Золото в природе
Золото (Au) - очень редкий металл. Его содержание в земной коре (кларк) составляет около 4 х 10-7 %, то есть в 1 км3 содержится 12 т золота. Это в несколько тысяч раз меньше, чем содержание таких металлов, как медь, цинк или свинец, поэтому при поисках и разведке месторождений золота важно понять условия его концентрирования и рассеяния в природе. Проведенные исследования показали, что золото присутствует в разных горных породах: как в магматических (гранитах и базальтах), так и в осадочных (океанических илах). Ф. Фриденбург в 1953 году рассчитал, что в слое земной коры до глубины 3000 м содержится 4470 млн т золота. Еще большие запасы хранятся в воде. Содержание золота в пресной воде составляет 1 х 10-9 %, а в морской может достигать 15-16 мг/т (у берегов США, в водах Карибского моря). Таким образом, 1 т воды содержит около 0,02 мг золота и общая масса морского золота составляет 25-27 млн т.
Самородное золото часто представляет собой его природный сплав с серебром, называемый электрумом. Присутствие в самородном золоте примесей серебра, меди и некоторых других металлов определяет его пробу - отношение содержания золота к сумме содержаний золота и серебра. Наиболее широко в природе распространено самородное золото с пробой выше 650.
Помимо серебристого золота (электрума) в природе было найдено также медистое, висмутистое, платинистое, палладистое и иридистое самородное золото. Часть золота с примесями Pt, Pd и Ir попадает на поверхность Земли из космоса в составе метеоритов. Количество таких космических золотых осадков составляет около 18 кг в год.
Формы выделения и внутреннее строение самородного золота: а – невидимое, тонкодисперсное в пирите (изображение в растровом электронном микроскопе); б – видимое в срастании с кварцем (дендриты); в – россыпное (самородки); г, д - биогенное
В зависимости от условий нахождения самородное золото меняет внешнюю форму (морфологию), внутреннее строение, обогащается или обедняется различными примесями. Размеры выделений самородного золота в природе весьма разнообразны. Большая часть золота в горных породах - это мельчайшие частицы, видимые только под электронным микроскопом (рис. 1, а). Такое тонкодисперсное золото получило название невидимого, так как оно имеет размеры меньше 10 мкм (0,01 мм). Размеры видимого золота колеблются от пылевидных частиц (порядка 0,1 мм) до крупных выделений размером несколько миллиметров. Зерна золота, имеющие массу более 1 г, получили название самородков. Среди них известны гиганты весом более 50 кг. Таких крупных находок очень немного - всего несколько десятков. Крупнейший из них ("Плита Холтермана") найден в Австралии в штате Новый Южный Уэльс на руднике Хилл Энд в 1872 году. Этот сросток самородного золота с кварцем (оксидом кремния, SiO2) имел в длину почти 1,5 м, весил 285 кг и содержал 93,3 кг чистого золота. Большие самородки золота были найдены и в России. Крупнейший из них - "Большой треугольник" весил 36,6 кг. Он был найден на Южном Урале в 1842 году.
Природное самородное золото разнообразно не только по размерам выделений, но и по их форме. Иногда оно образует правильные ограненные кристаллы - октаэдры и кубооктаэдры, но чаще самородное золото, заполняя трещинки во вмещающих породах, образует плоские папоротниковидные выделения (дендриты) или причудливой формы зерна с разнообразными выступами и наростами (рис. 1, б ). Такие золотинки бывают похожи на фигурки людей или зверей (рис. 1, в) и потому получают собственные названия: "Мефистофель" (20,25 г), "Заячьи Уши" (3,34 кг), "Верблюд" (9,29 кг).
Помимо внешней формы (морфологии) важную информацию об условиях образования самородного золота можно получить изучая его внутреннее строение. Работами Н.В. Петровской, Л.А. Николаевой, В.Г. Моисеенко, Н.Е. Саввы, С.В. Яблоковой, Г.С. Попенко было показано, что в ходе кристаллизации самородного золота и во время его длительной и сложной посткристаллизационной истории (растворения, регенерации, транспортировки) зерна самородного золота приобретают разнообразные внутренние структуры. Выявляют внутреннюю структуру частиц самородного золота путем травления полированных зерен в растворах царской водки с добавлением хромового ангидрита (HNO3 + + HCl + CrO3) и тиомочевины. Различные по составу участки золотин протравливаются по-разному. Выявленные таким образом неоднородности состава изучают методами оптической и электронной микроскопии.
Заканчивая характеристику самородного золота, необходимо охарактеризовать те свойства, которые важны при добычи и извлечении его из руд. Это, конечно, его высокая плотность - 19,32 г/см3, которая является основой гравитационного метода извлечения золота, использовавшегося еще в древности при ручной промывке в лотках. Важнейшим химическим свойством золота является способность образовывать жидкие амальгамы с ртутью, поэтому амальгамирование - второй по значимости и времени изобретения способ извлечения золота из руд.
В современных технологиях добычи золота широко применяют его способность растворяться в хлорной воде и растворах цианидов щелочных металлов в присутствии кислорода. На этих свойствах основаны методы хлорирования и цианирования. В первом случае образовавшийся осадок AuCl3 вымывается водой, а во втором руду сначала обрабатывают раствором цианида натрия, а затем золото восстанавливают из комплексных анионов электролизом на пластинах цинка. Метод цианирования впервые был предложен П.Р. Багратионом в 1843 году, а применен в 1890 году в ЮАР. Важнейшими техническими свойствами золота являются низкое электрическое сопротивление (2,887 х 10-8 Ом/м) и высокая ковкость (из 1 г золота можно получить 1 м2 фольги или проволоку длиной 2610 м).
Типы месторождения золота
Существуют два главных цикла миграции и накопления золота в природе: глубинный (эндогенный) и поверхностный (экзогенный). В каждом из этих циклов могут формироваться месторождения золота, отличающиеся по физико-химическим условиям образования (давлению, температуре, окислительно-восстановительному потенциалу, кислотности и щелочности среды), а также по геологическим условиям их локализации в горных породах.
Большая часть золоторудных месторождений мира образовалась в результате гидротермальных процессов, то есть в результате отложения золота и сопровождающих его минералов из горячих водных растворов (гидротерм). Главными спутниками самородного золота в этих месторождениях являются кварц (оксид кремния, SiO2) и сернистые соединения тяжелых металлов (сульфиды железа, свинца, цинка и меди). В этих месторождениях кварцевые жилы, содержащие самородное золото и сопровождающие его сульфиды, образуют серии сближенных параллельных или кулисообразных рудных залежей небольшой мощности (10-20 см), но значительные по протяженности (до 2 км) и глубине (до 1,5 км). Гидротермальные месторождения золота известны по всему миру (рис. 2). Одним из самых древних и богатых считается рудник Ашанти в Западной Африке. Он работает по настоящее время с 1471 года. Этот район не зря называли Золотым берегом, так как даже сейчас на глубине 1000 м идет отработка руды с содержанием золота 26 г/т. Одной из самых больших и богатых является жила Морро-Велью в Бразилии. Она имеет длину 180 м и уходит на глубину до 5 км.
По минеральному составу гидротермальные месторождения золота разделяют на золото-кварцевые (рудных минералов меньше 1,5%) и золото-сульфидно-кварцевые (рудных минералов 1,5-20%). Сульфидные минералы распределены в жилах неравномерно, образуя разнообразные причудливые узоры (текстуры). По глубине образования эндогенные гидротермальные месторождения золота разделяют на три типа. Наиболее глубинные месторождения локализованы в древнейших метаморфических комплексах земной коры (в протерозойских вулканитах, гнейсах и сланцах). Размах оруденения может достигать 4 км. Ярким примером месторождений этого типа можно считать уникальное месторождение Калгурли в Австралии, открытое в 1863 году и разрабатывающееся до сих пор. Из этого месторождения было добыто около 100 млн т руды и более 1100 т золота.
Не меньшее, а может, и большее экономическое значение имеют месторождения золота малых глубин. Особенно широко месторождения этого типа распространены в молодых складчатых областях, главным образом в обрамлении Тихого океана (см. рис. 2). К этому типу месторождений относятся месторождения Мексики (Пачука, Эль Оро), США (Голдфилд, Крипл-Крик), Австралии, а также многие месторождения России (Балей в Забайкалье, Карамкен и Хаканджа в Магаданской области). Вмещающими породами служат мезозойские песчаники, аргиллиты и конгломераты, а размах оруденения по глубине колеблется от 50 до 400 м. Рудные жилы близповерхностных месторождений отличаются большим минеральным разнообразием, многие из них богаты серебром и получили название золото-серебряных.
Современные методы анализа позволяют изучать не только химический состав минералов и включений в них, но и их изотопный состав. Именно изотопные исследования позволили решить давний спор "плутонистов" и "нептунистов". "Плутонисты" предполагали, что гидротермальные рудоносные растворы формируются благодаря остыванию магматических интрузивных тел, с которыми генетически связаны многие месторождения золота, а "нептунисты" отстаивали приоритет нагретых поверхностных вод, экстрагирующих рудные компоненты из вмещающих пород. В настоящее время выявлены четкие критерии, позволяющие отделить глубинные источники от поверхностных по изотопному составу серы () в сульфидах и по соотношению изотопов кислорода () и дейтерия () в растворах
В результате этих определений наибольшее распространение получила смешанная схема формирования гидротермальных кварцевых жил с золотой минерализацией. Предполагают, что на первом этапе происходит вскипание глубинных растворов при температуре выше 300°С, вызывающее увеличение концентрации солей и формирование рассолов, экстрагировавших рудные элементы из вмещающих пород. На втором этапе происходит поступление в систему холодных и слабоминерализованных поверхностных вод, которое вызывает осаждение рудных минералов и золота.
Исследования последних лет показывают, что важную роль в процессах переотложения и накопления золота в поверхностных условиях играют бактерии. Зарождение биогенного золота может быть внутри- и внеклеточным. Экспериментально показано, что бактерии Mesentericus niger поглощают золото из хлоридных растворов, а затем их клетки лопаются, оставляя сферические частицы нового золота. Схожие формы наблюдались и в природных образцах, например в окисленных рудах месторождения Парма (Бенин), в которых методами растровой электронной микроскопии выявлены элипсоидальные частицы самородного золота, сгруппированные в цепочки, характерные для бактерий, присоединяющихся к твердому субстрату. Биогенная природа новообразований золота хорошо подтверждается находками полных псевдоморфоз по микроскопическим водорослям и бактериям. Псевдоморфозы по нитчатым водорослям были описаны для образцов из рудника Елена (ЮАР), а в образцах из рудопроявления Апапель (Камчатка) методом оже-спектроскопии были обнаружены остатки панцирей диатомей и цисты зеленых водорослей, состоящие из золота с примесями кремния и серебра (см. рис. 1, г, д ).
Важно отметить, что крупные россыпи могут образоваться не только при разрушении богатого первоисточника. Образование россыпных месторождений связано с накоплением материала, поступающего из множества мелких и бедных жил. Источником золота могут быть не только золотоносные кварцевые жилы, но и насыщенные сульфидами (пиритом и пирротином) горные породы (особенно углистые).
Часто россыпи имеют сложное строение и состоят из нескольких золотоносных пластов, образованных в разное время и в разных условиях. Мощность отдельных пластов может колебаться от 10 см до 40 м. Такие многопластовые россыпи образуются из-за сложной истории геологического развития района в четвертичное время, связанной с резкими изменениями климата. Особенно это важно для территории России, которая неоднократно подвергалась оледенениям. Наступая ледник выпахивал золотоносные жилы, а при отступлении ледника талые воды вымывали золото и переотлагали его в долинах рек, образуя аллювиальные россыпи. Россыпи затем перекрывались более поздними, более молодыми озерно-ледниковыми наносами, что предохраняло их от последующего размыва и разрушения. Сами ледниковые отложения (морены) тоже могут быть золотоносны. В результате климатических изменений менялся режим рек и по их берегам образовывались террасы, уровень которых соответствовал уровню древних русел. Например, в долине р. Бодайбо известны восемь уровней речных террас, некоторые из которых расположены на высоте 75 м от современного русла. Большое значение может иметь географическое положение залежей. Например, для Ленского района было установлено, что богатые долинные россыпи образуются на южных склонах ключей (они в 10 раз богаче северных) при уклонах менее 3°.
Россыпи являются наиболее рентабельным типом месторождений золота. Их отработка проста и не требует больших трудозатрат, так как самородное золото в россыпях локализовано в слабо связанных легко разрушаемых породах: песках, галечниках, конгломератах, в которых рудные залежи образуют линзы и гнезда. Именно россыпи исторически первыми всегда попадали в поле зрения людей, а каждое новое открытие надолго оставалось в памяти из-за возникавших золотых лихорадок.
Среди коренных месторождений золота особое место занимают метаморфизованные руды. Этот тип месторождений образуется в результате переработки древних (протерозойских) россыпей, которые в результате геологических процессов погружаются на значительную глубину и захораниваются под более молодыми (палеозойскими, мезозойскими) осадочными породами. В дальнейшем эти древние осадочные накопления перерабатывались высокотемпературными гидротермальными растворами, еще больше обогащаясь золотом и другими полезными металлами. Так образовались золотоносные конгломераты и гравеллиты, месторождения которых известны в Гане (Тарква), Бразилии (Жакобина) и Австралии (Каллагайн). Крупнейшим в мире является месторождение Витватерсранд в ЮАР, в котором вместе с золотом добывают также платину и уран. На этом месторождении действует самая глубокая в мире шахта - 3800 м. Максимум добычи был достигнут в 1970 году и составил 1000,4 т.
Золото и в наше время остается стратегически важным металлом несмотря на отмену его денежных функций (демонетизацию), которая была проведена МВФ в 1978 году. Накопленные к концу XX века государственные золотые резервы составляют около 40 тыс. т (США - 2590 т, Франция - 2545 т, ФРГ - 2960 т, Италия - 2074 т). Добыча золота в мире неуклонно растет, так же как и его цена, которая в 1970 году составляла 1,15 долларов за 1 г, а к 1990 году поднялась до 12,35 долларов за 1 г и сейчас составляет 8,3 долларов за 1 г. Первое место по добыче занимает ЮАР (606 т в год), а в десятку крупнейших производителей входят США (296 т), Канада (165 т), Австралия (242 т) и Россия (302 т). Вместе с добычей растет и потребление золота, как в ювелирной промышленности (1953 т в 1999 году), так и в других производствах (249,5 т в 1999 году). Значительная часть золота уходит на тезаврацию, то есть на хранение в сейфах банков, компаний и частных лиц (28-30 тыс. т). Все это заставляет геологов расширять поиски и изыскивать новые источники этого драгоценного металла. Современное развитие геолого-разведочных работ на золото невозможно без научно обоснованных прогнозов, достоверность которых значительно возрастает благодаря дальнейшему совершенствованию традиционных и разработке новых методов комплексного изучения золотых руд.