從一塊石頭出發(fā)，礦物和人類文明的聯(lián)系有多深？

“礦物”這個(gè)詞在人們的日常經(jīng)驗(yàn)中并不陌生，卻常常帶有不同的含義。

地理書上講到它時(shí)，多半指的是地球豐富的礦產(chǎn)資源；食品與保健品的宣傳里，它又與維生素并列，成為維持健康所必需的營(yíng)養(yǎng)元素；廣告中出現(xiàn)的“富含礦物質(zhì)”的礦泉水，則賦予了它一種日常消費(fèi)的意味。

在石英上生長(zhǎng)的自然金。圖源：《世界礦物圖鑒》

甚至在一款名為“動(dòng)物、礦物、還是蔬菜？”的古老猜謎游戲里，它作為自然界三分法中的一類出現(xiàn)，與植物和動(dòng)物并列。

由此可見，礦物在人們心目中既熟悉又模糊。它究竟是什么？這些不同的使用語境是否有一個(gè)統(tǒng)一的核心？要得到嚴(yán)格的答案，還需要走進(jìn)礦物學(xué)的視野。

01 礦物是什么？

在科學(xué)的定義中，礦物是由地質(zhì)作用形成的、通常呈結(jié)晶態(tài)的單質(zhì)或化合物。這意味著它們必須源于自然，而非人工制造；它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大多呈現(xiàn)出高度有序的晶格；它們的化學(xué)成分則可能是單一元素，也可能是由多種元素構(gòu)成的穩(wěn)定化合物。

石英與其晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖源： 《世界礦物圖鑒》。

礦物往往并非孤立存在，而是以組合的方式呈現(xiàn)。在地球表面的大范圍里，它們共同組成巖石，而在局部，則可能表現(xiàn)為礦脈、薄層、結(jié)殼或者孔洞沉積。

地質(zhì)學(xué)家通常將巖石區(qū)分為“硬巖”和“軟巖”。前者包括火成巖和變質(zhì)巖，通常誕生于地殼深處的高溫高壓環(huán)境；后者則是沉積巖，主要是地球表面巖石遭受侵蝕而形成的。硬巖往往由一些主要礦物和少量副礦物共同構(gòu)成，一旦知曉了其中單個(gè)礦物的形成過程，就可以理解這些礦物共生組合所講述的地質(zhì)事件，這也是理解地質(zhì)歷史的重要線索。

片麻巖。一種由長(zhǎng)石、石英和黑云母等暗色礦物組成的巖石。這些礦物呈層狀排列，使巖石具有葉片狀外觀。片麻巖由其他巖石在高溫高壓下發(fā)生變質(zhì)作用而形成。圖源：《世界礦物圖鑒》。

礦物的穩(wěn)定性依賴于溫度、壓力、酸堿度以及溶液中成分濃度等條件。當(dāng)這些條件處于合適的范圍時(shí)，礦物便會(huì)結(jié)晶并保持穩(wěn)定。然而一旦環(huán)境發(fā)生改變，它們可能變得不再穩(wěn)定，從而轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡V物。轉(zhuǎn)變過程本質(zhì)上是能量的重新分配：化學(xué)鍵被打破，新的成分得以重新組合。如果能量充足，且有足夠的時(shí)間，這種轉(zhuǎn)變會(huì)徹底發(fā)生；但更多的時(shí)候，能量并不足以推動(dòng)全面的改變，于是原有的礦物就得以長(zhǎng)期存在，即使地質(zhì)環(huán)境已大不相同。

位于方解石（白色）之上的自然硫（黃色），當(dāng)周圍環(huán)境提供足夠的空間時(shí)，自然硫晶體會(huì)形成發(fā)育良好的晶面。圖源：《世界礦物圖鑒》。

正因?yàn)槿绱耍恍┥盥裼诘厍蛑滦纬傻牡V物，仍然能以近乎原始的狀態(tài)存在數(shù)百萬年。

02 原始地球的礦物結(jié)構(gòu)

要追溯地球最早的歷史，科學(xué)家常常依賴那些能在極端條件下幸存的古老礦物。

鋯石。圖源：《世界礦物圖鑒》。

鋯石就是其中最具代表性的一種。它往往在酸性巖漿中最先結(jié)晶出來，幾乎不出現(xiàn)在基性巖中。酸性巖漿富含硅而貧鎂，因此往往能夠結(jié)晶出石英，在地球內(nèi)部結(jié)晶的酸性巖漿巖被稱為花崗巖類。鋯石因其堅(jiān)硬耐侵蝕而能在地質(zhì)循環(huán)中長(zhǎng)期保存下來。更重要的是，鋯石的晶格能夠容納鈾和釷等放射性元素，這些元素會(huì)在漫長(zhǎng)的時(shí)間里衰變?yōu)殂U，且其半衰期遠(yuǎn)大于太陽系的壽命。從而使鋯石成為一種天然的地質(zhì)計(jì)時(shí)器。

鋯石晶體。圖源：《改寫地球歷史的25種石頭》。

西澳大利亞的杰克山保存著一些被認(rèn)為是地球上最古老的鋯石。通過鈾鉛同位素測(cè)定，這些鋯石的結(jié)晶年齡被確定在44億年前，遠(yuǎn)早于已發(fā)現(xiàn)的最古老巖石。即使它們?cè)舅诘膸r石早已消失，仍能為我們提供關(guān)于地球早期環(huán)境的線索。對(duì)這些鋯石內(nèi)部包裹體的研究揭示了同時(shí)結(jié)晶的其他礦物，如石英、長(zhǎng)石、黑云母和角閃石等，這些發(fā)現(xiàn)表明花崗巖類巖石早在44億年前便已出現(xiàn)。也就是說，地球的大陸地殼在極早的時(shí)期就已開始成形。

西澳大利亞杰克山礫巖中所包裹的鋯石晶體的陰極發(fā)光圖片（偽彩圖）。圖源：《太陽、地球、生命的起源》。

鋯石的存在不僅延伸了我們對(duì)地球早期歷史的認(rèn)知，也讓人類能夠重建那時(shí)的環(huán)境條件。它所記錄的微小化學(xué)差異，折射出遠(yuǎn)古地球內(nèi)部的高溫巖漿活動(dòng)和地殼物質(zhì)循環(huán)。對(duì)這些最古老的礦物加以研究，我們才能窺見地球演化的開端。

03 礦物只存在于陸地嗎？

礦物資源并不僅僅存在于大陸和山脈之中，海洋也蘊(yùn)藏著豐富的寶藏。古希臘人開采過近岸的鉛礦和錫礦，中世紀(jì)的蘇格蘭人甚至追逐煤層直到福斯灣下方。進(jìn)入現(xiàn)代，隨著科技進(jìn)步和對(duì)陸上資源日益枯竭的擔(dān)憂，深海礦產(chǎn)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

以沉降位置劃分沉積物。分布形態(tài)部分受與源頭的距離和供給率控制。圖源：《認(rèn)識(shí)海洋》。

海底松散的沉積物可以轉(zhuǎn)化為沉積巖，這個(gè)過程稱為巖化作用。

海洋中最普遍的礦產(chǎn)是砂和礫石，它們被大量用于建筑行業(yè)。淺海海底開采的技術(shù)與陸地開采相差無幾，主要受限于運(yùn)輸成本。這類資源儲(chǔ)量極其可觀，僅美國(guó)東北海岸的海砂儲(chǔ)量就高達(dá)數(shù)千億噸。除此之外，貝殼沉積物、珊瑚砂以及碳酸鈣沉積也被開發(fā)利用，既可用于水泥工業(yè)，也能作為道路建設(shè)材料。在一些特定區(qū)域，海砂中還含有鐵、錫、金、鉑乃至鉆石，形成了獨(dú)特的海洋礦床。非洲西南部的海域甚至在300米深處成功開采過鉆石，而東南亞的“錫帶”則延續(xù)了上百年的產(chǎn)出，至今仍是世界市場(chǎng)的重要供應(yīng)地。

然而，真正的深海資源開發(fā)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。深海沉積中確實(shí)蘊(yùn)藏著銅、鋅、鉛、銀等金屬，但受限于水深、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本，目前尚難以大規(guī)模開采。

“失落之城”的深海熱液噴口，堿度異常高（pH值為9.0 ～ 9.8，而海水的平均pH值只有7.8）。在“失落之城”中，低溫?zé)嵋寒a(chǎn)生了大量的煙囪。這些煙囪由碳和富鎂的礦物組成。圖源：《復(fù)雜生命的起源》

未來能否利用這些資源，不僅取決于市場(chǎng)對(duì)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的需求，也取決于海底開采與陸地開采在成本上的競(jìng)爭(zhēng)。換言之，海洋礦物雖潛力巨大，但尚處于人類探索的前沿領(lǐng)域。

04 地球礦物和人類文明

在現(xiàn)代社會(huì)，礦物的重要性毋庸置疑，它們能被加工為鋼鐵、鋁材等金屬材料，還能制成玻璃、水泥以及日常生活中不可或缺的各種產(chǎn)品。從建筑到交通，從工具到武器，人類社會(huì)幾乎處處依賴礦物。

地殼雖薄，卻是所有這些資源的倉(cāng)庫(kù)。已知的九十二種天然元素中，僅有八種就占據(jù)了地殼質(zhì)量的絕大部分。絕大多數(shù)元素在地殼中的富集程度過低，無法形成可供開采的礦床。只有當(dāng)某種礦物在特定條件下高度集中，才可能成為礦石，從而具備開采價(jià)值。能否開采，往往取決于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的條件：需求大小、礦床品位、運(yùn)輸距離、土地成本乃至國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格，都會(huì)直接決定一個(gè)礦山的命運(yùn)。

地殼中按重量計(jì)相對(duì)較豐富的元素。只有4種經(jīng)濟(jì)上重要的元素——圖中以紫色表示——在地質(zhì)上是豐富的，共占地殼重量1%以上。圖源：《地理學(xué)與生活》。

事實(shí)上，礦物資源的開采過程本身就極為復(fù)雜，從勘探、開采、選礦、冶煉到運(yùn)輸與加工，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要投入大量能源和物料。隨著全球化的發(fā)展，許多國(guó)家逐漸意識(shí)到對(duì)外依賴的風(fēng)險(xiǎn)。20世紀(jì)以來，隨著資源價(jià)格的起伏與儲(chǔ)量的消耗，美國(guó)、加拿大等國(guó)的一些礦山被迫關(guān)閉，而稀缺礦物的進(jìn)口依賴度日益增加。與此同時(shí)，擁有豐富儲(chǔ)量和廉價(jià)勞動(dòng)力的發(fā)展中國(guó)家則在全球市場(chǎng)中占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。

礦物作為一種非可再生資源，其稀缺性和戰(zhàn)略意義愈發(fā)凸顯。部分儲(chǔ)量豐富的資源，如砂石、煤炭與鉀鹽，短期內(nèi)不會(huì)枯竭；但一些儲(chǔ)量有限的稀有礦物，如錫、汞和鉑族元素，卻在工業(yè)社會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)的需求下日漸緊張。

這些數(shù)字所反映的，是基于目前生產(chǎn)與消費(fèi)速率預(yù)測(cè)的若干種礦物已證實(shí)儲(chǔ)量能持續(xù)年限的近似值。圖源：《地理學(xué)與生活》。

歷史經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)某種礦物接近枯竭時(shí)，其價(jià)格上升往往會(huì)促使人類發(fā)現(xiàn)新的礦床或改進(jìn)開采技術(shù)，從而延長(zhǎng)資源壽命。然而，未來的不確定性始終存在，礦物資源是否會(huì)成為限制人類社會(huì)發(fā)展的瓶頸，至今仍無定論。

巴西亞馬孫地區(qū)的熱帶雨林被清除，為錫礦開采讓路。暴露土壤的結(jié)構(gòu)和肥力迅速退化，而且易遭侵蝕。圖源：《地理學(xué)與生活》

礦物是地球億萬年演化的見證者，也是人類文明賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。從最古老的鋯石，到現(xiàn)代社會(huì)中無處不在的鋼鐵與玻璃，礦物的故事串聯(lián)起了自然與文明兩個(gè)宏大的時(shí)間尺度。它們既是地質(zhì)學(xué)家手中的時(shí)鐘，也是人類社會(huì)的血脈。今天，當(dāng)我們談?wù)撡Y源危機(jī)與可持續(xù)發(fā)展時(shí)，礦物提醒我們：腳下這顆星球的饋贈(zèng)并非無窮無盡，珍惜與合理利用，才是延續(xù)文明的關(guān)鍵。