未來可能會耗盡的元素資源有哪些？_風聞

出品：科普中國

製作：荊博

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

看到有回答元素不會耗盡的，感覺應該是受質量守恆的影響，覺得元素不生不滅，在化學反應前後物質的量保持不變（回到高中的感覺）。實際上這個問題是比較難以回答的，因為從不同的角度出發就會得出不同答案。

重元素逐漸減少

雖然在1905年愛因斯坦就發表了著名的質能方程，但直到1938年12月17日，德國人奧托·哈恩和他的助手弗裏茨·斯特拉斯曼才發現了重元素的核裂變，並在1939年1月弗裏施等人對其原理進行解釋，並將這一過程通過類比生物細胞的生物裂變進行命名。在裂變過程中，除了會釋放α粒子、β粒子、γ射線等，還會釋放巨大的能量，這是因為基於質能方程，裂變前後物質的質量發生變化，元素的總結合能小於裂變前的重核素。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，並通過釋放的超過係數為1的α粒子進而促進反應急劇進行的鏈式反應。單從元素的角度來講，由於同位素的存在，穩定存在的核素大概為90種，而不穩定的核素種類則接近3000種（由於人工合成新的核素，未來的種類會更多）。

數據來源：公共統計信息領域

值得慶幸的是，在自然條件下，沒有那麼多種類的核素，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生鏈式反應，而是以自然衰變的形式進行。

地球相對丰度

同時，由於元素的形成，主要是大爆炸和恆星爆炸等條件下形成，對於地球而言，重核素的形成難以為繼，在總量上是一個有減無增的過程，按照這種情況，地球上越是重的核素越先會被耗盡，特別是原子序數大於100的元素，含量極小，半衰期短，照此理論會以一個較快的時間耗盡，這其中就有我們較為熟知的鈾，而核電和製造核武器又消耗了大量的鈾元素，如果不是因為還存在較為穩定的鈾同位素，其含量一定要比現在還要低得多。所以在理論上，最先消失的自然元素就應該是自然界中存在的原子序數93和94號元素，≈作為超鈾元素，鎿（Np）和鈈（Pb）其痕量的伴生在鈾礦中。

數據來源：公共統計信息領域

不要小看這些核素裂變反應，雖然其丰度已經屬於超低範疇，但作用巨大。地球的內部熱量來自行星吸積的殘餘熱量（約20％）和放射性衰變產生的熱量（80％）。這些熱量主要是由丰度相對較高的鉀-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致地球中出現多處熔融的現象，是構造運動的重要動力。

歷史上，布豐曾經使用燒紅的鐵球完全冷卻的時間嘗試推斷地球的年齡，得出75000年，遠比聖經中記載的從公元前4000年創世紀開始要早，其答案依然有較大問題的原因除了因為當時對地球大小測定不準和將地球簡化為更容易散熱的鐵球外，沒有考慮地球內部放射熱的持續供給也是一個的重要的原因。在地球歷史早期，在半衰期短的同位素耗盡之前，地球的熱量產生要高得多，地幔對流和板塊構造運動也比今天的速率大得多，並形成了一些罕見的火成岩。所以，整體上地球火山地震運動會以一個逐漸變緩變弱的趨勢變化，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》一書

輕元素難以利用

但在實際生活中，我們要遇到的問題要遠超於此，因為我們要利用的元素，必須要以富集的形式才能利用，換而言之就是需要成礦。對於元素如何富集成礦找礦，有着非常多的理論和實踐經驗，基本理論涵蓋了地質學，地球物理和地球化學三大地球科學學科。如果單純從元素角度：

首先是元素富集，從20世紀30年代初期，在前蘇聯和斯堪的納維亞誕生了勘查地球化學，建立了原生和次生分散暈理論，並根據這些元素分散軌跡或分散模式去追蹤和發現礦牀。

引用：地球化學探測:從納米到全球

僅僅發現元素富集是不夠的，還需要富集的程度夠高，範圍夠大，為此我們通過建立地球化學基準，目的是用系統的網格化採樣，獲得地球化學基準圖，作為衡量化學元素區域丰度水平和未來變化的參照標尺。

下圖所展示的就是我國百萬比例尺的不同元素地球化學圖中的銅元素，紅色區域代表高富集地區，你也不難理解為什麼我國的大型銅礦牀普遍在雲南發育，這種地球化學勘查方式由於只採取地表化探樣或水系沉積物就可以，勘查成本較傳統勘查方法低得多，對於圈定靶區有着巨大的優勢。

各種各樣的地球化學圖件

富集的元素還需要合適的表達形式，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，也是有區別的（石墨烯，你坐下），其可以分為緻密結晶狀石墨、鱗片狀石墨和隱晶質石墨，在實際的勘查生產中還會有更細緻的劃分。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，才有進一步應用的價值。下圖是常見勘查工作中的成礦礦段，是不是遠比看到過的哪些石墨標本要差的遠了，規模生產更是以噸或者千噸為單位，這就是選礦工藝的意義。

含鱗片狀石墨的岩心

最後這些還需要藴藏在一個能夠開採的位置。人類目前最深的礦井是南非的Mponeng金礦礦井，開採深度超過了4000米，但可以達到這種條件的富礦是極為罕見的，而我們現今的大型礦山出於經濟性和安全性的考慮，開採深度都不超過1000米。所以説，如果不滿足這些條件，即便有元素富集，那麼還是難以滿足我們生活生產的需求。

南非Mponeng金礦

我們再討論元素的富集。元素的富集是一個漫長的過程，其最原始的元素富集應該是地球的吸積過程中的篩選，如同描寫盤古開天闢地那樣，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佈應該是更均勻的。有今天這種元素布展，則是三大巖通過沉積、變質和岩漿三種基本地質作用，影響元素的富集。

上一節我們曾設想過，如果重核素消耗殆盡，那麼地球內部的温度就會下降，那麼地球的地質運動就會減少直至消失，雖然這樣一來，地球的火山地震的災害會減少，但是這樣的結果會影響元素的富集，原本影響的三大地質作用就只剩下了沉積作用，沒有岩漿熱液，沒有區域變質，沒有高温重結晶，沒有……形成的礦牀種類變得更少。所以到時候，即便很多輕元素沒有消耗，但我們依然無法利用，這些元素名存實亡。

碳循環被打破

自工業以來，人類的生產力發生了巨大的變化，人類從化石燃料中找到了巨大的能量，然而也於此打開了潘多拉的盒子。長久以來，地球一直物質之間存在着動態的平衡，與我們息息相關的C等元素更是如此。

以碳元素為例，自然界碳元素主要位於大氣、海洋、生命體和岩石圈中，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，岩石圈中的碳元素交換速率最低，週轉時間以百萬年計，但碳元素以固定碳的形式存在，密度最大，也是藴含碳元素比例最高的部分。隨着人類的活動能力增強，開採化石類能源礦產，大大加速了岩石圈中固定碳的釋放，打破了原有的循環速率，並對地球氣候環境產生了許多影響。雖然海洋可以平衡其間的循環，但其能力不是無窮無盡的，一旦海洋的平衡能力不能彌補碳循環的出現的差值，屆時對環境的影響對人類可能是致命的，想這種情況，碳元素即便沒有消失殆盡，但已經超脱了人類的控制，等同於元素資源耗盡。

二氧化碳含量變化對温度影響計算機模擬圖

能源才是人類發展的永恆話題

當然，這是以目前的科學技術水平所遇到的問題，而當今我們所遇到的問題實質上對能源的需求，這將是我們永恆的桎梏，所以，元素耗盡不耗盡不好説，但擺在前面兩條路，一條是我們努力奔跑，掙脱這個桎梏，另一個就是我們奔跑的不夠努力，地球自身會讓我們變得理智，至少短時間，地球並不會消失，而我們人類則不好説。