金属矿产资源

1848年1月，James Marshall和一群工人正在内华达山麓的附近溪流河床上散落的砾石中发现了黄金。那一年，淘金热席卷全国，到1849年有4万名勘探者来到加州。黄金只是众多金属矿产资源中的一种，指的是含有金、铜、铝或铁等金属的地球资源。

1金属及其发现

金属是一种不透明的、闪亮的、光滑的固体，它可以导电，可以弯曲、拉制成金属线，或者敲打成薄片。人们最先学会使用的金属(铜、银和金)是那些以天然金属的形式存在于岩石中的金属。天然金属只由金属原子组成，所以它的外观和行为都像金属。例如，金块中的天然金看起来就像手镯中的加工金。

虽然史前的人们可以找到一些现成的金属来制造武器、硬币和珠宝，现代社会有许多其他的金属来源。我们今天使用的大多数金属原子最初都是与矿物中的非金属元素结合的离子。

天然黄金

2矿石是什么

地质学家使用“矿石”一词来指代含有值得开采的特殊金属的岩石。矿石中有用金属的浓度决定了矿石的品位，浓度越高，品位越高。在矿石中，金属可以以天然金属的形式出现，也可以以特定矿物的形式出现，这些矿物被称为矿石矿物。

例如，方铅矿(PbS)含有50%的Pb，所以我们认为它是一种Pb的矿石矿物。赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)是含铁的矿石矿物，Cu来自于多种矿石矿物，包括黄铜矿(CuFeS2)、斑岩(Cu5FeS4)和孔雀石[Cu2CO3(OH)2]。从这些例子的化学公式中你可以看出，许多矿石矿物是硫化物(金属与S结合)；或氧化物(金属与O结合)。

生长在白云石中的方铅矿(PbS)晶体；蓝铜矿(蓝色)和孔雀石(绿色)组成的含铜矿石矿物

3矿床的形成

矿石矿物不是均匀的在地壳中出现的，地质作用将矿石矿物集中在富含大量矿石的区域，即所谓的矿床中。地质学家根据矿床形成的过程来区分不同类型的矿床：

3.1岩浆矿床

在一些岩浆中，矿石矿物早期结晶并累积形成矿石透镜，称为岩浆矿床

3.2热液矿床

热液通过火成岩侵入，在周围的岩石循环时，会溶解金属离子。当产生的热液溶液进入不同的环境(压力更低、温度更低、酸度不同或含氧量不同)时，金属沉淀为矿石矿物，形成热液矿床。当矿石矿物在裂缝中沉淀时，它们形成脉状矿石，当它们在孔隙中沉淀时，它们分散在整个岩石中，它们形成浸染状矿石

当矿石矿物结晶时，岩浆房中可形成岩浆矿床；当热液将溶解的金属带走并沉淀时，形成了热液矿床

3.3海底块状硫化物矿床

沿洋中脊，被称为黑烟囱的热液喷口喷出热液，热液与海水混合后冷却，溶解的组分沉淀为沿喷口分布的硫化物

海底块状硫化物沿喷口分布

3.4次生富集矿床

在地壳上部，地下水通过矿石溶解矿石矿物并带走离子。当水流入另一个环境时，它会沉淀新的矿石矿物，形成次生富集矿床

3.5沉积矿床

沉积矿床是由矿石矿物作为沉积物从水中沉降或沉淀而形成的矿床，带状铁建造

带状铁建造

3.6砂矿

当含天然金属的岩石被侵蚀时，产生的沉积物中含有岩石碎片和金属薄片或块状物(卵石大小的碎片)。移动的水带走较轻的颗粒，但不能轻易移动较重的金属颗粒，所以金属颗粒集中在砾石中形成砂矿沉积

5矿石勘探与开采

过去的勘探者们骑着疲惫的驴子在荒野寻找可能含有天然金属的乳白色石英脉的露头，或由矿石矿物氧化(生锈)引起的颜色斑点。淘金者在装满水的盘子里搅动砾石，冲走较轻的矿物颗粒，留下较重的，其中可能包括黄金。在找到一个可能的矿床时，勘探者会把样本带回城里进行化验，如果化验结果显示金属的浓度很高，那么勘探者可能会用木桩在一块土地上划上记号，以此来“确立所有权”。

如今，商业采矿公司雇用地质学家调查潜在的含矿地区。地质学家通过测量当地引力或磁场的强度来帮助确定有希望的地点，因为矿物的密度往往比一般的岩石更大，磁性也更强。他们也可以取样岩石、土壤和植物来测试金属浓度。如果地表观测提示下面有矿石，地质学家就会钻取样本并分析地表下的岩石。地下数据最终可能有助于确定矿床的形状和大小。

地下矿床的三维形状，矿井和隧道使矿工可以进入矿床

为了开发一个露天矿，工人在基岩上钻一系列洞，并按照精确的顺序引爆炸药，这样岩石就会碎裂成合适大小的便于搬运的石块。前端装载机将岩石卸到巨大的矿石卡车上，卡车将废石倾倒成一个尾矿堆，然后把矿石装进破碎机，将矿石粉碎成小碎片。矿石碎片被送往加工厂，那里的工人使用各种方法将矿石矿物从其他矿物中分离出来。最后，对矿石矿物精矿进行熔炼，把它们的金属原子与其他元素的金属原子分开。

露天采矿是指开采离地表相当近的矿石，凿在墙上的台阶有助于确保墙的稳定性

为了开采地表100米以下的矿藏，矿工们建造了一个地下矿井。要么在山的一侧挖一个隧道，要么挖一个竖井。在地壳中矿藏出现的地方，他们通过在岩石上钻孔，然后爆破，在矿石中建造一个迷宫般的隧道。移走的岩石必须送回地面。隧道之间的岩柱支撑着矿井的天花板。

在科罗拉多州的一个山腰上凿出的地下矿井

6采矿与环境

一些露天采矿造成的大盆地非常大，宇航员可以从太空看到它们。露天开采和地下开采都会产生巨大的尾矿堆。由于缺乏土壤覆盖，尾矿堆可能几十年都不生长植被。在一些地方，矿业公司用酸性溶液浸泡尾矿以过滤金属，如果这些酸泄漏到环境中，它们会破坏植被。开采金属矿石，就像开采煤炭一样，会使矿物暴露在空气和水中。这些矿物可能溶解产生酸矿径流，杀死下游的植被。同样，矿石冶炼产生的烟雾可能含有硫磺等有害化学物质，这些化学物质溶于水后会产生酸雨，对周围的乡村造成破坏。新技术和法规以及鼓励回收利用的努力已经减少了金属采矿和加工对环境造成的破坏，但我们对金属的需求仍在继续增长，因此与金属的开采和使用有关的环境问题很可能会继续对子孙后代构成挑战。

生产金属资源的环境影响

7金属资源能维持多久?

大多数金属矿产资源是不可再生的，一旦被开采，矿床就永远消失了。根据目前对储量的定义，一些金属的供应可能在几十年到几个世纪内就会耗尽。此外，金属矿物储量并不是均匀地分布在地球上，并非所有国家都能平等地获得矿物供应。从国家安全的角度来看，这个问题是非常重要的，一些矿物(战略矿物)对于计算机和电池等高科技设备是必不可少的。加强保护和循环利用的努力可以大大降低消耗率，从而延长现有储备的寿命。当回收利用的费用低于提取新矿物的费用时，回收率可能会增加。

非金属矿产资源

考虑一下你在一栋典型的房子或公寓中可以看到的材料:混凝土、砖、玻璃、墙板。社会使用许多这样的非金属矿产资源，除金属以外的地球资源，他们从哪里来?

1规格料

规格料(Dimension stone)，比几乎所有其他建筑材料都耐用。我们用石头做立面、屋顶、路缘、台阶、台面和地板。建筑师、设计师或承包商给各种类型石头的名称可能与地质学家使用的正式岩石名称不同。例如，建筑师们将任何经过抛光的碳酸盐岩称为“大理石”，无论其是否变质，将任何含有长石或石英的结晶岩石称为“花岗岩”，而不管该岩石是否具有火成岩或变质结构，或长英质或镁铁质成分。

为了从采石场获得完整的石板或石块，工人可以通过锤击一系列的楔子将石块从基岩中劈开，从而造成裂缝的传播，或者他们可以使用各种电动工具将裂缝从基岩壁上切下来。这类工具的例子包括电缆锯、热喷枪、喷水器。一旦工人从采石场移走规格料，规格料可以被切成更小的块。

采石场的石材生产

2碎石及混凝土

碎石是公路和铁路的基础，也是制造水泥、混凝土和沥青的原材料。在碎石采石场，操作人员使用炸药将基岩打碎成碎石，然后用卡车将碎石运到破碎机。破碎机把碎石加工成可用的尺寸。

大型碎石采石场

上个世纪建造的许多建筑都使用混凝土。为了制造混凝土，工人们将水泥与骨料(沙子和/或砾石)和水混合，产生泥浆。在讨论混凝土时，水泥是指一种含有各种化学物质的粉末，可以溶于水。当工人把湿混凝土倒入模具中，它就会硬化成固体，产生一种复杂的人工矿物晶体组合。这些晶体将聚集物的颗粒结合在一起，就像从地下水中沉淀的晶体将砂岩中的沙粒结合在一起一样。

混凝土中的水泥主要由石灰(CaO)、少量的二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)组成。在18世纪和19世纪早期，工人生产水泥只需将一种特殊类型的石灰石块放入窑中，这种石灰石除了方解石外还含有少量石英和粘土。当加热到1450℃，方解石(CaCO3)在石灰石中分解形成石灰(CaO)和二氧化碳气体(CO2)，粘土和石英提供了水泥中的其他氧化物。制造这种“天然水泥”所需的特殊石灰石相当罕见，所以今天大多数混凝土生产都使用Portland水泥。工人们将石灰石、砂岩和页岩按适当的比例加热，以提供制造水泥所需的化学物质。

长管是一个旋转窑，一端注入的岩石被加热到高温，水泥从另一端流出来

地球上虽然拥有丰富的非金属矿产资源，但它们的使用都是有代价的。目前，非金属资源的运输占其成本的一大部分，因此供应公司设法把采石场设在离消费者越近越好的地方。将来，至少在某些地方，其他的土地利用可能会与采石竞争并限制这些资源的供应。

来源：陶城报

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