금덩어리가 형성되는 방식은 미스터리입니다. 지진으로 인한 전기가 답을 줄 수 있을까요?
환경 기자 Peter de Kruijff
ABC Science

주제: 지질학

4시간 전
손바닥에 금덩어리를 얹은 뻗은 손 클로즈업.
금덩어리는 많은 사람이 찾고 있지만, 처음에 금덩어리가 어떻게 형성되는지는 많은 지질학적 논쟁의 대상이 되었습니다. (ABC Goldfields-Esperance: Jarrod Lucas)

간단히 말해서:
연구 결과에 따르면 지진의 압력으로 생성된 전기로 인해 석영 맥에서 금덩어리가 형성될 수 있습니다.

금은 지구 핵에서 지각까지 초고온 액체로 운반되고, 그곳에서 전기로 인해 석영에 침전됩니다.

침전된 금은 번개막대처럼 작용하여 이후 지진으로 더 많은 금을 끌어들입니다.

세계의 대부분의 대규모 금 매장지는 석영의 지하 맥에서 찾을 수 있습니다.

하지만 금덩어리가 정확히 어떻게 여기에서 형성되었을지는 지질학자들 사이에서 미스터리이자 논쟁의 원천이었습니다.

때때로 금덩어리가 왜 거기에 축적되었는지에 대한 명백한 화학적 또는 물리적 설명 없이 석영 광맥의 한가운데에 떠 있는 것처럼 보인다고 모나시 대학교 지질학자 크리스 보이시는 말합니다.

오렌지색 광부복을 입은 사람이 지하의 회색 암반에 긴 은색 시험대를 대고 있습니다.
세계 금 매장량의 대부분은 위 이미지의 흰색 층과 같이 석영의 암석 광맥에서 발견됩니다. (Flickr: James St John, Main vein, CC BY 2.0)

이제 보이시 박사와 그의 동료들의 연구에 따르면 이러한 금덩어리의 형성은 지진의 압력으로 생성된 전기 때문일 수 있다고 합니다. 이 현상은 압전성이라고 합니다.

오늘 Nature Geoscience에 발표된 그들의 실험에 따르면 지진 활동으로 인해 석영에 금 입자가 축적되었습니다.

“우리는 석영 표면에 금이 있으면 실제로 추가 금을 증착할 주요 초점이 된다는 것을 발견했습니다.” 보이시 박사가 말했습니다.

압전은 어떻게 작동합니까?
고체 물질에 물리적인 스트레스를 가하면 전압이 생성됩니다.

실리콘과 산소 원소로 구성된 석영은 지구상에서 가장 풍부한 압전 광물입니다.

예를 들어, 바베큐 라이터와 같은 도구에는 압력이 가해지면 고전압 스파크를 생성하는 석영 수정이 들어 있습니다.

흰 바위 위의 금 조각.
열수 환경에서 석영 맥에 증착된 금. (Flickr: James St John, Gold-quartz hydrothermal vein, CC BY 2.0)

보이시 박사는 세계 금의 대부분이 우연히 석영에 축적되었다는 사실에 흥미를 느꼈습니다.

그는 “지구상에서 유일하게 풍부한 압전 광물 중 하나[석영]가 큰 금 덩어리를 포함하는 물질이라는 것은 다소 지나치게 편리하게 들립니다.”라고 말했습니다.

금과 석영의 관계를 탐구하기 위해 보이시 박사와 그의 동료들은 지하 깊은 곳에서 일어나는 일이라고 생각되는 것을 재현하기 위한 실험을 설정했습니다.

실험
세계의 대부분의 금은 지구 핵에 있는 것으로 여겨지며, 지구 표면을 0.5m 두께의 층으로 도금할 만큼 충분한 금속이 있습니다.

수십억 년에 걸쳐 이 금 중 일부는 표면에 더 가까워져 균열과 균열을 통해 행성의 바위가 많은 외피로 이동한 초고온의 물이 풍부한 유체에 실려갔습니다.

지금까지 과학자들은 금이 유체에서 침전되어 식거나 화학적 변화를 겪으면서 축적된다고 생각했습니다.

하지만 보이시 박사와 그의 동료들은 그 주장에 설득되지 않았습니다.

한 가지 문제는 석영이 화학적으로 불활성이라는 것입니다. 즉, 다른 물질과 반응하지 않는다는 것을 의미합니다. 보이시 박사는 말했습니다.

그의 팀은 수십억 년에 걸쳐 반복되는 지진과 지진 활동으로 인해 발생하는 압전 효과가 금이 어떻게 한곳에 모여 금괴가 될 수 있는지에 영향을 미칠 수 있다는 가설을 시험하고 싶어했습니다.

주머니 시계 체인, 왁스 콧수염, 턱수염을 기른 조끼를 입은 남자가 목 높이만큼 큰 금괴에 손을 얹고 서 있습니다.
1872년 뉴사우스웨일즈주 힐엔드에서 베르나르트 오토 홀터만이 발견한 것과 같은 금괴는 지하 깊은 곳에서 형성되었을 수 있습니다. (뉴사우스웨일즈주립도서관: American and Australasian Photographic Company)

지표 깊은 곳에서 일어나는 일을 재현하기 위해 그들은 금이 포함된 두 가지 다른 용액에 현탁된 석영 결정판 여섯 개를 가져갔습니다.

용액은 지하의 초고온 유체에서 발견되는 것과 구성이 유사했습니다.

한 용액에는 100만 분의 75의 용해된 금이 있었고 다른 용액에는 콜로이드 금으로 알려진 95ppm의 금 나노입자가 있었습니다.

그들은 지진파를 재현하기 위해 20헤르츠의 주파수로 모터로 석영 슬라브를 흔들었다.

흰색 배경에 다양한 모양과 크기의 23개 금괴가 있는 신문의 오래된 삽화.
빅토리아는 세계에서 발견된 가장 큰 완전한 금괴 중 일부가 있는 곳입니다. (빅토리아 주립 도서관: J Richardson/Australian Mining Standard)

th 솔루션.

하지만 실험이 계속되면서 보이시 박사는 다른 일이 일어나기 시작하는 것을 보았습니다.

새로운 입자가 석영의 다른 곳에 부착되는 대신 이전에 증착된 금에 끌려 축적되었습니다.

“금이 석영 표면에 달라붙으면 추가 반응을 위한 번개막대와 같아집니다.” 보이시 박사가 말했습니다.

바위의 흑백 나노 스캔, 작은 인레이는 금이 증착된 곳에 녹색 위에 빨간색 섹션을 보여줍니다.
실험 중 압전 반응을 통해 석영(노란색과 녹색)에 증착된 금(빨간색)의 주사 전자 현미경 이미지. (제공: 크리스 보이시)

보시 박사에 따르면, 시간이 지남에 따라 이 프로세스는 점점 더 많은 입자가 축적되면서 큰 금 덩어리가 형성되는 이유를 설명할 수 있습니다.

발견 사항은 탐사에 유용할 수 있습니다.
연구에 참여한 CSIRO의 광물 자원 책임자인 롭 호프는 연구에서 금 축적에 어떤 종류의 전기력이 관여한다는 것을 확인했다고 말했습니다.

How gold nuggets form is a mystery. Could electricity from earthquakes hold the answer?

By environment reporter Peter de Kruijff

4h ago4 hours ago

An outstretched hand close-up with a gold nugget in the open palm. — Gold nuggets are sought after by many but just how they form in the first place has been subject to many geological debates. (ABC Goldfields-Esperance: Jarrod Lucas)

In short:

Findings suggest gold nuggets can form in quartz veins as a result of electricity produced by the pressure of earthquakes.

The gold is carried in super-hot liquids from the Earth’s core to its crust, where the electricity causes it to be deposited onto the quartz.

Deposited gold then acts like a lightning rod, attracting more gold with subsequent earthquakes.

abc.net.au/news/piezoelectricity-could-be-behind-gold-nugget-formation/104287142

Link copiedShare article

Most of the world’s great gold deposits can be found in underground veins of quartz.

But how exactly concentrated nuggets of gold may have formed here has been a mystery and source of debate among geologists.

Sometimes it seems like nuggets float in the middle of a quartz vein without any apparent chemical or physical explanation as to why they had accumulated there, says Chris Voisey, a geologist at Monash University.

A person in orange miner's fatigues holds a long silver testing pole against a grey band of rock underground — Much of the world’s gold deposits are found in rocky veins of quartz, like the white layer in the image above. (Flickr: James St John, Main vein, CC BY 2.0)

Now, research by Dr Voisey and his colleagues suggests the formation of these nuggets may be due to electricity generated by the pressure of earthquakes — a phenomenon known as piezoelectricity.

Their experiments, published today in Nature Geoscience, showed seismic activity led to an accumulation of gold particles in quartz.

“We found that once gold was on the quartz’s surface, it would actually become the the main focus for further gold to deposit,” Dr Voisey said.

How does piezoelectricity work?

Physical stress on a solid material produces an electric voltage.

Quartz, which is made up of the elements silicon and oxygen, is the most abundant piezoelectric mineral on the planet.

Tools like barbecue lighters contain quartz crystals that generate a high voltage spark when pressure is applied, for example.

Flecks of gold on a white rock. — Gold which has deposited in a vein of quartz in a hydrothermal setting. (Flickr: James St John, Gold-quartz hydrothermal vein, CC BY 2.0)

Dr Voisey was intrigued by the fact that so much of the world’s gold happened to have accumulated in quartz.

“It all kind of sounds a bit too convenient that one of the only abundant piezoelectric minerals on Earth [quartz] is also the thing that hosts large gold nuggets,” he said.

To explore the relationship between gold and quartz Dr Voisey and his colleagues set up an experiment to replicate what they thought was happening deep underground.

The experiment

Most of the world’s gold is believed to in the planetary core, where there is enough of the metal to gild Earth’s surface in a layer 0.5m thick.

Over billions of years some of this gold has made it closer to the surface, catching a ride in super-hot water-rich fluids, which moved through fractures and cracks to the rocky outer crust of the planet.

Until now, scientists thought gold precipitated out of the fluids and accumulated as it cooled or underwent a chemical change.

But Dr Voisey and his colleagues were not convinced by that argument.

One problem is that quartz is chemically inert, meaning it doesn’t react with other substances, Dr Voisey said.

His team wanted to test a hypothesis that piezoelectricity generated during repeated earthquakes and seismic activity over billions of year may be at play in how the gold could come together in one place as a nugget.

A man in a vest with a pocket watch chain, a waxed moustache and goatee stands with his hand on a nugget as tall as his neck — Gold nuggets like the one found by Bernhardt Otto Holtermann in 1872 at Hill End, New South Wales, may have formed deep underground. (State Library of New South Wales: American and Australasian Photographic Company)

To replicate what may be happening deep below the surface they took six slabs of quartz crystals that were suspended into two different solutions containing gold.

The solutions were similar in composition to what would be found in super-hot fluids underground.

One solution had 75 parts per million of dissolved gold while the other had 95 ppm of gold nanoparticles, known as colloidal gold.

They shook the quartz slabs with a motor at a frequency of 20 hertz to replicate seismic waves.

An old illustration from a newspaper of 23 gold nuggets in various shapes and sizes against a white background. — Victoria has been home to some of the largest complete nuggets ever found in the world. (State Library of Victoria: J Richardson/Australian Mining Standard)

The gold started to deposit onto the quartz in both solutions.

But as the experiment continued Dr Voisey saw something else start to happen.

Instead of new grains attaching elsewhere on the quartz, it was attracted to, and accumulated on, the previously deposited gold.

“Once gold does stick to the quartz surface, it becomes like a like a lightning rod for further reactions,” Dr Voisey said.

A black and white nano scan of a rock, a small inlay shows sections of red on green where gold deposited — Scanning electron microscope image of gold [red] deposited onto quartz [yellow and green] via piezoelectric reactions during experiments. (Supplied: Chris Voisey)

Over time the process could explain how large gold nuggets formed as more and more particles accumulate, according to Dr Voisey.

Findings could be useful for exploration

Rob Hough, mineral resources director at CSIRO, which was involved in the study, said the research established there was some sort of electric force involved in gold accumulation.

“These things are super-useful, ultimately, to help the industry understand how to explore more efficiently,” he said.

A black and white photo of two men on the verandah of a brick building with a large nugget on a table shaped like a bird — Jim and Jimmy Larcombe with the golden eagle nugget found at Larkinville, Western Australia, in 1931. (State Library of Western Australia: Illustrations Ltd)

University of Otago emeritus professor of geology Dave Craw, who was not involved in the study, has mixed views on the study.

He said the research provided a new mechanism for understanding gold deposition in quartz veins.

“Earthquakes are ubiquitous in orogenic gold-forming environments, and this novel mechanism is a good one to explain the link between gold and quartz in a lot of these deposits,” Dr Craw said.

“I especially like their suggestion that this mechanism can form networks of gold in veins.

“I have seen networks like that with gold along microfractures, and this is an entirely plausible process for making that happen.”

But, Dr Craw said, whether this process could actually lead to the formation of large nuggets was another issue.

“The experiments only produced very small particles of gold, and they haven’t demonstrated this could scale up to make large nuggets, although I suspect they could be right for some situations,” he said.

A young man in a flannel pattern shirt stands next to a large newfoundland dog on a hill overlooking a river and town. — Monash University geologist Dr Chris Voisey ran experiments exploring the relationship between gold and quartz with piezoelectricity. (Supplied: Chris Voisey)

Dr Voisey is still excited to see where the research may go.

While new insights into gold formation can help exploration and mining geologists, he also hopes the finding can give insights useful for chemical engineering.

“Something I think would be interesting is if someone used piezoelectricity for the mineral processing of the gold ore,” he said.

“Processing gold ore right now can be fairly expensive … I would like to see if this research would sort of help clean that up or even just reduce the cost.”