10.金屬礦產資源

1848年1月，James Marshall和一群工人正在內華達山麓的附近溪流河床上散落的礫石中發現瞭黃金。那一年，淘金熱席卷全國，到1849年有4萬名勘探者來到加州。黃金隻是眾多金屬礦產資源中的一種，指的是含有金、銅、鋁或鐵等金屬的地球資源。

10.1金屬及其發現

金屬是一種不透明的、閃亮的、光滑的固體，它可以導電，可以彎曲、拉制成金屬線，或者敲打成薄片。人們最先學會使用的金屬(銅、銀和金)是那些以天然金屬的形式存在於巖石中的金屬。天然金屬隻由金屬原子組成，所以它的外觀和行為都像金屬。例如，金塊中的天然金看起來就像手鐲中的加工金。

雖然史前的人們可以找到一些現成的金屬來制造武器、硬幣和珠寶，現代社會有許多其他的金屬來源。我們今天使用的大多數金屬原子最初都是與礦物中的非金屬元素結合的離子。

天然黃金

10.2礦石是什麼

地質學傢使用“礦石”一詞來指代含有值得開采的特殊金屬的巖石。礦石中有用金屬的濃度決定瞭礦石的品位，濃度越高，品位越高。在礦石中，金屬可以以天然金屬的形式出現，也可以以特定礦物的形式出現，這些礦物被稱為礦石礦物。

例如，方鉛礦(PbS)含有50%的Pb，所以我們認為它是一種Pb的礦石礦物。赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)是含鐵的礦石礦物，Cu來自於多種礦石礦物，包括黃銅礦(CuFeS2)、斑巖(Cu5FeS4)和孔雀石[Cu2CO3(OH)2]。從這些例子的化學公式中你可以看出，許多礦石礦物是硫化物(金屬與S結合)；或氧化物(金屬與O結合)。

生長在白雲石中的方鉛礦(PbS)晶體；藍銅礦(藍色)和孔雀石(綠色)組成的含銅礦石礦物

10.3礦床的形成

礦石礦物不是均勻的在地殼中出現的，地質作用將礦石礦物集中在富含大量礦石的區域，即所謂的礦床中。地質學傢根據礦床形成的過程來區分不同類型的礦床：

10.3.1巖漿礦床

在一些巖漿中，礦石礦物早期結晶並累積形成礦石透鏡，稱為巖漿礦床

10.3.2熱液礦床

熱液通過火成巖侵入，在周圍的巖石循環時，會溶解金屬離子。當產生的熱液溶液進入不同的環境(壓力更低、溫度更低、酸度不同或含氧量不同)時，金屬沉淀為礦石礦物，形成熱液礦床。當礦石礦物在裂縫中沉淀時，它們形成脈狀礦石，當它們在孔隙中沉淀時，它們分散在整個巖石中，它們形成浸染狀礦石

當礦石礦物結晶時，巖漿房中可形成巖漿礦床；當熱液將溶解的金屬帶走並沉淀時，形成瞭熱液礦床

10.3.3海底塊狀硫化物礦床

沿洋中脊，被稱為黑煙囪的熱液噴口噴出熱液，熱液與海水混合後冷卻，溶解的組分沉淀為沿噴口分佈的硫化物

海底塊狀硫化物沿噴口分佈

10.3.4次生富集礦床

在地殼上部，地下水通過礦石溶解礦石礦物並帶走離子。當水流入另一個環境時，它會沉淀新的礦石礦物，形成次生富集礦床

10.3.5沉積礦床

沉積礦床是由礦石礦物作為沉積物從水中沉降或沉淀而形成的礦床，帶狀鐵建造

帶狀鐵建造

10.3.6砂礦

當含天然金屬的巖石被侵蝕時，產生的沉積物中含有巖石碎片和金屬薄片或塊狀物(卵石大小的碎片)。移動的水帶走較輕的顆粒，但不能輕易移動較重的金屬顆粒，所以金屬顆粒集中在礫石中形成砂礦沉積

在侵蝕產生天然金屬碎屑的地方形成砂礦沉積，流動的水使金屬富集

10.3.7殘餘礦床

在熱帶氣候區，大雨瀝濾瞭土壤中所有的可溶礦物，在淋濾帶殘留高濃度不溶性礦物。如果土壤是由最初含有鋁的巖石形成的，那麼不溶性氧化鋁礦物就會形成殘餘礦床，這種含鋁礦石叫做鋁土礦。

10.4礦床在哪裡被發現?

礦床多與火成巖相關，火山活動並不是在全球范圍內隨機發生的，它主要發生在板塊聚合邊界的火山弧、洋中脊、大陸裂谷和熱點地區。因此，巖漿礦床和熱液礦床，以及由此產生的此生富集礦床、砂礦都是在這些地質環境中發育的。

10.5礦石勘探與開采

過去的勘探者們騎著疲憊的驢子在荒野尋找可能含有天然金屬的乳白色石英脈的露頭，或由礦石礦物氧化(生銹)引起的顏色斑點。淘金者在裝滿水的盤子裡攪動礫石，沖走較輕的礦物顆粒，留下較重的，其中可能包括黃金。在找到一個可能的礦床時，勘探者會把樣本帶回城裡進行化驗，如果化驗結果顯示金屬的濃度很高，那麼勘探者可能會用木樁在一塊土地上劃上記號，以此來“確立所有權”。

如今，商業采礦公司雇用地質學傢調查潛在的含礦地區。地質學傢通過測量當地引力或磁場的強度來幫助確定有希望的地點，因為礦物的密度往往比一般的巖石更大，磁性也更強。他們也可以取樣巖石、土壤和植物來測試金屬濃度。如果地表觀測提示下面有礦石，地質學傢就會鉆取樣本並分析地表下的巖石。地下數據最終可能有助於確定礦床的形狀和大小。

地下礦床的三維形狀，礦井和隧道使礦工得以進入礦床

為瞭開發一個露天礦，工人在基巖上鉆一系列洞，並按照精確的順序引爆炸藥，這樣巖石就會碎裂成合適大小的便於搬運的石塊。前端裝載機將巖石卸到巨大的礦石卡車上，卡車將廢石傾倒成一個尾礦堆，然後把礦石裝進破碎機，將礦石粉碎成小碎片。礦石碎片被送往加工廠，那裡的工人使用各種方法將礦石礦物從其他礦物中分離出來。最後，對礦石礦物精礦進行熔煉，把它們的金屬原子與其他元素的金屬原子分開。

露天采礦是指開采離地表相當近的礦石。鑿在墻上的臺階有助於確保墻的穩定性

為瞭開采地表100米以下的礦藏，礦工們建造瞭一個地下礦井。要麼在山的一側挖一個隧道，要麼挖一個豎井。在地殼中礦藏出現的地方，他們通過在巖石上鉆孔，然後爆破，在礦石中建造一個迷宮般的隧道。移走的巖石必須送回地面。隧道之間的巖柱支撐著礦井的天花板。

在科羅拉多州的一個山腰上鑿出的地下礦井

10.6采礦與環境

一些露天采礦造成的大盆地非常大，宇航員可以從太空看到它們。露天開采和地下開采都會產生巨大的尾礦堆。由於缺乏土壤覆蓋，尾礦堆可能幾十年都不生長植被。在一些地方，礦業公司用酸性溶液浸泡尾礦以過濾金屬，如果這些酸泄漏到環境中，它們會破壞植被。開采金屬礦石，就像開采煤炭一樣，會使礦物暴露在空氣和水中。這些礦物可能溶解產生酸礦徑流，殺死下遊的植被。同樣，礦石冶煉產生的煙霧可能含有硫磺等有害化學物質，這些化學物質溶於水後會產生酸雨，對周圍的鄉村造成破壞。新技術和法規以及鼓勵回收利用的努力已經減少瞭金屬采礦和加工對環境造成的破壞，但我們對金屬的需求仍在繼續增長，因此與金屬的開采和使用有關的環境問題很可能會繼續對子孫後代構成挑戰。

生產金屬資源的環境影響

10.7金屬資源能維持多久?

大多數金屬礦產資源是不可再生的，一旦被開采，礦床就永遠消失瞭。根據目前對儲量的定義，一些金屬的供應可能在幾十年到幾個世紀內就會耗盡。此外，金屬礦物儲量並不是均勻地分佈在地球上，並非所有國傢都能平等地獲得礦物供應。從國傢安全的角度來看，這個問題是非常重要的，一些礦物(戰略礦物)對於計算機和電池等高科技設備是必不可少的。加強保護和循環利用的努力可以大大降低消耗率，從而延長現有儲備的壽命。當回收利用的費用低於提取新礦物的費用時，回收率可能會增加。

11.非金屬礦產資源

考慮一下你在一棟典型的房子或公寓中可以看到的材料:混凝土、磚、玻璃、墻板。社會使用許多這樣的非金屬礦產資源，除金屬以外的地球資源，他們從哪裡來?

11.1規格料

規格料(Dimension stone)，比幾乎所有其他建築材料都耐用。我們用石頭做立面、屋頂、路緣、臺階、臺面和地板。建築師、設計師或承包商給各種類型石頭的名稱可能與地質學傢使用的正式巖石名稱不同。例如，建築師們將任何經過拋光的碳酸鹽巖稱為“大理石”，無論其是否變質，將任何含有長石或石英的結晶巖石稱為“花崗巖”，而不管該巖石是否具有火成巖或變質結構，或長英質或鎂鐵質成分。

為瞭從采石場獲得完整的石板或石塊，工人可以通過錘擊一系列的楔子將石塊從基巖中劈開，從而造成裂縫的傳播，或者他們可以使用各種電動工具將裂縫從基巖壁上切下來。這類工具的例子包括電纜鋸、熱噴槍、噴水器。一旦工人從采石場移走規格料，規格料可以被切成更小的塊。

采石場的石材生產

11.2碎石及混凝土

碎石是公路和鐵路的基礎，也是制造水泥、混凝土和瀝青的原材料。在碎石采石場，操作人員使用炸藥將基巖打碎成碎石，然後用卡車將碎石運到破碎機。破碎機把碎石加工成可用的尺寸。

大型碎石采石場

上個世紀建造的許多建築都使用混凝土。為瞭制造混凝土，工人們將水泥與骨料(沙子和/或礫石)和水混合，產生泥漿。在討論混凝土時，水泥是指一種含有各種化學物質的粉末，可以溶於水。當工人把濕混凝土倒入模具中，它就會硬化成固體，產生一種復雜的人工礦物晶體組合。這些晶體將聚集物的顆粒結合在一起，就像從地下水中沉淀的晶體將砂巖中的沙粒結合在一起一樣。

混凝土中的水泥主要由石灰(CaO)、少量的二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)組成。在18世紀和19世紀早期，工人生產水泥隻需將一種特殊類型的石灰石塊放入窯中，這種石灰石除瞭方解石外還含有少量石英和粘土。當加熱到1450℃，方解石(CaCO3)在石灰石中分解形成石灰(CaO)和二氧化碳氣體(CO2)，粘土和石英提供瞭水泥中的其他氧化物。制造這種“天然水泥”所需的特殊石灰石相當罕見，所以今天大多數混凝土生產都使用Portland水泥。工人們將石灰石、砂巖和頁巖按適當的比例加熱，以提供制造水泥所需的化學物質。

長管是一個旋轉窯，一端註入的巖石被加熱到高溫，水泥從另一端流出來

地球上雖然擁有豐富的非金屬礦產資源，但它們的使用都是有代價的。目前，非金屬資源的運輸占其成本的一大部分，因此供應公司設法把采石場設在離消費者越近越好的地方。將來，至少在某些地方，其他的土地利用可能會與采石競爭並限制這些資源的供應。