苏黎世联邦理工学院（ETH）地球化学与岩石学研究所教授克里斯托弗·海因里希（Christoph Heinrich）一开始就特别强调一点：“关于资源可得性存在最终极限的说法根本是错误的——至少对金属而言是如此。”他承认，铜、金和锌等原材料的开采正变得越来越困难，但他表示，从物理意义上讲，这些金属在不久的将来不会出现短缺。
海因里希最关心的并非稀缺性，而是资源开采对环境的影响。“审慎使用金属并在可能的情况下回收利用，这是有道理的。但这并非因为这些金属即将耗尽，真正的问题在于，从岩石中提取金属需要消耗能源，并对环境造成影响。因此，你必须找到金属已自然富集的地点。”海因里希认为，长期资源供应的限制因素是我们定位地质矿床的能力。他还强调，寻找对社会负责任的资源开采方式，以及开发环境友好型的矿石加工方法，同样面临挑战。海因里希坚信我们能够应对这些挑战，因此他完全不赞同“资源诅咒”一说。“这种说法毫无必要地带有负面色彩，”他说。“矿产资源是必需品，对许多国家而言也是宝贵的资产，”他强调。“问题不在于自然资源，而在于人们的行为方式。事实是：要解决当今可以说是最严峻的环境问题，即在不引发地球气候灾难性变化的前提下实现可持续的能源转换，我们需要稀有元素和特种材料。”
地下四公里处的金属
海因里希的论断有其依据。他在研究工作中多年研究金属矿床的地质构造，至今仍对一个问题深感好奇：既然这些元素在地壳中平均分布极为稀疏，它们为何会在特定地点富集？他研究金属富集的地质过程，因为了解这一过程对于理解金属分布不均以及寻找新矿床至关重要。这一问题的重要性在于，地表附近以可开采数量存在金属的大多数矿床已被发现，并正在被迅速采空。但在地下几公里处，仍有许多地方可以合理预期，科学家能够找到富矿床中的大量金属。问题在于，这些矿床比地表暴露的矿床难找得多。
海因里希预测，矿石开采将转向地下矿山，他认为从生态角度看这同样合理。露天矿大规模开采矿石需占用大片土地，并消耗大量能源。这是因为你不能简单地垂直向地下挖洞：要抵达更深层的矿体，首先必须清除矿石带周围数吨无用的岩石。因此，根据金属富集带的形态，地下开采矿石可能变得更加经济、更节能。从技术角度看，这已经可行，事实上，最深的矿山已延伸至地表以下四公里。
要找到深埋于地下的新矿床，就需要更好地理解这些富集带究竟如何形成，而这正是海因里希研究的价值所在。他的工作围绕两个关键方向展开。第一个是对现有矿床进行地质特征描述，这种方法有助于深入了解金属分布的几何形态，同时结合对过去地质事件的精确定年，从而精确还原岩浆作用等大规模成矿过程何时活跃。海因里希研究的第二个重点，是考察促使金属富集的物理和化学过程。
海因里希尤其关注在火山下方形成的矿床，例如安第斯山脉中的矿床。这些火山位于俯冲带附近，大洋板块在此俯冲至大陆板块之下。岩浆体在俯冲带上方的地壳中形成；随着岩浆上升，它会释放出高温、高盐度的流体，即一种同样携带大量金属和硫的溶液。这些流体将金属从岩浆输送至周围岩石中。但仅有这种迁移作用还不够：要形成矿床，还需要第二个化学过程，使金属在有限的岩石体积内以矿石矿物的形式沉淀。
过去几年，海因里希及其团队一直在研究矿床周围岩石中矿物所含的微小流体包裹体。这些包裹体有助于研究人员确定矿物形成的条件，以及促成其沉淀的化学性质。除研究这些化学过程外，专家们还仔细考察了流体在裂隙岩石中的物理迁移。他们的研究结果表明，有两种相互对立的力量是金属集中富集的关键：一是来自岩浆体的高温流体，二是从地表渗入岩石的冷地下水。这两种流体体系之间的界面，界定了金属以高度富集形式沉积的区域。
为从定量角度理解这些过程，海因里希团队开发了一个数值模型，用于模拟地表水的大规模循环以及岩浆中流体的排出。“目前它仍是一个通用模型，我们用它以概括的形式描述各种条件，”海因里希说。“但现在我们希望使模型更贴近实际条件，以便将来能够模拟具体情境。”
然而，即便是他们目前开发的这个粗略模型也证实，成矿的关键区域局限于2至5公里的深度范围内。因此，专家有充分理由怀疑，在这些深度还有大量尚未被发现的矿床。“作为地质学家，我们面临一个关键问题，”海因里希说：“如果地表几乎不留下那些早已消失的流体过程的痕迹，我们如何判断地下是否存在可开采的矿床？”
东欧的一个案例
海因里希计划将其团队的科研工作应用于一个欧洲“地平线2020”项目，该项目还包括来自日内瓦、法国、英国和德国的研究人员。该项目的目标是更清楚地了解从罗马尼亚到土耳其的东欧地区矿床是如何形成的。“计算机模型显然无法取代传统的地质和地球物理勘探方法，”海因里希解释道，“但它们能够为成矿过程提供新的见解，并帮助我们更高效地定位深埋的矿床。”研究人员选择东欧开展该项目有充分理由：在最近一次重大造山运动期间，即阿尔卑斯山形成的时期，该地区位于特提斯洋北岸。板块运动导致形成了一条俯冲带，并伴随与安第斯山脉相似的岩浆活动。这为形成矿床创造了条件，铜、铅、锌、金和银等重要金属连同许多其他稀有金属在此富集。
苏黎世联邦理工学院研究人员开发的这一科学方法，同样可用于研究海底矿床的形成。近期在新西兰近海发现的金属矿床同样与其火山环境有关，但它们目前所处的位置则源于截然不同的过程。海因里希团队的计算表明，富含金属的岩浆流体密度过大，难以上升至海底，因此倾向于在海底之下聚集。
富含盐分的海水起着关键作用：在海底岩浆活动减弱后，海水将富含金属的溶液冲刷至海底，形成热液喷口（即黑烟囱），这些喷口尤其富含铜和金。“借助我们的模型，我们现在对塑造这些事件的各种因素有了更详细的了解，这可能对未来开发尚未利用的资源作出重大贡献，”海因里希总结道。
本文与 苏黎世联邦理工学院合作发表。刊发本文并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Felix Würsten 任职于苏黎世联邦理工学院公共关系团队，担任编辑。
图片：一名阿富汗男子在山区为前往祖母绿矿场的矿工搬运补给物资。REUTERS/Ahmad Masood。
