原。然而，金、银、碲、铋等低背景含量元素为何能在金属液滴里高度富集，还需要进一步研究破解。

总结

（1）断裂活动过程中，石英破碎与水反应生成硅醇基及氢气，还原流体中的金、银、碲、铋等金属络合物形成金属液滴；

（2）金属液滴作为催化剂，加速石英对金属络合物的吸附-还原进程，汲取被还原的金属原子继续生长；

（3）低熔点的金属液滴可长时间以液态形成存在，在多次热液活动中从流体中汲取金，形成超富金矿石；

（4）除金属液滴外，自然金颗粒也具有良好的催化能力，因此，石英的破碎及自然金的自我催化生长，代表了金高效富集的另一种可能机制。

图1 石英中的金属液滴结晶物及流体包裹体

图2 石英中的金属液滴结晶物（单偏反射光）

图3 金属液滴结晶物加温熔化过程

图4 热液金刚石压腔中金属液滴结晶物加温熔化过程

上述研究成果受到国家自然科学基金面上基金（41972093）及中央高校基本科研业务费（2652020026）资助，发表于地质学领域权威期刊《Geology》，MGM美高梅官网登录1688副研究员简伟为第一作者和通讯作者，共同作者为MGM美高梅官网登录1688毛景文院士、德国克劳斯塔尔工业大学Bernd Lehmann教授、澳大利亚阿德莱德大学Nigel J. Cook教授、中国地质科学院矿产资源研究所李建康研究员、MGM美高梅官网登录1688宋世伟副研究员和博士研究生朱磊。

论文信息：Jian, W*., Mao, J., Lehmann, B., Cook, N.J., Li, J., Song, S, and Zhu, L., 2024. Hyper-enrichment of gold via quartz fracturing and growth of polymetallic melt droplets. Geology, https://doi.org/10.1130/G51875.1