Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ON THE METHODS OF NANO-GOLD INVESTIGATION

Osovetskiy B.M. 1
1 Natural-scientific Institute of Perm State National Investigation University
1119 KB
Nano-gold is rather wide-spread in the weathering crust of deposits of gold-sulfide and gold-sulfide-quartz formations, seldom in the intermediate collectors of gold and ancient placers. The main types of nano-gold forms are individual particles and their aggregates of various configurations situated at the hollows of surface micro- and nano-relief of placer gold grains. Nano-gold is extracted from sulfides during the process of their chemical alteration and transition to hydroxides of iron. Then nano-gold particles precipitate in the surface of placer gold grains due to their huge surface energy or under influence of natural amalgamation process. The offered method of natural nano-gold investigation includes three successive stages. The first one has to make sure the choice of objects with high concentration of nano-gold particles. For instance, they may be deposits with big percentage of aleurite gold particles. The second stage foresees visual observation of nano-gold particles in electron microscopes with very high resolution. The third stage includes diagnostics of nano-gold and definition of its chemical composition by microprobe analysis.
microprobe analysis
electron microscopy
nano-gold

Введение        

Полученные в последние годы данные свидетельствуют о достаточно широком распространении в природных объектах наночастиц самородного золота [4]. Они особенно характерны для кор выветривания, развитых на месторождениях золото-сульфидной и золото-сульфидно-кварцевой формаций, а также для промежуточных коллекторов, представляющих собой переотложенные коры выветривания. В меньшей степени нанозолото встречается в древних россыпях, расположенных в особых геотектонических обстановках.

 Цель исследования

В связи с этим особую актуальность приобретает вопрос о применении эффективной методики изучения наноразмерного золота. Данная проблема чрезвычайно важна при исследовании объектов, которые в настоящее время принято называть «нетрадиционными» [7]. Для таких объектов характерно присутствие тонких и пылевидных индивидов золота размером менее 100 мкм. При этом в гранулометрическом спектре зерен благородного металла значительную долю составляют частицы крупностью менее 10 мкм. Последние с трудом различаются при большом увеличении под бинокулярным микроскопом с хорошей оптикой.

Присутствие большого количества таких частиц, выделяемых на лабораторной стадии из концентратов гравитационного обогащения проб, может служить показателем вероятного нахождения в объекте еще более мелких индивидов. Известно, что даже наиболее совершенными аппаратами, основанными на гравитационном способе концентрации золота, извлечение тонкого (100–50 мкм) металла обеспечивается на уровне порядка 50%. Пылевидный металл (50–10 мкм) извлекается значительно хуже, а золото крупностью менее 10 мкм – на уровне нескольких процентов. Отсюда можно сделать вывод о том, что при фактическом обнаружении частиц золота размером менее 10 мкм реальное их количество может быть значительно более высоким.

Объекты и методы исследования

Объектами наших исследований, в процессе которых нанозолото было обнаружено в значительных количествах, являлись коренные и россыпные месторождения и рудопроявления золота России и ряда зарубежных стран (в частности, Канады, Камбоджи, Казахстана, Узбекистана). Основное внимание было уделено россыпным месторождениям Урала, где в общей сложности изучено золото около 20 объектов [4].

На полевой стадии производилось обогащение шлиховых проб и проб объемом до 1 м3 на винтовом шлюзе или сепараторе с получением конечного концентрата массой до нескольких килограммов. В лаборатории из шлихов и концентратов с применением ряда операций (магнитной и электромагнитной сепарации, домывки в чашке с бромоформом до ультраконцентрата и др.) выделялись частицы свободного золота. Они исследовались под электронными микроскопами (полевой сканирующий электронный микроскоп JSM 7500F с холодной эмиссией и сканирующий электронный микроскоп JSM 6390LV фирмы JEOL, последний с приставками для микрозондового анализа) с изучением характера поверхности и химического состава.

Результаты исследований

Основным результатом исследований являлось обнаружение наночастиц золота, расположенных на поверхности многих зерен россыпного металла. Наиболее характерными формами выделений нанозолота являются отдельные наночастицы и их агрегаты различной конфигурации (ветвистые, гроздевидные, сотовые, уплощенные, удлиненные и т.д.). Иногда агрегаты наночастиц золота образуют сплошные плотного сложения пленки, налеты и корочки. Все они приурочены исключительно к отрицательным формам нано- и микрорельефа поверхности золотин (трещинам, бороздам, углублениям и т.д.).

Все наночастицы золота являются новообразованным металлом, постепенно оседавшим на поверхность россыпеобразующих зерен в ходе процессов корообразования. Под влиянием агентов химического выветривания золотосодержащие сульфиды (пирит, арсенопирит, пирротин, халькопирит и др.) окисляются и переходят в гидроксиды железа. Присутствующее в них золото (в т.ч. «невидимое») высвобождается и получает возможность свободно мигрировать в коре выветривания [2, 3, 6]. Тот факт, что на поверхности зерен золота в корах выветривания вышеуказанных формаций постоянно наблюдаются наночастицы металла, свидетельствует о широком распространении в сульфидах частиц золота нанометровой размерности (т.е. от 0,1 до 0,001 мкм).

Оседание наночастиц золота на поверхность россыпного металла обусловлено их исключительно высокой удельной поверхностной энергией и химической активностью [1, 5]. Кроме того, этому способствует процесс природной амальгамации, который развивается в зоне глубинных разломов благодаря поступлению по ним низкотемпературных флюидов с ртутью.

Опыт проведенных работ позволяет нам рекомендовать следующую методику изучения нанозолота в природных объектах, включающую три последовательные стадии.

На первой стадии основной задачей является выбор соответствующего объекта, в котором с наибольшей вероятностью следует ожидать присутствие нанозолота. При этом необходимо принимать во внимание формационный тип коренного рудопроявления, возраст и сохранность коры выветривания, гранулометрический состав зерен металла, результаты шлихового опробования в сопоставлении с данными прецизионных методов (атомно-абсорбционного, пробирного, нейтронноактивационного, масс-спектрометрического и др.).

Можно предположить, что основная масса частиц нанозолота рассеивается в осадочной оболочке Земли. Отсюда, необходимо на начальном этапе обратить особое внимание и исследовать наиболее вероятные зоны их концентрации в пределах перспективного объекта. Таким зонами являются, в частности, небольшие по площади участки поверхности крупных зерен россыпного металла, представленные различными отрицательными микроформами.

На второй стадии осуществляется непосредственное наблюдение наночастиц золота в сканирующем электронном микроскопе с высоким разрешением. Нами показано, что данная задача вполне корректно решается с применением увеличений порядка 100-300 тысяч раз, что позволяет надежно различать отдельные наночастицы золота размером до 10 нм (рис. 1, 2). На данном уровне может быть охарактеризована морфология наночастиц золота и их агрегатов, а также определен гранулометрический состав [4].

В то же время применение еще более высокого увеличения (свыше 300 тысяч раз) показывает, что нередко даже столь малые наночастицы состоят из еще более мелких по размеру образований. Характерно, что отдельные наночастицы в агрегатах цементируются, вероятно, сплошной массой неструктурированного вторичного золота (см. рис. 2). Эти данные свидетельствуют о многоуровневом строении агрегатов наночастиц золота и длительном по времени процессе их формирования.

Рис. 1. Одиночные наночастицы золота размером 70 нм на стенке трещины на поверхности россыпного металла

Рис. 2. Частицы золота размером 5-10 нм в наноагрегатах

Детальное изучение структуры наноагрегатов золота возможно с применением атомно-силового, туннельного или  ближнепольного микроскопов. Они позволяют различить частички золота размером в десятые доли нанометра.

На третьей стадии одновременно с точной диагностикой наночастиц производится определение их химического состава. Необходимо прежде всего убедиться, что мы имеем дело именно с золотом. Тем самым достигается разбраковка наночастиц по вещественному составу и исключение из рассмотрения похожих на золото по морфологии и другим признакам (например, вещественному контрасту) металлов и интерметаллидов.

Особенности химического состава наночастиц золота могут свидетельствовать о геохимической обстановке в среде минералообразования и процессе формирования агрегатов. Применение микрозондового анализа для решения этой задачи связано с некоторыми ограничениями. Во-первых, диаметр электронного зонда (порядка 1 мкм) слишком велик и не позволяет получить данные о химическом составе одиночной частицы нанозолота, диаметр которой, по крайней мере, на порядок меньше.

Во-вторых, теория микрозондового анализа разработана для идеально гладкой поверхности твердого тела, что требует изготовления тщательно отполированной шайбы. Однако ее изготовление приводит к полному уничтожению наночастиц золота, которые механическим путем легко удаляются с поверхности зерен россыпного металла.

Нами предлагается определять с поверхности средний химический состав группы наночастиц золота, находящихся в структуре плотного агрегата.  При этом суммарное содержание элементов обычно снижается до 70-80%, что приводит к необходимости нормализации. Часть анализов с меньшим суммарным содержанием элементов лучше не принимать во внимание. Кроме того, при изучении ртутистых фаз нанозолота приходится учитывать испарение ртути в ходе микрозондового анализа [4].

Применение такой методики оказалось достаточно эффективным. Результаты показали, что наночастицы обычно представлены высокопробным самородным золотом, серебристым золотом, ртутистым золотом и амальгамами. В составе агрегатов присутствует много нетипичных для золота литофильных элементов (О, Si, Al, Fe, Ti, Ca, Mg, Mn), а также K, Na, Cl. Эти элементы могут свидетельствовать о составе цементирующего золота вещества.

Выводы

Нанозолото является важной составной частью ресурсного потенциала россыпных месторождений золота, приуроченных к корам выветривания пород золото-сульфидной и золото-сульфидно-кварцевой формаций. Для его изучения необходимо применять комплекс современных методов исследования, включающих опробование и обогащение проб в полевых условиях, особые способы пробоподготовки в лаборатории, методы электронной микроскопии высокого разрешения и микрозондовый анализ.

Результаты исследований позволяют выделить два основных механизма концентрации нанозолота в природе: 1) осаждение на поверхность зерен россыпного металла благодаря высокой удельной поверхностной энергии наночастиц и 2) процесс природной амальгамации.

Детальное изучение нанозолота в природных объектах позволит в будущем получить более полное представление о его распространенности в осадочной оболочке Земли и законах миграции. Полученные сведения могут быть использованы в нанотехнологии при разработке способов концентрации и извлечения нанозолота из руд «нетрадиционных» объектов.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ № 11-05-96002-р_урал_а).

Рецензенты:

Наумов Владимир Александрович, доктор геолого-минералогических наук, директор Естественнонаучного института Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Ибламинов Рустем Гильбрахманович, доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.