综述
据调查研究显示,黄金在世界人类史上已有接近年的历史,我国大概在年前新石器时代的时候就已经开始使用它。它作为一种华贵的金属,被人们视为尊贵的象征,不仅用于神像的塑造,也被打造成首饰装点自己,活跃于人们的日常生活中。
Tips:目前中国发现的最早的黄金制品是战国时期楚国的“郢爰”。“郢”为楚都城名,“爰”为货币重量单位。距今已有约年历史,是目前中国发现最早的黄金货币。
由于黄金质地软,容易分割,本身具有商品价值,曾取代贝壳作为货币在市场上流通。在我国古代就以刀币的形式,作为老百姓的通货,在全国上下使用。国内目前发现最早的黄金货币是春秋战国时期楚国的爰金,也叫“印子金”、“饼金”等。随着人类对黄金用途的进一步挖掘,黄金如今被越来越广泛地应用于各大领域。由于黄金的性质稳定,电子行业中精密仪器的制造总少不了它,也被用于手表、奖章奖牌、镶牙等其他产品的制造。
Tips:据年相关统计数据显示,全球黄金储量约5万吨(USGS),澳大利亚、俄罗斯、南非、美国、印尼占黄金储量前五位,累计占全球储量总量的48%。而从全球黄金产量分布情况观察,中国(吨)、澳大利亚(吨)、俄罗斯(吨)、美国(吨)及加拿大(吨)是全球前五大黄金生产国,累计年黄金产量占全球黄金总产量45%。
发现黄金
但是市面上存在的黄金本身就很稀少,普通民众基本上很难拥有它。再加上黄金本身的价格昂贵,它虽然不是生活必需品,但是使用黄金制成的器皿或者饰品,仍然引得人们争相追捧。由于只有贵族、皇族或者大富豪等极少数人才能够拥有,因此也被视为财富与等级的划分。作为货币流通的刀币中虽然也含有黄金,但是成分较少,更多的是使用含铜的钱币,因此随着黄金越来越贵,它也逐渐成为收藏物,其流通作用也逐渐被纸币所取代。
Tips:18世纪末,美国鼓励国民向西部地区迁移、进行土地开发,称之为西进运动。詹姆斯·马歇尔在此过程中发现了金块踪迹,美国西部由此掀起了淘金热,在全球淘金者当中,华人矿工超过了1/4。
在世界历史上,由于黄金的稀少,人们为了得到黄金,曾一度争得头破血流。比如美国的西进运动,就是为了挖掘黄金,其结果差点导致印第安人的灭绝。在中世纪时期,人们也是为了寻找黄金,才开辟的航海路,哥伦布发现美洲大陆正是基于这一点。人们为了黄金,不仅发动战争,而且无所不用其极。
Tips:二战结束后,美国的黄金储备价值为亿美元,约吨,占当时整个世界黄金储备总额的74.6%。
那么,黄金在地球上应该寥寥无几,少之又少才是。可是科学家探索后发现,事实并不是这样的。据统计,地球内部有4千万亿吨黄金,人均55万吨,可是没人敢开采,所以才导致市面上黄金的极度稀缺。照理来说,每个人能分到这么多黄金,基本上一辈子都用不完,但为什么没人敢开采呢?是什么限制了人类的野心呢?这就要首先说一下地球上黄金的形成了。
黄金的形成
说出来你可能不相信,黄金其实是“天上掉下来的”。在地球刚诞生的时候,并不存在黄金这一物质。黄金属于重元素,而地球上并没有重元素形成的条件,必须要经过核聚进行元素的重塑,使轻元素变为重元素。
Tips:轻元素与重元素的区别:轻元素是指原子序数10至20的元素,重元素主要是指原子序数较高,相对原子质量较大的元素。
黄金的形成其一是由于中子星和地球的碰撞,其二是由于超新星爆发。中子星和地球碰撞的时候,由于温度极高,一部分物质脱离中子星本身,金原子变成质子、中子以及电子被压缩到一起的简并态,然后与宇宙中的尘埃相结合,附着到地球上,形成金子。超新星爆发的时候发生聚变,产生很高的温度也会形成金子。所谓“真金不怕火炼”,说的可能就是和它的起源有关。
Tips:黄金的颜色为金黄色,金属光泽,难分解。密度19.3g/cm3,熔点.4℃;具良好的延展性,能压成薄箔,具极高的传热性和导电性,纯金的电阻为2.4P。
黄金在整个宇宙的储量都不是很多,因为中子星发生碰撞的概率极低极低。目前地球上的黄金主要是来自于很久之前的一次中子星撞击,经过地球附近的陨石被高温熔化,形成金子沉到地底下。因为金的密度大,所以大部分都集中在地球内部,地面上的很少,一般需要进行特地的挖掘开采,这就导致了黄金的稀少与昂贵。
Tips:岩金又叫矿金,大多与其他金属伴生,其中除黄金外还有银、铂、锌等其他金属。产于不同的矿山而所含的其他金属成分也不同,一般在50%-90%之间。
人类开采的黄金主要分为岩金和砂金两种。金本来被埋藏在地底深部,但是由于地壳运动,火山爆发以及岩浆喷涌,金元素从地核的裂隙中逐渐涌入到地壳和地幔中,再经过海水的沉积于岩石的变质作用,慢慢浮现到地球的稍表层,然后和沙子或岩石相结合形成砂金和岩金。
有些分布在高山地区,有些则经过风与水的改造,分布在海洋与湖泊附近。他们历经千万年的积淀,静静地躺在地下,等着人们去发现与开采,俗话所说的“淘尽黄沙始得金”就是这个道理。黄金的形成非常缓慢,地球上能有4千万亿吨黄金,那是经过了46亿年的沉淀。
Tips:砂金是指山体中的岩金被河水冲刷、金与石英矿脉分离而成的金。岩金开采的工序相对复杂而艰辛,一般开采出来1吨矿石,才能提炼出几克黄金,而我国已知的砂金矿床点就有3多处。
人类对地心的探索
人类的征途不仅仅是星辰大海,还有地底深处的这一神秘世界。科学探测表明,地心附近黄金存储量极多。据相关数据显示,黄金在地球内部的占比为99%,地面仅为1%。为了提高人类的经济条件,人类发起了向地心进军的任务,甚至有人打算凿穿地球。
Tips:目前地球上的金矿数量很少,每年产出的黄金大概在吨左右。而据科学家勘测,估算出地球的黄金总储存量,大概在60万亿吨。
年美国科学家发起的“莫霍计划”,企图达到地壳与地幔分层的莫霍面,在还没达到地壳的九分之一时,就因为资金问题而无法继续。
年德国科学家再一次进行尝试,钻到了地下米左右,由于钻头无法承受高温,资金难以支持而宣布终止。
Tips:科拉超深井是于年在邻近挪威国界的地区开始的一项科学钻探。井深记录在8年和年被在卡塔尔的12,米和俄罗斯在的OdoptuOP-11油井12,米打破,排名世界第三
前苏联时期在科拉半岛钻探了一个超深井,其深度高达米,花费了接近二十年时间,而最后米的钻探竟然就占据了其中一半的时间,由此可见,越进入地表深处,其开采难度呈指数上升。金矿床的金含量达到4克/吨就值得开采,而这个钻井的黄金含量起码可以达到85克/吨以上,这是多么迷人的诱惑。可是对它的探测到10多米就戛然而止。
黄金开采面临的困境
黄金的开采困难重重,深入地底开采后,更是面临着种种需要解决的问题。主要包括成矿前与成矿期的断层以及破碎带的影响,成矿后的构造作用,矿体被穿切和叠加后使岩体变得更为复杂。
Tips:截至年5月,全球官方黄金储备共计.76吨。中国是全球黄金产量最大的国家,年产量为.2吨,连续13年位居全球第一。
高应力作用下对地压的控制和支护性能,通风排气、降温、排水技术等。其次,开采进入地底深部以后,会导致异常的地压活动,可能会产生塌方、冒顶、突水、岩爆、岩石剥落、岩体失稳等状况,影响生命与设备的安全,矿柱开裂、围岩弹射都是可预计的现象。
此外,岩体的结构会随着进入地底深部而发生相应变化,坚硬的岩石会变软,弹性的会变成塑性的。我们目前掌握的都是浅部开采的理论,其支护设计并不针对深层开采,因此并不适用。地球内部的压力随着开采深度的增加而增加,同时由于地层的不同,处于不同的地壳层其压力也不一样。而人类要想开采黄金矿石,就必须要承受这个压力,就必须要有支护设计,否则稳定性不够,可能会出现岩爆导致安全事故的发生。因此,摆在目前的一个技术难题就是如何平衡在开采时的地压。
Tips:地压泛指在岩体中存在的力,矿床开采过程中,地压显现往往给采矿工作带来巨大灾难,它不仅危害生产安全,而且会使矿山局部停产,甚至毁灭整个矿山。
再加上复杂环境下竖井井壁的稳定性,如果在海底深处对黄金进行开采,海底深部的矿石可能会面临海水的涌入与溃入等风险,若发生渗流,可能会带来堵水,岩体中孔隙水压的增大会严重影响竖井井壁的稳定性。如果岩石井壁很不稳定,则随时可能塌方,在上部岩层压力下产生塑性变形导致的缩颈,会把井筒堵死或者掩埋,导致安全事故。为了不让地压活动影响矿石的开采,还必须解决充填方式与充填体的强度问题。
Tips:三山岛金矿成为全球首座安全高效开采海底金属资源的矿山,是全国惟一一个海底采矿的金矿。
地球和科学技术对开采的限制
人类目前的钻井深度差不多一万米左右,深入地球内部受压力、温度以及岩石性质的影响,通风、支护、岩层变形监测等都是迫在眉睫的问题。但以人类当前的技术来说,要彻底解决这些问题还远远不能。
地球内部的温度就是一只阻止我们迈向地心之路的拦路虎。别看我们生活在地表上,一年四季分明,冬暖夏凉,温度适宜。可地球最初是一颗大火球,温度特别高,在地面将近-0米的地方,温度高达52℃,地球内部温度呈指数状态变化。
Tips:地球由地壳,地幔,地核三者组成,各层结构的温度也不一样。地壳底部和地幔上部的温度约为℃-℃,地核约为有~℃。
不同的地层温度明显不一样,在地壳层,每向下挖掘米,温度就会上升3度左右。当垂井深度为米时,温度接近度。如果要开凿万米深的钻井,温度至少也得℃以上。
Tips:地球表面的气温受到太阳辐射的影响,全球地表平均气温约15℃左右,地球中心处的地核温度更高达℃以上。
在采矿过程中,设备不断消耗能量并产生能量,产生的热能受地下风的影响,充满矿井,使温度进一步升高。在开采时,需要使用循环液体,减少与岩壁的摩擦,把底下开采过程中产生的碎岩石带到地面,并把井筒清洗干净,达到冷却钻头,润滑钻杆的目的。
但是液体也会产生压力,如何在地球深部顶住压力进行液体的输送,也是有待解决的问题。地幔温度远高于地壳,未来用耐高温的金属流体也许可以做到这一点,或者把核电厂用的金属钠流体用于钻井也可能行的通。
Tips:液态金属是指一种不定型金属,液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。
地底开采难度大
越往深处钻,钻头受到的压力也会越来越大,能钻透岩石层的能力也会越来越有限。垂直井的钻头压力作用于一个点上,钻起来还比较容易。但是为了避免地底空腔和其他问题,钻井会发生一定程度的倾斜。
偏斜会使钻杆的摩擦力增大,在某个位置时没有钻压,即使有力也无处使,无法钻开岩石,开采工程也就无法继续。而且不同岩石的坚硬程度还不一样,如果遇到最硬的玄武岩,那就只能束手无策了。
而且随着地下的深入,温度不断升高,钻头切穿也越来越难,温度一旦过高就会使钻头熔化。现今使用的钻杆,在温度超过℃时,其耐磨性和强度会大幅度下降。一两万米时钻杆还能坚持,当继续往下深入,钻头被熔化成水,直接罢工。所以要想接近地心深处“取金”,以现今的技术来说无异于痴人说梦。说不定人类等下一次中子星碰撞更快一些。
Tips:钻头是进行钻井工作的重要工具,钻井的深度也与钻头材质有关。在年苏联启动的科拉超深钻井中,就因为地层深处的温度高达度,导致钻头磨损十分严重,阻碍了工程进行。
由于地球是个圆的,人类在钻井的过程中虽然也有辨别方向的陀螺仪等,但达到一定深度厚基本就没什么用了,如果没有方向的指引,出现一点点偏差就会导致工程脱离轨道,不是绕着地心转圈就是远离地心,又如何去地心淘金呢?
在地壳层的岩石越往下越坚硬,以如今的材料如何保持钻头的刚性与韧度,在地压的控制下经受住摩擦力,并沿着固定方向钻探,这是个问题。
Tips:地球的内部结构为一同心状圈层构造,由地心至地表依次分化为地核、地幔、地壳。地球地核、地幔和地壳的分界面,主要依据地震波传播速度的急剧变化推测确定。
结语
地球并不是一个完全的固体,实际上更像一个鸡蛋,表面是坚硬的岩石,其实内部是岩浆,表面可以钻洞开采,但是进入深部之后,不仅钻头很容易被岩浆的高温熔化,更难的是如何维持孔洞的形状进行开采。
在几万米的深处,由于能量在传递过程中的损耗,如何把动力高效传给钻杆,这也是一个问题,因为大部分都损失在钻杆与岩壁的摩擦上了,可用于挖掘的能量基本没有,那如何进行钻井呢?
Tips:地球主要分为三层结构,分别是地壳,地幔,地核。地壳是地球固体地表构造的最外圈层,整个地壳平均厚度约17千米,地幔介于莫霍面和古登堡面之间,厚度在km以上,地核的厚度在千米以上。
据科学探测显示,地表到地心的距离大概为千米,地心温度大概是℃,地壳的厚度是37千米。即使目前最深的钻井连地心距离的1/都达不到,连地壳厚度的一半都没有。
受当前技术的限制,人类坐拥金山,也只能望洋兴叹了。这也大概就是为什么地球内部有4千万亿吨黄金,人均55万吨,却没人敢开采的原因。
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