L’oxydation du manteau par le soufre conduit à la formation de gisements d’or géants dans les zones de subduction

Contexte académique

La majorité des ressources métalliques de la Terre sont concentrées dans les environnements d’arcs magmatiques, et les zones de subduction sont les principales régions d’échange de matière entre le manteau et la croûte. Les fluides libérés par la plaque subductrice sont censés oxyder le coin mantellique sus-jacent, favorisant ainsi l’enrichissement en métaux tels que l’or. Cependant, les mécanismes par lesquels ces fluides modifient l’état d’oxydation du manteau et influencent l’enrichissement en or restent mal compris. Cette étude, à travers des simulations numériques, révèle que les fluides libérés par la plaque subductrice introduisent de grandes quantités de sulfate (S6+) dans le coin mantellique, augmentant significativement sa fugacité en oxygène et favorisant la migration et l’enrichissement de l’or.

Source de l’article

Cet article, rédigé par Deng-Yang He, Kun-Feng Qiu, Adam C. Simon, Gleb S. Pokrovski, Hao-Cheng Yu, James A. D. Connolly, Shan-Shan Li, Simon Turner, Qing-Fei Wang, Meng-Fan Yang et Jun Deng, a été publié le 19 décembre 2024 dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), sous le titre Mantle oxidation by sulfur drives the formation of giant gold deposits in subduction zones.

Processus de recherche

1. Dévolatilisation de la plaque subductrice

L’étude a d’abord simulé le processus de dévolatilisation de la plaque subductrice sous des gradients géothermiques chauds (1000°C, 2.4 GPa) et froids (1000°C, 3.3 GPa). Les résultats montrent que la plaque subductrice libère environ 60% et 90% du soufre initial dans les conditions de subduction chaude et froide, respectivement. Dans les conditions de subduction chaude, les espèces de soufre dans le fluide passent d’un état réduit (HS– et H2S) à un état oxydé (HSO4–, SO42–, KSO4–, HSO3– et SO2), tandis que dans les conditions de subduction froide, les espèces de soufre dans le fluide restent dominées par les sulfates.

2. Modèle d’oxydation du coin mantellique

L’étude a ensuite simulé l’interaction entre les fluides libérés par la plaque subductrice et les roches du manteau. Les résultats montrent que les fluides contenant 1-2 wt.% de S6+ peuvent augmenter la fugacité en oxygène du manteau d’au moins 2 unités logarithmiques. Ce processus d’oxydation conduit à la formation de l’ion radical trisulfure (S3–) dans le fluide, qui peut former des complexes solubles avec l’or, tels que Au(HS)S3–, augmentant ainsi significativement la capacité de migration de l’or.

3. Solubilité et spéciation chimique de l’or dans le fluide

L’étude a également calculé la solubilité et la spéciation chimique de l’or dans des conditions typiques des zones de subduction. Les résultats montrent que dans des conditions oxydantes, Au(HS)S3– est le principal porteur d’or, avec une solubilité trois ordres de grandeur plus élevée que celle de Au(HS)2– dans des conditions réduites. Ces complexes d’or hautement solubles permettent au fluide de transporter de grandes quantités d’or, fournissant ainsi la base matérielle pour la formation de gisements d’or.

4. Efficacité de l’extraction de l’or lors de la fusion partielle du manteau

L’étude a simulé l’efficacité de l’extraction de l’or lors de la fusion partielle du manteau dans des conditions oxydantes et réductrices. Les résultats montrent que dans des conditions oxydantes, même avec seulement 1% de fusion partielle, l’or du manteau peut être efficacement extrait dans le fluide et le magma. Ce processus d’extraction efficace fournit les conditions nécessaires à la formation de gisements d’or.

Principaux résultats

1. Dévolatilisation de la plaque subductrice : La plaque subductrice libère environ 60% et 90% du soufre initial dans les conditions de subduction chaude et froide, respectivement, avec une transition des espèces de soufre de l’état réduit à l’état oxydé.
2. Modèle d’oxydation du coin mantellique : Les fluides contenant 1-2 wt.% de S6+ peuvent augmenter la fugacité en oxygène du manteau d’au moins 2 unités logarithmiques, formant l’ion radical trisulfure (S3–) et augmentant la capacité de migration de l’or.
3. Solubilité et spéciation chimique de l’or dans le fluide : Dans des conditions oxydantes, Au(HS)S3– est le principal porteur d’or, avec une solubilité trois ordres de grandeur plus élevée que celle de Au(HS)2– dans des conditions réduites.
4. Efficacité de l’extraction de l’or lors de la fusion partielle du manteau : Dans des conditions oxydantes, même avec seulement 1% de fusion partielle, l’or du manteau peut être efficacement extrait dans le fluide et le magma.

Conclusion

Cette étude, à travers des simulations numériques, révèle que l’oxydation du manteau par le soufre dans les zones de subduction est la principale cause de la migration et de l’enrichissement de l’or. Les fluides libérés par la plaque subductrice introduisent de grandes quantités de sulfate dans le coin mantellique, augmentant significativement sa fugacité en oxygène et favorisant la migration et l’enrichissement de l’or. Ce mécanisme fournit une nouvelle explication pour la formation de gisements d’or dans les environnements de subduction, avec une valeur scientifique et appliquée importante.

Points forts de la recherche

1. Découverte importante : L’oxydation du manteau par le soufre dans les zones de subduction est la principale cause de la migration et de l’enrichissement de l’or.
2. Innovation méthodologique : Cette étude utilise des simulations numériques pour prédire quantitativement les propriétés chimiques des fluides libérés par la plaque subductrice et leur impact sur l’oxydation du manteau.
3. Valeur scientifique : La recherche révèle les mécanismes de formation des gisements d’or dans les environnements de subduction, fournissant une base théorique pour l’exploration et le développement des ressources métalliques.

Autres informations utiles

Les résultats de cette étude ne s’appliquent pas seulement à la formation des gisements d’or, mais peuvent également être étendus à l’étude d’autres gisements métalliques. De plus, la recherche met en évidence le rôle crucial du soufre dans le cycle des matériaux dans les zones de subduction, offrant une nouvelle perspective pour comprendre le cycle des matériaux dans les profondeurs de la Terre.