Глубоко под океанским дном может работать своеобразная «золотая кухня» Земли. Речь идёт об островных дугах — цепочках вулканов, возникающих над зонами, где одна океаническая плита погружается под другую. Такие районы часто необычайно богаты золотом, но причины этого долго оставались предметом споров.
Новое исследование под руководством морского геолога Кристиана Тимма из Центра океанических исследований ГЕОМАР показало, что важнейшую роль играет многократное плавление насыщенной водой мантии.
По словам Тимма, мантия под островными дугами действует как многоступенчатая система. Каждая новая стадия плавления помогает всё сильнее концентрировать золото в образующейся магме.
Чтобы проследить этот процесс, учёные изучили 66 образцов вулканического стекла, собранных на морском дне вдоль островной дуги Кермадек и соседней впадины Хавре к северу от Новой Зеландии.
Вулканическое стекло появляется, когда подводная лава остывает почти мгновенно. Благодаря этому в нём сохраняется большая часть первоначального химического состава магмы, существовавшей глубоко под океанским дном.
Особенно ценными оказались наиболее первичные образцы стекла. Они сохранили состав исходной магмы до того, как кристаллизация успела его изменить.
Анализ показал, что золота в них часто было в несколько раз больше, чем в сопоставимой магме срединно-океанических хребтов. Учёным предстояло выяснить, какой именно процесс создаёт такое обогащение.
Исследователи измерили содержание золота в чрезвычайно малых концентрациях и сравнили его с серебром, медью, селеном и платиной. Эти элементы сходным образом ведут себя при плавлении, поэтому соотношение между ними позволяет восстановить процессы, происходившие в мантии.
Результаты показали, что под островной дугой Кермадек мантия плавится в присутствии воды и при достаточно высокой температуре. В таких условиях сульфидные минералы, в которых обычно удерживается золото, начинают полностью разрушаться.
В некоторых образцах содержание золота достигало шести нанограммов на грамм породы. Это всё ещё крайне мало, но для магмы, происходящей из мантии, показатель оказался необычно высоким.
Соотношение золота и меди в образцах также значительно превышало значения, характерные для плодородной мантии и первичных базальтов срединно-океанических хребтов.
По мнению исследователей, лучше всего эти признаки объясняются тем, что источник магмы уже подвергался плавлению раньше, потерял часть своих веществ, а затем расплавился снова.
Главным механизмом накопления золота оказалось интенсивное и многоступенчатое плавление насыщенной водой и окисленной мантии.
Однако найденные породы не содержат достаточно золота для промышленной добычи. Для экономически выгодного месторождения концентрация должна быть на несколько порядков выше.
Изначально учёные предполагали, что количество золота напрямую зависит от воды, выделяющейся из погружающейся океанической плиты. Но результаты показали более сложную картину.
Вода не столько непосредственно переносит золото, сколько облегчает плавление мантийных пород. Чем сильнее и чаще плавится мантия, тем эффективнее золото переходит в магму.
В обычных условиях золото связано с сульфидными минералами и остаётся запертым внутри них. При слабом плавлении большая его часть не покидает мантию.
Но когда плавление становится достаточно интенсивным, сульфиды разрушаются, и всё находившееся в них золото высвобождается в расплав. Повторение этого процесса позволяет магме становиться всё более обогащённой.
Таким образом, высокое содержание золота возникает не в результате одного события. Для заметного накопления металла необходимо несколько последовательных этапов плавления.
Открытие помогает лучше понять происхождение богатых золотом месторождений, связанных с океаническими островными дугами, включая дугу Кермадек. Оно показывает, что количество золота, поднимающегося вместе с магмой, во многом определяется процессами, происходящими глубоко в мантии.
Условия у поверхности всё ещё решают, сформируется ли в итоге концентрированное месторождение. Однако его история может начинаться задолго до появления вулкана — в тот момент, когда насыщенная водой мантия неоднократно плавится над зоной погружения плиты.
Тот же механизм может объяснить, почему гидротермальные сульфидные залежи возле подводных островных дуг нередко содержат необычно много золота. Они возникают там, где горячие насыщенные минералами жидкости циркулируют через вулканические области под океаном.
Авторы подчёркивают, что эта связь пока требует дальнейшего изучения. Но полученные данные уже позволяют увидеть самый первый этап геологического пути золота — его переход из мантии в расплав, из которого впоследствии рождаются вулканы.
Природная «алхимия» начинается задолго до того, как золото приближается к поверхности Земли.
