第十一讲地球资源与人类文明

地球资源与人类文明资源是指维持生命和生活所必需和经常利用的物质，包括空气、水、陆地、森林、矿产、能源等。人人都在利用或接触资源，人类对地球资源的需要不断增加。地球资源的开发和利用，为人类文明进程提供了必要的物质基础。矿产资源能源资源水资源气候资源土地资源生物资源文明应用第一节矿产资源矿产资源是指在地质作用过程中形成并赋存于地壳内（地表或地下）的有用的矿物或物质集合体，其质和量适合于工业要求，并在现有的社会经济和技术条件下能够被开采和利用的自然资源。矿产资源属可耗竭性资源，以不可更新性为其基本特点。据统计，当今世界95%以上的能源和80%以上的工业原料都取自矿产资源。矿产资源依其组成成分可分为金属矿产和非金属矿产。一、金属矿产金属矿产指含有金属元素的可供工业提取金属有用组分或直接利用的岩石与矿物。包括：黑色金属9种，有色金属13种，贵金属8种，放射性金属3种，稀有稀土和稀散金属33种。而矿石是指金属含量集中、有提炼价值的岩石。开采和利用矿石实质上是一个经济上的问题。金属矿产成因我们用的大多数金属在地壳中的含量并不高。地壳的主要成分是硅、氧、铝。在原始炽热的地球发展演化过程中，地球物质从混沌状态逐步发展成有序的层圈结构，即地核、地幔和地壳的分异。以铁镍为主的金属集中在内部，构成地核，以硅铝为主的物质则形成地壳，地幔则是由铁镁硅酸盐类组成的。三者之间通过岩浆作用和板块运动进行物质交换。同时，在地球的表面进行着水流的搬运、生物的改造、风力分选以及空气氧化等等自然过程的作用。具体地说，金属矿床的成因可以概括为岩浆分异、接触变质、海底喷流、热液、沉积和风化等六种作用。1、岩浆分异作用：在岩浆上侵过程中，随着温度、压力的降低，岩浆内部发生分异作用，使岩浆中含量并不高的甚至非常稀少的有用金属高度富集，形成可供开采的矿产资源。主要矿种有铬、镍、铂、铜、铁、钒、钛等，一般与超基性、基性岩浆作用有关。我国的钒、铁、钛资源地攀枝花矿田的成因即为岩浆分异成因。特殊情况下，发生分异的岩浆喷出地表后可以直接形成矿床。2、接触变质作用：岩浆侵入围岩后，在其热量和岩浆流体的作用下使围岩发生变质作用，形成一种特殊的变质岩棗矽卡岩（由钙、铁、镁、铝、硅酸盐、碳酸盐等矿物组成的一种变质岩石），同时还会出现矿化现象。形成的矿种包括：铁、铜、钨、锡、钼等。如我国大冶铁矿属此类成因。3、海底喷流：在洋中脊或热点地区，海水可以向下渗透与上升的岩浆相遇成为热水，因密度差异形成对流。当含金属的热水上升与海水混合时，物理化学环境发生明显变化，从而使铜、锌、铅和银等金属的硫化物沉淀成矿。4、热液作用：地质流体在岩石地层内的运移过程中，溶解并携带了有用金属元素，当流体的物理化学条件即温度、压力、氧化还原电位等发生改变或与不同流体混合时，有用的金属化合物便会沉淀而形成矿石。该机制形成的矿种多，矿石类型和矿体形态多变，具体成因非常复杂，是当前研究的重要内容之一。5、沉积作用：暴露于地表的矿体或岩石经种种地质作用如机械的、化学的、生物的或生物化学的破碎、侵蚀、搬运和分异，在河流、沼泽、湖盆、海盆以及大洋盆地中沉积而形成的矿产资源。如金、铂、锡、锰、铁、铜、钒等矿种均可由沉积作用形成，其中最为引人注目的是砂金。6、风化作用：暴露地表的岩石或矿体经过漫长的风化作用后会使有用物质富集形成矿床。风化作用包括机械风化和化学风化两种，主要是通过重力、热作用、化学溶解沉淀等机制使原有岩石或矿体物质发生再次分异。形成的主要矿种有铝、铁、锰、镍、钴、稀土、金等，如我国广西平果铝土矿就是世界上常见的超大型风化成因的矿床。金属矿产开采1、露天开采:如果矿石在非常接近地表处，只要除去覆盖其上的土壤及植被，就可挖掘出矿石，这就是露天开采。如果矿床深度超过了一定范围，就属深部矿区，不宜露天开采。无论露天开采或是非露天开采，采矿往往会对土壤造成极大破坏。2、矿井开采：开采深部矿产所需费用相当大，从开凿矿井、巷道到配备照明、通风、抽水等设施，工作人员及机械工具都得来回搬运，挖掘出大量无用岩石。因此，深部矿井开采的矿石应是高品位的。3、海底开采：在洋底的大片地区上散布着拳头大小的矿物结核。其中主要金属为锰，还有一定量的铜、镍和钴。目前已制订出一些开采这些矿物资源的先进计划。方案之一是利用大型铲斗挖泥船系统，从海底挖取矿物结核。世界最大露天矿：美国犹他州露天铜矿矿井开采示意图海底开采示意图金属矿产利用黑色金属铁是世界上发现较早、利用最广的金属，是钢铁工业的基本原料。有色金属铜具有良好的导电和导热性能，延展性好，耐腐蚀性强，并易于铸造，用于电气、建筑、运输、机械制造、军事等工业。稀土元素和稀有金属广泛用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、磁性材料、电子工业、原子能工业、电光源、医药、轻纺、建材以及农业等部门。在超导技术方面的应用前景正日益扩大。黄金是人类最早发现和使用的贵金属。大量用作硬通货、储备、装饰及珠宝首饰，在工业上也有广泛用途，近年来在空间、电子等尖端技术领域用量日增。二、非金属矿产非金属矿产指工业上不作为提取金属元素来利用的有用矿产资源，除少数非金属矿产是用来提取某种非金属元素，如磷、硫等外，大多数非金属矿产是利用其矿物或矿物集合体（包括岩石）的某些物理、化学性质和工艺特性等，如云母的绝缘性、石棉的耐火、耐酸、绝缘、绝热和纤维特性。非金属矿产在国民经济中占有十分重要的地位，其开发应用水平已成为衡量一个国家科技、经济水平的重要综合标志之一。40年来，世界非金属矿产品的产值每10年增长50%～60%，大大超过了金属矿产的增长速度，有的学者甚至预言，人类社会进入了第二个“石器”时代。非金属矿产成因非金属矿产的成因多种多样，但以岩浆型、变质型、沉积型和风化型最为重要，另外海底喷流作用也很重要，如硫铁矿主要属于这一成因。1、岩浆作用：岩浆上侵形成侵入岩体或喷出地表后形成的火山熔岩、火山灰等，均可以形成非金属矿产资源。侵入岩体如灰长岩、花岗岩等均可做优质的建筑材料，我国著名的“将军口”花岗岩地板和产于印度的“印度红”花岗石均为钾长花岗岩；喷出地表形成的浮岩、珍珠岩都是不可缺少的工业原材料，火山灰也可以做农业用肥。还有两种特殊的岩浆岩即金伯利岩和钾镁煌斑岩，其内部含有较为丰富的金刚石。世界上大部分钻石就产于这两种岩石中。2、变质作用：岩石在基本上处于固体状态下，受到温度、压力及化学活动性流体的作用，发生了矿物成分、化学组成、岩石结构与构造的变化，形成非金属矿床。工业和日常生活中常用的有石墨、石棉、蓝晶石、红柱石、滑石、云母等。山东南墅石墨矿、河南、陕西的金红石、石棉矿都是国内有名的产地。3、沉积作用：暴露于地表的岩石、矿体，在大气、水流长期作用下，发生侵蚀、搬运、分异、沉积，最终形成非金属矿产资源，也可以通过化学沉淀作用、生物化学作用直接形成非金属矿产层。主要分成三大类：（1）砂矿，主要由水流、冰川、风力等作用分选形成，如金刚石等稀有矿物均可通过这种机械分异过程，富集成矿；（2）生物化学作用，诸如磷矿就可以由鸟类的粪便直接堆积形成，硅藻土矿是由硅藻遗体堆积而成，另外还有与火山喷发有关的硫矿产等；（3）化学作用形成的盐矿，食盐、石膏、硝石、钾盐、泻利盐等均为盐湖蒸发过程中化学结晶沉淀成因。4、风化作用：暴露在地表的岩石或矿体，经过漫长的降雨、光照、氧化、生物作用过程，而使表层物质的化学组成、矿物面貌改变，从而形成可供利用的非金属材料。日常生活及工业中不可缺少的粘土类矿物多为这一成因，如高岭土、膨润土等均为岩石风化而成，正是这一作用为人类提供了制作陶瓷、化妆品、环境治理用品、药品、油漆等物质的原材料。扩大一点看，连万物赖以生存的土壤也是风化作用形成的非金属资源。非金属矿产利用非金属矿产主要用作冶金辅助原料、化工原料、建材原料。例如:滑石具有良好的耐热性、润滑性、抗酸碱性、绝缘性以及对油类有强烈的吸附性等优良性能，粘土类被广泛用于造纸、化工、医药、军工、陶瓷、油漆、橡胶等工业部门。石棉具有耐高温、耐磨、耐碱以及绝缘性、吸附性、抗拉强度好等性能，主要工业用途是用作石棉水泥制品、制动及传动制品、密封制品、隔热保温制品及绝缘材料。石墨具有涂敷性、润滑性、耐高温、耐腐蚀、可塑性、导电性及化学稳定等性能。最主要的消费领域是铸造涂料及冶金坩锅。第二节能源资源能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、石油、天然气、水能等，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、核能等新能源。能源资源是一种综合的自然资源。纵观社会发展史，人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新能源时期过渡，并且无数学者仍在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源，可以相信能源的多元时代即将来临。一、煤人类开发利用煤炭的历史悠久，早在2000多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作燃料。18世纪60年从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化从生物质能转向了矿物能源，既由木炭转向了煤炭。至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。1990年世界一次能源消费构成中，煤炭占27.3%，仅次于石油，居第二位。化工原料中的3/5、民用商品能源中的4/5都来自煤炭。我国煤炭资源丰富，储量居世界之首，主要分布在华北和东北地区。煤的形成在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化......当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的煤也不尽相同。煤的形成示意图煤的开采采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。煤的开采示意图煤的利用煤既是动力燃料，又是化工和制焦炼铁的原料，素有“工业粮食”之称。众所周知，工业界和民间常用煤做燃料以获取热量或提供动力,世界历史上，揭开工业文明篇章的瓦特蒸汽机就是由煤驱动的。此外，还可把燃煤热能转化为电能进而长途输运，火力发电占我国电结构的比重很大，也是世界电能的主来源之一。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可作建筑材料。煤还是重要的化工材料。炼焦、高温干馏制煤气是煤最为重要的化工应用，还用于民间和制造合成氨原料；低灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料。二、石油、天然气石油素有“工业的血液”之称，是当今世界最重要的能源，又是近代有机化工的重要原料。石油泛指各种天然形成的可燃性液态碳氢化合物，常含有氧、氮、石蜡及硫等组分。在自然界中，与石油共生的常有天然气，天然气也是非常重要的能源，其成因，开采和利用与石油相似。世界石油分布图石油、天然气的形成从海底淤泥......在浅海、泻湖以及湖泊中有大量微小水生物繁殖。当它们死亡后就沉积在湖底，形成一层富含有机质的淤泥。偶尔一两只恐龙的结局与之相同，但它们并不是形成石油的主要来源。......到石油底部水体含氧量很少，使死亡的有机体不致被氧化分解。随着埋藏成岩作用的进行，压力和热使有机体首先转化为各种不同的干酪根，然后在温度升高的情况下，分解转化为石油或天然气。经构造或水动力作用，油或气向高孔隙度的砂岩层聚集，形成油砂岩或焦油砂岩，少数岩石如页岩内的石油不易排出，就形成含油的页岩即油页岩。石油形成示意图石油、天然气的勘探和开发石油多集中在被不透水岩层包围或限制的砂岩内，一般位于构造凸起处。在多孔的岩石中石油浮在