金屬礦產(chǎn)資源

1848年1月，James Marshall和一群工人正在內(nèi)華達(dá)山麓的附近溪流河床上散落的礫石中發(fā)現(xiàn)了黃金。那一年，淘金熱席卷全國(guó)，到1849年有4萬名勘探者來到加州。黃金只是眾多金屬礦產(chǎn)資源中的一種，指的是含有金、銅、鋁或鐵等金屬的地球資源。

1金屬及其發(fā)現(xiàn)

金屬是一種不透明的、閃亮的、光滑的固體，它可以導(dǎo)電，可以彎曲、拉制成金屬線，或者敲打成薄片。人們最先學(xué)會(huì)使用的金屬(銅、銀和金)是那些以天然金屬的形式存在于巖石中的金屬。天然金屬只由金屬原子組成，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(xiàn)成的金屬來制造武器、硬幣和珠寶，現(xiàn)代社會(huì)有許多其他的金屬來源。我們今天使用的大多數(shù)金屬原子最初都是與礦物中的非金屬元素結(jié)合的離子。

天然黃金

2礦石是什么

地質(zhì)學(xué)家使用“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了礦石的品位，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(xiàn)，也可以以特定礦物的形式出現(xiàn)，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(rèn)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來自于多種礦石礦物，包括黃銅礦(CuFeS2)、斑巖(Cu5FeS4)和孔雀石[Cu2CO3(OH)2]。從這些例子的化學(xué)公式中你可以看出，許多礦石礦物是硫化物(金屬與S結(jié)合)；或氧化物(金屬與O結(jié)合)。

生長(zhǎng)在白云石中的方鉛礦(PbS)晶體；藍(lán)銅礦(藍(lán)色)和孔雀石(綠色)組成的含銅礦石礦物

3礦床的形成

礦石礦物不是均勻的在地殼中出現(xiàn)的，地質(zhì)作用將礦石礦物集中在富含大量礦石的區(qū)域，即所謂的礦床中。地質(zhì)學(xué)家根據(jù)礦床形成的過程來區(qū)分不同類型的礦床：

3.1巖漿礦床

在一些巖漿中，礦石礦物早期結(jié)晶并累積形成礦石透鏡，稱為巖漿礦床

3.2熱液礦床

熱液通過火成巖侵入，在周圍的巖石循環(huán)時(shí)，會(huì)溶解金屬離子。當(dāng)產(chǎn)生的熱液溶液進(jìn)入不同的環(huán)境(壓力更低、溫度更低、酸度不同或含氧量不同)時(shí)，金屬沉淀為礦石礦物，形成熱液礦床。當(dāng)?shù)V石礦物在裂縫中沉淀時(shí)，它們形成脈狀礦石，當(dāng)它們?cè)诳紫吨谐恋頃r(shí)，它們分散在整個(gè)巖石中，它們形成浸染狀礦石

當(dāng)?shù)V石礦物結(jié)晶時(shí)，巖漿房中可形成巖漿礦床；當(dāng)熱液將溶解的金屬帶走并沉淀時(shí)，形成了熱液礦床

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，熱液與海水混合后冷卻，溶解的組分沉淀為沿噴口分布的硫化物

海底塊狀硫化物沿噴口分布

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并帶走離子。當(dāng)水流入另一個(gè)環(huán)境時(shí)，它會(huì)沉淀新的礦石礦物，形成次生富集礦床

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

3.6砂礦

當(dāng)含天然金屬的巖石被侵蝕時(shí)，產(chǎn)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(dòng)的水帶走較輕的顆粒，但不能輕易移動(dòng)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

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(diǎn)。淘金者在裝滿水的盤子里攪動(dòng)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(gè)可能的礦床時(shí)，勘探者會(huì)把樣本帶回城里進(jìn)行化驗(yàn)，如果化驗(yàn)結(jié)果顯示金屬的濃度很高，那么勘探者可能會(huì)用木樁在一塊土地上劃上記號(hào)，以此來“確立所有權(quán)”。

如今，商業(yè)采礦公司雇用地質(zhì)學(xué)家調(diào)查潛在的含礦地區(qū)。地質(zhì)學(xué)家通過測(cè)量當(dāng)?shù)匾�力或磁�?chǎng)的強(qiáng)度來幫助確定有希望的地點(diǎn)，因?yàn)榈V物的密度往往比一般的巖石更大，磁性也更強(qiáng)。他們也可以取樣巖石、土壤和植物來測(cè)試金屬濃度。如果地表觀測(cè)提示下面有礦石，地質(zhì)學(xué)家就會(huì)鉆取樣本并分析地表下的巖石。地下數(shù)據(jù)最終可能有助于確定礦床的形狀和大小。

地下礦床的三維形狀，礦井和隧道使礦工可以進(jìn)入礦床

為了開發(fā)一個(gè)露天礦，工人在基巖上鉆一系列洞，并按照精確的順序引爆炸藥，這樣巖石就會(huì)碎裂成合適大小的便于搬運(yùn)的石塊。前端裝載機(jī)將巖石卸到巨大的礦石卡車上，卡車將廢石傾倒成一個(gè)尾礦堆，然后把礦石裝進(jìn)破碎機(jī)，將礦石粉碎成小碎片。礦石碎片被送往加工廠，那里的工人使用各種方法將礦石礦物從其他礦物中分離出來。最后，對(duì)礦石礦物精礦進(jìn)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(dāng)近的礦石，鑿在墻上的臺(tái)階有助于確保墻的穩(wěn)定性

為了開采地表100米以下的礦藏，礦工們建造了一個(gè)地下礦井。要么在山的一側(cè)挖一個(gè)隧道，要么挖一個(gè)豎井。在地殼中礦藏出現(xiàn)的地方，他們通過在巖石上鉆孔，然后爆破，在礦石中建造一個(gè)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(gè)山腰上鑿出的地下礦井

6采礦與環(huán)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(huì)產(chǎn)生巨大的尾礦堆。由于缺乏土壤覆蓋，尾礦堆可能幾十年都不生長(zhǎng)植被。在一些地方，礦業(yè)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(huán)境中，它們會(huì)破壞植被。開采金屬礦石，就像開采煤炭一樣，會(huì)使礦物暴露在空氣和水中。這些礦物可能溶解產(chǎn)生酸礦徑流，殺死下游的植被。同樣，礦石冶煉產(chǎn)生的煙霧可能含有硫磺等有害化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)溶于水后會(huì)產(chǎn)生酸雨，對(duì)周圍的鄉(xiāng)村造成破壞。新技術(shù)和法規(guī)以及鼓勵(lì)回收利用的努力已經(jīng)減少了金屬采礦和加工對(duì)環(huán)境造成的破壞，但我們對(duì)金屬的需求仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，因此與金屬的開采和使用有關(guān)的環(huán)境問題很可能會(huì)繼續(xù)對(duì)子孫后代構(gòu)成挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)金屬資源的環(huán)境影響

7金屬資源能維持多久?

大多數(shù)金屬礦產(chǎn)資源是不可再生的，一旦被開采，礦床就永遠(yuǎn)消失了。根據(jù)目前對(duì)儲(chǔ)量的定義，一些金屬的供應(yīng)可能在幾十年到幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)就會(huì)耗盡。此外，金屬礦物儲(chǔ)量并不是均勻地分布在地球上，并非所有國(guó)家都能平等地獲得礦物供應(yīng)。從國(guó)家安全的角度來看，這個(gè)問題是非常重要的，一些礦物(戰(zhàn)略礦物)對(duì)于計(jì)算機(jī)和電池等高科技設(shè)備是必不可少的。加強(qiáng)保護(hù)和循環(huán)利用的努力可以大大降低消耗率，從而延長(zhǎng)現(xiàn)有儲(chǔ)備的壽命。當(dāng)回收利用的費(fèi)用低于提取新礦物的費(fèi)用時(shí)，回收率可能會(huì)增加。

非金屬礦產(chǎn)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(huì)使用許多這樣的非金屬礦產(chǎn)資源，除金屬以外的地球資源，他們從哪里來?

1規(guī)格料

規(guī)格料(Dimension stone)，比幾乎所有其他建筑材料都耐用。我們用石頭做立面、屋頂、路緣、臺(tái)階、臺(tái)面和地板。建筑師、設(shè)計(jì)師或承包商給各種類型石頭的名稱可能與地質(zhì)學(xué)家使用的正式巖石名稱不同。例如，建筑師們將任何經(jīng)過拋光的碳酸鹽巖稱為“大理石”，無論其是否變質(zhì)，將任何含有長(zhǎng)石或石英的結(jié)晶巖石稱為“花崗巖”，而不管該巖石是否具有火成巖或變質(zhì)結(jié)構(gòu)，或長(zhǎng)英質(zhì)或鎂鐵質(zhì)成分。

為了從采石場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)移走規(guī)格料，規(guī)格料可以被切成更小的塊。

采石場(chǎng)的石材生產(chǎn)

2碎石及混凝土

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

大型碎石采石場(chǎng)

上個(gè)世紀(jì)建造的許多建筑都使用混凝土。為了制造混凝土，工人們將水泥與骨料(沙子和/或礫石)和水混合，產(chǎn)生泥漿。在討論混凝土?xí)r，水泥是指一種含有各種化學(xué)物質(zhì)的粉末，可以溶于水。當(dāng)工人把濕混凝土倒入模具中，它就會(huì)硬化成固體，產(chǎn)生一種復(fù)雜的人工礦物晶體組合。這些晶體將聚集物的顆粒結(jié)合在一起，就像從地下水中沉淀的晶體將砂巖中的沙粒結(jié)合在一起一樣。

混凝土中的水泥主要由石灰(CaO)、少量的二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)組成。在18世紀(jì)和19世紀(jì)早期，工人生產(chǎn)水泥只需將一種特殊類型的石灰石塊放入窯中，這種石灰石除了方解石外還含有少量石英和粘土。當(dāng)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?xì)怏w(CO2)，粘土和石英提供了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(dāng)罕見，所以今天大多數(shù)混凝土生產(chǎn)都使用Portland水泥。工人們將石灰石、砂巖和頁(yè)巖按適當(dāng)?shù)谋壤�加熱，以提供制造水泥所需的化學(xué)物質(zhì)。

長(zhǎng)管是一個(gè)旋轉(zhuǎn)窯，一端注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(chǎn)資源，但它們的使用都是有代價(jià)的。目前，非金屬資源的運(yùn)輸占其成本的一大部分，因此供應(yīng)公司設(shè)法把采石場(chǎng)設(shè)在離消費(fèi)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(huì)與采石競(jìng)爭(zhēng)并限制這些資源的供應(yīng)。

來源：陶城報(bào)

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