由基尔亥姆霍兹海洋研究中心（GEOMAR）的海洋地质学家Christian Timm博士领导的一项新研究提供了一个更深层次的解释。
“我们的研究表明，岛弧下方的含水地幔熔融是金富集的关键驱动力，”Timm说。“在这些环境中，地幔表现得像一个多阶段熔融系统，逐步浓缩金。”
火山玻璃保存了古老岩浆
为了研究金和其他贵金属在海底俯冲带下方地幔熔融过程中的行为，研究人员研究了从新西兰北部的克马德克岛弧及邻近的哈夫雷海槽海底采集的66个火山玻璃样本。
当水下熔岩极快冷却时，会形成火山玻璃。这种快速冷却锁定了岩浆的大部分原始化学成分，为科学家提供了海底深处条件的宝贵记录。
最具揭示性的样本是所谓的原始玻璃。它们在结晶改变成分之前保存了原始岩浆的化学特征。
“当我们分析这些样本时，我们发现它们的金浓度通常比来自洋中脊的类似岩浆高出几倍，”Timm说。“这提出了一个关键问题：哪些过程导致了这种富集？”
研究人员测量了极低浓度的金，并将其与其他亲铜（“亲硫”）元素进行比较，包括银、铜、硒和铂。由于这些元素在熔融过程中的反应方式相似，它们的化学模式可以揭示地幔内部发生的情况。
化学线索指向反复熔融
结果表明，克马德克岛弧下方的地幔在有水存在且温度相对较高（高于硫化物液相线）的情况下发生熔融。此时，硫化物矿物可以开始完全分解。在这些条件下，岩浆保留了类似于地幔中发现的银铜比。
团队还检测到高达每克岩石6纳克的原始金浓度。虽然这个数量听起来很小，但对于地幔来源的岩浆来说却异常高。样本中的金铜比也远高于在原始地幔和原始洋中脊玄武岩中测得的数值。
据研究人员称，这些化学信号最好的解释是：地幔源曾因早期熔融而亏损，随后再次发生熔融。
使这些岩浆富含金的主要过程似乎是富水和氧化地幔的高程度多阶段熔融。
尽管数值升高，但这些岩石中的金含量不足以进行商业开采。具有经济价值的矿床需要高出几个数量级的浓度。
水有助于地幔熔融
研究人员最初怀疑从俯冲板块释放的水可能直接控制进入岩浆的金量。新数据表明过程更为复杂。
“我们最初假设从俯冲带释放的水直接控制金富集，”Timm说。“然而，我们的数据表明水主要促进地幔熔融。高金浓度的关键因素是高程度的熔融——部分是反复熔融。”
因此，水似乎主要起到触发作用，帮助地幔岩石更广泛地熔融。熔融越强烈且越反复，金就能越有效地转移到岩浆中。
金在地幔内部的化学位置也很重要。
“地幔中的金通常结合在硫化物矿物中，”Timm解释道。“在高程度熔融时，这些矿物分解，将其中的金完全释放到熔体中。”
这意味着在有限熔融期间金可能被滞留。然而，一旦熔融强烈到足以破坏硫化物矿物，储存的金就会被释放并进入上升的岩浆。
“我们的结果表明，金富集不是单一熔融事件的结果，而是多个阶段的结果，”Timm补充道。“只有反复熔融才能使金在岩浆中高度浓缩。”
金地质旅程的起点
这些发现提高了科学家对与克马德克岛弧等洋内岛弧相关的富金矿床的认识。它们表明，反复的、水助的地幔熔融强烈影响了岩浆向上携带的金量。
这些结果也将对金矿床的部分解释引向了地球深处。地表附近的过程仍然决定了高浓度矿床最终是否形成，但在岩浆上升很久之前，俯冲带下方地幔的化学历史可能就已经确立了起始条件。
同样的机制可能有助于解释为什么沿海底岛弧的热液硫化物矿床通常含有异常大量的金。当高温、富含矿物的流体在海洋下方的火山区域循环时，就会形成这些矿床。
“我们确定的机制可能导致了在俯冲带热液系统中观察到的高金含量，”Timm说。“然而，这种联系仍需进一步研究。”
“我们实际上是在观察金生命周期的第一步，”Timm总结道。“它始于金从地幔转移到最终形成火山的熔体中。这种‘炼金术’早在金属到达地表之前就开始了。”