地球的資源
人類從自然界直接獲得的各種用於生活和生產的物質稱為自然資源。除了太陽能以外,我們所依賴的全部自然資源都取自於地球。地球資源的總量是有限的,絕大多數資源是不可再生的。自從人類出現以來,人類就一直以各種方法更多地利用取自於地球的物質,並以此促進社會的發展。人類對有限的地球資源的嚴重依賴性,使得地球資源已成為當前全世界普遍關注的問題。了解地球資源的種類和特點,並合理地加以利用,是研究資源的主要目的。地球資源的種類很多,其中最主要的是礦產資源、能源、土地資源、水資源和生物資源。
礦產資源
礦產泛指自然界裏一切埋藏於地下(或分布於地表)的可供人類利用的礦物或岩石資源。它是提高人民生活水平和進行經濟建設的重要物質基礎。自從現代化工業和農業出現以來,對礦產的種類和需求量日益增長。因此,礦產的豐富程度及開發利用程度是一個國家物質財富、經濟發展和科學技術水平的重要標誌。礦產在地殼中的集中產地就是礦床。
一、礦床的基本概念
(一)礦床與礦體
礦床是指地殼中由地質作用形成的、其中所含某些物質成分的質和量符合一定的經濟技術條件的要求,並能為國民經濟所利用的綜合地質體。
礦床的概念包括地質和經濟技術條件兩個方麵的涵義。就前者而言,礦床是由特殊地質作用——成礦作用形成於地殼中的地質體,它的形成取決於地質作用規律;對後者而言,礦床的範疇要隨著經濟技術條件的發展而改變,現在還無法利用的礦物和岩石,隨著經濟的發展和技術的進步,將來有可能作為礦產加以利用,即現今不是礦床的地質體未來可能成為礦床。
礦體是礦床的主要組成部分,是指占有一定的空間位置並具有一定形狀、產狀和大小的礦石堆積體,是開采的對象。一個礦床由一個或多個礦體組成,礦體內部不符合工業要求的岩石稱為夾石。
(二)礦石與品位
礦石是礦體的主要組成部分,是從中可提取有用組分(元素、化合物或礦物)的礦物集合體。礦石一般由礦石礦物和脈石礦物兩部分組成。礦石礦物是指可被利用的金屬或非金屬礦物,如銅礦石中的黃銅礦、斑銅礦和孔雀石;脈石礦物是指現階段不能利用的礦物,如銅礦石中的石英、絹雲母、綠泥石等。
礦石中有用組分的含量稱為品位,是衡量礦石質量的主要指標。大多數金屬礦石以其中所含金屬元素或氧化物的質量百分數表示,大多數非金屬礦石以其中有用礦物或化合物的質量百分數表示,而貴金屬以“g/t”表示,砂礦以“g/m3”表示。
(三)母岩與圍岩
母岩是指提供主要成礦物質的岩石。例如,在形成純橄欖岩和輝長岩的過程中,可分別結晶分異出鉻鐵礦和釩鈦磁鐵礦,這樣形成的純橄欖岩和輝長岩就分別是該鉻鐵礦和釩鈦磁鐵礦礦體的母岩。
圍岩是指礦體周圍的岩石。礦體與圍岩的界線通常是清楚的;但有時是逐漸過渡的,在這種情況下,隻能依靠取樣和化學分析的數據,按工業指標的要求來圈定礦體的邊界。
(四)成礦作用
在地球的演化過程中,使分散在地殼和上地幔中的元素相對富集而形成礦床的作用,稱為成礦作用。它是地質作用的一部分。和地質作用一樣,成礦作用按作用的性質和能量來源的不同,可分為內生成礦作用、外生成礦作用和變質成礦作用3大類,相應形成的礦床分別稱為內生、外生和變質礦床。
主要由地球內部能源的影響而產生的各種形成礦床的作用,稱為內生成礦作用。由於地球內部熱能所形成的高溫、高壓環境而引起岩漿活動,岩漿在活動過程中,攜帶了本身及圍岩中的成礦物質,向地殼淺部運移侵入。隨著溫度、壓力逐漸降低,在地殼不同深度、不同溫度、不同壓力和不同地質構造條件下,由岩漿分異作用產生的或由岩漿分泌出來的氣液物質逐漸冷凝沉澱,使有用元素富集而形成內生的各類礦床,包括岩漿礦床、偉晶岩礦床、夕卡岩礦床、熱液礦床和火山礦床等(圖10.1)。
主要由太陽能的影響,在岩石圈上部、水圈、大氣圈和生物圈的相互作用過程中,導致在地殼表層形成礦床的作用,稱為外生成礦作用。外生礦床的成礦物質主要來源於地表的礦物、岩石和礦床,其次是生物有機體和火山噴出物。在各種外營力作用下,地表的岩石或礦床發生物理、化學變化,結果有用物質或者在原地聚集成礦或者被介質搬運,然後在適當的環境中富集成礦。外生礦床包括風化礦床和沉積礦床。
在變質作用條件下形成礦床的作用,稱為變質成礦作用。由於地質環境的改變,溫度和壓力的增高,內生礦床、外生礦床以及某些岩石的礦物成分、化學成分、物理性質、結構構造以及礦體的形狀和產狀等發生一係列的變化,最後使有用物質富集或進一步富集而形成各種礦床,即變質礦床。變質礦床包括接觸變質礦床、區域變質礦床和混合岩化礦床。
二、礦產資源的種類、分布與前景
(一)礦產資源的種類及分布
目前,世界上已知的礦產有1150多種。按礦產的性質和工業用途,可分為金屬礦產、非金屬礦產和可燃有機礦產。本書把可燃有機礦產劃歸能源類型。
1.金屬礦產
從中可提取某種金屬元素的礦產資源稱為金屬礦產。按工業用途可分為:
(1)黑色金屬礦產如鐵、錳、鉻、釩、鈦等;
(2)有色金屬礦產如銅、鉛、鋅、鋁、鎂、鎳、鈷、鎢、錫、鉬、鉍、銻、汞等;
(3)貴金屬礦產如金、銀、鉑、鈀、鋨、銥、釕、銠等;
(4)放射性金屬礦產如鈾、釷、鐳等;
(5)稀有、稀土和分散金屬礦產如鉭、铌、鋰、鈹、鋯、銫、銣、鍶、鑭、釹、釤、釔、鍺、镓、鎘、硒、碲等。
金屬礦產是現代工業的重要支柱。黑色金屬礦產中的鐵礦是鋼鐵工業最基本的原料;有色金屬礦產中的銅、鉛、鋅廣泛用於電氣工業、機器製造、化學工業及國防工業的各個方麵;貴金屬礦產中的金是貨幣的代表,在工業上也有很廣泛的用途。
金屬礦產提供工業使用的主要是金屬元素。這些元素的克拉克值通常都比較低,它們必須通過成礦作用才能富集成具有工業開采價值的礦石。許多礦物都含有金屬元素,但隻有其中的某些礦物才具有工業價值。如開采鐵的礦物隻有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦4種,適合開采金的礦物主要是自然金、銀金礦、碲金礦3種。
目前世界上已探明的金屬礦產有59種,工業上應用最廣泛的有鐵、銅、鉛、鋅、金、鎢等。金屬礦產資源在地理上的分布是不均衡的。如鐵礦主要分布在原蘇聯、巴西、加拿大、澳大利亞和美國,銅礦主要分布在智利、美國、原蘇聯、讚比亞和加拿大,金礦主要分布在南非、原蘇聯、美國和澳大利亞。
我國已探明的金屬礦產有50多種,其中鎢礦、錫礦的儲量分別列世界的第一、二位。我國金屬礦產在分布上也不均衡。如鐵礦主要分布在遼寧、冀東、川西等地,銅礦主要分布在川滇、西藏昌都、山西中條和長江中下遊等地區,鉛鋅礦主要分布在南嶺、川滇和秦嶺—祁連山一線,金礦主要分布在山東、青海等地,鎢礦主要分布在南嶺地區。
2.非金屬礦產
可以提取非金屬元素及其化合物或可以直接利用的非金屬礦物及其集合體的礦產資源,稱為非金屬礦產。工業上除少數非金屬礦產是用來提取某種非金屬元素(如硫和磷等)之外,大多數非金屬礦產是直接利用礦物或礦物集合體的某些物理、化學性質和工藝特性。如金剛石大多數是利用它的硬度和光澤,雲母是利用其透明度和絕緣性,水晶是利用它的光學和壓電性能等等。非金屬礦產按工業用途可分為:
(1)冶金輔助原料如螢石、菱鎂礦、耐火粘土、白雲岩和石灰岩等;
(2)化學工業及化肥工業原料如磷灰石、磷塊岩、黃鐵礦、鉀鹽、岩鹽、明礬石、石灰岩等;
(3)工業製造業原料如石墨、金剛石、雲母、石棉、重晶石、剛玉等;
(4)壓電及光學原料如壓電石英、光學石英、冰洲石和螢石等;
(5)陶瓷及玻璃工業原料如長石、石英砂、石英岩、高嶺土和粘土等;
(6)建築材料及水泥原料如砂石、浮石、白堊、石灰岩、大理岩、石膏、花崗岩、珍珠岩等;
(7)寶石及工藝美術材料如硬玉、軟玉、剛玉、瑪瑙、水晶、石榴子石、綠鬆石、琥珀、葉蠟石、蛇紋石、孔雀石、電氣石、綠柱石、橄欖石等。
非金屬礦產是人類最早利用的一種礦產,石器時代的石刀、石斧,新石器時代仰韶文化的彩陶,都充分說明了這一點。按照分類,可以看出非金屬礦產用途很廣。實際上,現在人類對非金屬礦產的需要量已遠遠超過同一時期對金屬礦產的需要量。
非金屬礦產具有與金屬礦產不同的特點,表現為:①組成非金屬礦產的主要元素O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg等的克拉克值高,因而礦種多、分布廣、儲量大;②利用方式多,除少數礦種用來提取非金屬元素或化合物外,大多數礦種可以直接利用某些礦物、礦物集合體和岩石的某些物理、化學性質和工藝特性;③可一礦多用,如膨潤土、高嶺土等粘土礦物,既可作耐火材料和陶瓷原料,又可作填充料、塗料等;石灰岩可依據其不同性能,用作電石、水泥、化工、熔劑、建材等原料。
盡管非金屬礦產的礦種多、分布廣,但是對於某些開采、生產技術要求較高、工藝性質特殊的礦種在世界上的分布也是有局限性的,如硫、磷、鉀鹽、寶石等,再如金剛石主要分布在紮伊爾、博茨瓦納、澳大利亞,重晶石主要分布在美國、印度和加拿大。
我國是世界上非金屬礦產種類比較齊全的少數國家之一。目前,已探明儲量的非金屬礦產約80種,產地4500多處,其中硫鐵礦、石墨、重晶石、高嶺土、葉蠟石、石膏、矽藻土、玻璃原料、大理岩和花崗岩等20多種在國際上占優勢。沸石、珍珠岩、矽灰石、粘土等幾十種非金屬礦產可望成為國際優勢礦產。金剛石、藍寶石、天然堿和鉀鹽也有較好的發展前景。
(二)礦產資源前景
第二次世界大戰以後,礦產的品種有了顯著增加。至80年代初期,元素周期表中可提取利用的元素已由40年代的30多個增加到70多個,工業上利用的礦物占已知2500種礦物的15%。1976年世界開采的礦石量已超過120億t,連廢石在內,總開采量達1000億t以上。近30年來,世界礦產開采量的增長速度顯著加快,如1961~1980年間,鐵礦石開采量占20世紀以來80年中總產量的近55%,鉀鹽占67%,鋁土礦占近80%。
在目前的經濟技術條件下可以利用的礦產資源量稱為儲量。實際上,許多礦產都有比儲量大得多的資源量。隨著找礦工作的繼續進行和科學技術的不斷進步,一些潛力資源和未經發現資源將轉化為儲量,而且還會發現很多新類型礦床與礦產新來源。
然而,礦產資源與其他自然資源不同,總體上說是開采後不可再生的有限資源,特別是那些優質、易采的礦產,目前在世界上已經屈指可數;並且由於礦產資源分布極不均衡,即使是國土麵積居世界前列的國家,也不可能在所有礦產資源上完全自給自足。因此,自70年代以來,許多國家為了確保礦產資源來源穩定而調整製定本國的資源政策和采取相應的措施,例如建立土地及礦產開發利用的統一法規,分析預測礦產資源形勢,加強礦產資源勘查工作,等等。
當今世界對礦產品的需求量不斷增長,而地表或近地表富礦正在日益減少,所以就必然要大量利用貧礦、雜礦,開采深部礦、新類型礦床和邊遠地區的礦床。近些年來,世界很多礦產儲量的增長,在很大程度上是靠降低工業品位、擴大開采深度和發現礦床新類型取得的。所以,在未來的找礦工作中,人們將日益重視尋找隱伏礦、深部礦以及一些近地表的大而貧的礦床。同時,根據新的地質理論和找礦技術以及開采、冶煉等方麵的成就,重新評價已知礦床的儲量與研究老礦區潛力,也具有很重要的意義。
綜合開采利用礦床的方法今後將日益普及,目前有些國家伴生產品的增長速度已經超過主要產品的增長速度。綜合利用是鈷、銀、鉍、錸、鎘、硒、碲、鍺等礦產的主要來源。如在我國攀枝花鐵礦,釩、鈦伴生礦產已開始被利用。
未來人類所需礦產資源相當一部分可能要取自海洋。浩瀚的大洋蘊藏著極其豐富的礦產資源。濱海砂礦是獨居石、鈦鐵礦、磁鐵礦、鋯石、磷釔礦等的重要來源,也是優質矽砂的基地。海底含金屬軟泥、錳結核與大洋中脊上的塊狀硫化物礦床都有可能成為開采對象。海底錳結核含錳約35%、鐵18.5%、鎳和銅各1%左右、鈷0.5%,還含有可供利用的鈦、釩、鉛、鋅等元素,具有很高的開采價值。估計海底錳結核總量達3萬億t,所含錳、鎳、銅、鈷四種金屬的總量分別是陸地儲量的200、320、40和1000餘倍,而且現在還以每年增加1000萬t結核的速度在繼續堆積著。另外,海底還有大量的磷酸鹽、重晶石、沸石、海綠石、紅色粘土(可提供錳、鎳、銅、鉬、鈷等資源,可能還有鈾)等,總量也相當可觀。海水中的礦物含量也相當豐富,含量較高的元素近60種。目前1/3的商品鹽、1/5的鎂、大量的溴來自海水。
減少礦床開采時的損耗,降低開采利用成本,回收利用各種金屬或其他材料,也是解決礦產資源不足的重要途徑。總之,一方麵要盡可能開源節流,另一方麵,人們也不必要持礦產資源很快就要枯竭的悲觀態度。實際上,隨著新的科學理論和技術方法的問世並付諸應用,礦產資源還是大有潛力的。
能源
能源主要來自煤、石油、天然氣和油頁岩等不可再生的可燃有機礦產,也包括生物質能、水能、地熱能、風能、潮汐能、太陽能以及核能等。目前人類所利用的能源90%以上是煤、石油和天然氣,它們是在不同的地質年代裏由動植物殘骸等有機質轉變形成的。
一、煤
(一)煤的概念
煤是一種固態的可燃有機岩,是由植物殘骸經過複雜的生物化學、物理化學以及地球化學變化而形成的。煤不是一種礦物,而是主要由碳、氫、氧、氮等元素組成的有機成分和少量礦物雜質一起構成的複雜混合物。
煤由有機質和無機質兩部分構成。有機質主要是C、H、O、N、S、P等元素,其中C和H構成可燃的有機質的主要成分,而S和P在工業利用上屬於有害元素。無機質包括水分和礦物雜質,它們構成煤的不可燃部分,其中礦物雜質經燃燒殘留下來,稱為灰分。灰分超過45%時就不再稱為煤,而稱炭質頁岩或油頁岩。
(二)煤的形成
煤是在各種地質因素綜合作用的情況下形成的。要形成具有工業價值的煤層,須具備聚煤條件和成煤作用兩個基本條件。
1.聚煤條件
植物遺體堆積成煤的首要條件是必須有茂盛的植物,保證成煤物質的充分供給;另一個條件是已死亡的植物應與空氣隔絕,以免遭受完全氧化、分解和強烈的微生物作用而被徹底破壞。顯然,不是任何地方都具備這樣的條件,一般認為沼澤地區是最適宜的環境。因為沼澤地有充足的水分,不僅有利於植物生長,而且為植物遺體的保存創造了條件。水體使植物遺體與空氣隔絕,這樣就妨礙了喜氧細菌的生存,從而使植物遺體免遭分解破壞,得以不斷堆積。
2.成煤作用
從植物遺體的堆積到形成煤層的轉化過程稱為成煤作用。這是一個漫長而複雜的變化過程,通常分為兩個階段(圖10.2)。
(1)泥炭化和腐泥化作用階段高等植物的遺體暴露在空氣中,或堆積在沼澤淺部的多氧條件下,由於大氣、氧和喜氧細菌的作用,會遭受一定的氧化和分解。但隨著植物遺體的不斷堆積和埋藏深度的增加,則逐漸與空氣隔絕,氧化環境轉變為還原環境。在厭氧細菌的作用下,使氧化分解產物之間及分解產物與植物殘體之間發生複雜的生物化學變化,形成多水和富含腐植酸的腐植質,這就是泥炭。從植物堆積到形成泥炭的作用,叫泥炭化作用。低等植物藻類和浮遊生物死亡後沉到水底,在與空氣隔絕的還原環境中,在厭氧細菌的作用下,富含脂肪和蛋白質的生物遺體分解,最後轉變為含水很多的絮狀膠體物質——腐植膠。腐植膠再經脫水、壓實即形成富含瀝青質的腐泥。從低等植物及其他生物遺體沉積到形成腐泥的作用,稱為腐泥化作用。
(2)煤化作用階段在泥炭和腐泥形成後,隨著地殼不斷下降,在溫度升高、壓力增大的影響下,逐漸轉入成煤的第二個階段,它包括成岩作用和變質作用兩個亞階段。
成岩作用階段當泥炭或腐泥被泥砂等沉積物覆蓋後,在上覆沉積物的靜壓力作用下,泥炭、腐泥逐漸失水、壓實、固結,揮發分相對減少,含炭量相對增高,泥炭和腐泥分別逐漸轉變成褐煤和腐泥褐煤。這一作用過程,稱為煤的成岩階段。
變質作用階段當褐煤層沉降到更深處時,受到繼續升高的溫度和不斷增大的壓力的作用,褐煤的內部分子結構、物理性質和化學性質發生變化,如顏色加深、光澤增強、揮發分減少、含炭量增高等,結果褐煤就逐漸轉變為煙煤、無煙煤。這一變化過程就是煤的變質作用階段。
(三)煤炭資源的分布、開發與利用
地球上的煤炭資源非常豐富,是能源寶庫中十分可貴的物質財富。在80年代初期,據估計全世界煤炭資源量為136093億t,其中已探明的可采儲量超過8000億t。在80年代初以前的200年間,全世界累計采煤約1500多億t,這和龐大的可采儲量相比,不過是隻開采了極小的一部分。按照近十幾年來世界煤炭的年產量估算,再考慮到今後陸續探明的新儲量,估計全世界煤炭至少還可以開采二三百年。
世界煤炭資源的地理分布是很廣泛的,遍及各大洲的許多地區,但又是不均衡的。總的來說,北半球多於南半球,尤其集中在北半球的中溫帶和亞寒帶地區。
北半球北緯30°~70°之間是世界上最主要的聚煤帶,占有世界煤炭資源量的70%以上。各大洲相比,北半球的三大洲都比較豐富,其中亞洲煤炭資源量高達86500多億t,約占世界的56%以上;北美洲有40600多億t,約占世界的26%以上;歐洲有15600多億t,約占世界的10%以上。南半球各大洲的煤炭資源都比較少,其中大洋洲資源量有7800多億t,約占世界的5.1%;非洲有2100多億t,約占世界的1.4%;南美洲最少,還占不到世界的0.4%。另外,南極洲的維多利亞地區及其他地區也發現有煤炭資源,但是人們還難以估算出比較確切的資源量。各個國家相比,全世界約有80個國家和地區擁有煤炭資源。原蘇聯、美國和中國的煤炭資源最豐富,合計約占世界資源量的83%以上。