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金属矿床成因思想发展简史Ⅱ-黎明之光 精选

已有 2071 次阅读 2021-4-11 11:00 |系统分类:科普集锦

欧洲在经历了漫长的中世纪“黑暗时代”后,先后迎来了文艺复兴、宗教改革与启蒙运动,从而冲破了封建神学的思想束缚,赋予了人类自由、平等与民主的权利,科学与之相伴也发生了翻天复地的变化,一场轰轰烈烈的科学革命应运而生。英国爵士培根(Bacon)倡导的以观察和试验为基础的归纳法与法国数学家笛卡尔(Descartes)倡导的以逻辑和推理为基础的演绎法的融合构成了现代科学研究的理论基础。研究地质的学者也开始降尊纡贵,放弃原来的“逍遥派”与“经院派”推崇的旧有逻辑观念,改用“有失尊严”实地观察的方法来重新认识大自然的奥秘。而对于与矿山打交道的人而言,更是有机会与矿脉零距离接触,从而对矿脉的特征进行详细描述,对矿脉的成因进行合理推断。如果说法国奥弗涅火山是压死玄武岩水成论的一方棺木,德国萨克森矿石山则是矿床理论衍生的一轮朝阳。

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行僧更在青山外(来自网络)

现代矿床成因理论起源于16世纪,至18世纪末“水火之争”前基本处于推想时期,也就是本文所称的“黎明之光”。此阶段对矿床成因的研究有宏观与微观之分,前者主要从地球形成的观点兼谈金属矿脉的形成,后者则从具体矿脉入手,通过详细观察合理推断矿脉出处。从宏观角度出发研究地球系统的学者统称为宇宙哲学家(cosmic philosopher),宇宙哲学家虽然不是现代意义上的地质学家,但他们提出的有关地球演化的理论无疑对具体研究矿床的人产生了一定的影响。

宇宙哲学家的代表人物之一是“我思故我在”的法国数学家与哲学家笛卡尔,他认为地球和太阳一样是一颗燃烧的星球,虽然表面不断冷却若冰,但是内部依然炙热如火,从而引发地壳深部的水向上渗透进入浅部错动导致的裂隙,充填形成矿脉。这种思辨性“地球理论”的研究和提出建立在机械论原则基础之上,时间尺度也较为短暂。几乎与笛卡尔同时代的丹麦医生斯蒂诺(Steno),花费了大量时间精力研究地质现象,他是第一个用归纳法研究岩石成因与地壳变化的先驱者,他认识到,充填矿脉的裂隙比围岩形成时间晚,矿脉充填是地球内部“蒸汽”冷凝的结果,他的这一先见性的认识长期为人们忽略直至19世纪上半叶才引起有关地质学家的注意。微积分的发现者之一德国数学家与哲学家莱布尼兹(Leibnitz)受笛卡尔与斯蒂诺的启发写了一部有关地球起源的著作,尽管事实基础有限,但概念上具有天才的印记,他认为矿脉是火引起的岩石液化或水充填的结果。法国伟大的哲学家布封以《地球理论》与《自然时代》在科学界广受关注,其见解想象力丰富,但却缺乏持久性。他认为山脉中的裂隙为收缩而成,矿脉分为原生脉与次生脉,前者形成于高山,为持久热作用下可玻化物质充填所致,后者形成于山麓,为水作用下非玻化物质充填引起。

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笛卡尔与其地球演化理论(来自网络)

E处上下为水出现位置,详细解释见文献[3]

微观矿床具体研究主要集中于两方面:矿脉与围岩的相对关系以及矿脉的充填方式与原因,这期间有关成矿作用的思想理论多有些儿模糊与幻想。德国医生阿格里科拉(Agricola,意为“农夫”)是现代矿床研究的肇始者,他曾于1523-1533年间在波西米亚(现在的捷克)盛产银矿的约赫姆塔尔(Joachimsthal)担任药剂师。许多工人因为采矿得了肺病,阿格里科拉认为要找到病因,必须熟悉矿业生产流程,同时他也对矿石及其加工产生了浓厚兴趣。他通过敏锐观察、精细描述撰写了一系列有关矿物、采矿与冶金的书籍,成为此后几个世纪的标准教材,即使到今天仍然有许多可取之处。他将矿脉分为节理脉、小分支脉、大脉与脉系,并对它们的规模、位置、穿插关系等进行了清晰阐述。根据观察结果,他否决了矿脉与围岩同时形成、星体对金属形成具有影响等观点,虽然他倾向于矿脉充填物质来自于流经围岩的循环水,但实际中更热衷“石化浆”(lapidifying  juice)带有亚里士多德色彩的旧有观点,“石化浆”具有吸收土质、腐蚀金属的能力,虽然表面上很像“含矿溶液”,但本质上更接近于“体液”概念。

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阿格里科拉及其《论金属》英文版著作封面(来自网络)

在阿格里科拉后的一个多世纪里,几乎没有与矿床有关的专著问世,但到17世纪末,对矿床成因的兴趣又开始苏醒。大多数人的观点都很奇怪并缺乏建设性,只有少数常年与矿山打交道并勤于思考的人的见解才极具启发性。

Rosler是最早有记录的矿长,他认为矿脉与普通岩石裂隙的区别仅仅在于它充填了金属矿物,但没有就其成因给出解释。医学教授Becker认为矿脉物质是深部一些“蒸汽”作用于围岩,浸出的物质聚集于裂隙中。化学家Henkel进一步设想,某些类型的岩石充当了矿脉物质的母岩,也即今天的“矿源层”。另一位化学家Zimmermann则认为矿脉物质与围岩物质相同,是通过含盐溶液将其收集,然后充填于裂隙中。以上诸人都认为矿脉物质与围岩同宗,通过某种物理化学作用将其汇聚于裂隙中,可称为“转化理论”(conversion theories),这种理论暗示矿脉的形成要晚于围岩。

Von Trebra,一位矿山负责人认为“转化”发生于湿热引起的缓慢变化,岩石中的一种物质被带走,另一种物质取而代之,他把这种作用力称为“发酵”(fermentation),旨在表明是一种未知的力量产生了岩石中的化学变化。DeliusGerhardLasius有着同样的想法,即矿脉晚于围岩,由循环水带来成矿物质。Lasius认为循环水中含有碳酸等溶剂,这样才有能力从流经的岩石中收刮金属成矿物质,这一点已经与现代观点很接近,但是他又怀疑岩石中是否有金属物质或溶剂是否具有把一个地方遇到的物质变成铅,另一个地方变成银或其它金属的能力。

更有价值的是Von Oppellde Charpentier的工作,Von Oppell是第一个区分层状矿体与脉状矿体的人,也是第一个使用“stringers”(细脉)的人,用来描述主脉的分支小脉。他认为岩石中的断裂由剧烈振动和大规模干裂形成,而后为矿脉充填。Charpentier既是一位细心的观察者,也是一位谨慎的理论家,他一直在自己的工作中秉承“自然历史从对自然现象的真实而准确的描述中总是会得到更多东西,而不是从提供给它们的许多过早的解释中”的原则。根据多年对矿山的广泛观察,他提出了许多论据借以反对当时流行的理论:矿脉曾经是收缩而成的张裂缝,后来被周围岩石流入的物质填充并硬化。反对理由如下:(1)在矿脉形成的条件下不可能存在张开或空旷的空间,压力会使它们闭合。(2)矿脉中的围岩碎屑无法得到合理解释,如果它们只是掉入裂缝中,应该在底部聚集成堆。(3)矿石的相对均匀分布,不同方向矿脉穿插处品位变富,从矿脉到围岩物质的逐渐变化等都不能用收缩理论给出满意答复。他认为大自然作用在岩石中产生了不计其数的小裂缝,当这些裂缝聚集在一起并方向一致时,来自深部“蒸汽”携带的矿物质就会渗入这些裂隙,沉淀形成矿脉,好像植物汁液从毛细管中上升。

以上陈述表明,许多早期的研究者已经充分认识到矿脉的形成晚于围岩甚至裂隙,只是什么原因引起的充填莫衷一是,浅部循环水、深部来源气体冷凝是他们最喜欢的答案,下降论与上升论已经浮出水面,此后几个世纪直到现在也未发生根本改变。

参考文献

1.Frank Dawson Adams.1954.the birth and development of the geological sciences.Dover Publications

2. S.F.Emmons.1904.Theories of ore deposition historically considered(Read before the Society December 30, 1903). Bulletin of the Geological Society of America,Vol.15:1-28

3.戴维·R·奥尔德罗伊德著,杨静一译.2005.地球探颐索隐录-地质学思想史.上海世纪出版集团

4.理查德·福提著,齐仲里、王富滨译.2010.地球简史.中央编译出版社

5.雷·斯潘根贝格、戴安娜·莫泽著,郭奕玲、陈蓉霞、沈慧君译.2013.科学的旅程.北京大学出版社

6.凯瑟琳·库伦博士著,当当译.2007.地球科学-站在科学前沿的巨人.上海科学技术出版社

7.南森·巴伯著,周京京译.2013.欧洲史-了解欧洲大陆形成中的民族、政治、斗争.经济科学出版社




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3 史晓雷 黄永义 周忠浩

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