岩石圈与非再生资源

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1、第七章 人类与岩石第一节 岩石圈与自然资源一、地球内部的圈层构造岩石圈是人类生存环境中最下面的一个圈层，又是地球内部各圈层的最外层。 众所周知，地球的平均半径为6371 公里。地球物理学研究揭示，从地心向外， 可以分下几个圈层。1固态内核：是地球的核心部分，呈固态，温度达40004500C。内核的半径 约 1225 公里。2液态外核：厚约2250公里，温度约30004000C，据推测，由液态铁组成， 其中可能含镍约10%，并有大约15%较轻的元素，如 硫、硅、氧、钾和氢等存在。3. 地幔，位于地核与地壳之间的构造层，厚约2860公里，主要由橄榄岩类组成， 即富含铁、镁的硅酸盐岩石，与其上的地壳

2、成分不同。根据地震波速在400和670公里深度上存在两个明显的不连续面，可将地幔分为 三部分： 上地幔，地壳以下至400公里深度。地慢的顶部和地壳刚性较好、温度较低， 这部分称为岩石圈，其厚度不甚均匀，海洋下较薄，洋中脊最新部分仅6-8 公里， 最老部分约 100 公里。大陆上较厚，约 100-400 公里。岩石圈以下温度较高而刚性 较弱，能缓慢变形，这部分称为软流层； 过渡层，深度在400-670公里之间； 下地幔：深度在670-2891公里。4. 地壳：包裹着整个地球内部的薄壳。质量只占全球的 0.2%。厚度不均匀：大洋壳极薄，仅211公里（包括海水），平均约7公里，主要由镁 铁质火成岩，

3、即玄武岩和辉长岩组成，上覆极薄的深海沉积物；陆壳较厚，约 1580 公里，平均35 公里，由火成岩、变质岩和沉积岩组成，因此其成分不均匀。地壳 与地幔之间地震波和传导速度有突然的变化，这个界面称为莫霍面。地壳就其厚度而言仅及地球半径的 0.5%，形象地说，像一只苹果的外皮那样薄 薄的一层。二、自然资源及其分类1. 自然资源：自然界中能被人类利用的物质和条件的总称。2. 分类 非再生资源（不可更新资源）：矿物和各种化石燃料； 可再生资源（可更新资源）：生物、水、土壤等在较短时期内能够再生的资源； 以及取之不尽的资源，比如太阳能和风能等。矿石燃料一旦被燃烧使用之后即永远失去其有用的形式；而矿物却永

4、远不会因 被使用而消失，因此能源最为重要，它被使用之后既不能再生也不能再循环。另一 方面，只要有足够廉价的能源，现有高品位的任何矿床即使耗竭也不足为虑，可以 消耗更多的能量从低品位矿床乃至普通岩石中去提取金属。三、非再生资源生产周期理论从绝对意义上讲，地球上的矿物资源几乎是无穷无尽的。只要有足够的手段，就要以从任何一块岩石或泥土中分析乃至提炼出周期表上大多数元素。然而，由于技 术水平、能源供应和经济效益的限制，我们还不能从一块普通的岩石中提取人类所 需的元素。但是，由于地球内部的岩浆活动与地表风化过程等内外营力的作用，一些元素 相对地集中于某些矿物或岩石中，形成各类矿床，使开采与提炼这些元素在

5、技术上 与经济上成为可能。任何一种矿物资源在地壳和地球中的储量都是固定的，但是对资源的调查和勘 探总要有一个过程。因此，矿物资源一般均可分为已查明和未查明的两部分。已查 明的资源中，其经济价值又各不相同。根据这一思想，有人提出矿物资源的一般分 类法。它把矿物资源分为5 类，按其探明的程度与经济可行性分别为：1储量(reserves)：某一个时期内已探明在经济上和法律上可供开采以提炼 有用矿物或能源产品的资源。2边界储量(marginal reserves)：已探明资源中经济上可采性处于边界状 态的部分，包括经济、技术或法律因素发生变化后方有可能开采的资源。3亚经济储量(sub economic

6、 reserves)：已探明资源中不符合储量或边界储量标准的部分，但若有充分的经济上或技术上的变革有可能变成储量。4前景性资源(hypothetical resources)：在已知地质情况的矿区有理由期 望其存在而未发现的物质。5推测性资源(speculative resources )：未发现的物质，可能是一类已知 的矿床存在于一种有利的地质背景中但尚未被发现，也可能是一类有待认识的未知 矿床。对于任何一个矿床，乃至任何一种非再生资源，从其被发现、开采，直至采完， 构成一个生产周期。有用期限：把一个单独矿床或世界范围内某种物质的资源总量的有用期限定为该 种物质总量开采80%的持续时间，即从

7、产量占资源总量10%开始至90%结束。第二节 岩石圈中的能源和矿物资源一、能源的分类1. 按能源的产生和再生能力： 可再生能源：太阳能、水力、生物能、风能、潮汐能和地热能等 不可再生能源：化石燃料和核裂 变燃料等。2. 按能源的使用方式分为： 一次能源：直接从自然界取得而 不改变其原有形态的能源、亦称作初 级能源；包括一切直接使用的可再生 能源和不可再生能源； 二次能源：一次能源经过加工， 转换成另一种形态的能源，如火电与 煤气等。3. 按能源的来源分： 来自太阳的辐射能：通过植物光一常规能源_L 一次能源一能海一L常规能源二决能源一非:山：久:能源:煤炭、和汕、犬然 -气、汕页洙 汕砂、核裂

8、变能可山化能源：水能、松物燃料4山工能源：檢聚变能_可再生能源：太阳能、地热能、海洋能潮汐、波浪、海许温堆能等)、凤能、生物质能禽煤、木煤-汽讷、煤讪、柴汕、重油嚥汽、热/Kr沼气一讪施源1就能图能源分类合作用的转化而得以储存，包括化燃料在内； 来自地球内部的能量：地热能和核能； 地球等天体引力形成的能量：如潮汐能。4. 按能源使用的历史分:(1) 常规能源:化石燃料、水力和生物能(2) 新能源：核能、地热能、海洋能、太阳能和沼气等。二、世界能源供求现状与前景1、化石燃料储备量化石燃料是在遥远的太古时代，通过植物的光合作用慢慢地把太阳能储存起来而 形成的，其间花了约2亿年，但其数量只够人类用1

9、00 至 500 年，用完以后就不能 再生。石油：41.6 年；天然气：63年；煤碳：192 年。(1) 石油 现在普遍认为用石油作能源是人类极不明智之举：这种本来应是极 其宝贵的化工原料不应用作能源，它又是各类能源中储量最少而且分布最不均匀的 石油价格： 2005年：55 美元/桶 2006年：65 美元/桶2007年：96 美元/桶2008 年： 146-50 美元 /桶2009 年 : 35-80 美元/ 桶(2) 天然气 主要成分为甲烷(占 7579)，其次为轻质烃(丙烷、丁烷 和戊烷)，并含有痕量N2和硫化物，是一切化石燃料中污染最轻者。(3) 煤 煤在地壳中的分布较有规律，它常出现

10、于某些地层中并成片分布，较 易勘探和制图。因此，在各类自然资源中煤的储量估算比较准确。煤炭尚可满足人 类使用 400 年的需要。(4) 油砂与油页岩 这类资源是岩石中所含一定数量的烃类化合物，具有很高 的粘稠性甚至呈准固态。岩石圈中这类物质储量也很丰富，油砂与油页岩的组成与 石油颇不相同，因而需要特殊的提炼技术。例如油砂的技术处理常用沸水与蒸汽的 混合物把吸附于惰性砂粒上的烃类分离出来，然后作进一步的 加工。油页岩中所含 固态烃类成分也与原油差别很大，而且还含各种氮的化合物和其他无机杂质，其提 炼过程中需将岩石加热至48c以上，而且耗水量很大：每产出1吨粗挥发油需水3 立方米。因此，其成本将远

11、远高于开采煤炭。而且，油砂与油页岩处理后所剩余的 大量废砂石也造成新的环境问题。2、其它能源供给逐渐上升(1) 水力 水力发电具有很多优点：无污染、运行费。首先是许多最有利的地点 已被开发。其次是水电开发所需投资较大，而开发潜力最大的发展中国家恰恰缺乏 资金。水力发电还有一个往往被忽视的弱点，就是水库的寿命，由30年至300年不 等，视当地土壤侵蚀的程度而异。(2) 地热能 指地下热岩和热液中所储存的能量，现已开发利用的多为后者， 通常以三种形式存在：干蒸汽(其中不含水滴)、湿蒸汽(蒸汽中含水滴)和热水 以干蒸汽质量最佳，最易开发利用。但干蒸汽田较为稀少，较为常见者为湿蒸汽和 热水。后二者的开

12、发难度较大，费用也较高。地热能是指在地球内部蕴藏着的巨大的热能,据估计,在地球上的所有能源中, 地热能仅次于太阳辐射能,处于第二位。平常,地热能以温泉、火山爆发、地热等形 式散逸出来,仅每年的散逸量就达到目前世界能源总消费量的2倍。据介绍，世界上只有 6个国家的首都具有地热资源，北京是之一。市内 8个 主要城区的地下都有热源，可以利用的热量折合成标准煤相当于 9 万多吨。地热能的利用主要有两种方式。中低温地热一般直接利用，即地热采暖、温室 等，目前北京市地热利用就是这种方式.爱尔兰几乎全部家庭和大楼都用地热。另一 种是将高温地热转化为蒸汽，进而发电。地热发电站,其中尤以美国(占 50%)和菲律

13、 宾(占15%)最多。在我国，高温地热资源(温度高于150C )主要集中在西藏南部、 云南西部和台湾东部。我国最大的西藏羊八井地热电站，占拉萨电网供电量的一半 左右。与相对集中的高温地热不同，温度低于150C的中低温地热资源则遍及全国各 地，可以说整个中国大陆就是一个巨大的“地热田”。尤其是东部沿海地区储埋藏浅、 水质好，同时又多处在人口集中、城镇密布的地区，地热水的利用价值更高。优点是在有可能开发的地方成本比较低廉，其电力成本约为燃煤发电站的一半， 或核电成本的1/4,所排出的CO2也很少。其主要限制在于资源过于稀少，可供开发 的地点不多。而且就地热蒸汽与热水而言，其更新速度缓慢，一旦开采速

14、度过大， 就会面临耗竭的前景。此外，地热资源也只是相对地“干净”，地热蒸汽与热水中 通常含有硫化氢、氨气、放射性物质(例如氧)、可溶性盐类乃至有毒物质等。(3) 核能现在已投入生产的是核裂变，所用的物质为U-235。现在普遍认为，核能是一种 安全、经济、清洁的能源,是目前技术成熟、可以大规模代替化石燃料的能源。许多 发达国家的核电比例已达20%50%，甚至更高。核聚变的原料主要是氢的同位素氘和氚。海洋中的氢有20 多万亿吨，足可供人 类使用几十亿年，因此科学家早就预言，聚变能是人类取之不尽的能源，发展聚变堆 可彻底解决能源问题。但核聚变反应需几亿度的高温且同时保持一定的原料密度。 1952 年

15、11 月试验成功的氢弹是人类利用聚变能的开始，但氢弹只是一个不受控的瞬 时释放聚变能量的军用装置；在地球上建成可控制的核聚变堆，还未实现商业化。(4) 氢能 氢能的使用始于70年代，现已被公认是21世纪最理想的新中介能源。这是因为 氢能有三大优点:效率高，氢燃烧所释放的热值约是同重汽油的2.7倍；无污染， 燃烧后的产物是水，对环境没有污染；来源广，地球表面71%都为水所覆盖，而有水 就可以分解制氢，氢燃烧后又生成水。因此，这种燃烧和再生的往复循环，使氢能成为 一种取之不尽、用之不竭的未来理想能源。氢能是二次能源，其推广应用的关键是氢气制取和储存运输技术的突破。目前世 界产氢的77%以石油、天然气为原料制取， 18%来自煤， 4%来自电解水， 1%来自其他原料; 储氢方式主要有高压氢气、低压液氢和固态金属氢化物等， 制氢和储氢成本都相当高， 且存在一些技术问题。所以目前氢能主要用于火箭和航天飞机上，氢燃料电池、用氢 作燃料的氢能汽车已问世。(5) 太阳能 地球迄今为止所有的能源形式绝大部分都来自太阳能，除了直接的 太阳辐射能外， 煤炭等矿物燃料其实都是远古以来转换储存下来的太阳能。太阳能是 一种无污染、经济、取之不尽的理想能源，但又存在密度低、不连续、不稳定等缺点。在能源短缺已成燃眉之急的时候，澳大利亚昆士兰州克朗克里城