Experimental determination of the solubility of Au in silicate melts

Summary

We report here new data on the solubility of Au in silicate melts of anorthite-diopside eutectic composition at a wide range of oxygen fugacities, from pure oxygen to 10⁻⁸ atm, and at a temperature range of 1300 °C to 1480 °C. Because experiments were done with metal loops at temperatures above the Au-melting temperature, PdAu-metal-alloys had to be used. Pd-solubility data derived from the same set of experiments agree with earlier data obtained from experiments with pure Pd-metal (Borisov et al., 1994a). The results of the present experiments show that Pd-solubilities are by a factor of 2 to 6 higher than Au-solubilities. Both, Au and Pd solubilities decrease with decreasing oxygen fugacity. At oxygen fugacities below the iron-wiistite buffer (IW) Au solubility increases with decreasing fO₂ probably reflecting formation of Au-silicides at such reducing conditions. Compared to Pd, Au has higher activity coefficients in Fe-metal and lower solubility in silicate melts. This leads to similar metal-silicate partition coefficients for both elements. At a temperature of 1350 °C and an oxygen fugacity corresponding to IW-2 D^Au (met/sil) is about 2.5 · 10⁷ and D^Pd (met/sil) about 1.6 · 10⁷. Thus similar behavior is expected during metal separation in planetary bodies including core formation in the Earth. The metal/silicate partition coefficient of Ir is, however, by several orders of magnitudes higher (Borisov and Palme, 1995a). Equilibration with chondritic metal will therefore lead to grossly non-chondritic Pd/Ir or Au/Ir ratios in coexisting silicate phases. Chondritic ratios are thus indicative of the presence of unfractionated meteoritic components. Samples from the upper mantle of the Earth, for example, reflect the admixture of a late unfractionated (chondritic) veneer (e.g.,Kimura et al., 1974;Jagoutz et al., 1979).

Solubilities of Pd and Au in silicate melts are much higher than the contents in terrestrial basalts implying that the abundances of these two elements are not buffered by residual PGE- and Au-containing alloys. The most likely process for fractionating PGEs in terrestrial magmas are mineral-melt (e.g., olivine/melt) equilibria.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wird über die Ergebnisse der Bestimmung der Löslichkeit von Au in Silikatschmelzen mit der Zusammensetzung des Anorthit-Diopsid Eutektikums berichtet. Die Versuche wurden mittels Metallschlaufe über einen weiten Sauerstoffpartialdruckbereich, von reinem Sauerstoff bis zu 10⁻⁸ atm und in einem Temperaturbereich von 1300 °C bis 1480 °C, durchgeführt. Da diese Temperaturen jedoch den Au-Schmelzpunkt überschreiten, wurde mit AuPd-Legierungen gearbeitet. Die Ergebnisse der dadurch zusätzlich erhaltenen Pd-Versuche stimmen mit früher bestimmten, mit reinen Pd-Schlaufen durchgeführten Pd-Löslichkkeiten überein (Borisov et al., 1994a). Die auf reine Metalle zurückgerechneten Löslichkeiten von Pd sind um einen Faktor 2 bis 6 mal höher als die entsprechenden Au-Löslichkeiten. Die Löslichkeiten beider Metalle nehmen mit abnehmendem Sauerstoffpartialdruck ab. Unter noch stärker reduzierenden Bedingungen (Eisen-Wüstit Gleichgewicht) nimmt die Löslichkeit von Au jedoch zu. Dies könnte auf die Bildung von Au-Siliziden zurückzuführen sein.

Im Vergleich zu Pd sind die Aktivitätskoeffizienten von Au in metallischem Eisen höher, die Löslichkeiten in Silikatschmelzen jedoch niedriger. Das führt zu ähnlichen Metall/Silikat Verteilungskoeffizienten von Au und Pd. Bei einer Temperatur von 1350 °C und einer Sauerstoffugazität von IW-2 ergeben sich für D^Au (met/sil) 2.5 · 10⁷ und für D^Pd (met/sil) 1.6* 10⁷. Der Metall/Silikat-Verteilungskoeffizient von Ir ist jedoch unter den gleichen Bedingungen um mehrere Größenordnungen höher (Borisov andPalme, 1995a). Ein chondritisches Pd/Ir- oder Au/Ir-Verhältnis kann also auf die Anwesenheit einer unfraktionierten chondritischen Komponente zurückgeführt werden. Dies gilt beispielsweise für Proben aus dem oberen Erdmantel. Hier handelt es sich vermutlich um Zumischung einer späten chondritischen Akkretionskomponente, die sich nicht mehr mit einer metallischen Phase (Kern) ins Gleichgewicht gesetzt hat (z.B.Kimura et al., 1974,Jagoutz et al., 1979).

Die Löslichkeiten von Pd und Au in Silikatschmelzen sind wesentlich höher als ihre Gehalte in basaltischen und komatiitischen Laven. Dies bedeutet, daß Au und Pd in Schmelzen aus dem Erdmantel nicht durch residuale Au- und/oder Pd-haltige Metall phasen bestimmt sind. Gleichgewichte zwischen Schmelze und Mineralen (z.B. Olivin) sind die wahrscheinlichsten Fraktionierungsmechanismen für Platingruppenelemente in terrestrischen Magmen.