201710192024金瓜石金礦的故事〈三〉金礦的誕生〈全文完〉

前言:吾人所說的金礦石,多指含金量達數十ppm以上的礦石,也就是1公噸礦石可練出數十公克黃金,成分高達100ppm以上也就是0.01%就可稱為富礦,但就算這種水準肉眼還是看不到金子,因此尋找肉眼能看到金子的礦物標本,成為礦物收藏家最愛之一。讓大家失望的是台灣的金礦這本書並沒有金瓜石金礦礦石的相片,更不要說肉眼能見金子的標本;想到當年研究金瓜石金礦的權威教授,大多在台大地質系,因此去台大地質的博物館看看,是有看到金礦石,但是仍然看不見金子;我不想追究問題出在哪裡,自己要想辦法解決;在多次的查訪,在老礦工以及他們子弟的協助,才將這最後一塊拼圖補齊。我必須感謝夏老礦工、陳老礦工以及許多老礦工的協助,有一些我甚至還來不及問他們姓名,感謝金瓜石礦物收藏家張英傑里長(老礦工第二代)提供最重要的標本。

  在本系列文章第二篇金礦熱液形成,談到將黃金溶解至水溶液的反應是

      〈1〉 Au  +  3Fe3+  +  4Cl-  ←→  (AuCl4) +  3Fe2+

      〈2〉 2Fe3+  +  6H2O  ←→  Fe2O3  +  12H+

金瓜石臨海,所以在第一個反應是有氯離子,如果金礦發生在內陸又沒有其他配位子(如F-)幫忙,這時候反應式成為:

      〈1〉 Au  +  3Fe3+  ←→  Au3+  +  3Fe2+

      〈2〉 2Fe3+  +  6H2O  ←→  Fe2O3  +  12H+

在這種情形Au3+的在水中的濃度會比較低,形成金3礦的反應就會比較慢,因此在許多地方金礦形成短的數萬年長的要數百萬年。由於金礦熱液形成前Fe3+會把還原性物質先氧化掉(金是最難被氧化的),因此形成金礦熱液時,整個熱液通道是不會有還原性物質,這時金離子Au3+又如何變回黃金?

(一)肉眼可見自然金的主要型態:此型佔肉眼可見自然金的80%以上,其中又以Gold in Quartz 最多。

此型自然金的產生,是根據上面的反應式,在溫度變低,黃金就會析出:(但這不是金瓜石金礦產出的主因)

熱液在深處溫度高,第一個反應式會向右邊走,如此黃金就會被溶出來;而熱液慢慢流到較淺的地方時,溫度就變低了,這時候第一個反應式就會向左邊移動,黃金就跑出來了,累積多時我們肉眼便看的見。這時溫度通常要比水晶析出的溫度要低,所以黃金跑出來時水晶已經等在那邊,圖一到圖四,也就是我們熟知的黃金長在水晶上或裡面 Gold in Quartz。不過這當中也有差別,如果形成後,地層穩地沒擠壓就可以看到原本的熱液通道,以及水晶完整的晶體,甚至連黃金的晶型都可見(熱液流動穩定結晶時間長),如圖一,二,四,如果有擠壓通道會不見,就會變成圖三。再來就是形成時的酸鹼性,如果酸性夠強,上面的第二個反應式就會往左邊跑,如此便看不到氧化鐵Fe2O3跑出來,於是得到潔淨的Gold in Quartz,如圖一,四;但是酸性夠強的機率不太高,因此第二個反應式的右邊氧化鐵多少都會產生,所以我們看到的許多金礦都有如影隨形的氧化鐵。2010年我第一次發表此專文,有觀看大陸方面的資料影片,聽到大陸金礦專家某研究所所長稱氧化鐵與黃金如影隨形,是因為黃金與鐵的化學性質相近,不知道這些年在我呼籲之下,改過來沒有,正確的說法:黃金與鐵化學性質不相近,然而金礦形成時黃金析出時氧化鐵也是產物的一種,所以黃金常與氧化鐵兩者會在一起。

   圖一  產地內華達州,沉積速慢,產生的鐵氧化物被熱液帶走,水晶很潔淨。,

 圖二  產地台灣瑞芳鎮九份地區,沉積速度較快,氧化鐵在近處沉積。〈張英傑先生的父親所收藏的標本。〉

     圖三  產地美國加州,沉積速度介於圖一圖二之間。

        圖四  產地澳洲,沉積速度慢且時間長,因此結晶較大。

在智利,矽化安山岩也處於酸性環境,所以矽化安山岩上的自然金也看不到鐵礦。如圖五。

   圖五 矽化安山岩上的自然金,是酸性環境下生成。

 

 

 圖五~1矽化安山岩上的自然金,產地智利。金瓜石也有類似標本。

如果熱液呈鹼性有時候甚至只看到自然金與鐵礦而看不見水晶。如澳洲與亞利桑那州所產的某些金礦。

 

 

 圖六  產地亞利桑那州

圖七 產地澳洲的北昆士蘭

因此以上這類型自然金佔肉眼可見的自然金的標本的八成以上,包括最常見的Gold in Quartz。形成的時間很緩慢,多達萬年以上,甚至是達百萬年。

(二)接著我們來看金瓜石的標本

 

圖八  產地台灣瑞芳鎮金瓜石的自然金,被老礦工稱為『青磺金仔』,標本中不見鐵礦,而是許多黑色的銅礦。



圖八~1,2 自然金的晶體放大

 

  

圖九 自然金長在黃鐵礦內,被老礦工稱為『烏鉛金仔』 Gold in Pyrite,由於長期放在潮濕的環境,使黃鐵礦氧化。

 

圖十  這件「烏鉛金仔」Gold in Pyriye 保存較好,是張英傑先生當里長後,發動里民找尋到的標本之一,保存較好。這種形態金礦在世界各地少見,在金瓜石卻很常見。

圖十~1

圖十~2

圖十一  重晶石與黃鐵礦混在一起,若干自然金又長在上面。產自金瓜石的標本,自然金長在重晶石上Gold on Baryte,mineraldate圖庫中沒有相似的,此地卻很常見。依余的推測,此標本還有黃鐵礦應是暫態,如完全反應會像圖十二。

 圖十二 完全看不見黃鐵礦,而有許多褐鐵礦,老礦工常將之擊碎淘洗金子。白色部分是重晶石。由於此型標本留存非常少,因此沒嚐試將鐵礦溶去,看是否肉眼可見自然金,圖十一標本很可能原來也是覆蓋著褐鐵礦。

 圖十三 角礫岩中的自然金。早期拍照技術差,看不清楚;其中自然金呈塊狀達1.5cm大。產於金瓜石復山的角礫岩筒。

  以上是金瓜石所產肉眼能見的自然金標本中較為常見的四種,只有第一類『青磺金仔』是光復後發現的少許礦脈,按台灣的金礦書中的說法,金瓜石肉眼能見的自然金少見,我的推斷應該是日本時代過度挖掘所致,導致光復後找不到後三類標本,因此上述標本則是老礦工在早期所留下,至於當時的產量應該不少,但因當時日本官方管制嚴格內情至今無法查明。其中也是除了第一類有待討論之外,其他三類的成因與第一段金礦的主要型態非常不一樣,而且金礦的形成時間快速,在數百年至千年就完成。(我曾見過某專文如此寫,現在不知此文在何處。)很明顯這是因為金瓜石金礦產生的原因與世界其他大不分地區並不相同。

  我們先來談『烏鉛金仔』Gold in Pyrite。在金瓜石停採後,經濟部委託國際知名金礦探勘公司來重新鑽探評估金瓜石的黃金儲量以及是否仍具開採價值,探勘公司的總工程師Peter博士,看到張英傑先生手上的Gold in Pyrite 嚇一跳,他跑過數百個金礦場重未見過,(我所見的圖庫數萬件標本,只有一件疑似相近。)希望張先生能以US$2000賣他。也許大家會以為黃鐵礦是常見的礦物,黃金長在黃鐵礦應該不稀奇,問題是這會違反金礦生成原理。因為在金礦熱液形成時,熱液要將原本在岩石中的低濃度黃金溶解,也就是將黃金由金元素氧化成金離子(Au   →   Au+ 十 e-   或   Au  →  Au3+  十  3e-  ),為此熱液中必須含有很多氧化劑例如O2  ,Fe3+...之類,這些氧化劑隨著熱液流經的地方,也會將其他還原劑氧化,例如硫磺S8,閃鋅礦,黃鐵礦...,由於這些物質遠比黃金還要容易溶解,因此可推測黃金熱液形成時,熱液通道中如原有黃鐵礦,應該早就反應殆盡,不可能在日後熱液又碰到黃鐵礦並作用產生Gold in Pyrite。然而這種情況卻在金瓜石真的發生,是為何?唯一能解釋的原因只有一個,那就是黃金熱液改道了。(其他產地有若干標本自然金旁有黃鐵礦,與我們現在所探討的標本不同)

  接著來看自然金長在重晶石上Gold on Baryte,截至目前這仍是世界紀錄。重晶石區域看不到水晶,是所謂的高溫區(當時),世界其他各地金礦也可能產在高溫區,但是其自然金肉眼不能見;由圖十一可見自然金與黃鐵礦還是混在一起,只是形成的位置具有很多重晶石,暗示著此處的溫度很高。像這般在高溫也可產生自然金晶體,唯一能解釋也是熱液改道,讓金礦熱液在高溫環境接觸到還原劑,反應後產生自然金。

  金礦形成是因為熱液改道,在世界其他地方也有,並非金瓜石所獨見,唯金瓜石金礦多因熱液改道產生是很特別的,我以為會造成熱液改道的因素,主要有三項:

1.熱液的腐蝕性大,所經岩層脆弱。以下是老礦工們幫忙找的證據。

圖十四 老礦工說熱液會將整塊岩石溶掉,這是快溶化完的殘片。


圖十五 矽化安山岩的小坑洞是原來安山岩長石,輝石,閃石,雲母的位置,這些矽酸鹽類被熱液中的硫酸侵蝕掉是能理解的(只剩石英SiO2與極少的鋯石...所以叫矽化安山岩),然而岩石上的大坑洞,顯然是熱液直接將石英溶掉的。


圖十六 溶掉後沉積一些物質,也看見重晶石的晶體。


圖十七 從這裡可以看見熱液將矽化安山岩溶掉穿洞的情況。

2.角礫岩筒爆破,除了將原有通道擴大,也會將鄰近的岩層震斷,將其他熱液通道改道。

圖十八 借用余炳盛,方建能著台灣的金礦第139頁示意圖,原熱液在通道深處溫度高,SiO2溶解度較大(以矽酸H4SiO4,偏矽酸H2SiO3,H3SiO4-,HSiO3-...形態溶於水中),流到接近地表時溫度降低,水晶析出堵住熱液通道上端出口,以至於底部受熱的熱液無路可走,結果會如鍋爐爆炸,把通道炸開,產生角礫岩筒;金礦熱液便有機會接觸其他還原物質,產生自然金。


圖十九 這張圖可以看見矽化安山岩的熱液通道出口已經有許多水晶,即將把通道堵住。

3.強烈的板塊運動,使當時地震頻繁。由第1點可知通道近處原本就是脆弱的,再經一震,通道改變機率必大。

如圖二十 我們借用宋聖榮著台灣的火山第25頁示意圖,菲律賓板塊在此處附近一側是上衝另一側卻是隱沒,所產生的強大應力,是否是造成深處的重物質岩漿上衝的原因,讓此地岩漿活動岩漿帶有諸多金元素,也是否造成當時該處地震頻繁,將金礦熱液形成之後,又將熱液改道,使金瓜石成為世界單位面積產金最多、而形成速度最快的地區之一,這些都值得我們應該深入的研究。


圖二十

                                  (全文完)

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圖二一 自然金沉積在石膏上,新墨西哥州的標本。圖十一,十二是高溫下產物,本圖標本則是低溫下產出。

   圖二二  自然金沉積在明礬石類礦物上,產地法國。也是在低溫形成的金礦。

 

       圖二三  附在鐵礦上的自然金好像貼上去的,產地辛巴威。

 

         圖二四  產地法屬圭亞那

        圖二五  產地愛爾蘭

 

圖二六  智利的角礫岩中的自然金,保存了熱液的成份食鹽以至於很容易潮解,前沿藍色部分是Boleite 氯銅銀鉛礦。

圖二七  長石上的自然金,產地加拿大紐芬蘭。

       

        圖二八  方解石上的自然金,產地澳洲。

圖二九  與白雲石共生的自然金,如此結金完美的白雲石十分罕見,呈現當時含金礦的礦液幾乎是不流動的。產地也是加州。

   圖三十 母岩是孔雀石的自然金,產地也是加州。

       圖三一 自然金與砷黃鐵礦共生。 產地加州。

圖三二  自然金與方鉛礦、輝銀礦共生。產地科羅拉多州。該州金礦很特殊,母岩可能是螢石,金礦可能是以碲化物產出,也可能是自然金伴生碲化物。

圖三三  自然金成長在自然砷上,這是金瓜石的標本;目前只有金瓜石才有這型的金礦石,在記錄上國外有一件金礦標本,自然金旁邊有少許自然砷,是自然金沉積後自然砷才成長,與金瓜石的情況不同;九份金瓜石有許多像圖三九、四十、二十、二一、十之標本都是地層變動金礦熱液改道產生的結果。

圖三四  自然金成長在法馬丁礦上,旁邊是自然硫,目前世界記錄,只有在金瓜石發現。

   圖三五  自然金成長在角銀礦上,產地墨西哥。

 圖三六產地斯洛伐克。金礦熱液碰到黃鐵礦的標本,在世界各地少有,這件與金瓜石的標本最接近。如果是金礦先形成黃鐵礦再沉積這型金礦比較多。這件在網路公怖的標本,最近在某礦物網站出售,但不知道是否是語言溝通不良,以至於無法購買。

 

補充說明:

黃金要自熱液中析出必須有還原劑,因為(AuCl4)-不會無緣無故變 Au;在國中背過的活性表,事實上也可以說是還原劑強弱表,在此復習一下:
K>Na>Ba>Ca>Mg>Al>C>Zn>Cr>Fe>Co>Ni>Sn>Pb>H2>Sb>Cu>Bi>Hg>Ag>Pd>Pt>Au
舉例:鋅活性大可以將鉛Pb2+,Cu2+,Ag+,(Au(CN)2)-..還原,因此老礦工在煉金時,為求快速使用鋅(老礦工稱作亞鉛)丟入他們製成的含金溶液中,將所有金屬還原,取出還原的金屬粉末後,再除掉金以外成分。
      Zn ┼ PbCl2 → Pb ┼ ZnCl2
理論上只要比銀強的還原劑(由上表可以知道有很多)就能將(AuCl4)-變回 Au看起來並不困難,然而事實上卻不是如此,因為熱液在通道來回流動期間氧氣O2Fe3+等氧化劑早就將這些還原劑清光,清光之後多餘的O2Fe3+才會去溶最困難的金子,因此在產生(AuCl4)-後已然沒有這些還原劑與之作用;在此我們再回頭看先前提過的反應:
 Au + 3Fe3+  + 4Cl-  ←→  (AuCl4)-  + 3Fe2+
 2Fe3+ + 6H2O  ←→  Fe2O3  + 12H+
先前我們用反應式1解釋高溫時黃金被溶化的情形,現在我們也可說明熱液在較低溫時(AuCl4)-會與Fe2+作用產生 Au ,由於水晶溫度比熱液低一些,自然地黃金就會長在上面。內華達州潔淨有結晶的金礦,顯示是在酸性的環境,反應產生的Fe3+被熱液帶走,反應緩慢如果熱液流動穩定且慢便有結晶形成,如果流動不穩定便成絲帶狀;然而最後階段時熱液酸性大多已經不足,反應式2Fe2O3於是產生, Fe2O3產生對反應式1有加速的作用,反應越快黃金顆粒就越小,甚至黃金就混在Fe2O3當中。

 

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