矿物专题丨从一块石头出发，矿物和人类文明的联系有多深？

“矿物”这个词在人们的日常经验中并不陌生，却常常带有不同的含义。

地理书上讲到它时，多半指的是地球丰富的矿产资源；食品与保健品的宣传里，它又与维生素并列，成为维持健康所必需的营养元素；广告中出现的“富含矿物质”的矿泉水，则赋予了它一种日常消费的意味。

在石英上生长的自然金。图源：《世界矿物图鉴》

甚至在一款名为“动物、矿物、还是蔬菜？”的古老猜谜游戏里，它作为自然界三分法中的一类出现，与植物和动物并列。

由此可见，矿物在人们心目中既熟悉又模糊。它究竟是什么？这些不同的使用语境是否有一个统一的核心？要得到严格的答案，还需要走进矿物学的视野。

01 矿物是什么？

在科学的定义中，矿物是由地质作用形成的、通常呈结晶态的单质或化合物。这意味着它们必须源于自然，而非人工制造；它们的内部结构大多呈现出高度有序的晶格；它们的化学成分则可能是单一元素，也可能是由多种元素构成的稳定化合物。

石英与其晶体结构示意图。图源：《世界矿物图鉴》。

矿物往往并非孤立存在，而是以组合的方式呈现。在地球表面的大范围里，它们共同组成岩石，而在局部，则可能表现为矿脉、薄层、结壳或者孔洞沉积。

地质学家通常将岩石区分为“硬岩”和“软岩”。前者包括火成岩和变质岩，通常诞生于地壳深处的高温高压环境；后者则是沉积岩，主要是地球表面岩石遭受侵蚀而形成的。硬岩往往由一些主要矿物和少量副矿物共同构成，一旦知晓了其中单个矿物的形成过程，就可以理解这些矿物共生组合所讲述的地质事件，这也是理解地质历史的重要线索。

片麻岩。一种由长石、石英和黑云母等暗色矿物组成的岩石。这些矿物呈层状排列，使岩石具有叶片状外观。片麻岩由其他岩石在高温高压下发生变质作用而形成。图源：《世界矿物图鉴》。

矿物的稳定性依赖于温度、压力、酸碱度以及溶液中成分浓度等条件。当这些条件处于合适的范围时，矿物便会结晶并保持稳定。然而一旦环境发生改变，它们可能变得不再稳定，从而转变为新的矿物。转变过程本质上是能量的重新分配：化学键被打破，新的成分得以重新组合。如果能量充足，且有足够的时间，这种转变会彻底发生；但更多的时候，能量并不足以推动全面的改变，于是原有的矿物就得以长期存在，即使地质环境已大不相同。

位于方解石（白色）之上的自然硫（黄色），当周围环境提供足够的空间时，自然硫晶体会形成发育良好的晶面。图源：《世界矿物图鉴》。

正因为如此，一些深埋于地球之下形成的矿物，仍然能以近乎原始的状态存在数百万年。

02 原始地球的矿物结构

要追溯地球最早的历史，科学家常常依赖那些能在极端条件下幸存的古老矿物。

锆石。图源：《世界矿物图鉴》。

锆石就是其中最具代表性的一种。它往往在酸性岩浆中最先结晶出来，几乎不出现在基性岩中。酸性岩浆富含硅而贫镁，因此往往能够结晶出石英，在地球内部结晶的酸性岩浆岩被称为花岗岩类。锆石因其坚硬耐侵蚀而能在地质循环中长期保存下来。更重要的是，锆石的晶格能够容纳铀和钍等放射性元素，这些元素会在漫长的时间里衰变为铅，且其半衰期远大于太阳系的寿命。从而使锆石成为一种天然的地质计时器。

锆石晶体。图源：《改写地球历史的25种石头》。

西澳大利亚的杰克山保存着一些被认为是地球上最古老的锆石。通过铀铅同位素测定，这些锆石的结晶年龄被确定在44亿年前，远早于已发现的最古老岩石。即使它们原本所在的岩石早已消失，仍能为我们提供关于地球早期环境的线索。对这些锆石内部包裹体的研究揭示了同时结晶的其他矿物，如石英、长石、黑云母和角闪石等，这些发现表明花岗岩类岩石早在44亿年前便已出现。也就是说，地球的大陆地壳在极早的时期就已开始成形。

西澳大利亚杰克山砾岩中所包裹的锆石晶体的阴极发光图片（伪彩图）。图源：《太阳、地球、生命的起源》。

锆石的存在不仅延伸了我们对地球早期历史的认知，也让人类能够重建那时的环境条件。它所记录的微小化学差异，折射出远古地球内部的高温岩浆活动和地壳物质循环。对这些最古老的矿物加以研究，我们才能窥见地球演化的开端。

03 矿物只存在于陆地吗？

矿物资源并不仅仅存在于大陆和山脉之中，海洋也蕴藏着丰富的宝藏。古希腊人开采过近岸的铅矿和锡矿，中世纪的苏格兰人甚至追逐煤层直到福斯湾下方。进入现代，随着科技进步和对陆上资源日益枯竭的担忧，深海矿产逐渐成为人们关注的焦点。

以沉降位置划分沉积物。分布形态部分受与源头的距离和供给率控制。图源：《认识海洋》。

海底松散的沉积物可以转化为沉积岩，这个过程称为岩化作用。

海洋中最普遍的矿产是砂和砾石，它们被大量用于建筑行业。浅海海底开采的技术与陆地开采相差无几，主要受限于运输成本。这类资源储量极其可观，仅美国东北海岸的海砂储量就高达数千亿吨。除此之外，贝壳沉积物、珊瑚砂以及碳酸钙沉积也被开发利用，既可用于水泥工业，也能作为道路建设材料。在一些特定区域，海砂中还含有铁、锡、金、铂乃至钻石，形成了独特的海洋矿床。非洲西南部的海域甚至在300米深处成功开采过钻石，而东南亚的“锡带”则延续了上百年的产出，至今仍是世界市场的重要供应地。

然而，真正的深海资源开发仍面临诸多挑战。深海沉积中确实蕴藏着铜、锌、铅、银等金属，但受限于水深、技术和经济成本，目前尚难以大规模开采。

“失落之城”的深海热液喷口，碱度异常高（pH值为9.0 ～ 9.8，而海水的平均pH值只有7.8）。在“失落之城”中，低温热液产生了大量的烟囱。这些烟囱由碳和富镁的矿物组成。图源：《复杂生命的起源》

未来能否利用这些资源，不仅取决于市场对战略性矿产的需求，也取决于海底开采与陆地开采在成本上的竞争。换言之，海洋矿物虽潜力巨大，但尚处于人类探索的前沿领域。

04 地球矿物和人类文明

在现代社会，矿物的重要性毋庸置疑，它们能被加工为钢铁、铝材等金属材料，还能制成玻璃、水泥以及日常生活中不可或缺的各种产品。从建筑到交通，从工具到武器，人类社会几乎处处依赖矿物。

地壳虽薄，却是所有这些资源的仓库。已知的九十二种天然元素中，仅有八种就占据了地壳质量的绝大部分。绝大多数元素在地壳中的富集程度过低，无法形成可供开采的矿床。只有当某种矿物在特定条件下高度集中，才可能成为矿石，从而具备开采价值。能否开采，往往取决于经济与技术的条件：需求大小、矿床品位、运输距离、土地成本乃至国际市场价格，都会直接决定一个矿山的命运。

地壳中按重量计相对较丰富的元素。只有4种经济上重要的元素——图中以紫色表示——在地质上是丰富的，共占地壳重量1%以上。图源：《地理学与生活》。

事实上，矿物资源的开采过程本身就极为复杂，从勘探、开采、选矿、冶炼到运输与加工，每一个环节都需要投入大量能源和物料。随着全球化的发展，许多国家逐渐意识到对外依赖的风险。20世纪以来，随着资源价格的起伏与储量的消耗，美国、加拿大等国的一些矿山被迫关闭，而稀缺矿物的进口依赖度日益增加。与此同时，拥有丰富储量和廉价劳动力的发展中国家则在全球市场中占据了优势地位。

矿物作为一种非可再生资源，其稀缺性和战略意义愈发凸显。部分储量丰富的资源，如砂石、煤炭与钾盐，短期内不会枯竭；但一些储量有限的稀有矿物，如锡、汞和铂族元素，却在工业社会持续增长的需求下日渐紧张。

这些数字所反映的，是基于目前生产与消费速率预测的若干种矿物已证实储量能持续年限的近似值。图源：《地理学与生活》。

历史经验表明，当某种矿物接近枯竭时，其价格上升往往会促使人类发现新的矿床或改进开采技术，从而延长资源寿命。然而，未来的不确定性始终存在，矿物资源是否会成为限制人类社会发展的瓶颈，至今仍无定论。

巴西亚马孙地区的热带雨林被清除，为锡矿开采让路。暴露土壤的结构和肥力迅速退化，而且易遭侵蚀。图源：《地理学与生活》

矿物是地球亿万年演化的见证者，也是人类文明赖以存在的物质基础。从最古老的锆石，到现代社会中无处不在的钢铁与玻璃，矿物的故事串联起了自然与文明两个宏大的时间尺度。它们既是地质学家手中的时钟，也是人类社会的血脉。今天，当我们谈论资源危机与可持续发展时，矿物提醒我们：脚下这颗星球的馈赠并非无穷无尽，珍惜与合理利用，才是延续文明的关键。

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