地球在释放巨大能量时，也制造了巨型金块

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要想制造金条、奥运会奖牌的镀金层，甚至是黄金首饰，可能都需要地震来帮忙。一项新研究指出，地震期间板块移动所产生的应力和应变可能会引发化学反应，导致金纳米颗粒聚集成更大的金块，方便采矿方开采。澳大利亚莫纳什大学的地质学家克里斯托弗·沃伊齐（Christopher Voisey，这项研究的共同作者）表示：“这项研究最重要的发现是展示了一种新的黄金形成过程，并解释了巨型金块形成的可能机制。”沃伊齐还说，“这一直都是一个难题，尤其是在没有野外证据支持的情况下。”

据估计，所有开采的黄金中有75%来自分布在石英内部裂缝中的金矿床，石英是地壳中最丰富的矿物之一。地球化学家已经知道，地壳中下层的流体中含有溶解的金，这些流体可以渗入到石英裂缝中。但考虑到流体中只含有少量的金，可形成的金块尺寸受限，因此很难解释较大金块的形成。科学家曾经推测，流体中的金纳米颗粒可能会在石英内聚集成更大的金块，但并不清楚这是如何实现的。因为相比于溶解的金，纳米颗粒通常没有足够的能量克服反应能垒，无法在裂缝表面聚集并形成金块。

这项发表于《自然·地球科学》（Nature Geoscience）的研究表明，石英在地震期间受到的应力，可能会导致石英表现出一种奇特的性质，即压电效应，从而使较大金块的形成成为可能。压电效应自19世纪80年代起就为人所知，它本质上是指一些材料在机械应力作用下产生电荷的能力。

石英之所以能产生这种效应，是因为它的结构：由带正电的硅原子和带负电的氧原子按一定规律重复排列。当石英被拉伸或压缩时，原子的排列会发生变化，导致电荷不对称分布。其中，负电荷和正电荷会分别聚集在石英的不同区域，由此产生电场并改变材料的电学状态。

沃伊齐和他在莫纳什大学的同事认为，这种电学状态的改变可能会导致流体中金纳米颗粒与石英表面相互作用所需的能量降低，从而使此前不可行的化学反应发生，并允许纳米颗粒附着在石英表面并聚集。为了验证他们的想法，研究人员模拟了石英在受到类似地震力的作用下可能产生的电场。然后，他们将石英晶体放置在含金溶液（含有溶解的金纳米颗粒与其他金化合物）中，发现在类似地震波的作用下，石英产生的电压足够使金纳米颗粒开始从流体中沉淀出来，并快速在表面形成聚集体。

这项研究提出了一种有趣的机制，它也许至少可以解释地壳中一些较大的金块是如何形成的，尤其是造山型金矿，它们通常出产于造山带，即两个构造板块碰撞导致地壳隆起，从而形成山脉的带状区域。

地质学顾问詹姆斯·桑德斯（James Saunders，未参与这项研究）说：“很显然，阵发性地震对于这些重要的造山型金矿的形成非常重要。”他希望未来的研究可以更深入地探究这一点，包括地震引起的压电效应要持续多久才能形成这样的沉积物，以及为什么一些巨型金块只在某一地区的一些石英裂缝中形成，尽管从理论上讲，地震会对所有裂缝引起相同的应力和应变。“我认为这是一个很棒的想法或假说，”桑德斯说，“如果它经得起进一步的评估，我会很感兴趣。”

未来，沃伊齐和同事计划测试其他不同的实验参数，包括压力与温度，以进一步探究他们的理论。“这项研究其实还只是个初步研究，”沃伊齐说，“我很期待看看它会如何发展。”

本文选自《环球科学》2024年11月刊的“前沿”栏目。