2.地球和天體中的礦物學

地球是由什么礦物構成的呢？

對于這個問題，多數人大概會認為我們周圍的這些常見礦石就是地球的組成部分。然而這并不符合事實，地球的深處含有的礦物或者物質和地表完全不同。讀完了這一節，讀者們就會明白了，其實地球的構成成分是類似太陽的，并不是主要由那些石灰石、黏土、花崗巖等構成的。

顯而易見的，在我們居住的地表，一樣是某些物質多，某些物質少。這些物質中，稀少的那部分就叫作稀有物質，想要把它們開采出來用于工業，就需要費很大的力氣。但是，那些豐富的物質很多，想要多少就能取到多少，這些物質在地表上存在的差異巨大，原因正是由于這些稀有物質的分散，它們大都不會如那些含量豐富的物質一樣大量聚集在某處，也不會形成礦床。

當然，最深層的原因是這些物質的含量的確是不一樣的，有一些物質含量多，總質量差不多能夠占到地殼的一半；有一些物質含量少，總質量加起來可能才只是地殼的十億分之幾。1889年，美國化學家克拉克分析了地殼的成分，發現在構成地殼的92種不同元素中，我們周圍大量分布的不過是其中的某幾種。如果按照體積來算，那么有一半以上來自氧和氫，硅則是第三位，石英便是氧和硅的化合物。不過，雖然位居第三位，它也僅僅占了15%而已。除了這三種，我們熟悉的比如鈣（石灰石中）、鈉（海水和食鹽中）、鐵等，它們的總量也不過是百分之一到百分之二左右。

我們周圍的景色是豐富多彩的，這些豐富多彩的環境中的99%是由12種常見元素構成的。這12種元素按照不同的方式化合、結合，便成了我們周圍這些不同種類的礦物和生活用品。

但是，我們腳下的地球深層，情況也是如此嗎？如果真的想要探明這個問題，我們就需要前往地心，進行一次非常困難的旅行。這次旅行的路程大概是6000千米左右，雖然困難，但是非常特別，并且充滿著幻想。

1936年，我曾經去過捷克，去了那里的一個礦井。那個礦井很深，于是我也下到了地底深處。這里有一個沒有頂子的電梯，我們就坐著這個電梯向下降，速度大概是8～10米/秒，能夠清楚地感覺到風聲和電梯軌道的響聲，并且越往下走，空氣就越潮濕，氣溫也越高。

幾分鐘過后，我們便到達了礦井底部。在這里待著會感覺非常不舒服，略微有點耳鳴，并且心跳加速。在這里，氣溫大概是38℃左右，空氣非常潮濕，真的就和在多水的熱帶一樣。不過，這僅僅是地下1300米而已，這個距離不過是我們幻想中地心旅行的五千分之一。就算是世界上最深的非洲金礦，也只有2500米深。人們的所有活動，全都受到了這樣一層地殼的限制。

不過，人們非常想突破這層地殼，到一個新鮮的地方去，于是人們便用盡所能，將自己的眼睛武裝起來，透視到了地殼的深處，去探究在我們腳下的到底是什么。不過，即便如此，我們探知的也僅僅是全部深度的五千分之一。

肉眼自然無法看到地殼深處，但是依靠機器的話，我們可以探知到比肉眼看的深得多的距離。最近，人們發明了一種金剛石鉆機，這種鉆機已經能夠鉆探到地下4500米的深處，然后將在這個深度的石頭柱子提上來。不過，和地球半徑相比，這4500米同樣是微不足道的。[22]

大自然有的時候也會幫助人類，比如地質作用，它影響了地底的深處，然后會將地下的物質轉移到上邊。比如海洋深處的礦物會變成高不可攀的陸地山峰，熔化的巖石會因為裂縫等噴出地表。如果遇到了這些事情，科學家自然能夠憑借一些地質方法研究它們。這也就是說，雖然一些礦物巖石并非是存在于地表的物質，有一些還是存在于15千米～20千米深處的，但是由于這些原因，科學家依然能夠將這些石塊和礦物帶到研究室研究。

不過，相比6000千米的地球半徑，這15千米～20千米還是微不足道。地球半徑相當于圣彼得堡到外貝加爾赤塔之間的距離，而這15千米～20千米，僅僅是彼得格勒到近郊的列巴茨村這一小段而已。

那么，關于地表深處，我們到底知道些什么呢？地表深處是由哪些物質構成的呢？

之前的我們知道得非常少，不過最近科學家們倒真的發現了一些有用的信息，我們的視野也擴大了好多。我們得知，地球的比重為5.52，大概是水的5.5倍。不過，地殼上的石灰石、花崗巖、砂巖等常見巖石的比重要小很多，僅僅是水的兩到三倍，那么也就是說，地殼深處的物質比重要比地表的物質大得多。除此之外，我們發現在15千米～20千米的地方物質含量和地表相比是有了一些變化，鐵和鎂等金屬比地表高一些，于是我們便可以進行假設：地心處的物質成分會發生更大的變化。

但這遠遠不夠，宇宙非常大，我們的地球僅僅是無數星球中的一個，于是我們便想著比較一下地球、太陽、其他行星和彗星。有一點非常奇怪，我們對地球的了解要遠遠小于對其他星體的了解。星體的碎片有時會落到地球上，它們被叫作“隕石”，我們研究這些“天外來客”時就會獲得一些關于宇宙中物質的資料了。

最近，關于地震的研究給我們補充了很多新的寶貴知識，地震時震波或沿地表擴散，或穿透到地心深處，向各個方向傳播。現在，我們假設日本的某處發生了地震，那么地震站的精密儀器就會接收到兩個震波，一個來自地表，另一個來自地下。這些來自地下的震波在地下的傳播速度并不相同，遇到不同的物質都會使震波的速度發生改變。這些震波在靠近地表的時候速度加快，但在遠離地表的時候速度放緩，因為地表物質的密度比深層物質的密度要大一些。根據這些研究，可以確定地球在深處的密度變化乃至成分變化。

我們可以到原本想象不到的，壓力極大溫度極高的地方去旅行一次，不過要記住一點：我們在動身不久就會遇到熾熱的熔巖，這些熔巖最開始出現的地點在30千米～100千米深處不等。如果我們繼續向深處前進，這里的熔巖便會變成玻璃狀的固態，雖然溫度非常非常高，但卻不是液態的了。

旅行的起點自然是地表。世界上的幾塊大陸成分大多是花崗巖，比重為2.5，其中含量最多的元素就是氧和硅，是地殼的最外層部分。然后，這些大陸都飄浮在黑色的玄武巖地帶上，也就是說，花崗巖的下層是玄武巖。鐵在玄武巖中的含量要明顯高于在花崗巖中的含量，玄武巖的比重也比花崗大很多，約為3.5。如果再深入，到達地表下30千米，由于這里鐳的化合物非常多，裂變發熱，導致這里的物質全部變成了液態。

這種液態環境會一直持續到地表下1200千米左右，雖然從地表到這里的這段距離有很大一部分都是液態物質，但這里是地球巖石帶的最底層。當經過巖石帶繼續向深處前進，就會發現一種密度非常大的、形態和特征都很像玻璃的巖石“榴輝巖”。

如果火山爆發，就有可能將這種榴輝巖碎塊帶到地表。在南非洲的幾個著名的榴輝巖礦坑里，有極大的可能發現金剛石晶體。

現在繼續向地底深處前進，1200千米～2900千米深處的地帶為礦石帶，在這一帶堆積著大量的鐵礦石，比如磁鐵礦和黃鐵礦等，并且其中還夾雜著一些含鉻礦石和含鈦礦石。由于在這些鐵礦石中氧的含量很小，鐵的含量很大，導致這里的礦石比重也很大，能夠達到5或6。這里溫度極高，但是礦石們依然會在高壓的情況下保持著固態。

這一條礦石帶差不多能夠持續2000千米左右，當走過這個部分，我們就到達了地心。現在我們可以畫出一幅大致的圖來體現地球的構成了（圖5），這個核的密度大約是水的11倍，是鋼的1.5倍。其成分和礦石帶相仿，大部分是鐵，并且含量高達90%。其他則是一些鎳金屬和硫、磷、碳等。

既然如此，構成我們所生活的地球的主要成分是什么呢？起著重要作用的又是哪些元素呢？經過去地心的旅行，我們已經能夠回答這個問題了：起著重要作用的元素按照作用的重要程度排列依次是：氫、氦、鐵、氧、硅、鎂、鎳、鈣、鋁、硫、鈉、鉀、鈷、鉻、鈦、磷、碳。

既然是這些元素形成了我們這樣一個多樣的地球，那么地球到底是如何形成的呢？為什么地球的40%以上都是鐵元素呢？這些元素為何會這么分布？如果鐵在地表附近分布的多一些，那么我們就不用擔心鐵荒，也就有足夠的能力保證經濟的發展了。

關于地球的形成，說法有幾十種之多，其中有一種學說聽起來是最可靠的：宇宙中的微小碎屑和塵埃聚集起來，形成了地球的雛形，之后這些碎屑塵埃越積越多，混雜在一起，熔化成一片，然后，密度大的元素沉積在中心，密度小的元素浮在表面，變為巖石帶，于是就形成了現在的地球。

這個學說非常可信的原因是，研究表明其他天體的成分與地球是一樣的。當然，我們對于天體礦物學仍然是知之甚少，就連距離我們最近的天體月球，我們也只能研究落在地球表面的巖石來推測月球的成分。雖然科學家們也知道一些彗星等天體上的礦物情況，但是這些了解到的知識都不全面。

月球、行星、彗星、太陽等恒星的礦物學是非常重要同時也是非常巨大的科研方向，目前，我們需要先將地球了解透徹，然后再將從宇宙中獲得的各種礦物來進行比較研究。

我們到地心的旅行居然使我們的思維跳躍到了宇宙空間去了，不過，研究地球礦物的學者也并非是依靠猜測，去獲得結論，而是用實踐和分析來參透大自然的奧秘。到目前為止，似乎宇宙以及宇宙包含的星體都是由同樣的12～15種元素構成的，其中最主要的同樣是鐵、硅、鎂、氫、氧、氦等等。地球是宇宙的一部分，地球上的一些規律自然是宇宙規律的一部分。