成矿相关的纳米地球化学实验研究：以纳米金为例

本项目立足于新兴的纳米地球化学，围绕纳米金在载金矿物上吸附和沉积的科学问题，量化研究过去少有探索的纳米金和载金矿物的尺寸效应，力图利用纳米科学的观点解释卡林型金矿中纳米金的形成、迁移和富集等现象。针对卡林型金矿的一些共性，我们将含金物质（如金络合离子或纳米金粒）、载金矿物（如黄铁矿）和有机物（如柠檬酸钠、硫醇）组成的实验体系确定为模拟研究对象。研究内容包括通过有机物还原氯金酸合成单分散纳米金，表征纳米金的基本物理性质及其纳米尺寸依赖性，测定在包括金和矿物的粒径、温度、离子种类/浓度、有机物浓度和pH等各种参数条件下纳米金在载体矿物上的饱和沉积量、沉积率和沉积速度等物理量。通过综合分析热力学和动力学数据，谨慎推导规律,建立纳米金在载金矿物上沉积的物理化学模型。比照实验研究和野外观测的结果，归纳与卡林型金矿相关的纳米地球化学规律，为完善卡林型金矿成矿理论提供可靠的实验依据。

纳米地球化学是从纳米尺度认识相关地质体的化学组成、化学作用和化学演化规律的一门新兴学科，其研究范围已经涉及地球化学的多个分支领域。卡林型金矿等矿床在国民经济和地学研究中具有重大意义，其中存在的纳米金是天然纳米金属矿物的典型代表，但是目前对纳米金的特殊性质、成因及其对相关成矿过程的影响还缺乏深入研究。本项目从纳米地球化学的全新角度，围绕纳米金在载金矿物上吸附沉积等相关科学问题，对纳米金与载金矿物的尺寸效应进行了实验模拟研究，并将研究结果与野外样品进行对照分析，从而揭示纳米金的形成和迁移富集机理。采用柠檬酸钠法合成了不同粒径的单分散的纳米金溶胶，通过多种测试手段对纳米金的粒径及浓度进行了分析鉴定，发现纳米金粒径越小及柠檬酸钠浓度较高时纳米金溶胶越稳定，证实了有机质扮演了还原高价金和稳定纳米金溶胶体系的双重作用，提出了纳米金在流体中可能的活化迁移机制。揭示了纳米金在载金矿物表面的吸附主要取决于两者间的静电作用以及纳米金特有的表面效应和纳米尺寸效应，发现溶液pH、有机质及氧浓度对吸附过程具有重要的影响。对照分析水银洞卡林型金矿后，发现金主要以零价纳米金和Au+状态富集于黄铁矿中，且金和部分微量元素的含量随黄铁矿粒径的减小而升高，印证了当载金矿物和纳米金粒径较小时其所具有的大比表面积和高表面化学活性有利于金的吸附富集成矿。综合纳米地球化学实验数据和野外样品表征数据，提出了卡林型金矿中纳米金可能的成因、迁移和沉积机制。通过化学法制备了不同粒径的立方体和片状团聚体型的黄铁矿，为后续定量研究纳米金在不同晶体结构及表面能的载金矿物表面吸附成矿奠定了基础。本项目的研究成果为完善卡林型金矿的成矿机制提供了可靠的实验数据和理论依据。