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石英砂问答

世界上有多少种矿石(全球矿产资源分布不均的科学分析)

发布时间:2023-03-03  人气: 78

特朗普要买格陵兰岛,人家不卖他还不高兴,引发轩然大波。特朗普为啥要买格陵兰岛呢?有人说美国人其实是爱上了格陵兰的稀土矿。

格陵兰天然红宝石晶体

格陵兰岛有矿?你猜对了。格陵兰岛看起来荒无人烟、一贫如洗,一直以来人们关心的只是它上面的冰川什么时候会化完,却很少有人知道他们家原来也是有矿的,并且矿还不少。这里地处北极,气候恶劣,当地的法律也不许别人去勘探开采,怕破坏环境。即便如此,人们还是在这里发现了近500亿桶的石油与天然气、储量巨大且品质较高的铁矿、红宝石矿、钻石和其它宝石、金矿和铀矿资源,还在岛南部的可凡(Kvane field)地区发现了“可能是世界蕴藏量最大的稀土矿床”。

格陵兰岛上的居民点,插着丹麦国旗

稀土被称为“工业黄金”、“工业维生素”和“万能之土”。其实它既不是金子也不是一般的土,而是17种金属元素的总称。因为最早的时候化学家们只能提取到它的氧化物,它不溶于水,并且很少被发现,所以被称作稀土。现在它通常被分为两类,其中镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕被称为轻稀土,而钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇被称为重稀土。

稀土化合物氟碳铈矿晶体

全球矿藏分布不均

谁都希望自己家里有矿,这意味着享用不尽的荣华富贵。在工业化和信息化的时代,人们从地下开采矿产,提炼出元素、金属、化合物与燃料用于生产各种产品,以满足人类的需求与发展。有了矿,就意味着拥有财富和发展的基础。

这是一块金矿石

问题是全世界各地的矿藏分布极不均衡。有的地方砸个坑就能冒出油来,有些地方一滴油都没有;有的地方拿翡翠砌围墙,有的地方把它当个宝。

先来看看已探明石油资源的分布:全球有超过4万个油田分散在陆地和海上,这些油田分布并不平均,因为石油储量最多的地区位于中东的波斯湾、南美洲的委内瑞拉、北美洲的加拿大、阿拉斯加地区和墨西哥湾、俄罗斯的北极地区、欧洲的北海海域,以及西非一些地区。其它地方的石油储量都很少。

2013全球石油储量分区统计图

相比之下,铜矿的分布就要均衡一点,许多地方都有铜矿,不同的只是品位高低大小各异,有些铜矿商业开采价值比较低,于是被忽略掉了。

全球铜矿分布

但是稀土矿就不一样了,全球已探明有开采价值的稀土矿的分布是这样:

全球稀土分布

寥寥几个小点,意味着世界绝大多数地方没有可供开采的稀土资源。其实这张图并不完全,因为大洋洲有少量稀土正在开采,美国本土的稀土矿因为环境污染问题被关掉了,尽管储量不高,但还是应该加一个小红点上去的。

由此我们可以看穿美国人的心思,既然格陵兰岛有丰富的稀土资源可以解决美国的短缺问题,开采不会污染到美国本土,丹麦又很羸弱,特朗普自然很想把格陵兰搞到手。说买,已经是很客气的了。

元素的形成

熟悉地球形成历史的朋友可能产生了这样的疑惑:都知道地球是在太阳系形成的过程中,由无数个大大小小的碎片和尘埃拼凑组合而成,这些碎片和尘埃又是此前超新星爆炸留下的残骸,照理说由这些残骸组合而成的行星应该是各种元素均衡分布才对,为什么会出现矿产资源这边多那边少的情况呢?

这要先从超新星爆炸说起。

超新星爆炸

我们知道许多重元素诞生于巨大恒星的内部,当恒星烧光它内核中所有的核聚变燃料后,其内部的力不足以支撑外壳巨大的压力,于是恒星外部所有的物质会在万有引力作用下向中心坍缩,物质坍缩产生的极大压强和急剧上升的温度会造成核心物质进一步聚变反应以生成更重的元素。由于这种聚变反应是在瞬间完成的,它产生的极高能量会造成剧烈爆炸,爆炸的光芒会照亮整个银河系,同时将恒星的物质抛洒到附近的空间里。

恒星在坍塌过程中,从中心到外层的压力逐步降低,所以元素生成可能是分层的,有的层形成大量的铁、有的层生成氧,有的层是碳元素居多,越往核心生成的元素越重,但数量也越少。

恒星内部元素的分层

在超新星爆炸时,这些元素并不会完全混合,许多爆炸的碎片里会出现某一种或几种元素比例占优的情况。于是在类地行星形成之初,组成地球碎片并不会将所有元素都均匀地混在一起,而是这一块地方含铁多,那一块地方主要是硅,某一块主要是铝和镁。金、银和铅、铀元素夹杂在其间,形成一个大“混球”。

地球形成之初是一个大“混球”

矿产的形成与演变

今天地球上有超过5100种矿物(有说5500种),实际上在地球形成初期的矿物很少,据地质化学家们估计那时候地球上只有约12种矿物,其它都是元素单质。

地球是一个巨大的化学实验室,它内部的化学物质聚在一起会发生极其复杂的化学反应,这些反应不仅生成了今天众多的矿物质,还产生了丰富多样的生命形式。

在汇聚在一起的太空碎片中,有大量的放射性元素如钾40、铀238、铀235和钍232等等,这些放射性物质在衰变过程中释放大量的热能,它将地球融化,使地球变成一颗炙热的行星。在大约40亿年前,地球上的矿物达到了350~500种。

地球早期辐射产生热能

地球内部在高温高压下融化成了液体,那些较重的元素比如金和铅等会在重力的作用下逐渐下沉,一直到达地心中间,而铁和镍也慢慢聚集到核心形成一颗巨大的铁核。热能向上传导到地表,使地表密布着不断喷射气体的火山与沸腾的岩浆,在此期间,原先还处在地表的绝大部分重稀土元素会下沉到地幔,使我们无法开采。随着时间的推移,地球表面逐渐冷却形成地壳。至大约30亿年前,地球上的矿物种类增加到了约1000种之多

地球中心是巨大的铁核

由上述过程我们可以看出,在地球的表面,元素的分布从一开始就是不均衡的,这也为未来矿产分布的不平衡创造了前提。

矿石成因理论通常涉及三个组成部分:源+输送通道+聚集。通俗地说矿产多是化学元素通过地质作用等过程发生运移、聚集而形成的。由于这三方面要素的千变万化,才形成了今天各种各样的丰富矿产资源。

我们前面说了,矿物元素的分布首先受到地球形成初期碎片分布的影响,它决定了矿藏的大致位置。但这个位置并不是一成不变的,它会随着地壳运动和板块漂移而发生地理位置上的变化。

活跃的地壳活动为矿物质生成和运输创造了条件

地球表面有广阔的海洋和陆地湖泊,地面水与地下水会随地质运动形成热液流运动,热液流以及地壳下方炙热的岩浆为元素的运动提供了通道,元素在高温高压下会与其它元素发生氧化还原反应,从而形成各种各样的化合物溶液。当高浓度或过饱和的化合物溶液被输送到低能量的环境时,它们会发生聚集,进而产生沉淀或析出矿物晶体。天长日久这些矿物质就形成了矿床或矿脉。

海底热液流和化合物沉积形成矿床

我们现在已知的许多巨型铁矿,它们大多形成于二十亿年前的湖泊与海洋,这里的原始藻类细菌经光合作用生成大量氧气,地质史上称为“大氧化事件(GOE)”。氧气并不会进入大气,而是迅速与海洋中的铁元素发生氧化反应生成氧化铁,氧化铁不溶于水,它一层一层地在海底沉积,经过几十亿年漫长的地壳运动,最终形成今天巨大的露天铁矿床。现在你知道了,今天有铁矿的地方,在20亿年前一定是藻类细菌疯狂繁殖的湖泊或海洋。事实上今天几乎所有分子结构中含氧或水的矿物都是在19~25亿年前“大氧化事件”之后才产生的,自此,地球上的矿物种类增加到4000种以上

攀枝花露天钛铁矿

油田和煤矿是生物地球化学循环的产物。在5600万年前,地球很温暖,当时的北极地区遍布椰林,北冰洋是一个面积达400万平方公里的封闭盆地,海洋的表层是平静的淡水。温暖的气候为一种叫作“满江红”的水生的蕨类植物提供了优良的生长条件,这种水草大量吸收二氧化碳释放氧气,并通过寄生在它叶子底下的蓝藻细菌吸收空气中的氮气。经过80万年的时间,这种超级植物使始新世时期地球大气的二氧化碳浓度减少了80%以上,北极地区的平均海面温度从13°C降至后来的-9°C,地质历史上被称为“满江红事件”。

满江红是北极地区石油储量的主要来源

在80万年的时间里,大量的满江红残骸下沉到海底并堆积起来,逐渐形成了北冰洋周边地区丰富的油田和天然气田。成为今天英国的北海油田、俄罗斯的北极油气田、美国阿拉斯加以及加拿大石油的最主要来源。同样位于北极圈内的格陵兰岛,它的500亿桶油气储藏也是满江红80万年固碳的结果。

格陵兰岛在北极的位置

总结:

矿石形成的三个要素:源+输送通道+聚集,同时也是全球矿产资源分布不均的重要原因

地球上矿产资源分布不均,首先是因为在地球形成的过程中,撞击地球的岩石碎片包含的元素各不相同,这些碎片各自产生于古老恒星不同的深度,并随着超新星爆发散布的太空中。地球板块运动也是矿藏在地表搬运的重要原因之一。

地壳深处炙热的液体以及海洋为元素形成各不相同的化合物提供了途径,同时,高温高压的热液流也成为各种化合物在海洋和地下的输送通道。

当携带着化合物的热液流到达低能量区域时,它会发生矿物质沉淀和折出,进而形成各种矿床。

由此可见,无论是格陵兰岛的稀土还是世界其它地方的矿藏,其形成的原因无非是地利与天时,这是人类所不能改变的。

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