2.地球和天体中的矿物学

地球是由什么矿物构成的呢？

对于这个问题，多数人大概会认为我们周围的这些常见矿石就是地球的组成部分。然而这并不符合事实，地球的深处含有的矿物或者物质和地表完全不同。读完了这一节，读者们就会明白了，其实地球的构成成分是类似太阳的，并不是主要由那些石灰石、黏土、花岗岩等构成的。

显而易见的，在我们居住的地表，一样是某些物质多，某些物质少。这些物质中，稀少的那部分就叫作稀有物质，想要把它们开采出来用于工业，就需要费很大的力气。但是，那些丰富的物质很多，想要多少就能取到多少，这些物质在地表上存在的差异巨大，原因正是由于这些稀有物质的分散，它们大都不会如那些含量丰富的物质一样大量聚集在某处，也不会形成矿床。

当然，最深层的原因是这些物质的含量的确是不一样的，有一些物质含量多，总质量差不多能够占到地壳的一半；有一些物质含量少，总质量加起来可能才只是地壳的十亿分之几。1889年，美国化学家克拉克分析了地壳的成分，发现在构成地壳的92种不同元素中，我们周围大量分布的不过是其中的某几种。如果按照体积来算，那么有一半以上来自氧和氢，硅则是第三位，石英便是氧和硅的化合物。不过，虽然位居第三位，它也仅仅占了15%而已。除了这三种，我们熟悉的比如钙（石灰石中）、钠（海水和食盐中）、铁等，它们的总量也不过是百分之一到百分之二左右。

我们周围的景色是丰富多彩的，这些丰富多彩的环境中的99%是由12种常见元素构成的。这12种元素按照不同的方式化合、结合，便成了我们周围这些不同种类的矿物和生活用品。

但是，我们脚下的地球深层，情况也是如此吗？如果真的想要探明这个问题，我们就需要前往地心，进行一次非常困难的旅行。这次旅行的路程大概是6000千米左右，虽然困难，但是非常特别，并且充满着幻想。

1936年，我曾经去过捷克，去了那里的一个矿井。那个矿井很深，于是我也下到了地底深处。这里有一个没有顶子的电梯，我们就坐着这个电梯向下降，速度大概是8～10米/秒，能够清楚地感觉到风声和电梯轨道的响声，并且越往下走，空气就越潮湿，气温也越高。

几分钟过后，我们便到达了矿井底部。在这里待着会感觉非常不舒服，略微有点耳鸣，并且心跳加速。在这里，气温大概是38℃左右，空气非常潮湿，真的就和在多水的热带一样。不过，这仅仅是地下1300米而已，这个距离不过是我们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矿，也只有2500米深。人们的所有活动，全都受到了这样一层地壳的限制。

不过，人们非常想突破这层地壳，到一个新鲜的地方去，于是人们便用尽所能，将自己的眼睛武装起来，透视到了地壳的深处，去探究在我们脚下的到底是什么。不过，即便如此，我们探知的也仅仅是全部深度的五千分之一。

肉眼自然无法看到地壳深处，但是依靠机器的话，我们可以探知到比肉眼看的深得多的距离。最近，人们发明了一种金刚石钻机，这种钻机已经能够钻探到地下4500米的深处，然后将在这个深度的石头柱子提上来。不过，和地球半径相比，这4500米同样是微不足道的。[22]

大自然有的时候也会帮助人类，比如地质作用，它影响了地底的深处，然后会将地下的物质转移到上边。比如海洋深处的矿物会变成高不可攀的陆地山峰，熔化的岩石会因为裂缝等喷出地表。如果遇到了这些事情，科学家自然能够凭借一些地质方法研究它们。这也就是说，虽然一些矿物岩石并非是存在于地表的物质，有一些还是存在于15千米～20千米深处的，但是由于这些原因，科学家依然能够将这些石块和矿物带到研究室研究。

不过，相比6000千米的地球半径，这15千米～20千米还是微不足道。地球半径相当于圣彼得堡到外贝加尔赤塔之间的距离，而这15千米～20千米，仅仅是彼得格勒到近郊的列巴茨村这一小段而已。

那么，关于地表深处，我们到底知道些什么呢？地表深处是由哪些物质构成的呢？

之前的我们知道得非常少，不过最近科学家们倒真的发现了一些有用的信息，我们的视野也扩大了好多。我们得知，地球的比重为5.52，大概是水的5.5倍。不过，地壳上的石灰石、花岗岩、砂岩等常见岩石的比重要小很多，仅仅是水的两到三倍，那么也就是说，地壳深处的物质比重要比地表的物质大得多。除此之外，我们发现在15千米～20千米的地方物质含量和地表相比是有了一些变化，铁和镁等金属比地表高一些，于是我们便可以进行假设：地心处的物质成分会发生更大的变化。

但这远远不够，宇宙非常大，我们的地球仅仅是无数星球中的一个，于是我们便想着比较一下地球、太阳、其他行星和彗星。有一点非常奇怪，我们对地球的了解要远远小于对其他星体的了解。星体的碎片有时会落到地球上，它们被叫作“陨石”，我们研究这些“天外来客”时就会获得一些关于宇宙中物质的资料了。

最近，关于地震的研究给我们补充了很多新的宝贵知识，地震时震波或沿地表扩散，或穿透到地心深处，向各个方向传播。现在，我们假设日本的某处发生了地震，那么地震站的精密仪器就会接收到两个震波，一个来自地表，另一个来自地下。这些来自地下的震波在地下的传播速度并不相同，遇到不同的物质都会使震波的速度发生改变。这些震波在靠近地表的时候速度加快，但在远离地表的时候速度放缓，因为地表物质的密度比深层物质的密度要大一些。根据这些研究，可以确定地球在深处的密度变化乃至成分变化。

我们可以到原本想象不到的，压力极大温度极高的地方去旅行一次，不过要记住一点：我们在动身不久就会遇到炽热的熔岩，这些熔岩最开始出现的地点在30千米～100千米深处不等。如果我们继续向深处前进，这里的熔岩便会变成玻璃状的固态，虽然温度非常非常高，但却不是液态的了。

旅行的起点自然是地表。世界上的几块大陆成分大多是花岗岩，比重为2.5，其中含量最多的元素就是氧和硅，是地壳的最外层部分。然后，这些大陆都飘浮在黑色的玄武岩地带上，也就是说，花岗岩的下层是玄武岩。铁在玄武岩中的含量要明显高于在花岗岩中的含量，玄武岩的比重也比花岗大很多，约为3.5。如果再深入，到达地表下30千米，由于这里镭的化合物非常多，裂变发热，导致这里的物质全部变成了液态。

这种液态环境会一直持续到地表下1200千米左右，虽然从地表到这里的这段距离有很大一部分都是液态物质，但这里是地球岩石带的最底层。当经过岩石带继续向深处前进，就会发现一种密度非常大的、形态和特征都很像玻璃的岩石“榴辉岩”。

如果火山爆发，就有可能将这种榴辉岩碎块带到地表。在南非洲的几个著名的榴辉岩矿坑里，有极大的可能发现金刚石晶体。

现在继续向地底深处前进，1200千米～2900千米深处的地带为矿石带，在这一带堆积着大量的铁矿石，比如磁铁矿和黄铁矿等，并且其中还夹杂着一些含铬矿石和含钛矿石。由于在这些铁矿石中氧的含量很小，铁的含量很大，导致这里的矿石比重也很大，能够达到5或6。这里温度极高，但是矿石们依然会在高压的情况下保持着固态。

这一条矿石带差不多能够持续2000千米左右，当走过这个部分，我们就到达了地心。现在我们可以画出一幅大致的图来体现地球的构成了（图5），这个核的密度大约是水的11倍，是钢的1.5倍。其成分和矿石带相仿，大部分是铁，并且含量高达90%。其他则是一些镍金属和硫、磷、碳等。

既然如此，构成我们所生活的地球的主要成分是什么呢？起着重要作用的又是哪些元素呢？经过去地心的旅行，我们已经能够回答这个问题了：起着重要作用的元素按照作用的重要程度排列依次是：氢、氦、铁、氧、硅、镁、镍、钙、铝、硫、钠、钾、钴、铬、钛、磷、碳。

既然是这些元素形成了我们这样一个多样的地球，那么地球到底是如何形成的呢？为什么地球的40%以上都是铁元素呢？这些元素为何会这么分布？如果铁在地表附近分布的多一些，那么我们就不用担心铁荒，也就有足够的能力保证经济的发展了。

关于地球的形成，说法有几十种之多，其中有一种学说听起来是最可靠的：宇宙中的微小碎屑和尘埃聚集起来，形成了地球的雏形，之后这些碎屑尘埃越积越多，混杂在一起，熔化成一片，然后，密度大的元素沉积在中心，密度小的元素浮在表面，变为岩石带，于是就形成了现在的地球。

这个学说非常可信的原因是，研究表明其他天体的成分与地球是一样的。当然，我们对于天体矿物学仍然是知之甚少，就连距离我们最近的天体月球，我们也只能研究落在地球表面的岩石来推测月球的成分。虽然科学家们也知道一些彗星等天体上的矿物情况，但是这些了解到的知识都不全面。

月球、行星、彗星、太阳等恒星的矿物学是非常重要同时也是非常巨大的科研方向，目前，我们需要先将地球了解透彻，然后再将从宇宙中获得的各种矿物来进行比较研究。

我们到地心的旅行居然使我们的思维跳跃到了宇宙空间去了，不过，研究地球矿物的学者也并非是依靠猜测，去获得结论，而是用实践和分析来参透大自然的奥秘。到目前为止，似乎宇宙以及宇宙包含的星体都是由同样的12～15种元素构成的，其中最主要的同样是铁、硅、镁、氢、氧、氦等等。地球是宇宙的一部分，地球上的一些规律自然是宇宙规律的一部分。