Ученые раскрыли секрет «золотой кухни» Земли под океанским дном

Повторное плавление глубоко под островными вулканами может быть скрытым процессом, который запускает путешествие золота к морскому дну. Credit: AI/ScienceDaily.com

Под океанским дном может скрываться «золотая кухня» Земли. Островные дуги — цепочки вулканов, формирующиеся над зонами субдукции, где одна океаническая плита погружается под другую, — часто необычайно богаты золотом. Ученые годами спорили о причинах такого обогащения.

Новое исследование под руководством доктора Кристиана Тимма, морского геолога из Центра океанских исследований имени Гельмгольца GEOMAR в Киле, предлагает более глубокое объяснение.

«Наше исследование показывает, что водное плавление мантии под островными дугами является ключевым фактором обогащения золотом», — говорит Тимм. «В этих условиях мантия ведет себя как многоступенчатая система плавления, которая постепенно концентрирует золото».

Чтобы выяснить, как ведут себя золото и другие благородные металлы при плавлении мантии под подводными зонами субдукции, исследователи изучили 66 образцов вулканического стекла, собранных со дна океана вдоль островной дуги Кермадек и соседнего бассейна Хавр к северу от Новой Зеландии.

Вулканическое стекло образуется, когда подводная лава остывает чрезвычайно быстро. Это быстрое охлаждение сохраняет первоначальный химический состав магмы, давая ученым ценную информацию об условиях глубоко под морским дном. Наиболее показательными оказались так называемые примитивные стекла, сохраняющие химию исходной магмы до того, как кристаллизация изменит ее состав.

«Когда мы проанализировали эти образцы, то обнаружили, что концентрация золота в них часто в несколько раз выше, чем в сопоставимых магмах из срединно-океанических хребтов», — отмечает Тимм. «Это поставило ключевой вопрос: какие процессы ответственны за это обогащение?»

Исследователи измерили золото в чрезвычайно низких концентрациях и сравнили его с другими халькофильными («любящими серу») элементами, включая серебро, медь, селен и платину. Поскольку эти элементы ведут себя сходным образом во время плавления, их химические паттерны могут раскрыть, что происходило внутри мантии.

Результаты показывают, что мантия под островной дугой Кермадек плавится в присутствии воды и при относительно высоких температурах, выше ликвидуса сульфидов. В этой точке сульфидные минералы могут начать полностью разрушаться. В таких условиях магма сохраняет соотношения серебра к меди, сходные с теми, что наблюдаются в мантии.

Команда также обнаружила исходные концентрации золота до шести нанограммов на грамм породы. Хотя это количество может показаться крошечным, оно необычайно высоко для магмы мантийного происхождения. Образцы также содержали соотношения золота к меди, значительно превышающие те, что измерены в плодородной мантии и примитивных базальтах срединно-океанических хребтов.

По мнению исследователей, эти химические сигналы лучше всего объясняются мантийным источником, который уже был истощен предыдущим плавлением, а затем был расплавлен снова. Основным процессом, обогащающим эти магмы золотом, является высокостепенное, многостадийное плавление богатой водой и окисленной мантии.

Несмотря на повышенные значения, породы не содержат достаточно золота для коммерческой добычи. Экономически полезные месторождения потребовали бы концентраций на несколько порядков выше.

Исследователи изначально подозревали, что вода, выделяющаяся из погружающейся плиты, может напрямую контролировать количество золота, попадающего в магму. Новые данные указывают на более сложный процесс.

«Мы первоначально предполагали, что вода, выделяющаяся из зоны субдукции, напрямую контролирует обогащение золотом», — говорит Тимм. «Однако наши данные показывают, что вода в основном способствует плавлению мантии. Ключевым фактором высоких концентраций золота является высокая — и частично повторная — степень плавления».

Таким образом, вода, по-видимому, действует в основном как триггер, помогающий мантийной породе плавиться более интенсивно. Чем сильнее и многократнее становится плавление, тем эффективнее золото может переходить в магму. Химическое расположение золота внутри мантии также важно.

«Золото в мантии обычно связано в сульфидных минералах», — объясняет Тимм. «При высоких степенях плавления эти минералы разрушаются, полностью высвобождая свое золото в расплав».

Это означает, что золото может оставаться в ловушке при ограниченном плавлении. Однако, как только плавление становится достаточно интенсивным, чтобы разрушить сульфидные минералы, накопленное золото высвобождается и попадает в поднимающуюся магму.

«Наши результаты демонстрируют, что обогащение золотом является результатом не одного события плавления, а нескольких стадий», — добавляет Тимм. «Только повторное плавление позволяет золоту сильно концентрироваться в магме».

Полученные данные улучшают понимание учеными богатых золотом месторождений, связанных с внутриокеаническими островными дугами, такими как дуга Кермадек. Они показывают, что повторное, стимулированное водой плавление мантии сильно влияет на то, сколько золота выносится вверх магмой.

Результаты также переносят часть объяснения золотых месторождений глубже в недра планеты. Процессы вблизи поверхности по-прежнему определяют, сформируются ли в конечном итоге концентрированные месторождения, но химическая история мантии под зонами субдукции может создавать исходные условия задолго до подъема магмы.

Тот же механизм может помочь объяснить, почему гидротермальные сульфидные отложения вдоль подводных островных дуг часто содержат необычно большие количества золота. Эти отложения образуются, когда горячие, богатые минералами флюиды циркулируют через вулканические регионы под океаном.

«Выявленный нами механизм может способствовать повышенному содержанию золота, наблюдаемому в гидротермальных системах в зонах субдукции», — говорит Тимм. «Однако эту связь еще предстоит изучить более детально».

«По сути, мы смотрим на первый шаг в жизненном цикле золота», — заключает Тимм. «Он начинается с переноса золота из мантии в расплав, который в конечном итоге образует вулканы. Алхимия начинается задолго до того, как металл достигает поверхности».

Источники:

Материалы предоставлены Центром океанских исследований имени Гельмгольца (GEOMAR).

Christian Timm, Maxim Portnyagin, Cornel E. J. de Ronde, Mark D. Hannington, Dieter Garbe-Schönberg, Kaj Hoernle, Philipp A. Brandl, Dan Layton-Matthews, Matthew Leybourne, Nadezhda M. Sushchevskaya, Rex N. Taylor, Richard J. Arculus. Hydrous multi-stage mantle melting controls gold enrichment in mafic Kermadec arc magmas. Communications Earth, 2026; 7 (1) DOI: 10.1038/s43247-026-03338-w