未來(lái)可能會(huì)耗盡的元素資源有哪些？

看到有人說(shuō)元素不會(huì)耗盡的，感覺(jué)應(yīng)該是受質(zhì)量守恒的影響，覺(jué)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(jué)）。實(shí)際上這個(gè)問(wèn)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(ài)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(guó)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?zhuān)⑦@一過(guò)程通過(guò)類(lèi)比生物細(xì)胞的生物裂變進(jìn)行命名。在裂變過(guò)程中，除了會(huì)釋放α粒子、β粒子、γ射線(xiàn)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(lèi)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(guò)釋放超過(guò)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(lái)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(lèi)則接近3000種（由于人工合成新的核素，未來(lái)的種類(lèi)會(huì)更多）。

數(shù)據(jù)來(lái)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(méi)有那么多種類(lèi)的核素，更重要的是重核元素的含量不高（見(jiàn)下圖），其富集程度也無(wú)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(wú)增的過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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)使用燒紅的鐵球的完全冷卻的時(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(kāi)始要早，其答案依然有較大問(wèn)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(jiǎn)化為更容易散熱的鐵球外，沒(méi)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(jiàn)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(shū)（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(wèn)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找礦。對(duì)于元素如何富集成礦，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(guò)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(lái)變化的參照標(biāo)尺。

下圖所展示的就是我國(guó)百萬(wàn)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(guó)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)勘查方法要低得多，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(guó)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(jiǎn)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(jiàn)勘查工作中的成礦礦段，是不是遠(yuǎn)比看到過(guò)的哪些石墨標(biāo)本要差的遠(yuǎn)，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(kāi)采的位置。人類(lèi)目前最深的礦井是南非的Mponeng金礦礦井，開(kāi)采深度超過(guò)了4000米，但可以達(dá)到這種條件的富礦是極為罕見(jiàn)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(kāi)采深度都不超過(guò)1000米。所以說(shuō)，如果不滿(mǎn)足這些條件，即便有元素富集，那么還是難以滿(mǎn)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(zhǎng)的過(guò)程，其最原始的元素富集應(yīng)該是地球的吸積過(guò)程中的篩選，如同描寫(xiě)盤(pán)古開(kāi)天辟地那樣，陽(yáng)清為天（輕核素上升），陰濁為地（重核素下沉），元素在平面上的分布應(yīng)該是更均勻的。有今天這種元素布展，則是三大巖通過(guò)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(guò)，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(lái)，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(méi)有巖漿熱液，沒(méi)有區(qū)域變質(zhì)，沒(méi)有高溫重結(jié)晶，沒(méi)有……形成的礦床種類(lèi)變得更少。所以到時(shí)候，即便很多輕元素沒(méi)有消耗，但我們依然無(wú)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(lái)，人類(lèi)的生產(chǎn)力發(fā)生了巨大的變化，人類(lèi)從化石燃料中找到了巨大的能量，然而也于此打開(kāi)了潘多拉的盒子。長(zhǎng)久以來(lái)，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(wàn)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(lèi)的活動(dòng)能力增強(qiáng)，開(kāi)采化石類(lèi)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(wú)窮無(wú)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(lèi)可能是致命的，像這種情況，碳元素即便沒(méi)有消失殆盡，但已經(jīng)超脫了人類(lèi)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(lèi)發(fā)展的永恒話(huà)題

當(dāng)然，這是以目前的科學(xué)技術(shù)水平所遇到的問(wèn)題，而當(dāng)今我們所遇到的問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是對(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(shuō)，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?lèi)則不好說(shuō)。