地震也能“点石成金”？

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为什么金块总是与石英矿脉共生？

在自然界中，黄金的形成一直是一个谜。尽管我们知道黄金通常与石英矿脉密切相关，但这些金块究竟是如何在地球深处的石英中聚集起来的呢？这个问题曾长期困扰着地质学家。传统的理论认为，金矿的形成主要是通过热液作用，即含金流体在石英矿脉中冷却，导致金的析出。然而，这种理论无法完全解释为何金块往往集中在特定的石英矿脉中，而且这些金块的规模常常远超流体能够携带的金量。最近的研究表明，石英的压电效应可能为这一现象提供了合理的解释。每当地震发生时，石英矿脉中的金离子在电场的作用下被还原并沉积在石英表面。随着每次地震带来的新一轮应力，这些沉积的金逐渐生长，最终形成大的金块。这种“电镀”过程不仅解释了金块为何与石英矿脉密切相关，也揭示了为何这些金块通常具有非常高的纯度和一致的形态。

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石英——藏在地球深处的压电材料

石英是一种无处不在的矿物，构成了地壳的重要部分。除了其广泛的分布和坚硬的物理性质，石英还有一个独特的性质：压电性。当石英晶体受到机械应力时，它们内部的电荷分布会发生变化，产生电压。这种效应最早由皮埃尔·居里和雅克·居里在19世纪末发现，并被命名为压电效应。在地壳深处的地质环境中，石英矿脉往往处于巨大的压力之下。当地震发生时，这些石英晶体在应力的作用下会产生瞬时的电场。在一定条件下，这种现象足以驱动一些复杂的电化学反应，特别是涉及到金离子的反应。

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从离子到金块的形成过程

图：未涂层石英金氯化物实验中金颗粒的分布与微结构

研究显示，地下水中通常含有微量的金，以金离子（如AuCl₄⁻）的形式存在。然而，这些金离子的浓度极低，通常不到1毫克每升。在没有外力作用的情况下，金离子很难从溶液中析出并聚集成固态的金粒。

然而，当地震发生时，石英晶体受到的压应力会产生强大的电场，这个电场能够诱发一种称为压电催化的过程。在这个过程中，石英的表面成为电化学反应的活性场所，金离子在这里被还原为金原子，并在石英表面逐渐积聚。这一现象并非瞬时完成。每次地震都会带来新的应力波，激活石英的压电效应，从而在石英表面不断沉积新的金层。随着时间的推移，这种沉积作用不断积累，最终形成我们所见到的天然金块。

图：石英压电催化模型对金形成的总结。

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地震频发地区是天然的金矿场

全球许多地震频发的地区，如澳大利亚的维多利亚州、南非的金伯利以及美国的加州，都是著名的黄金产地。这些地区的共同特征在于地质活动极为频繁，地震事件屡见不鲜。正是这些地震，推动了石英矿脉中的黄金形成。当地震发生时，石英矿脉中的石英晶体因受压而产生压电效应，形成局部电场。这一电场为地下水中的金离子提供了还原的机会，使它们沉积并逐渐聚集成可观的金块。随着地震的不断发生，这一过程反复进行，最终形成了我们今天所见的富含黄金的石英矿脉。因此，这些地震活跃区可以看作是大自然的“黄金冶炼场”，在无数次地震的推动下，逐渐形成了丰富的金矿资源。

结语

这个有趣的发现不仅为地质学提供了新的见解，还可能对未来的黄金勘探产生深远影响。通过识别那些具有丰富石英矿脉且地震活动频繁的地区，科学家们或许可以更高效地找到潜在的金矿。

参考文献

Voisey, C.R., Hunter, N.J.R., Tomkins, A.G. et al. Gold nugget formation from earthquake-induced piezoelectricity in quartz. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01514-1