Существуют два главных цикла миграции и накопления золота в природе: глубинный (эндогенный) и поверхностный (экзогенный). В каждом из этих циклов могут формироваться месторождения золота, отличающиеся по физико-химическим условиям образования (давлению, температуре, окислительно-восстановительному потенциалу, кислотности и щелочности среды), а также по геологическим условиям их локализации в горных породах.
Большая часть золоторудных месторождений мира образовалась в результате гидротермальных процессов, то есть в результате отложения золота и сопровождающих его минералов из горячих водных растворов (гидротерм). Главными спутниками самородного золота в этих месторождениях являются кварц (оксид кремния, SiO2) и сернистые соединения тяжелых металлов (сульфиды железа, свинца, цинка и меди). В этих месторождениях кварцевые жилы, содержащие самородное золото и сопровождающие его сульфиды, образуют серии сближенных параллельных или кулисообразных рудных залежей небольшой мощности (10-20 см), но значительные по протяженности (до 2 км) и глубине (до 1,5 км). Гидротермальные месторождения золота известны по всему миру (рис. 2). Одним из самых древних и богатых считается рудник Ашанти в Западной Африке. Он работает по настоящее время с 1471 года. Этот район не зря называли Золотым берегом, так как даже сейчас на глубине 1000 м идет отработка руды с содержанием золота 26 г/т. Одной из самых больших и богатых является жила Морро-Велью в Бразилии. Она имеет длину 180 м и уходит на глубину до 5 км.
По минеральному составу гидротермальные месторождения золота разделяют на золото-кварцевые (рудных минералов меньше 1,5%) и золото-сульфидно-кварцевые (рудных минералов 1,5-20%). Сульфидные минералы распределены в жилах неравномерно, образуя разнообразные причудливые узоры (текстуры). По глубине образования эндогенные гидротермальные месторождения золота разделяют на три типа. Наиболее глубинные месторождения локализованы в древнейших метаморфических комплексах земной коры (в протерозойских вулканитах, гнейсах и сланцах). Размах оруденения может достигать 4 км. Ярким примером месторождений этого типа можно считать уникальное месторождение Калгурли в Австралии, открытое в 1863 году и разрабатывающееся до сих пор. Из этого месторождения было добыто около 100 млн т руды и более 1100 т золота.
Среднеглубинные месторождения имеют различный возраст и тесную пространственную связь с магматическими комплексами кислого и среднего состава (гранитоидами и диоритами). Вмещающие породы - палеозойские метаморфические сланцы, а размах оруденения составляет 1,5-2 км. Месторождения этого типа широко распространены на территории России. К этому типу относятся, например, Дарасунское месторождение в Забайкалье и Кочкарское месторождение на Урале, а также знаменитое Березовское месторождение на Среднем Урале, найденное крестьянином Ерофеем Марковым в 1745 году. Это была первая находка рудного золота в России. Месторождение отрабатывается до сих пор. Славу месторождения составляют выставленные во многих музеях находки прекрасных по форме крупных кристаллов сульфидов, сопровождающих самородное золото в рудах: пирита (сульфид железа, FeS2), галенита (сульфид свинца, PbS) и сульфосолей (тетраэдрита, Cu12Sb4S13 ; айкинита, CuPbBiS3). Золотоносные сульфиды имеют специфический химический состав. Они не стехиометричны и, например, в арсенопирите (FeAsS) отношение Fe/S + As ≠ 0,5 и As/S ≤ 1.
Не меньшее, а может, и большее экономическое значение имеют месторождения золота малых глубин. Особенно широко месторождения этого типа распространены в молодых складчатых областях, главным образом в обрамлении Тихого океана (см. рис. 2). К этому типу месторождений относятся месторождения Мексики (Пачука, Эль Оро), США (Голдфилд, Крипл-Крик), Австралии, а также многие месторождения России (Балей в Забайкалье, Карамкен и Хаканджа в Магаданской области). Вмещающими породами служат мезозойские песчаники, аргиллиты и конгломераты, а размах оруденения по глубине колеблется от 50 до 400 м. Рудные жилы близповерхностных месторождений отличаются большим минеральным разнообразием, многие из них богаты серебром и получили название золото-серебряных.
Золото всегда распределено в рудах неравномерно. На фоне рассеянного оруденения с содержанием золота 2-3 г/т наблюдаются обогащенные участки (рудные столбы, бонанцы), в которых содержание золота достигает нескольких сот граммов на тонну. Протяженность рудных столбов колеблется в широких пределах - от 30 до 400 м по простиранию (по длине) и от 50 до 700 м по падению (по глубине).
Условия образования руд реконструируют изучая состав газово-жидких включений (вакуолей) в кварце и самородном золоте (рис. 3). В процессе кристаллизации и последующего роста кварц и самородное золото могут захватывать частицы рудообразующих растворов, консервируя их внутри своих кристаллов. Размер включений варьирует от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Одним из первых исследовать включения в минералах стал профессор МГУ Н.П. Ермаков, положивший начало новой науке - термобарогеохимии. В настоящее время эта наука бурно развивается, и сейчас разработано много различных методик, позволяющих изучать такие включения. Весьма эффективным является, например, метод криометрии, основанный на различии в температурах замерзания чистой воды и рассолов и позволяющий определять соленость рудообразующих растворов по температуре их замерзания. Сведения о компонентном составе включений получают методами газовой хроматографии. Минералы нагревают в запаянной вакуумной камере, и, когда при испарении жидкой фазы включения растрескиваются, выделившиеся газы анализируют. Контролируя нагрев включений под микроскопом, можно наблюдать переход жидкой составляющей в газообразное состояние. Этот метод, получивший название гомогенизации, позволяет реконструировать температуру минералообразующих растворов по температуре их вскипания. Проведенные исследования позволили установить, что в состав вакуолей входили такие компоненты, как углекислый газ, метан, водород, азот, а также магний, калий, вода и разнообразные комплексы (HCO3-, HSiO3-, Cl-). Было измерено давление газов во включениях, которое составило 530-850 атм. При вскрытии вакуолей на их стенках конденсируются твердые фазы, в составе которых выявлены Si, Al, Ca, Mg, Fe, Ti, Na, K, Cl, S и P. На основании изучения флюидных включений были реконструированы физико-химические условия образования золота и сопровождающих его минералов. Эти исследования показали, что формирование золотых руд проходило в широком интервале температур (120-400°С) и давлений (60-1540 бар) и при различной концентрации солей в растворах.
Современные методы анализа позволяют изучать не только химический состав минералов и включений в них, но и их изотопный состав. Именно изотопные исследования позволили решить давний спор "плутонистов" и "нептунистов". "Плутонисты" предполагали, что гидротермальные рудоносные растворы формируются благодаря остыванию магматических интрузивных тел, с которыми генетически связаны многие месторождения золота, а "нептунисты" отстаивали приоритет нагретых поверхностных вод, экстрагирующих рудные компоненты из вмещающих пород. В настоящее время выявлены четкие критерии, позволяющие отделить глубинные источники от поверхностных по изотопному составу серы (δ34S) в сульфидах и по соотношению изотопов кислорода (δ18O) и дейтерия (δD) в растворах (рис. 4).
В результате этих определений наибольшее распространение получила смешанная схема формирования гидротермальных кварцевых жил с золотой минерализацией. Предполагают, что на первом этапе происходит вскипание глубинных растворов при температуре выше 300°С, вызывающее увеличение концентрации солей и формирование рассолов, экстрагировавших рудные элементы из вмещающих пород. На втором этапе происходит поступление в систему холодных и слабоминерализованных поверхностных вод, которое вызывает осаждение рудных минералов и золота.
Другим важным типом эндогенных месторождений золота являются эксгаляционно-осадочные медно-колчеданные и свинцово-цинковые руды. Этот тип руд проявляет связь с базальтоидным магматизмом и резко отличается по степени накопления сернистых соединений тяжелых металлов (Fe, Pb, Zn, Cu) и кремнезема, что свидетельствует о существенно другом режиме серы и кислорода при его формировании. Месторождения этого типа получили название колчеданных из-за богатства руд сульфидами железа: пиритом, FeS2 (серный колчедан), пирротином, Fe1 - xS (железный колчедан), халькопиритом, CuFeS2 (медный колчедан), или арсенопиритом, FeAsS (мышьяковый колчедан). При формировании таких руд самородное золото отлагалось вместе с сульфидами, образуя тонкодисперсную вкрапленность, поэтому в рудах встречается самородное золото двух типов. Первый тип - тонкодисперсное невидимое золото (см. рис. 1, а) в виде мельчайших включений в сульфидах железа (пирите, FeS2 , и арсенопирите, FeAsS), которое плохо поддается извлечению, и видимое золото в окисленных рудах в виде пластинок, проволочек, дендритов и даже самородков в железных, свинцовых и висмутовых охрах и карбонатах меди (малахите).
Учитывая большую промышленную значимость колчеданных месторождений, ученые разрабатывают модели, позволяющие объяснить механизм формирования подобных залежей. Отложение золота на сульфидах изучено экспериментально. В результате установлено, что важную роль в образовании золотоносных руд играют процессы электрохимического восстановления золота из растворов. Разработанные специальные математические программы позволяют моделировать на ЭВМ процессы рудоотложения. Расчеты показали, что формирование месторождений происходит постепенно в результате циклической циркуляции морской воды. На первом этапе (нисходящая ветвь) просачивающиеся вниз холодные морские воды, постепенно нагреваясь, насыщаются рудными элементами, выщелачивая их из вмещающих вулканогенно-осадочных и донных отложений. На втором этапе (восходящая ветвь) происходит последовательное отложение руд из нагретых минерализованных растворов в тектонически ослабленных зонах.
Содержание золота в колчеданных рудах низкое (менее 3 г/т), поэтому его добыча осуществляется попутно, вместе с добычей других металлов: меди, свинца, цинка, серебра. Такая попутная добыча золота из сульфидных руд распространена очень широко. Крупнейшими рудниками считаются Ледвилл, Тинтик, Бингем и Бьют в США; Флин-Флон, Салливан, Кид-Крик и Хорн в Канаде, Атлас, Санто-Томас, Маркоппер, Маун-Айза, Олимпик-Дам, Пангуна и Ок-Теди в Австралии и Океании. Месторождения этого типа известны на Южном Урале, в Казахстане и Западной Сибири.
Попутная добыча золота вместе с другими цветными металлами осуществляется и из сульфидных медно-никелевых руд магматического генезиса. Характерными примерами месторождений этого типа являются Талнах под Норильском, Садбери в Канаде и Бушвельдский комплекс в ЮАР. Формирование рудных залежей этих месторождений связано с процессами ликвации: разделения силикатного жидкого магматического расплава, насыщенного серой и железом, на две несмешивающиеся части. Сульфиды никеля и меди (пентландит, (Fe,Ni)9S8, и халькопирит, CuFeS) образуют при этом округлые каплевидные включения во вмещающих силикатах, чаще всего в полевом шпате - лабрадоре (CaAl2Si2O8). Вместе с золотом из таких руд добывают также платину.
При разрушении первичных эндогенных месторождений золото накапливается с образованием вторичных экзогенных месторождений. Существуют два типа экзогенных месторождений золота: зоны окисления золотосодержащих сульфидных месторождений и россыпи. В зонах окисления накопление золота происходит в верхних частях рудных тел за счет выветривания вмещающих пород и химического разложения золотосодержащих сульфидов. В результате этих процессов образуются так называемые железные шляпы, сложенные гидроокислами железа (лимонитом), карбонатами меди (малахитом) и глинистыми минералами (каолинитом), в которых золото переотлагается, а затем концентрируется кислыми рудничными водами.
Исследования последних лет показывают, что важную роль в процессах переотложения и накопления золота в поверхностных условиях играют бактерии. Зарождение биогенного золота может быть внутри- и внеклеточным. Экспериментально показано, что бактерии Mesentericus niger поглощают золото из хлоридных растворов, а затем их клетки лопаются, оставляя сферические частицы нового золота. Схожие формы наблюдались и в природных образцах, например в окисленных рудах месторождения Парма (Бенин), в которых методами растровой электронной микроскопии выявлены элипсоидальные частицы самородного золота, сгруппированные в цепочки, характерные для бактерий, присоединяющихся к твердому субстрату. Биогенная природа новообразований золота хорошо подтверждается находками полных псевдоморфоз по микроскопическим водорослям и бактериям. Псевдоморфозы по нитчатым водорослям были описаны для образцов из рудника Елена (ЮАР), а в образцах из рудопроявления Апапель (Камчатка) методом оже-спектроскопии были обнаружены остатки панцирей диатомей и цисты зеленых водорослей, состоящие из золота с примесями кремния и серебра (см. рис. 1, г, д ). Весьма характерные полые золотые элипсоиды образуют псевдоморфозы по почкующимся (buddung) почвенным бактериям Pedimicrobium manganicus. Такие псевдоморфозы встречены не только в корах выветривания, но и в россыпях.
Таким образом в поверхностных условиях остаточное эндогенное самородное золото может обрастать новым экзогенным золотом, укрупняясь и образуя самородки, большая часть которых как раз и была найдена в верхних частях (головках) рудных жил. Первое русское золото было добыто в 1702 году из таких руд на знаменитом Нерчинском медном руднике.
Более широко известен другой тип экзогенных месторождений золота - россыпи. Этот тип месторождений формируется при разрушении первичных золотоносных кварцевых жил, когда частицы видимого золота и его самородки освобождаются от вмещающих их минеральных агрегатов и перемещаются водными потоками. Золотые россыпи различаются по способу их образования. Элювиальные и делювиальные россыпи образуются на горных склонах вблизи коренного источника, аллювиальные россыпи связаны с переносом материала речными потоками, известны также морские, ледниковые и эоловые россыпи. Наиболее широко распространены аллювиальные россыпи, среди которых в зависимости от места нахождения выделяют русловые, донные, ложковые, косовые, долинные и увальные (террасовые). Наиболее богатые россыпи находят на стыке долин, прорезающих вмещающие их горные породы. Обычно это сланцы, насыщенные золотоносными кварцевыми жилами.
Первые золотые россыпи в России были открыты инженером Л.И. Брусницыным на Урале в 1814 году в долине рек Березайка и Пышма. Также на Урале был найден первый крупный самородок золота, весивший 25 фунтов (10 кг). Это произошло 25
