水热体系中矿物原电池反应的实验研究：以金-黄铁矿矿物对为例

自然界水热条件下导电性矿物之间的原电池反应广泛影响着成矿元素的活化和富集过程。本项目以金-黄铁矿矿物对为研究对象，通过将两者制作成电极安装于高压釜之中，采用高温下的原位电化学测量与反应产物离位分析相结合的方法，在控制体系氧逸度条件下系统研究不同温度、压力和溶液介质等实验条件下的金-黄铁矿原电池反应。具体内容包括：通过矿物对的开路电动势和短路电流的测量，揭示水热体系中金-黄铁矿原电池反应的驱动力和速率随各实验条件的变化规律；通过黄铁矿和金的单独溶解实验，并与组成原电池的实验结果进行对比研究，探明原电池效应对矿物溶解过程的影响；根据上述研究结果，建立水热体系中金-黄铁矿原电池反应的综合数学模型。本项目研究成果将为自然界水热环境中的天然原电池地球化学效应的揭示，尤其是金的原电池活化机制的研究提供理论指导，并为金的成矿作用研究提供重要的实验依据，同时还可为难处理金矿的加压湿法浸出研究提供参考。

水热条件下导电性矿物之间的原电池反应广泛影响着成矿金属元素的成矿过程。本项目通过将金和黄铁矿制作成电极安装于高压釜之中，利用原位电化学方法对不同实验条件下NaCl水热流体中的金-黄铁矿原电池反应进行了系统研究，获得了以下几点重要认识：（1）在实验所研究的温度压力范围内，金-黄铁矿原电池短路时的腐蚀电流变化与断路时的开路电压变化趋于一致，金-黄铁矿原电池的驱动力越大，其反应的速率也越大；（2）在温度恒定、压力远离临界点的过热蒸汽和超临界区域，压力在对金-黄铁矿原电池的开路电压和腐蚀电流均无显著影响，但当温度压力跨越临界点时，包括温压从汽-液平衡曲线同时进入超临界区域以及温度恒定、压力跨越临界点时，金-黄铁矿原电池的开路电压和腐蚀电流在临界点附近均发生突变；（3）在温度、压力稳定和Ni-NiO固体氧缓冲剂控制条件下，在实验所涉及的溶液介质中，腐蚀电流测量结果表明金电极基本都发生阳极溶解，且测量电流的绝对值随着pH的增加、浓度的减少和电极面积比的增大而增大；（4）上述测量结果与电极表面水流体的性质以及黄铁矿和金的能带结构密切相关，依据混合电位理论、Butler-Volmer方程和半导体电化学的波动能级模型对实验结果进行了理论解释，并建立了原电池反应的相关数学模型。本项目研究成果可为天然原电池地球化学效应的研究提供重要的实验依据和理论指导，在周围水热流体（尤其是变质流体）的作用下，载金硫化物与金微粒会产生“大阴极、小阳极”的原电池电偶效应，将加剧金的再活化过程而进入成矿流体。金的原电池活化机制对于揭示金的成矿物质来源和成矿作用研究具有重要意义，另外对于难处理金矿的加压湿法浸出研究也具有重要的参考价值。