威特沃特斯兰德地区的黄金沉积现象与中太古代大陆抬升及风化作用有关

《Precambrian Research》：Witwatersrand gold deposition in response to Mesoarchaean continental emergence and weathering

南非威特瓦斯兰德盆地金矿形成机制研究：通过黄铁矿 Petrography、同位素（δ33S）及元素（Au、Ag、Sb等）分析，揭示风化侵蚀-微生物还原作用主导的金迁移富集过程，证实低能沿海环境对金高效过滤和富集的关键作用。

　　

安德里亚·阿甘吉（Andrea Agangi）|阿克塞尔·霍夫曼（Axel Hofmann）|朱莉安娜·达科斯塔（Giuliana da Costa）|里安娜·罗索乌（Riana Rossouw）|埃米莉·托马索（Emilie Thomassot）

日本秋田大学地球资源科学系

摘要

南非的威特沃特斯兰德盆地（Witwatersrand Basin）拥有已知世界上最大的金矿积累量。金矿存在于薄而横向连续的石英-黄铁矿砾岩层（礁石）中，这些砾岩层覆盖在区域性的侵蚀面上。最新的金矿化模型强调了克拉通（craton）尺度上的风化和大陆岩石侵蚀作用，这一过程自大约31亿年前克拉通形成以来就一直在进行。根据这些模型，部分金矿来源于绿岩序列（greenstone sequences）的广泛风化作用，随后通过酸性地表水以溶解态被输送到沿海冲积平原，并被富含微生物活动的泥浆捕获，最终融入成岩黄铁矿中。

在本文中，我们提供了来自不同威特沃特斯兰德礁石的黄铁矿的新岩石学、微量元素和多硫同位素数据，以补充先前的研究资料。这些新的数据集有助于可视化从中元古代到新元古代漫长时期内黄铁矿中金和其他微量元素的变化情况。砾岩中再成黄铁矿颗粒中的金含量（最高达7 ppm，中值为1.5 ppm）以及高金/银比值（大多在0.1至1之间）超过了中元古代至新元古代海洋黄铁矿的常规值，这表明在低能量沿海平原环境中，大陆来源的金得到了有效富集。这种风化作用还导致更多的金和锑（Sb）被输送到海洋中，这在全球海洋黄铁矿中得到了体现。对大量碎屑黄铁矿和成岩黄铁矿的多硫同位素分析显示，硫同位素的分馏作用较弱（Δ33S范围从-0.8到+0.6‰），这与全球中元古代黄铁矿的先前研究结果一致。此外，礁石中成岩黄铁矿的Δ33S值大多接近零或略微负值（平均-0.18‰，中值-0.12‰），表明硫主要来源于光解硫酸盐，并通过非海洋（河流）、河流-三角洲和浅海环境中的微生物硫酸盐还原菌固定。

引言

南非的威特沃特斯兰德盆地拥有世界上最大的金矿区，自1886年发现以来已产出超过53,000吨黄金，占历史上总产量的三分之一（Frimmel等人，2014年；Handley，2023年）。在20世纪70年代达到高峰时，年产量达到1000吨，使南非成为全球最大的黄金生产国；此后黄金产量逐渐下降，2023年降至每年97吨（根据南非矿业委员会的数据）。剩余的资源量为16,400吨黄金，但其中大部分位于非常深的地下，目前的技术难以开采（Frimmel和Hennigh，2015年；Tucker等人，2016年）。潜在的额外储量包括大量未被提取并作为尾矿处理的黄金（Chingwaru等人，2023年）。威特沃特斯兰德盆地中的金矿存在于从中元古代到新元古代的薄而横向分布的石英-黄铁矿砾岩层中，这些砾岩层中还含有经济价值较高的铀云母（uraninite），以及碳质物质和多种重矿物，如铬铁矿、锆石和稀有钻石（Minter，2006年）。

鉴于其巨大的经济价值，威特沃特斯兰德盆地一个多世纪以来一直是科学研究的重点对象，这些含金砾岩的形成机制一直存在争议。目前普遍接受的是改良的冲积模型，该模型认为在沉积过程中有碎屑金颗粒被引入，随后通过该地区长期变质过程中的热液流动重新迁移（Robb和Meyer，1990年；Frimmel，2005年；Minter，2006年）。另一种称为“同时成因模型”的观点认为，大量黄金通过地表水以溶解态被输送，并在沉积地点通过微生物作用被捕获形成成岩黄铁矿（Agangi等人，2015年；Frimmel和Hennigh，2015年；Heinrich，2015年；Horscroft等人，2011年）。后者并不与改良的冲积模型相矛盾，实际上可以看作是其补充。多项研究表明，金与某些礁石中的碳质层有密切关联。尽管这些碳的δ13C值表明其最终来源于生物作用（Hoefs和Schidlowski，1967年；Spangenberg和Frimmel，2001年），但多项研究也证实其本质上是聚合的碳氢化合物（Drennan等人，1999年；England等人，2001年），因此不能将其解释为化石微生物垫。目前对威特沃特斯兰德盆地演化及金矿沉积过程的理解结合了大规模和局部因素（Frimmel等人，2019年；Tucker等人，2016年）。这些因素包括在中元古代至新元古代期间，在强烈风化和缺氧酸性条件下盆地缓慢沉降过程中第一周期沉积物的沉积，以及长距离输送、潮汐和波浪的再作用，还有影响局部化学环境的微生物过程（Hofmann，2024年；Karpeta和Els，1999年）。

一个备受关注的研究方向是黄铁矿的元素组成和同位素特征（例如，Barton和Hallbauer，1996年；England等人，2002年）。研究表明，黄铁矿的不同纹理在微量元素（包括砷、镍、钴、锑、金、银）方面存在显著差异，甚至单个颗粒内部也存在明显的元素分带现象（Reimold等人，1999年）。这种元素分带有助于识别单个颗粒中保存的多个世代的黄铁矿（碎屑成因、成岩成因、自生成因），即使常规的反射光显微镜观察无法区分（Agangi等人，2013年；da Costa等人，2017年；Large等人，2013年）。通过原位文本分析以及单颗粒稳定同位素分析（多硫同位素和铁同位素），可以确定碎屑黄铁矿的来源、成岩黄铁矿在砾岩沉积时的形成环境，以及后续流体流动过程中元素（硫及其他元素）的迁移情况（Hofmann，2009年）。

在本文中，我们研究了威特沃特斯兰德超群（Witwatersrand Supergroup）的石英-黄铁矿砾岩及其上下地层，这些地层的年龄范围从约29.6亿年前（Dominion Reef）到约26亿年前（Black Reef），每一层都覆盖着标志着侵蚀事件的不整合面（Fuchs等人，2016年；Minter，1976年；Tau等人，2024年）。我们整理了现有数据，并提供了关于黄铁矿元素含量和多硫同位素组成的新分析结果。这些综合数据提供了这些礁石中黄铁矿地球化学组成的总体概况，有助于评估4亿年间的变化情况。黄铁矿的元素组成和同位素特征反映了大陆风化作用、金和营养物质（硫、铁、钼）向沿海和海洋环境的输送，以及这些环境中微生物活动的相互作用。

地质背景

本研究描述的含金石英-黄铁矿砾岩夹杂在卡普瓦尔克拉通（Kaapvaal Craton）上沉积的变质-沉积和火山序列中，时间跨度较长，包括29.9–29.6亿年前的以火山活动为主的Dominion Group（Paprika等人，2021年）、约29.6–27.8亿年前的威特沃特斯兰德超群（Kositcin和Krapez，2004年）、约27.8–27.1亿年前的Ventersdorp超群（Gumsley等人，2020年），以及约26亿年前的Transvaal超群Black Reef Formation（Zeh等人）

威特沃特斯兰德礁石中黄铁矿的分类

本文提供了来自7个礁石的文本和分析数据（微量元素和多硫同位素），这些礁石的年龄范围从约30亿年前的Dominion Reef到约26亿年前的Black Reef。所研究样品的矿物组成和黄铁矿纹理见表1。

威特沃特斯兰德礁石中的黄铁矿具有多种纹理，这些纹理可以同时存在于单个颗粒中，或在单个颗粒内形成不同的结晶阶段。正确描述和解释黄铁矿的形成过程至关重要

光学显微镜和扫描电子显微镜观察

我们在抛光薄片和25毫米环氧树脂镶嵌样品上进行了岩石学观察。进一步的纹理观察和半定量化学分析使用扫描电子显微镜（SEM）在背散射电子（BSE）模式下进行，仪器为Tescan Vega 3，配备能量色散谱仪（EDS），实验在约翰内斯堡大学科学学院的中央分析设施进行。操作条件为20 kV加速电压，2nA束流

微量元素图和微量元素丰度

本文提供了Carbon Leader、Basal和Black礁石的微量元素数据。这些数据与之前关于Ventersdorp Contact Reef（Agangi等人，2013年）和Carbon Leader Reef（Large等人，2013年）的数据进行了对比。

电子探针（EPMA）元素图有助于解释颗粒内的元素变化，并能识别出碎屑颗粒周围的自生生长物（图5）。含碳随机包裹体的碎屑黄铁矿的X射线图显示

富含包裹体的黄铁矿的形成和地质意义

威特沃特斯兰德礁石中的富含包裹体的碎屑黄铁矿，包括DIR、DIP、DIC和DIM类型，被认为是在低能量环境（如废弃河道或冲积平原，或浅海潟湖）中的早期成岩沉淀物。沉积物的再作用导致了

结论

威特沃特斯兰德盆地的含金砾岩是第一周期碎屑沉积物厚层的一部分，这些沉积物是在卡普瓦尔克拉通 consolidations 和抬升过程中形成的。这些沉积物经历了长距离输送，在缓慢沉降过程中沉积，在酸性环境中经历了强烈风化，并在受到海平面波动影响的广阔沿海平原上受到潮汐和波浪的再作用。大陆风化作用影响了

CRediT作者贡献声明

安德里亚·阿甘吉（Andrea Agangi）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据整理，概念化。阿克塞尔·霍夫曼（Axel Hofmann）：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，概念化。朱莉安娜·达科斯塔（Giuliana da Costa）：撰写 – 初稿，正式分析，数据整理，概念化。里安娜·罗索乌（Riana Rossouw）：方法学研究，正式分析，数据整理。埃米莉·托马索（Emilie Thomassot）：撰写 – 审稿与编辑，调查研究，正式分析，数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。