[科普中國]-未來可能會(huì)耗盡的元素資源有哪些？

看到有回答元素不會(huì)耗盡的，感覺應(yīng)該是受質(zhì)量守恒的影響，覺得元素不生不滅，在化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的量保持不變（回到高中的感覺）。實(shí)際上這個(gè)問題是比較難以回答的，因?yàn)閺牟煌慕嵌瘸霭l(fā)就會(huì)得出不同答案。

重元素逐漸減少 雖然在1905年愛因斯坦就發(fā)表了著名的質(zhì)能方程，但直到1938年12月17日，德國人奧托·哈恩和他的助手弗里茨·斯特拉斯曼才發(fā)現(xiàn)了重元素的核裂變，并在1939年1月弗里施等人對(duì)其原理進(jìn)行解釋，并將這一過程通過類比生物細(xì)胞的生物裂變進(jìn)行命名。在裂變過程中，除了會(huì)釋放α粒子、β粒子、γ射線等，還會(huì)釋放巨大的能量，這是因?yàn)榛谫|(zhì)能方程，裂變前后物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化，元素的總結(jié)合能小于裂變前的重核素。像致使人類活在巨大陰影下的原子彈，就是利用高濃度的重元素裂變，并通過釋放的超過系數(shù)為1的α粒子進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)急劇進(jìn)行的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。單從元素的角度來講，由于同位素的存在，穩(wěn)定存在的核素大概為90種，而不穩(wěn)定的核素種類則接近3000種（由于人工合成新的核素，未來的種類會(huì)更多）。

數(shù)據(jù)來源：公共統(tǒng)計(jì)信息領(lǐng)域，圖像作者翻譯編制

值得慶幸的是，在自然條件下，沒有那么多種類的核素，更重要的是重核元素的含量不高（見下圖），其富集程度也無法支持發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而是以自然衰變的形式進(jìn)行。

地球相對(duì)豐度（網(wǎng)友提供）

同時(shí)，由于元素的形成，主要是大爆炸和恒星爆炸等條件下形成，對(duì)于地球而言，重核素的形成難以為繼，在總量上是一個(gè)有減無增的過程，按照這種情況，地球上越是重的核素越先會(huì)被耗盡，特別是原子序數(shù)大于100的元素，含量極小，半衰期短，照此理論會(huì)以一個(gè)較快的時(shí)間耗盡，這其中就有我們較為熟知的鈾，而核電和制造核武器又消耗了大量的鈾元素，如果不是因?yàn)檫€存在較為穩(wěn)定的鈾同位素，其含量一定要比現(xiàn)在還要低得多。所以在理論上，最先消失的自然元素就應(yīng)該是自然界中存在的原子序數(shù)93和94號(hào)元素，≈作為超鈾元素，镎（Np）和钚（Pb）其痕量的伴生在鈾礦中。

數(shù)據(jù)來源：公共統(tǒng)計(jì)信息領(lǐng)域，圖像作者翻譯編制

不要小看這些核素裂變反應(yīng)，雖然其豐度已經(jīng)屬于超低范疇，但作用巨大。地球的內(nèi)部熱量來自行星吸積的殘余熱量（約20％）和放射性衰變產(chǎn)生的熱量（80％）。這些熱量主要是由豐度相對(duì)較高的鉀-40，鈾-238和釷-232在放射性衰變過程中提供的，這些足夠的熱量才導(dǎo)致地球中出現(xiàn)多處熔融的現(xiàn)象，是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要?jiǎng)恿Α?/p>

歷史上，布豐曾經(jīng)使用燒紅的鐵球完全冷卻的時(shí)間嘗試推斷地球的年齡，得出75000年，遠(yuǎn)比圣經(jīng)中記載的從公元前4000年創(chuàng)世紀(jì)開始要早，其答案依然有較大問題的原因除了因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)地球大小測(cè)定不準(zhǔn)和將地球簡化為更容易散熱的鐵球外，沒有考慮地球內(nèi)部放射熱的持續(xù)供給也是一個(gè)的重要的原因。在地球歷史早期，在半衰期短的同位素耗盡之前，地球的熱量產(chǎn)生要高得多，地幔對(duì)流和板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也比今天的速率大得多，并形成了一些罕見的火成巖。所以，整體上地球火山地震運(yùn)動(dòng)會(huì)以一個(gè)逐漸變緩變?nèi)醯内厔?shì)變化，最終成為一顆“死星”。

布豐闡述地球誕生年齡的《地球理論證據(jù)》一書（公有領(lǐng)域）

輕元素難以利用 但在實(shí)際生活中，我們要遇到的問題要遠(yuǎn)超于此，因?yàn)槲覀円玫脑?，必須要以富集的形式才能利用，換而言之就是需要成礦。對(duì)于元素如何富集成礦找礦，有著非常多的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基本理論涵蓋了地質(zhì)學(xué)，地球物理和地球化學(xué)三大地球科學(xué)學(xué)科。如果單純從元素角度：

首先是元素富集，從20世紀(jì)30年代初期，在前蘇聯(lián)和斯堪的納維亞誕生了勘查地球化學(xué)，建立了原生和次生分散暈理論，并根據(jù)這些元素分散軌跡或分散模式去追蹤和發(fā)現(xiàn)礦床。

引用：地球化學(xué)探測(cè):從納米到全球

僅僅發(fā)現(xiàn)元素富集是不夠的，還需要富集的程度夠高，范圍夠大，為此我們通過建立地球化學(xué)基準(zhǔn)，目的是用系統(tǒng)的網(wǎng)格化采樣，獲得地球化學(xué)基準(zhǔn)圖，作為衡量化學(xué)元素區(qū)域豐度水平和未來變化的參照標(biāo)尺。

下圖所展示的就是我國百萬比例尺的不同元素地球化學(xué)圖中的銅元素，紅色區(qū)域代表高富集地區(qū)，你也不難理解為什么我國的大型銅礦床普遍在云南發(fā)育，這種地球化學(xué)勘查方式由于只采取地表化探樣或水系沉積物就可以，勘查成本較傳統(tǒng)勘查方法低得多，對(duì)于圈定靶區(qū)有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

各種各樣的地球化學(xué)圖件（國家地質(zhì)云截圖）

富集的元素還需要合適的表達(dá)形式，也就是形成礦物。換成大家熟悉的概念就是能夠形成較為單一或簡單幾種化合物的聚合體。比如大家最為熟知同質(zhì)多像情況，C即可以形成石墨，也可以形成金剛石；而即便都是石墨，也是有區(qū)別的（石墨烯，你坐下），其可以分為致密結(jié)晶狀石墨、鱗片狀石墨和隱晶質(zhì)石墨，在實(shí)際的勘查生產(chǎn)中還會(huì)有更細(xì)致的劃分。形成合適的礦物，還需要使用合適的選礦方法，將其礦物提純，才有進(jìn)一步應(yīng)用的價(jià)值。下圖是常見勘查工作中的成礦礦段，是不是遠(yuǎn)比看到過的哪些石墨標(biāo)本要差的遠(yuǎn)了，規(guī)模生產(chǎn)更是以噸或者千噸為單位，這就是選礦工藝的意義。

含鱗片狀石墨的巖心（作者拍攝）

最后這些還需要蘊(yùn)藏在一個(gè)能夠開采的位置。人類目前最深的礦井是南非的Mponeng金礦礦井，開采深度超過了4000米，但可以達(dá)到這種條件的富礦是極為罕見的，而我們現(xiàn)今的大型礦山出于經(jīng)濟(jì)性和安全性的考慮，開采深度都不超過1000米。所以說，如果不滿足這些條件，即便有元素富集，那么還是難以滿足我們生活生產(chǎn)的需求。

南非Mponeng金礦（公有領(lǐng)域）

我們?cè)儆懻撛氐母患?。元素的富集是一個(gè)漫長的過程，其最原始的元素富集應(yīng)該是地球的吸積過程中的篩選，如同描寫盤古開天辟地那樣，陽清為天（輕核素上升），陰濁為地（重核素下沉），元素的在平面上的分布應(yīng)該是更均勻的。有今天這種元素布展，則是三大巖通過沉積、變質(zhì)和巖漿三種基本地質(zhì)作用，影響元素的富集。

上一節(jié)我們?cè)O(shè)想過，如果重核素消耗殆盡，那么地球內(nèi)部的溫度就會(huì)下降，那么地球的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)減少直至消失，雖然這樣一來，地球的火山地震的災(zāi)害會(huì)減少，但是這樣的結(jié)果會(huì)影響元素的富集，原本影響的三大地質(zhì)作用就只剩下了沉積作用，沒有巖漿熱液，沒有區(qū)域變質(zhì)，沒有高溫重結(jié)晶，沒有……形成的礦床種類變得更少。所以到時(shí)候，即便很多輕元素沒有消耗，但我們依然無法利用，這些元素名存實(shí)亡。

碳循環(huán)被打破 自工業(yè)以來，人類的生產(chǎn)力發(fā)生了巨大的變化，人類從化石燃料中找到了巨大的能量，然而也于此打開了潘多拉的盒子。長久以來，地球一直物質(zhì)之間存在著動(dòng)態(tài)的平衡，與我們息息相關(guān)的C等元素更是如此。

以碳元素為例，自然界碳元素主要位于大氣、海洋、生命體和巖石圈中，其中大氣和生命體中碳元素交換最為頻繁，海洋中碳元素則可以平衡大氣和生物圈的比例，巖石圈中的碳元素交換速率最低，周轉(zhuǎn)時(shí)間以百萬年計(jì)，但碳元素以固定碳的形式存在，密度最大，也是蘊(yùn)含碳元素比例最高的部分。隨著人類的活動(dòng)能力增強(qiáng)，開采化石類能源礦產(chǎn)，大大加速了巖石圈中固定碳的釋放，打破了原有的循環(huán)速率，并對(duì)地球氣候環(huán)境產(chǎn)生了許多影響。雖然海洋可以平衡其間的循環(huán)，但其能力不是無窮無盡的，一旦海洋的平衡能力不能彌補(bǔ)碳循環(huán)的出現(xiàn)的差值，屆時(shí)對(duì)環(huán)境的影響對(duì)人類可能是致命的，想這種情況，碳元素即便沒有消失殆盡，但已經(jīng)超脫了人類的控制，等同于元素資源耗盡。

二氧化碳含量變化對(duì)溫度影響計(jì)算機(jī)模擬圖（引用自NASA相關(guān)報(bào)告）

能源才是人類發(fā)展的永恒話題 當(dāng)然，這是以目前的科學(xué)技術(shù)水平所遇到的問題，而當(dāng)今我們所遇到的問題實(shí)質(zhì)上對(duì)能源的需求，這將是我們永恒的桎梏，所以，元素耗盡不耗盡不好說，但擺在前面兩條路，一條是我們努力奔跑，掙脫這個(gè)桎梏，另一個(gè)就是我們奔跑的不夠努力，地球自身會(huì)讓我們變得理智，至少短時(shí)間，地球并不會(huì)消失，而我們?nèi)祟悇t不好說。

（自編）

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