2019年02月19日 星期二
地质云 :English | 公务邮箱
中国矿业报订阅

关于矿物那些事儿

2019-1-21 9:40:02 作者:综合

之于地球,矿物资源是一种神奇美幻的存在,家族庞大,种类繁多。之于人类,矿物资源又是一种因缘际会的馈赠,相伴相随,息息相关。那么,矿物究竟为何物?矿物家族有几大谱系?在地球上如何分布?又与人类发展发生了怎样的交集与故事?现在就让我们一窥其中的千态万象。

矿物为何物?

不久前,来自外媒的报道称,中东地区的谢法亚米姆(Shefa Yamim)宝石勘探公司宣布,其在卡梅尔蓝宝石中发现的名为卡梅尔石(carmeltazite)的新矿物已被国际矿物学会(IMA,International Mineral Association)批准为新矿物,编号为2018-103。

矿物是在自然界形成的具有独特化学成分和晶体结构的物质。据国际矿物学会统计,目前世界已发现并命名公认的矿物达5200多种。

在地球45亿年的历史中,元素不断结合以适应特定的位置、深度和温度,才形成了今日被正式确认的矿物。在20亿年前的大氧化事件(Great Oxidation event)时,目前大多数矿物就已经出现。

这些矿物既有地史长期演变形成的矿物,也有后期因人类活动而产生的矿物。卡内基科学研究院一个团队的研究成果显示,目前已发现200多种主要或完全受到人类采矿活动影响而出现的矿物。

其发表的成果论文认为,这种作用过程还在继续,可能会有新的矿物产生。在整个地史期间,矿物一直在持续发生演变。

如同矿物本身一样,矿物的定义也多次演变。而现代概念上的矿物必须是自然产出的(与人工合成相区别),且具有结晶固体、确定的化学成分等主要特征。与岩石不同,矿物是指在地质作用中形成的、具有一定化学成分和内部结构的天然结晶态的单质或化合物。

据了解,每年世界发现新矿物达五六十种。在整个矿物中,硅酸盐类矿物最多,约占矿物总量的50%。其中,最常见的矿物有二三十种。例如,正长石、斜长石、黑云母、白云母、石膏、黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿等。我国查明的矿物约2000种,其中包括在我国发现的有100多种新矿物。

矿物名称使用的历史久远,可追溯到公元前3世纪。古希腊哲学家西奥弗拉斯特的《石头论》和我国先秦古籍《山海经》中最早记载了十余种矿物名称。明代李时珍的《本草纲目》中记载了百余种矿物名称。据统计,西方古文献中记载了超过15000个矿物名称,其中只有约2000个是有效的矿物名称。

多数时候,矿物以人物名称和地理名称命名。有关统计表明,45%的矿物以人物名称命名,23%的矿物以地理名称命名,14%的矿物以化学成分特征命名,8%的矿物以物理性质特征命名。这些矿物名称的词源学含义是了解矿物学历史和地理的极为有趣的“窗口”。

对于矿物的分类,方法很多,一般广泛采用以矿物本身的成分和结构为依据的晶体化学分类。从矿物的分类及矿物成分来看,矿物分成单质和化合物两种。单质是由一种元素组成的矿物,如金刚石成分是碳,自然金成分是Au。化合物则是由阴阳离子组成的,根据阴离子成分不同分为若干类。

分布在哪里?

矿物资源在地球上的分布具有规律性,其分布主要有时间分布、空间分布的特点。

在地质历史时间上,矿物资源的分布并不均匀。有些矿石在某一个时间,也就是在某一个地质年代集中出现。例如,煤炭主要形成于石炭-二叠纪,石油主要形成新生代。金矿有70%形成于前寒武纪,85%以上的钼矿形成于中、新生代。

最常见的几十种矿物多在地壳范围内,从地壳、地幔到地核都有矿物分布。

地壳中,分布有斜长石、钾长石、石英、云母、闪石等。斜长石是富含钠和钙的长石矿物的统称。钙长石是富含钙的长石。富钠长石为钠长石。斜长石并没有特定的化学成分,而是由钠长石和钙长石按不同比例形成的固溶体系列。斜长石占地壳的39%。

镁橄榄石

正长石和微斜长石是最常见的钾长石类型,它们均含有钾元素,占地壳的12%。

石英是一种极其常见的矿物,占地壳的12%。石英耐风化,是沉积岩的主要组分,来源于母岩。

辉石族矿物属于链状结构硅酸盐,常见的辉石族矿物有普通辉石、顽火辉石、钙铁辉石、铁辉石和透辉石。辉石占地壳的11%。

云母族矿物属于片状结构硅酸盐。常见的云母族矿物有金云母、白云母和黑云母。云母占地壳的5%。

闪石族矿物属于链状结构硅酸盐,与辉石族矿物的区别在于:辉石是单链硅氧四面体结构,闪石是双链结构。闪石占地壳的5%,粘土矿物5%,其他硅酸盐矿物3%,非硅酸盐8%。

地幔厚度约为2900千米,约占地球半径的46%,占地球总体积的87%。利用火山深处提取的地幔岩石碎片可以进行矿物分析,结合地震资料可以推断地壳以下岩石的结构。计算机模型可以帮助预测地球各个深度的温度,压力和化学成分,从而可以推断出可能存在的矿物类型。

一些认为构成地幔的主要矿物有:一是铁-镁橄榄石系列。地幔中橄榄石的含量非常高。二是尖晶石。斜长石是上地幔30千米以上部分发现的主要的铝质矿物,但在30千米~60千米的范围内被尖晶石所取代。三是镁铝榴石。地幔60千米以下的范围内,含量最高的矿物是镁铝榴石。四是布氏岩(Bridgmanite)。据研究,该矿物在下地幔2700千米以上的范围内占到93%,可能是地球上最丰富的矿物,具有独特的结构,在地壳中根本没有发现。然而,这种矿物在陨石中也被发现。

研究显示,地核是由铁和镍组成的,但也含有像金和铂这样的重元素,其含量比地壳更高。外核呈液态,内核呈固态。人类不可能从内核中提取铁镍合金的样品,但科学家相信这种成分与一些金属陨石中的成分非常相似。

镍纹石是在陨石和一些陆地岩石中发现的铁和镍的混合物(合金)的矿物名称。科学家推测,地核很有可能是由类似成分组成的,但由于难以模拟的压力和温度,它很可能会以不同的晶体形式出现。一些科学家提出,由于巨大的压力,地核甚至可能是一个巨大的铁镍晶体。

人类与矿物

矿物资源与人类社会发展息息相关,其开发利用不仅满足着人类生存、社会发展方方面面的需求,而且深刻地影响着其文明发展的进程。

从石器时代、陶器时代到青铜器时代、铁器时代、石油时代,再到硅时代、碳时代,生产工具因矿物资源的变化而发展,成为衡量生产力水平的客观标尺;从薪柴时代到矿物能源时代,再到新能源时代,人类从所使用的矿物能源中获得发展动力,并提高了利用和管理效率,推进了人类社会的不断进步。

在农业领域,矿物资源具有非常重要的应用。除了用于肥料的钠硝石、钾硝石、磷灰石、钾长石、明矾石等之外,石膏、铁矾、铜蓝、辉铜矿、自然硫、白云石等可直接用作肥料,稀土元素对作物生长也有积极作用。而用于饲料的矿物主要有磷酸钙类矿物、磷类矿物和含镁矿物等。黏土矿物、蛙石、沸石、橄榄石等可改良土壤,使土壤符合植物生长、发育所必须的水分、养分等条件。

矿物资源在工业领域的应用最为广泛,几乎涉及所有的工业领域。除为工业生产提供“工业粮食”之外,矿物还广泛应用于钢铁、冶金、核工、航空、医药、电子等领域。美国认定的35种战略性矿产几乎包括了所有的经济矿物,如工业上使用的铝、用于催化剂制造的铂族金属、用于电子产品的稀土元素、用于合金制造的锡和钛等。这些“关键矿物”,是对美国的经济和国家安全具有至关重要作用的非燃料矿物或矿物材料,其供应链容易受到破坏,其应用功能在制造产品时必不可少,缺乏后会对经济或国家安全产生重大影响。

值得关注的是,矿物材料的开发和利用重新受到重视,并获得迅速发展。对矿物材料的开发应用程度已成为衡量一个国家工业化程度的标志。甚至有人预言,21世纪将是人类的第二个石器时代。

此外,伴随着收藏市场和矿物文化的发展繁荣,矿物晶体、矿物宝石等也逐渐走进人们的日常生活,成为个人收藏及佩戴的重要物品。□

返回新闻