为什么地球上会有各种矿藏？

文明的发展需要利用各种资源。现代社会需要铝、铁、铜、锌、铅、锡等金属来建房子及制造管子、导线、车辆和数不清的其他产品。现代社会挖掘泥土制砖，需要硫来生产肥料，提炼石油；利用汽油、煤炭和天然气作为能源；甚至需要普通的砂石构建房子和公路。资源的种种用途数不胜数。各种资源均来自所谓的矿藏，寻找矿床已成为许多地质学家的事业。但是，非专业人士中很少有人仔细了解矿藏是怎样形成的。

人类对存在于岩石中的金属十分感兴趣，相对地球的整个壳体而言，岩石中的金属含量是微乎其微的。以黄金为例，大陆地壳中它的平均藏量大约是十亿分之三——也就是说，其重量百分比是0.0000003。相形之下，地壳所含的硅、铝和铁是黄金的2000多万倍。所以，虽然所有常见的岩石中都含有黄金，但其不足以用于商业开采。只有在极少数地方，黄金的含量比较高，值得去开采。

一种金属的含量达到什么程度，才值得商业开采呢？这当然取决于其价值、开采和提炼的成本。我们周围常见的岩石一般含有重量百分比0.0001～0.008的铜、铅、锌和锡；重量百分比0.00001～0.0000002的铂、银和金。但铁的藏量巨大，重量百分比高达6。由于铁相对丰富，铁矿的密集度只要稍高于平均水平就可开采了。现代铁的采矿技术和市场价值决定了可用于商业开采的矿床必须至少含有铁重量百分比的25，高于平均地壳含量的4倍。相比之下，铜、铅、锌和锡等有经济价值的矿藏要求高于地壳中平均含量的60～100倍。有些金属，特别是黄金和铂群元素（PGEs）——铂、钯、铑、钌、铱、锇——需求量很大，又非常稀有，所以价值极高。只要岩石含有其中的一种元素达到百万分之几就会开采。例如黄金，是从不到金属的百万分之一（重量百分比是0.0001）岩石中开采出来的。

盐、黄金和煤的共同之处

盐、黄金和煤好像没有明显的共同之处。盐毕竟是常见的非金属化合物，黄金是稀有的贵重金属，而煤是碳基能源。但这三种物质都是在沉积环境中形成的。

盐

盐即氯化钠（NaCl），是一种矿物石盐，具有很高的价值。道理很简单，因为它是我们烹调的必需品。柏拉图称它为“诸神所珍爱的物质”，罗马人付给“值得得到盐”的士兵的报酬叫salarium，英语中的“薪金”（salary）就出自这个词。最出名的盐矿就是在哈尔希塔特（所以这种矿物就叫作哈拉特），哈尔希塔特村就在奥地利的索尔兹伯格（盐镇）附近，哈尔希塔特之所以出名就因为那里三百多年来一直不间断地产盐。大多数“哈拉特”石盐用于化学工业，制造各种各样的含钠的化学物，如苛性钠（氢氧化钠），这是制造纺织染料的重要原料之一，对于食物保存也起着重要作用。

盐矿是如何形成的，目前尚不完全清楚，但一定涉及海水蒸发，因为盐形成于含有其他沉积盐的矿物的沉积岩中。水在干燥而阳光灿烂的气候中从海水体中蒸发，留下的水形成了盐，最后盐的晶体从饱和盐水中沉淀。水中氯化钠的饱和度（指溶液中氯化钠的浓度可结晶沉淀）重量百分比是36。海水虽然味咸，却只含氯化钠重量百分比的2.69，所以在石盐沉淀前，蒸发作用一定减少海水十二分之一的质量。换言之，每100克海水，有92克的水蒸发掉，才使石盐沉淀下来。

虽然蒸发盐形成的化学过程是十分清楚的，但可以发生蒸发的地质条件却不为人知。有的地质学家认为，盐矿形成于广阔的浅海盆地，那里的蒸发量大于增加进来的海水，所以最终海水盐分饱和。地质学家认为，这类盆地断断续续与海洋接触，否则它们就要被陆地边界隔开。这种理论在一定程度上是说得通的，但问题是，世界上的许多庞大的石盐矿床厚达数十米。在德国、加拿大西部一些地质盆地表面下就存在这样的盐矿。矿床厚便产生了几个问题。盆地在盐形成过程中一定始终是浅的，但继续沉降，以容纳累积起来的盐，而且一定得到时断时续的盐水的补充，达到所含的盐的总量。如果盆地沉降，那为什么不与海洋隔开呢？如果不隔开，盆地里的水就会被新增加的海水冲淡，石盐沉淀就立即停止。对此地质学家无法解释。不过，海水是盐的源泉，石盐是通过蒸发而沉淀成的才是关键所在。

黄金

黄金是另外一种物质。只要提到黄金，人们就不禁想到财富和权力。黄金还具有浓郁的宗教色彩：其色彩和光泽令人联想到太阳和火的威力，所以它成了早期文明的崇拜对象。黄金具有无与伦比的延展性，因而可以被做成极薄、极细的薄片，拉成细线，制成有用的首饰和金叶。黄金很早就被用作装饰物，古埃及就是如此。现在开采出来的黄金几乎有一半被用来制作首饰，1/3制成金条、钱币、奖章 ，余下的用于电子工业和牙科。

大多数黄金采自砂矿的沉积岩床。有些岩石，特别是花岗岩，含有稀少的微量天然黄金的微粒（花岗岩矿脉中确实有黄金）。与构成花岗岩的硅不同，黄金的细粒抗化学腐蚀的性能非常高，所以黄金不像岩石一样受气候影响而被侵蚀。水冲刷疏松的碎石，把碎石送进了溪流，碎石由于质量大、密度高沉淀下来。密度相同、大小一致的细粒累积在同一个地方，由于黄金的密度比其他矿物高得多，其细粒在水流强的地方聚集起来，而密度较低的矿物成悬浮物被带走。富含黄金沉积物的矿穴和矿层因而含金量高，溪流改道后，矿穴和矿层很快被沙和砾石覆盖。河流或滩头里的沉积物及沉积岩中的矿穴内含块金、片金和非常细的金粒。

黄金从岩石中侵蚀出来，在凝集在沉积砂矿中之前，通常都浓缩在岩脉中。这是因为流过大多数地壳热的活性液体把黄金从岩石中过滤出来，通常与石英一起沉积在岩脉中。金矿脉很难被发现，因为暴露在地面的金矿脉十分罕见。金矿砂往往存在于地表上或浅浅的地表下。砂矿所提供的黄金占全部已开采的及已知而未开发的黄金储量的2/3还要多。

有25亿～27亿年历史的威特沃特斯兰德矿是最大的产金砂矿，它就像张弓，坐落在南非约翰内斯堡南侧。那里的金矿有些是世界上最深的，自1884年以来生产出的黄金占黄金总产量的一半以上，现在的产量还是很高。威特沃特斯兰德的沉积岩也可作为其他类似的矿床的代表。那里的块金、片金和非常细的金粒与沉积岩中的非常圆的、砾岩的大块石英卵石结合在一起。大块石英卵石呈圆形，说明它们曾在流水中翻滚，并进一步显示出砂矿需要有强大的水流才能形成（小溪、河流或急流的河滩地）。

在砂矿中还有其他一些密度高的抗化学反应强的矿石。锆石由于抗化学反应强且硬度高，可以在几个造山运动和侵蚀周期间存在下来（并有记录）。其他形成砂矿的矿石中还有石榴石、锡石（氧化锡）、磁铁矿（氧化铁）和钻石等。由于黄金的密度比其他矿石高得多，所以，提取黄金最好的方法是按密度把其他矿石分离出来。事实上，只有天然铂的密度比天然黄金高。

煤

罗马人最初入侵高卢时，在圣埃蒂艾纳附近的山上发现煤，并把煤挖出来，那时他们称煤为“易燃的泥土”。不列颠的居民早在9世纪就把煤用作燃料。1280年，马可·波罗在中国时把煤描写成一种新奇的事物。17世纪中叶，美洲的土著就已经利用煤，煤自然而然地成为了工业革命最初的燃料。

按定义，煤是沉积岩，含有至少50个重量百分比的易燃的含碳物质。这些物质来自部分腐朽、多次改变的植物枝干，主要的成分是碳、氢、氧、氮和硫一类的混杂质。燃烧的煤不但产生二氧化碳和水蒸气，同时还生成二氧化硫、氮气和其他污染物。二氧化碳在大气中与水作用形成硫酸，最终以酸雨的形式降落下来。显然，煤的纯度也是空气污染的一个因素。

大多数原始的煤矿是在非水下沉积环境中形成的。对常见的石炭纪形成的煤层进行的显微分析表明，这些煤含有丰富的植物化石，与生活在现代池沼的蕨类、显花植物和松柏目植物等十分相似。这些植物的化石形态说明，当时副热带呈现温和的气候条件，且伴随着充沛的降雨（这是茂密的植被生长的关键因素）。通过计算表明，1立方米烟煤中的有机物的含量相当于植物生长了500年所积累的有机物的总量。

煤不能在干燥的环境里形成，因为植物有机物通过氧化分解形成二氧化碳、水和其他化合物，散发到土壤和空气中。相比之下，煤形成的最初阶段是沼泽地上的死亡植物的分解。死水淹没植物残枝，散发着恶臭，不能使有机物迅速氧化。沼泽里的细菌进行新陈代谢的活动在吸收氧和氢的过程中起着重要的作用。这样一来使得沼泽底部缺氧，阻止了二氧化碳的生成，使植物残枝的含碳量仍然很高。

沼泽中大量的水和细菌之间发生了复杂的相互作用。大雨季节时，会有更多的氧进入沼泽，因为雨滴与空气作用，在下落时获得氧，这就促进了腐烂有机物的氧化作用。雨量稀少时就会缺氧，使有机物不易腐烂。腐烂的有机物干透后叫作泥炭。含有丰富泥炭的沉积物把过量的水、二氧化碳和甲烷都排了出来。但是，即使失去一些含碳的气体，还是增加了这些物质的总含碳量，因为被排出的氢和氧比碳要多。随着热量和压力的进一步提高（一般因掩埋深度增加而引起的），泥炭变成褐色的软煤、褐色的硬煤、烟煤，最后是无烟煤。

来自热液的矿藏

矿脉，是明显露出来的地质体，一般都含有矿物。这一点，自人类最初寻找金属以来就认识到了。它还曾引起希腊哲学家的思考，他们认为矿产源自地球向地壳呼出的带金属的蒸汽。矿藏的产生有两大最基本原理：先有主岩，后有含矿的矿脉（矿藏居后），同时一定要有水流过含矿的矿脉。这是乔治尤斯·阿格里科拉（1494～1555）在其著作中提出的论点。阿格里科拉生前研究过他的家乡德国萨克森州厄尔土附近的银矿。

为什么许多金属都集中在矿脉中？第一，流经地壳岩石深处的热液（热量和水）容易起化学反应。这些液体侵蚀岩石，使其组成的矿物溶解形成泥土及其他新的矿物。大多数通过过滤过程释放出来的金属很容易溶于热液，因为水是非常强的溶液。其次，由于这些液体中有别的元素存在，尤其是氯和硫的存在，大大提高了溶解金属的能力。这样看来，人们做出很大的努力来确定天然热液的特性也就不足为怪了。

探明天然热液的特性并非易事，因为这些液体不会长期存在，而且是人所不能见到的。我们需要找到一些了解它们的途径，途径之一就是研究火山气体、热泉和酸湖里的水。一些火山的破火山口上就有这些热泉和酸湖。我们能够找到这些含有钠和氯化钾、碳酸盐、硫酸盐和各种金属离子的水，最常见的是含钙和铁的水。推断出高温液体成分的更直接方法（不过也更复杂）是找到留在矿物中物质的气泡。这些气泡就是所谓的液体内含物，一般都很微小，与石英、方解石、黄铁矿和萤石里的矿石连在一起。从理论上来说，液体内含物里的液体成分应该与在成长的结晶体内作为气泡留下来时的液体的成分相同。当然也可以假定：这些液体没有与它们的矿石包体发生实质性的作用，但事实并非如此。还有一个复杂的问题，那就是盐和其他化合物细小的晶体（即子矿物）通常都在岩石冷却时，在气泡壁上沉淀下来，使液体的成分发生变化。因此要推断出原来的成分，就必须在分析前使气泡里的物质分布均匀（通过加热的方法）。研究液体内含物表明：形成矿石的液体内有丰富的氯化钠和氯化钾，这些成分有助于液体溶解和输送金、银、铜、铅、锌、锡和其他金属。

通过显微镜对加热后液体内含物进行观察，可以确定能够使它们变得均匀、成为单一的液体的温度，也就是所有的子矿物溶解回液体的温度。这一温度应与液体被留住时的温度相同。这很有意义，因为温度（也有压力）大大影响了液体溶解矿物的能力。例如，将加压的水从室温加热到400℃，可溶解于水的氯化钠的数量几乎提高了一倍，但能被溶解的硅石的数量则增长了25倍以上。所以热的溶液通常含有非常多的硅石，而冷却溶液时，被溶解的物质成为石英（SiO2）沉淀下来。促使金属可溶性提高的方法有成百上千种，加热超过金属融解温度之上是方法之一。

有些岩石在其组成的细粒间有天然的空隙，且全都有另外的裂口或接缝的空间。这些开放的空间一旦相互连接，便成为液体流动的通道。我们可以通过这些通道从地底抽取水、石油和天然气。是什么使得液体流动？由于冷的液体密度比热的液体高，所以冷的液体往往通过这些孔隙下沉，取代密度较低的上升的热液。正如我们在中洋脊所看到的那样，液体通过热液系统的对流运动一定是由热源驱动的，最常见的附近岩浆体便是这一热源。因此，大多数金属矿床原来是与深层岩层密切相关的。大陆壳体内的深层岩层一般比中洋脊的小岩浆大得多，历史更久，所以大陆热液系统可以活动数万年到数亿年。经过热液系统的液体继续流动，只要热源存在，就一直从岩石中提取少量的金属。持续的时间也是一个重要因素。大的矿床的形成是因为液体与岩石间广泛的反应，这就要求液体和岩石进行亿万年的密切接触。

科罗拉多克拉梅克斯的钼矿

现在我们就来回答这样一个问题：矿藏是怎样在一个地方聚集起来的？当含有金属的液体向上流动而离开热源的时候，温度下降，压力减少，溶液携带金属的能力就会降低。因而金属矿就在特定区域里沉淀下来，具体的位置取决于特定的矿物的溶解度。大多数元素，例如铜、锌和铅，以亚硫酸盐矿物的形式沉淀下来，但是金和银一般是以天然状态沉淀的，而其他的（如锡）则以氧化物矿物的形式沉淀下来。许多矿床中，矿物与石英都有关系。这是因为硅石是最常见的岩石，也因为热液使硅石溶解。

矿物可在1毫米至1厘米宽的矿脉中结晶（液体流经的开放性的裂口），但已知的矿脉直径达数米。也有整个岩石遍布矿藏的，这说明液体是沿细粒边缘和微小的裂口系统渗入岩石的。液体这样渗透时，通常与原矿物作用，并以新的矿物取而代之，其中就有金属矿。碳酸盐岩石容易与热液作用，这很像酸性弱的醋，腐蚀和溶解碳酸氢钠（小苏打），因而碳酸盐岩石易受热液取代作用的影响。以取代方式形成的矿床通常在温度相对高的情况下发生（350℃或更高），而矿脉型的矿床是在较低的温度下形成的。这一区别不单纯是一个学术上的课题，还有助于确定矿藏的位置。

与古老的黑烟体类似的矿石

正如横穿加拿大东南的一些火山岩带上的数百座矿山所显示的那样，熔岩也集结着某些矿床。这些矿藏生产铜、锌、铅、银、金和其他一些稀有金属。加拿大是世界上最大的金属生产国之一，这个国家有一半的锌和银以及近一半的铜和铅都是从这些熔岩里提取的。

安大略省蒂明斯镇附近的基德克里克矿从1966年开始开采，是世界上最大的供应锌、银和镉的矿山，它的总产量和储藏量非常大，其中铜3300万吨、锌900万吨、铅30万吨、银1240亿克。镉和铟作为副产品被提炼出来。其中由黄铁矿、磁黄铁矿（硫化铁）、黄铜矿（硫化铜-铁）、闪锌矿（硫化锌-铁）、方铅矿（硫化铅）构成的矿石存在于三座大型的扁豆状矿体之中。

27.1亿年前，洋底的熔岩涌出。矿藏从循环的热液中形成：热水从热的岩石中滤出锌、铁、铜、银、铅和其他金属，使之沉淀在断裂系统的较冷区，这个过程与现今中洋脊所发生的情况完全相同。但基德克里克的热液系统活跃了好几百万年。这一现象和熔岩中的纹流岩显示出中洋脊并没有发生过热液循环活动，很可能是由大陆边缘外浅层洋壳的侵入岩浆引起的。总之，存在过必要的成分——水、断裂岩石和引起水循环的热源和含有金属的岩石。

有些矿石由改变过的火山岩中的硫化物岩脉构成，这些火山岩可能就在洋底热液系统顶上，由附近裂面的硫化物的沉淀而形成的。很久以后，基德克里克矿的岩石被深深掩埋、变质，后来上层岩石上升露出，从而被侵蚀。这些过程使矿石状况得到很大改善，即使用最普通的方法也能推断出其形成过程。所以研究现今的中洋脊的矿床能告诉我们大量有关古代矿床形成的情况。这些古代矿床也显示出，洋底火山和洋底下的热液循环至少延续了27亿年之久。

岩浆矿床

矿床既可以在花岗岩热液系统中形成，也可以在玄武岩岩浆中形成，原因是多方面的。玄武岩岩浆含有各种金属，其中有镍、铜、铬、矾和PGEs。虽然其中大多数金属（尤其是PGEs）浓度低，岩浆还是能过滤出这些稀有矿石。玄武岩岩浆流动性较好，一般都聚集在大的（约1千米厚）岩浆囊内，从而提供了一种环境，使含金属的矿石聚集在岩浆囊的底部。

西伯利亚北极圈上相邻的两个城市诺里尔斯克和泰尔纳克（泰尔纳克是苏联的劳改营所在地）的侵入岩就是明显的例子。大约在2.48亿年前，那里有大量的熔岩涌到地面，形成了西伯利亚大量玄武岩区，这是世界上最大的玄武岩区，面积有250万平方千米，有200万～300万立方千米左右的熔岩。正因为有了这些岩浆，才在陆壳下面的地幔里涌出了熔岩，沿着断层的地壳上升。上升时，它们与含硫化物的沉积岩接触，部分变成了沉积岩。硫与岩浆中的金属化合，形成融化的硫化物或密度高的液态金属，其中几乎全是硫、铁、镍和其他各种金属。这些在储库里累积起来的岩浆体延伸后长12千米，宽2千米，厚数百米，沿着断层区分布开来，起着火山通道的作用。岩浆囊似乎成了寿命长的熔融体，岩浆自下断断续续进来，又上升到地面。一些熔融体内明显地积累起一层层硫化物。这些矿石非同一般，因为它们有一层层规模庞大的纯硫矿，厚达数十米。这些硫化物除了镍，钯和铂也特别丰富，使诺里尔斯克和泰尔纳克可能成为世界上最重要的钯矿。通过融化的硫化物的沉淀和局部的累积，这一金属的浓缩过程便是许多大型的玄武岩岩浆体通常的形成过程，但是只有少数的矿床具有开采价值。

若不考虑“布什维尔德复合体”，就难以讨论岩浆矿。这是一个有20亿年历史的化石岩浆囊，在比勒陀利亚北部露出来，其上面是一个广大区域，主要在最近被叫作南非的“北部省”的地方。“布什维尔德”是指四种类型的矿床，以下我们要讨论其中的三种。“布什维尔德复合体”与蒙大拿州的“静水复合体”相似。两者都有成层的火成岩，这两个岩浆的化学成分都是因断裂结晶过程演化而来的。前文已提到，因岩浆结晶而形成的矿石成分有别于岩浆本身，所以随着岩浆结晶继续进行，岩浆的成分也发生变化。岩浆冷却时，岩浆囊底部的晶体积累起来，然后被此后形成的晶体覆盖住（因而与岩浆隔离开来）。于是不但岩浆的成分不断改变，累积起来的晶体的类型、比例和成分也发生了改变，结果使最终固化的岩浆具有成层的性质。

“布什维尔德复合体”由一个6～8千米厚的成层岩石构成。原来的岩浆囊不再这么厚了，但与诺里尔斯克和泰尔纳克小得多的岩浆囊一样，也成了向地面活动过程中储藏岩浆的罐体。新生岩浆的反复侵入引起“布什维尔德复合体”变厚，此后慢慢变大。不管“布什维尔德复合体”岩浆囊当时有多厚，里面的岩浆要近100万年才能固化。正是这么长的时间才使矿层得以缓慢累积起来并继续形成。

断裂结晶直接产生至少两种类型的矿床：第一类是铬。在大多数玄武岩冷却过程中，形成了富含铬的铬矿石结晶，但其浓度还不到值得开采的程度。但是在“布什维尔德复合体”里，铬铁石大量累积，每层厚达1米，这表明大量的矿石迅速结晶。这些铬铁矿矿层成了具有开发价值的矿床，因为它们很厚，而且铬铁矿里的铬比较丰富。

第二类是钒。与玄武岩岩浆一样，硅酸盐矿石的结构中也不容纳钒，所以当“布什维尔德复合体”岩浆结晶时，钒留了下来，在残留的岩浆里积聚起一定的浓度。由于岩浆成分通过断裂结晶演化，磁铁矿（氧化铁Fe3O4）最终开始结晶。磁铁矿与钒结合，这时岩浆中的钒已很丰富，所以最早结晶的磁铁矿中的钒也很丰富，其含量是钒重量百分比的1.1。已形成25层左右的磁铁矿，最大的一层大约有2米厚，可以用来开采钒。

现在来谈谈PGEs矿。PGEs矿满足世界3/4的铂的需求，是布什维尔德矿最重要的矿产。它们很重要，但它们的形成仍是个不解之谜。首先，PGEs矿只凝集在两个薄薄的矿层里。一个是梅棱斯基矿脉，一般只有数十厘米厚，但已知的矿床差不多已延伸300千米之广。另一个是厚达1米的大型铬矿床。矿石只占总PGEs的0.0006%～0.0008%，但鉴于原来的岩浆还不到这一数量的千分之一到千分之十，这个数字已经算是很大的了。就像其他有关大型岩浆体固化的问题一样，富含PGEs的矿层到底是怎样形成的至今尚不清楚。