硫によるマントルの酸化が沈み込み帯での巨大金鉱床の形成を駆動する

学術的背景

地球上の金属資源の大部分は、マグマティックアーク環境に集中しており、沈み込み帯はマントルと地殻の間の物質交換の主要な領域です。沈み込むプレートから放出される流体は、上覆うマントルウェッジを酸化し、金などの金属の濃集を促進すると考えられています。しかし、これらの流体がどのようにマントルの酸化状態を変化させ、金の濃集に影響を与えるかについては、まだ十分に理解されていません。本研究では、数値モデルを用いて、沈み込むプレートから放出される流体が大量の硫酸塩（S6+）をマントルウェッジに導入し、その酸素フガシティを最大3〜4対数単位まで上昇させることを示しました。このモデルは、沈み込むプレートから放出される流体がマントル岩石と反応する際に、溶解硫黄の最大1 wt.%が三硫黄ラジカルイオン（S3–）として存在することを予測しています。この硫黄リガンドは、Au(HS)S3–複合体を安定化させ、流体中に1立方メートルあたり数グラムの金を輸送することができます。この濃度は、マントル中の金の平均存在量よりも3桁以上高いものです。したがって、硫化硫黄境界に近い酸化還元条件下でのマントルの部分溶融において、水相流体は流体のない岩石-溶融システムよりも10〜100倍多くの金を抽出できることが示されました。我々は、沈み込むプレートから放出される流体による酸化が、マントルウェッジにおける金の移動性と濃集の主要な原因であり、水相流体を伴うマントル溶融が沈み込み帯環境での金に富んだマグマティック熱水および造山帯金鉱床の形成の前提条件であると結論付けました。

論文の出典

本論文は、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、Jun Dengらによって執筆され、2024年12月19日に『PNAS』（Proceedings of the National Academy of Sciences）誌に掲載されました。タイトルは「Mantle oxidation by sulfur drives the formation of giant gold deposits in subduction zones」です。

研究の流れ

1. 沈み込むプレートの脱揮発過程

研究ではまず、熱い（1000°C、2.4 GPa）および冷たい（1000°C、3.3 GPa）沈み込み地温勾配下での沈み込むプレートの脱揮発過程をシミュレートしました。その結果、熱いおよび冷たい沈み込み条件下で、それぞれ初期硫黄の約60％および90％が放出されることが示されました。熱い沈み込み条件下では、流体中の硫黄種は還元状態（HS–およびH2S）から酸化状態（HSO4–、SO42–、KSO4–、HSO3–およびSO2）へと変化しましたが、冷たい沈み込み条件下では、流体中の硫黄種は常に硫酸塩が支配的でした。

2. マントルウェッジの酸化モデル

研究ではさらに、沈み込むプレートから放出される流体とマントル岩石の相互作用をシミュレートしました。その結果、1〜2 wt.%のS6+を含む流体がマントルの酸素フガシティを少なくとも2対数単位まで上昇させることが示されました。この酸化プロセスにより、流体中に三硫黄ラジカルイオン（S3–）が生成され、このイオンが金と可溶性複合体Au(HS)S3–を形成し、金の移動能力を大幅に向上させることが明らかになりました。

3. 流体中の金の溶解度と化学形態

研究ではまた、沈み込み帯の典型的な条件下での金の溶解度と化学形態を計算しました。その結果、酸化条件下ではAu(HS)S3–が金の主要なキャリアであり、その溶解度は還元条件下のAu(HS)2–よりも3桁以上高いことが示されました。この高溶解度の金複合体により、流体は大量の金を運ぶことができ、金鉱床の形成に必要な物質基盤を提供します。

4. マントル部分溶融過程における金の抽出効率

研究では、酸化および還元条件下でのマントル部分溶融過程における金の抽出効率をシミュレートしました。その結果、酸化条件下では、部分溶融がわずか1％であっても、マントル中の金が流体と溶融体に効率的に抽出されることが示されました。この効率的な抽出プロセスは、金鉱床の形成に必要な条件を提供します。

主な結果

1. 沈み込むプレートの脱揮発過程：熱いおよび冷たい沈み込み条件下で、それぞれ初期硫黄の約60％および90％が放出され、流体中の硫黄種は還元状態から酸化状態へと変化しました。
2. マントルウェッジの酸化モデル：1〜2 wt.%のS6+を含む流体がマントルの酸素フガシティを少なくとも2対数単位まで上昇させ、三硫黄ラジカルイオン（S3–）を生成し、金の移動能力を大幅に向上させました。
3. 流体中の金の溶解度と化学形態：酸化条件下ではAu(HS)S3–が金の主要なキャリアであり、その溶解度は還元条件下のAu(HS)2–よりも3桁以上高いことが示されました。
4. マントル部分溶融過程における金の抽出効率：酸化条件下では、部分溶融がわずか1％であっても、マントル中の金が流体と溶融体に効率的に抽出されることが示されました。

結論

本研究では、数値シミュレーションを用いて、硫黄による沈み込み帯マントルの酸化が金の移動と濃集の主要な原因であることを明らかにしました。沈み込むプレートから放出される流体が大量の硫酸塩をマントルウェッジに導入し、その酸素フガシティを大幅に上昇させ、金の移動と濃集を促進します。このメカニズムは、沈み込み帯環境での金鉱床の形成に対する新しい説明を提供し、科学的および応用的に重要な価値を持ちます。

研究のハイライト

1. 重要な発見：硫黄による沈み込み帯マントルの酸化が金の移動と濃集の主要な原因であること。
2. 方法の革新：本研究では数値シミュレーションを用いて、沈み込むプレートから放出される流体の化学的特性とそのマントル酸化への影響を定量的に予測しました。
3. 科学的価値：研究は、沈み込み帯環境での金鉱床形成のメカニズムを明らかにし、金属資源の探査と開発に対する理論的基盤を提供します。

その他の価値ある情報

本研究の結果は、金鉱床の形成だけでなく、他の金属鉱床の研究にも適用可能です。さらに、研究は硫黄が沈み込み帯の物質循環において重要な役割を果たすことを強調し、地球深部の物質循環を理解するための新しい視点を提供します。