未来可能会耗尽的元素资源有哪些?
发布时间:2019-03-13
出品:科普中国
制作:荆博
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  看到有回答元素不会耗尽的,感觉应该是受质量守恒的影响,觉得元素不生不灭,在化学反应前后物质的量保持不变(回到高中的感觉)。实际上这个问题是比较难以回答的,因为从不同的角度出发就会得出不同答案。 

重元素逐渐减少

  虽然在1905年爱因斯坦就发表了著名的质能方程,但直到19381217日,德国人奥托·哈恩和他的助手弗里茨·斯特拉斯曼才发现了重元素的核裂变,并在19391月弗里施等人对其原理进行解释,并将这一过程通过类比生物细胞的生物裂变进行命名。在裂变过程中,除了会释放α粒子、β粒子、γ射线等,还会释放巨大的能量,这是因为基于质能方程,裂变前后物质的质量发生变化,元素的总结合能小于裂变前的重核素。像致使人类活在巨大阴影下的原子弹,就是利用高浓度的重元素裂变,并通过释放的超过系数为1的α粒子进而促进反应急剧进行的链式反应。单从元素的角度来讲,由于同位素的存在,稳定存在的核素大概为90种,而不稳定的核素种类则接近3000种(由于人工合成新的核素,未来的种类会更多)。 

数据来源:公共统计信息领域,图像作者翻译编制 

  值得庆幸的是,在自然条件下,没有那么多种类的核素,更重要的是重核元素的含量不高(见下图),其富集程度也无法支持发生链式反应,而是以自然衰变的形式进行。 


地球相对丰度(网友提供) 

  同时,由于元素的形成,主要是大爆炸和恒星爆炸等条件下形成,对于地球而言,重核素的形成难以为继,在总量上是一个有减无增的过程,按照这种情况,地球上越是重的核素越先会被耗尽,特别是原子序数大于100的元素,含量极小,半衰期短,照此理论会以一个较快的时间耗尽,这其中就有我们较为熟知的铀,而核电和制造核武器又消耗了大量的铀元素,如果不是因为还存在较为稳定的铀同位素,其含量一定要比现在还要低得多。所以在理论上,最先消失的自然元素就应该是自然界中存在的原子序数9394号元素,≈作为超铀元素,镎(Np)和钚(Pb)其痕量的伴生在铀矿中。 


数据来源:公共统计信息领域,图像作者翻译编制 

  不要小看这些核素裂变反应,虽然其丰度已经属于超低范畴,但作用巨大。地球的内部热量来自行星吸积的残余热量(约20%)和放射性衰变产生的热量(80%)。这些热量主要是由丰度相对较高的钾-40,铀-238和钍-232在放射性衰变过程中提供的,这些足够的热量才导致地球中出现多处熔融的现象,是构造运动的重要动力。 

  历史上,布丰曾经使用烧红的铁球完全冷却的时间尝试推断地球的年龄,得出75000年,远比圣经中记载的从公元前4000年创世纪开始要早,其答案依然有较大问题的原因除了因为当时对地球大小测定不准和将地球简化为更容易散热的铁球外,没有考虑地球内部放射热的持续供给也是一个的重要的原因。在地球历史早期,在半衰期短的同位素耗尽之前,地球的热量产生要高得多,地幔对流和板块构造运动也比今天的速率大得多,并形成了一些罕见的火成岩。所以,整体上地球火山地震运动会以一个逐渐变缓变弱的趋势变化,最终成为一颗“死星”。 


布丰阐述地球诞生年龄的《地球理论证据》一书(公有领域) 

轻元素难以利用

  但在实际生活中,我们要遇到的问题要远超于此,因为我们要利用的元素,必须要以富集的形式才能利用,换而言之就是需要成矿。对于元素如何富集成矿找矿,有着非常多的理论和实践经验,基本理论涵盖了地质学,地球物理和地球化学三大地球科学学科。如果单纯从元素角度: 

  首先是元素富集,从20世纪30年代初期,在前苏联和斯堪的纳维亚诞生了勘查地球化学,建立了原生和次生分散晕理论,并根据这些元素分散轨迹或分散模式去追踪和发现矿床。 


引用:地球化学探测:从纳米到全球 

  仅仅发现元素富集是不够的,还需要富集的程度够高,范围够大,为此我们通过建立地球化学基准,目的是用系统的网格化采样,获得地球化学基准图,作为衡量化学元素区域丰度水平和未来变化的参照标尺。 

  下图所展示的就是我国百万比例尺的不同元素地球化学图中的铜元素,红色区域代表高富集地区,你也不难理解为什么我国的大型铜矿床普遍在云南发育,这种地球化学勘查方式由于只采取地表化探样或水系沉积物就可以,勘查成本较传统勘查方法低得多,对于圈定靶区有着巨大的优势。 


各种各样的地球化学图件(国家地质云截图) 

  富集的元素还需要合适的表达形式,也就是形成矿物。换成大家熟悉的概念就是能够形成较为单一或简单几种化合物的聚合体。比如大家最为熟知同质多像情况,C即可以形成石墨,也可以形成金刚石;而即便都是石墨,也是有区别的(石墨烯,你坐下),其可以分为致密结晶状石墨、鳞片状石墨和隐晶质石墨,在实际的勘查生产中还会有更细致的划分。形成合适的矿物,还需要使用合适的选矿方法,将其矿物提纯,才有进一步应用的价值。下图是常见勘查工作中的成矿矿段,是不是远比看到过的哪些石墨标本要差的远了,规模生产更是以吨或者千吨为单位,这就是选矿工艺的意义。 


含鳞片状石墨的岩心(作者拍摄) 

  最后这些还需要蕴藏在一个能够开采的位置。人类目前最深的矿井是南非的Mponeng金矿矿井,开采深度超过了4000米,但可以达到这种条件的富矿是极为罕见的,而我们现今的大型矿山出于经济性和安全性的考虑,开采深度都不超过1000米。所以说,如果不满足这些条件,即便有元素富集,那么还是难以满足我们生活生产的需求。 


南非Mponeng金矿(公有领域) 

  我们再讨论元素的富集。元素的富集是一个漫长的过程,其最原始的元素富集应该是地球的吸积过程中的筛选,如同描写盘古开天辟地那样,阳清为天(轻核素上升),阴浊为地(重核素下沉),元素的在平面上的分布应该是更均匀的。有今天这种元素布展,则是三大岩通过沉积、变质和岩浆三种基本地质作用,影响元素的富集。 

  上一节我们曾设想过,如果重核素消耗殆尽,那么地球内部的温度就会下降,那么地球的地质运动就会减少直至消失,虽然这样一来,地球的火山地震的灾害会减少,但是这样的结果会影响元素的富集,原本影响的三大地质作用就只剩下了沉积作用,没有岩浆热液,没有区域变质,没有高温重结晶,没有……形成的矿床种类变得更少。所以到时候,即便很多轻元素没有消耗,但我们依然无法利用,这些元素名存实亡。 

碳循环被打破

  自工业以来,人类的生产力发生了巨大的变化,人类从化石燃料中找到了巨大的能量,然而也于此打开了潘多拉的盒子。长久以来,地球一直物质之间存在着动态的平衡,与我们息息相关的C等元素更是如此。 

  以碳元素为例,自然界碳元素主要位于大气、海洋、生命体和岩石圈中,其中大气和生命体中碳元素交换最为频繁,海洋中碳元素则可以平衡大气和生物圈的比例,岩石圈中的碳元素交换速率最低,周转时间以百万年计,但碳元素以固定碳的形式存在,密度最大,也是蕴含碳元素比例最高的部分。随着人类的活动能力增强,开采化石类能源矿产,大大加速了岩石圈中固定碳的释放,打破了原有的循环速率,并对地球气候环境产生了许多影响。虽然海洋可以平衡其间的循环,但其能力不是无穷无尽的,一旦海洋的平衡能力不能弥补碳循环的出现的差值,届时对环境的影响对人类可能是致命的,想这种情况,碳元素即便没有消失殆尽,但已经超脱了人类的控制,等同于元素资源耗尽。 


二氧化碳含量变化对温度影响计算机模拟图(引用自NASA相关报告) 

能源才是人类发展的永恒话题

  当然,这是以目前的科学技术水平所遇到的问题,而当今我们所遇到的问题实质上对能源的需求,这将是我们永恒的桎梏,所以,元素耗尽不耗尽不好说,但摆在前面两条路,一条是我们努力奔跑,挣脱这个桎梏,另一个就是我们奔跑的不够努力,地球自身会让我们变得理智,至少短时间,地球并不会消失,而我们人类则不好说。 

(自编) 

  参考文献 

  M. G. Arora & M. Singh (1994). Nuclear Chemistry. Anmol Publications. p. 202. ISBN 81-261-1763-X. 

  Anders, E; Ebihara, M (1982). "Solar-system abundances of the elements". Geochimica et Cosmochimica Acta. 46 (11): 2363 

  王学求,张必敏,姚文生,刘雪敏. 地球化学探测:从纳米到全球 [J]. 地学前缘, 2014,21(105), 01 67-76. 

  DZ/T 0326-2018,石墨、碎云母矿产地质勘查规范[S].北京:中国人民共和国自然资源部,2018. 

  Archer, David (2010). The global carbon cycle. Princeton: Princeton University Press. 

关闭