Не все то золото, что блестит. Этой фразой можно описать и ситуацию, и человека. Но во время золотой лихорадки она приобретает более буквальный смысл. За многие годы существования нашей цивилизации было немало случаев, когда люди в попытках обрести сказочное богатство начинали добывать золото в местах, где его якобы было очень и очень много. Кому-то везло, кому-то нет. Многие добытчики мало что знали о геологии, а потому порой натыкались на то, что внешне напоминало золото, но им вовсе не являлось. Их сердца наполнялись радостью, а сознание мыслями о безбедной жизни, но в результате их ждало лишь неминуемое разочарование. К таким минералам-обманкам относится пирит (FeS₂), визуально очень похожий на золото. Золотодобытчики часто путали пирит и золото, от чего первый прозвали «золотом дураков». Однако то, что для неудачливого горняка пустышка, то для ученого бесценное сокровище. Исследователи из университета им. Кэртина (Австралия) изучили пирит, обнаружив в нем частицы самого настоящего золота. Как золото оказалось внутри пирита, насколько его там много, и чем данный труд так важен для современной геологии и промышленности? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Прежде, чем приступить к обсуждению непосредственно пирита в рамках исследования, нельзя не отметить еще одну любопытную особенность этого минерала — Фалунский феномен. В городке Фалун (Швеция) в свое время была развита горнодобывающая промышленность. В XVIII веке в железных рудниках работники обнаружили останки погибшего рудокопа, которые пролежали там довольно долго. Необычность заключалась в том, что все кости естественным путем были заменены пиритом. Это пример явления, называемого псевдоморфоза — когда минерал находится в несвойственной данному минералу форме, повторяя форму другого минерала или биологического тела. А теперь можно и про золото в пирите поговорить.


Пример псевдоморфозы.

Авторы исследования небезосновательно отмечают, что скорость открытия новых месторождений золота во всем мире очень быстро снижается, а качество руды ухудшается параллельно с увеличением стоимости драгоценного металла.

Когда «чистого» золота все меньше и меньше, на сцену выходит «невидимое» золото. Так называют золото, встречающееся в сульфидных минералах (от нескольких частей на миллион до нескольких тысяч частей на миллион). Чаще всего такое золото можно обнаружить в арсенопирите (FeAsS) или в пирите (FeS₂). В этих рудах золото либо структурно связано в кристаллической решетке в виде сплава, либо присутствует в виде дискретных металлических наночастиц и микрочастиц.

Недавно было проведено исследование, в котором ученые предположили наличие золота в малоугловых межзеренных границах*.

Межзеренная граница* — поверхность раздела двух кристаллитов (зерен) в поликристаллическом материале.

Однако о природе такого золота, его минералогическом положении, источнике и механизме сегрегации известно крайне мало.

Проблема в том, что определение формы и распределения золота в тугоплавких золотосодержащих рудах* является крайне сложным процессом, так как аналитический объем многих количественных подходов намного превышает размер частиц золота в сульфидах. Таким образом, связь между золотом и деформационными микроструктурами остается чисто теоретической.

Тугоплавкая золотосодержащая руда* — руда, которая содержит мелкие частицы золота, распределенные по всему минералу.

Характеризация процессов, ответственных за химическую модификацию пирита, имеет огромное значение не только для совершенствования процесса нахождения сего минерала, но и для улучшения процесса извлечения содержащегося в нем золота. И тут вновь возникает проблема со знаниями: информации о химическом составе пирита (и сульфидных минералов в целом) достаточно, но вот четкого описания химических процессов толком нет (много разных теорий, которые ученые никак не могут привести к общему знаменателю).

Дабы разобраться в ситуации, авторы труда провели исследование кристаллографического расположения золота в деформационных микроструктурах. Для этого были использованы методы наномасштабной характеризации золотосодержащего мышьякового пирита.

Роль подопытного образца исполнил пирит, собранный с месторождения золота Хуанцзиньдун (Huangjindong), расположенном в центральной части орогена* Цзяннань (Jiangnan).


Изображение №1

Ороген* — горно-складчатое сооружение.

Ороген Цзяннань образовался во время столкновения блоков Янцзы и Катайзии во время формирования суперконтинента Родиния.

Образец представляет собой минерализованный сланец со штоком* мелких (несколько сантиметров) кварцевых жил.

Шток* — интрузивное тело, в вертикальном разрезе имеющее форму колонны.

Основные рудные минералы включают пирит и арсенопирит с небольшими количествами халькопирита (CuFeS₂), тетраэдрита ((Cu,Fe)₁₂Sb₄S₁₃), галенита (PbS) и самородного золота. Больше всего золота содержится именно в пирите (несколько сотен частей на миллион). Богатые золотом пириты являются минералами синминерализации и образуются при температуре 200–350 °C, что выше температуры хрупко-пластичного перехода пирита (200 °C).

Зерно пирита из агрегата, размещенного в сланце, анализировали методом дифракции отраженных электронов (EBSD от electron backscattered diffraction) с использованием сканирующего электронного микроскопа. Малоугловой раздел (?2°) внутри пирита был выбран для анализа с помощью наноразмерной масс-спектрометрии вторичных ионов (NanoSIMS от nanoscale secondary ion mass spectrometry).

Результаты исследования

В данном труде пирит был представлен одиночным зерном 400 ? 800 мкм) с включениями арсенопирита размером в несколько микрометров.


Изображение №2

Данные EBSD выявили искажение решетки внутри зерна с максимумом в ?10°. Внутренне это искажение проявляется небольшими изменениями ориентации решетки (< 1°) и наличием нескольких дискретных малоугловых границ с разориентацией* ~ 2° (снимки выше). Данные EBSD показывают, что многие границы согласуются с работой системы скольжения* {100} <010>, которая обычна для пирита.

Разориентация* — различие в кристаллографической ориентации между двумя зернами, субзернами или кристаллитами в поликристаллическом материале.

Скольжение* — перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным.

Однако одна граница имеет оси разориентации, близкие к <110>, что указывает на вероятное преобладание скольжения {110} <010>, связанного с линией дислокации* <110> (2E). Данная граница не показала признаков микротрещин, что указывает на когерентный характер микроструктуры.

Дислокация* — линейный дефект или нарушение кристаллической решетки твердого тела.

Данные NanoSIMS показали, что распределение As неоднородно с двумя отчетливыми доменами, отмеченными осцилляторной зональностью под большим углом друг к другу (2D). В одном из доменов золота было гораздо больше, чем в другом.

Домены, обогащенные золотом, пространственно связаны с пересекающимися микротрещинами и/или доменами, богатыми As, включая границу, на которую указывают данные EBSD. Эта граница обогащена золотом и пересекает все домены (2C).

Определение характеристик малоугловой границы с помощью АЗТ (атомно-зондовая томография) показало, что граничная плоскость ориентирована наклонно к оси образца и состоит из параллельных, богатых следовыми элементами* (микроэлементами) линейных элементов, расположенных на расстоянии 10–15 нм. Линейные элементы субгоризонтальны в плоскости границы и содержат Ni, Cu, As, Pb, Sb, Bi и Au. Общая концентрация микроэлементов в дислокациях достигает ~ 4.5 ат.% (атомных процентов) по сравнению с 1.3 ат.% в объеме образца.

Следовые элементы* — химические элементы, концентрация которых внутри чего-либо крайне мала.

Обогащение микроэлементами компенсируется уменьшением содержания Fe (уменьшение на ~ 2.8 ат.%) И S (уменьшение на ~ 0.4 ат.%). Концентрация золота в дислокациях составляет 253 ± 26 ppma (ppma — частей на миллион атомов). При рассмотрении образований в трехмерном формате видно, что атомы золото не образуют больших или плотных кластеров, а само золото не образует дискретные наночастицы. Профили концентрации показали, что As в областях дислокации больше всего (от ?1.3 до ?2 ат.%), а в областях вокруг дислокации концентрация As снижается (от ?1.3 до ?1 ат.%). За пределами дислокации другие микроэлементы находятся ниже пределов обнаружения в профилях концентрации.

Судя по данным NanoSIMS, в образцах присутствует осциллирующее зонирование* Au и As, характерное для сульфидов. Золото обычно находится в твердом растворе или в виде наночастиц именно в этих доменах.

Осциллирующее (колебательное) зонирование* — зонирование, при котором состав циклически меняется от ядра к краю, образуя концентрические кольца с меньшим и большим углом затухания и интерференционным цветом.

Одной из основных причин осциллирующей зональности считается ограниченная диффузией самоорганизация ионов на интерфейсе кристалл-жидкость, которая может создавать наноразмерные домены во время роста кристаллов.

Сравнение геометрии наноразмерных линейных особенностей, наблюдаемых в плоскости малоугловой границы, и данных EBSD по этой конкретной границы показывает, что эти линейные особенности наиболее согласуются с дислокациями <110>. Линейные особенности также согласуются с дислокациями, отображенными АЗТ в других минералах. Обогащение дислокации микроэлементами увеличивается до 3.2 ат.%, включая Ni, Cu, As, Pb, Sb, Bi и Au.

Отсутствие микротрещин вдоль малоугловой границы и ее когерентный характер наталкивают на мысль, что перераспределение следовых элементов опосредованно диффузией, а не процессом, связанным с жидкостью.

Модель диффузионного перераспределения имеет три ипостаси: твердотельная (объемная) диффузия; диффузия по путям «короткого замыкания» (дислокации) и диффузия пар дефект-примесь.


Объяснение диффузии по путям дислокации.

Твердотельная диффузия элемента считается эффективной только при высоких температурах и вряд ли будет значительной при температуре месторождения Хуанцзиньдун (200–350 °C).

Данные показали, что концентрация As снижена на ?0.3 ат.% в зоне шириной 10–15 нм на сторонах дислокации (изображение ниже).


Изображение №3

Во время кристаллопластической деформации малоугловые границы образуются путем перегруппировки дислокаций в плоскость с дислокациями, мигрирующими с обеих сторон границы. Мигрирующие дислокации обладают способностью захватывать с собой примеси. Зона в непосредственной близости от дислокации, где наблюдается меньшая концентрация As, может представлять собой зону захвата дислокации, причем дислокации происходят с обеих сторон границы. Эта зона захвата может быть временной только в том случае, если As повторно включается в кристаллическую структуру во время миграции дислокаций. Следовательно, эти процессы идеально объясняются моделью диффузии пар дефект-примесь.

К сожалению, золото и другие микроэлементы не были обнаружены выше предела обнаружения в профилях концентрации, и их поведение во время деформации не может быть непосредственно оценено. Однако учитывая, что As и Au имеют связанное поведение в пирите, можно предположить, что золото было захвачено дислокациями во время их миграции, следуя модели диффузии пары дефект-примесь, ответственной за для подвижности.

Независимо от механизма, ответственного за обогащение дислокаций золотом, такие кристаллографические зоны представляют собой новый тип золота в пирите, связанный с дефектами. Ранее, как заявляют ученые, подобный тип золота был невидим для других аналитических методов исследования.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Авторы труда честно говорят о том, что их результаты не дают полного понимания природы золотосодержащей фазы вдоль дислокации, т.е. природы пирита с высоким содержанием микроэлементов.

Однако тех данных, что были собраны в ходе исследования, уже достаточно, чтобы сделать определенные выводы. В кристаллах присутствуют определенные дефекты, называемые дислокациями. Внутри этих дислокаций могут быть следовые элементы, о чем ранее неоднократно предполагалось, но это были лишь теории. В данном труде с помощью атомно-зондовой томографии удалось подтвердить эти теории. В исследуемых образцах дислокации были обогащены микроэлементами, в том числе и золотом.

Возникает вполне логичный вопрос — как это золото достать? Ученые говорят, что обычно для этого применяется метод окисления под давлением. Однако он весьма сложный в реализации и дорогой.

Альтернативный метод, предложенный авторами исследования, основан на селективном выщелачивании, когда используется жидкость для избирательного растворения золота из пирита. Суть в том, что дислокации, в которых содержится золото, способствуют этому методу, так как исполняют роль жидкостных путей, позволяя извлекать золото, не влияя на сам пирит.

В будущем ученые намерены провести еще немало исследований, так как спектр наших знаний касательно химического состава и химических процессов, протекающих внутри кристаллов, пока еще не так велик, как мы бы того хотели.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?