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黃金的三生三世─從中子星碰撞到你我的手機
黃金從中子星碰撞中出生後,被太陽系招攬參與了地球的形成, 雖有幸逃過沉入地心,卻躲不過被隕石撞擊的命運。 之後,在地球幾十億年的火山活動中,逐漸形成金礦,變成人類的寵兒。
 
 

「大霹靂」釋出大量中子和質子,「恆星核合成」及「超新星爆炸」主要產生鐵和比鐵族輕的元素,「中子星合併核合成」則誕生金、鉑、鉛、鈾等比鐵重的元素和輕元素。星際物質帶著這些元素和微量的黃金,約46億年前參與太陽系及地球的形成與演化。黃金的濃度以ppm(百萬分之一)表示。(圖片中插圖來源:NASA)
▲「大霹靂」釋出大量中子和質子,「恆星核合成」及「超新星爆炸」主要產生鐵和比鐵族輕的元素,「中子星合併核合成」則誕生金、鉑、鉛、鈾等比鐵重的元素和輕元素。星際物質帶著這些元素和微量的黃金,約46億年前參與太陽系及地球的形成與演化。黃金的濃度以ppm(百萬分之一)表示。(圖片中插圖來源:NASA)

 

南非最大的黃金精煉工廠裡,閃閃發光的金塊從灼熱的熔金中凝固出來。阿金睜開眼睛發現許多人冒著渴望的眼神圍在自己周邊,心想終於來到夢寐以求的人類世界了,在這兒我金族同胞備受追逐崇拜。

 

回憶許多年前中子星發生碰撞,自己與同伴得以出生,但爆發的能量也讓同胞們飛過遼闊的時空,流浪在宇宙間。直到有一天它們被太陽系招攬參與地球的形成,阿金依稀記得許多同伴在熔融的地球裡沉入黑暗的地心。自己雖有幸留在地函和地殼裡成為極少數的原住民,但仍躲不過被無數外太空來的大小行星雨撞擊得粉身碎骨。不過,隕石落地的同時也帶來更多新的金族同伴,成為現今地函和地殼中黃金的主力。

 

經過許多年,金族同類一起歷經地函高溫高壓的千鎚百煉,並在岩漿及熱液的加持下,逐漸局部性地歸隊,最後在地殼各地群聚,其中有少數在地殼的變動後露出地表,得以出人頭地。然而,回首往事,「我們從哪裡來?我們是什麼?我們將往何處去?」,阿金自己也不甚明白。那就來看看科學家怎麼說吧。

 

黃金的誕生

 

宇宙中黃金是如何誕生的?長久以來一直是宇宙學家想了解的奧祕。本世紀初美國國家科學研究委員會曾提出物理學上十一個尚未能解答的問題,其中第三題就是─宇宙中比鐵重的元素(包括金)的形成機制及來源?金元素的誕生許久以來被認為是超新星爆炸的產物,2013年哈佛大學科學家更進一步提出可能是中子星彼此碰撞時產生的,但並沒有直接的證據。

 

一直到2017年世界各國的天文望遠鏡台在觀察宇宙中難得一見的中子星合併(碰撞)現象時,美國「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)首次量測到光譜的顏色及強度的變化。科學家從中推測出中子星合併時除產生輕元素外,同時誕生了大量的重金屬元素,如金元素等(參見動畫https://phys.org/news/2017-10-astronomers-cosmic-gold-precious-metals.html)。

 

依據哈佛大學天體物理學教授貝格爾(Edo Berger)的估計,這次碰撞大約產生了超過10個月球重的黃金,並推論單由銀河系裡無數的中子星合併所產生的金元素,就足以說明宇宙大部分的黃金量。

 

中子星是大質量的恒星,在演化的末期會經由引力坍縮而發生超新星爆炸,之後形成了有極高中子含量的星球。中子星體型雖小(半徑約在10至20公里),但密度很大,相當於原子核的密度,一湯匙的中子星物質在地球上的重量就約為50億噸。

 

LIGO天文台並於2015年首次量測到二大黑洞合併時發出的重力波,驗證了愛因斯坦廣義相對論的預測,其中3位科學家因此榮獲2017年的諾貝爾物理獎。這次(2017年)中子星合併現象中,科學家不僅再度確認重力波的存在,也量測到黃金等重元素的資訊。然而黃金元素是如何生成的? 為何只在特殊的條件下才形成?

 

宇宙混沌初開時發生的大霹靂(Big Bang)釋出了大量的中子和質子(氫核),這是一切元素的起源。化學元素的誕生啟動宇宙萬物的繁衍不息,宇宙也因此有了真實感。一般元素的生成機制目前已有相當的了解。簡單地說,中子與質子經由一系列的核融合(核聚變)與核衰變,會逐步合成各族元素及其同位素,同時釋出巨大能量讓恆星得以繼續燃燒發光,最後導致超新星的爆炸,這就是所謂的恆星原子核合成理論。但這理論只解釋了鐵元素或比鐵輕的元素的成因。

 

至於比鐵重的元素如金、鉑、鉛、鈾的合成機制則大為不同,因為核合成這麼重的元素需要大量的能源以及高密度中子的環境,二中子星合併可能是這類重元素的來源,如今也獲得證實。雖然其詳細的形成機制仍待進一步的研究,但阿金已尋到自己的根源,人類也終於明白他們鍾愛的黃金的部分身世奧祕。

 

流浪天涯的黃金

 

新生的黃金隨同其他元素遊蕩於宇宙間,形成所謂的星際物質。這時的黃金在宇宙元素中只約占6×104 ppm(1 ppm =百萬分之1),相較於宇宙其他元素如氫(75%)、氧(1%)、碳(0.5%)等的含量可謂是微乎其微。

 

星際物質帶著微量的黃金逐步參與銀河系各類星球的演化,黃金移民太陽系則是約46億年前的事。隨伴星際物質先形成原始行星盤,盤內的塵埃微粒進一步凝聚成微小的原始星體,再逐漸加大成小行星(隕石的來源)、地球及其他行星。從隕石的分析,科學家估算小行星的平均含金量約2 ppm,其中富含鐵的小行星含金量甚至可高達350 ppm,相較原始星際塵埃已濃縮了三千多倍。

 

西元1998年NASA發射了一艘太空船對近地第433號的小行星「愛神」(Eros)做近距離的探測,據估計它含有約200億噸的黃金,這計畫曾引發世人一波太空淘金的熱潮。的確,許多小行星的平均含金量已超過目前地球上值得開採的金礦品位,更何況小行星還含有豐富的其他高價值副產物如鉑、鎳、鈷、鈦等,這些都是地球金礦中所匱乏的。或許不久之後,人類從太空淘金、鉑等不再只是夢。

 

地球與隕石的混血

 

由小行星凝聚而成的地球,其黃金成分類似小行星的平均成分。然而地球形成初期,曾經整體熔化過,沉重而親鐵的金族元素會隨著鐵族元素沉入地心。據估計,地心的黃金量足以覆蓋地球整體表面約1.5英尺厚,但也使得當時地球地函與地殼的黃金非常貧瘠。不過,根據2013年英國團隊的研究,地球各地的地函深處熱柱上湧的岩漿中的黃金含量可比平均值高13倍,似乎越接近地心,地函的黃金含量越高。除殘留少數黃金可能未完全沉入地心外,是否還有其他原因呢?

 

地球早期上部地函與地殼中的黃金含量非常貧瘠,其證據可從一些格陵蘭島古老(45億年前從地函上來,變質年代是38億年)的岩石中找到。2011年《自然》(Nature)期刊就報導英國布里斯托大學的研究團隊針對這些古老岩石的鎢同位素研究,推論當時地球地函或地殼的鎢、黃金等重物質的成分的確非常貧乏。那麼,後來年輕岩石的高含量黃金是怎麼來的呢?

 

天體學家從月球上隕石坑和坑內撞擊致生的玻璃質做了定年研究,認為約41至38億年前地球也曾遭到無數隕石的大撞擊,這就是所謂的「終極撞擊」。撞擊帶來的隕石物質(包括黃金)經由地函物質對流而四散於地函裡,因此目前地函或地殼的黃金可說是兩世代黃金的混血兒,其中新移來隕石中的黃金的量(平均約2 ppm)遠超過原住的黃金量。不過,既使如此,撞擊後地函或地殼的黃金量也僅增加到0.1~0.6 ppb,仍然遠低於具開採價值的1~5 ppm。那麼,地球地殼今日的金礦又是如何富集的呢?

 
世界第二大的天然金塊名為「Welcome」,該金塊重量69公斤,長、寬、高各是49、15、15公分,西元1858年在澳洲維多利亞的金礦發現,之後不久就鑄成金幣。其複製品目前展示於哈佛大學自然歷史博物館,圖片攝於該博物館。
▲世界第二大的天然金塊名為「Welcome」,該金塊重量69公斤,長、寬、高各是49、15、15公分,西元1858年在澳洲維多利亞的金礦發現,之後不久就鑄成金幣。其複製品目前展示於哈佛大學自然歷史博物館,圖片攝於該博物館。
 

黃金的本質

 

黃金的組成是金元素,在周期表中其原子序是79。金元素屬於過渡金屬,但其化學性很不活潑,不易與其他元素結合成化合物,不生銹不易腐蝕,因此在自然界中多以金元素存在(自然金)。不過,金與類似的元素如銀、銅等可以互溶成固溶體(合金),因此自然金中多少都含有銀、銅等,含量多的俗稱「琥珀金」。

 

自然界所有的金都是晶質,是由許多金原子以立方最緊密的方式排列而成,其結構中最小可重複的晶格是面心正立方體,屬於等軸晶系。一般而言,自然金的結晶很小,外貌也很少呈現肉眼可見的晶體或晶面,大多以不規則的塊狀存在。世界上已發現最大的單晶大小只約高爾夫球般。

 

天然金塊大多由許多小晶體凝聚在一起(複晶)。已發現的自然金塊(俗稱狗頭金)中,最大前二名是19世紀末在澳洲維多利亞發現的,分別稱為「Welcome Stranger」及「Welcome」的金塊,其重量各是78和69公斤,可惜採集後不久就鑄成金幣。

 

黃金比重很大(19.3),但硬度略低(2~3),純金熔點攝氏1,064度,延展性很高,一枚一錢(約4公克)的純金戒指可以展延成約1.3平方公尺的金箔,或拉成11公里長的金線。黃金之所以有很高的延展性、導電性及導熱性,是因為其原子外層軌道的價電子並沒有被束縛(自由電子)。

 

當原子以金屬鍵聚在一起成為晶體時,自由電子會形成共用的電子雲或電子海。晶體受到敲打而滑動變形時,電子海也會隨著陽離子調整,並沒有強的阻力,因此容易變形而不易破裂。另外黃金的面心正立方體晶格結構也有助於其延展性。


地殼上3類主要的黃金源頭(示意圖):(1)由地函深處熱點的物質經由熱柱對流上湧帶來的,例如發生在太古代時的南非金礦的原礦體(科馬提岩,一種超高溫的超基性漿岩);(2)太平洋火環金礦帶是經由海洋地殼隱沒產生的火山活動帶來的;(3)中洋脊火山活動造成的金礦帶。
▲地殼上3類主要的黃金源頭(示意圖):(1)由地函深處熱點的物質經由熱柱對流上湧帶來的,例如發生在太古代時的南非金礦的原礦體(科馬提岩,一種超高溫的超基性漿岩);(2)太平洋火環金礦帶是經由海洋地殼隱沒產生的火山活動帶來的;(3)中洋脊火山活動造成的金礦帶。
 

地球世代的黃金

 

地球生成至今歷經了無數次地質變動,也造就了黃金輝煌多彩的第三世。黃金如同石油會從源頭經由移棲,逐漸濃縮聚集成礦。簡單說,岩漿從地函(源頭)攜帶著少量的黃金上湧的途中,經常會發生成分的改變 (稱為分異,類似蒸餾)。

 

黃金因為在化學上非常惰性,不能進入早期凝固的礦物結晶中,而會濃縮在後期岩漿或熱液中,最終在地殼淺處凝固,或偶爾噴出地表而形成礦體(原礦),這是多數地殼黃金礦的基本成因。不過,進入地殼後,個別礦床的成因實際上相當複雜,目前世界上幾類大金礦的形成模式,在地質科學的研究下漸漸揭開其面紗。真相的了解將有助人類發現更多的大金礦。

 

世界約一半的黃金來自南非 自從1852年英國探勘家戴維斯(J.H. Davis)在南非的威特沃斯蘭德盆地發現地球上最大的黃金蘊藏後,南非黃金累積的產量幾乎占全球的一半,是世界上單一礦區之最,也是世界最深的礦坑(地下近4,000米)。

 

這些黃金是在盆地沉積地層中發現的,多數棲息於古河床礫岩中的含有機物薄層裡,類似地表常見的沖積沙金的形成模式。地質學家追蹤南非黃金原礦是在盆地西北部高地,由地函深處上來的科馬提岩體中。之後,再移動到目前的位置。

 

至於它是如何移動的?是河流搬運沉積或是熱液帶來的?曾經眾說紛紜,一直到本世紀初,地球化學家利用定年法排除了是後期含金熱液滲入沉積地層的說法。

 
黃金由岩漿移棲到地殼後可再演變出各類形態(示意圖):(1)岩漿礦床:含金後期岩漿凝固;(2)熱液礦床:是地下含硫或氯離子的熱液選擇性溶解原礦中的黃金,滲入斷層或裂隙或地層後再沉澱;(3)次生礦床:原礦體經物理侵蝕搬運(河川或風沙),或含高硫化氫的酸雨淋蝕再沉澱。
▲黃金由岩漿移棲到地殼後可再演變出各類形態(示意圖):(1)岩漿礦床:含金後期岩漿凝固;(2)熱液礦床:是地下含硫或氯離子的熱液選擇性溶解原礦中的黃金,滲入斷層或裂隙或地層後再沉澱;(3)次生礦床:原礦體經物理侵蝕搬運(河川或風沙),或含高硫化氫的酸雨淋蝕再沉澱。
 

最新的看法發表在2015年自然期刊(地球科學)上:瑞士蘇黎世聯邦理工學院團隊的研究認為,南非的黃金礦是當時火山大噴發出的含硫氣體(硫化氫等)造成的酸雨從原礦中淋漓出黃金,再流到富含古微生物或有機物的地層被吸收還原而沉澱。但這種富集方式必須在大氣缺氧又有生物的環境下才能進行。根據研究,地球原始微生物在大約30億年前就出現了,當時大氣中的確缺少氧氣,一直到25億前年氧氣才大量出現,這之間的5億年正好符合這條件,也正是南非黃金礦沉積的年代,這個巧合造就了世界上最大的金礦。

 

太平洋火環的黃金 太平洋火環是環太平洋海洋板塊隱沒到周圍的板塊後造成的火山地震環帶,同時造就了地球上大規模的金、銀、銅共生礦體的黃金環帶,包括日本、台灣、菲律賓、印尼、巴布亞新畿內亞、阿拉斯加,以及南北美洲西部的金銅礦。

 

火山活動後期岩漿熱液中富含金、銀、銅、硫、矽等離子,當這些熱液或蒸氣上升滲入或噴進斷層或裂隙中,而沉澱成含金岩脈或筒狀。至於為何會沉澱?主要是因為溫壓的改變使得金、銀、銅的溶解度降低,或金─硫的複離子分解。2013年《自然》期刊報導澳洲昆士蘭大學研究團隊發現,地震造成斷層內水壓的上下波動也會觸發含金石英脈的形成。

 

這類熱液型的金礦包括1963年才發現的美國內華達州卡林金礦區,是世界第二大的黃金礦區,僅次於南非。2011年內華達大學的研究團隊認為,這金礦源自上部地函的岩漿,上升至地殼約10~12公里處,逸出含金而富硫化氫的礦液在淺處沉澱而成。台灣(金瓜石九份)、菲律賓、印尼,以及最近(2017)發現有望成為中國最大的山東西嶺金礦等也屬於熱液型。有時火山帶的地表水滲入地下,受熱溶解金屬離子,再沉澱於噴氣口形成淺成低溫熱水型礦體,例如日本最大的菱刈金礦。

 

另一類是含礦液的岩漿在地下深處局部凝固成礦,形成所謂的斑岩銅礦,以銅為主黃金為副,是世界上銅物料的最大來源。它也是重要的黃金來源,包括美洲西部的大多數金銅礦,例如美國、智利、祕魯的大金銅礦,以及目前世界年產量最大金礦之一的印尼格拉斯堡金礦,又台灣海岸山脈的奇美金銅礦床也屬於這一型。

 

海底火山的金庫 地球廣大海洋中連綿千里的中洋脊火山區,以及島弧盆地等海底火山,是人類未來的另一資產,包括黃金、銅、鋅、鎳等,但目前仍未具經濟價值。不過,在地球漫長的歷史中,大自然已幫了人類一個大忙,把其中部分推上陸地成為硫化物礦床。這類礦床規模不大,但產量分布全球,雖以產鋅和銅為主,是世界22%鋅料的來源,但附帶產出的黃金也占了世界黃金產量的2.2%。


近年來黃金在奈米科技上也占有一席之地,用於半導體、觸媒、生醫、藥學等領域。(圖片來源:種子發)
▲近年來黃金在奈米科技上也占有一席之地,用於半導體、觸媒、生醫、藥學等領域。(圖片來源:種子發)
 

人類世代的黃金

 

阿金如今已出人頭地,燦爛的前途就在眼前。然而,太多未來之路卻也讓阿金遲疑難以抉擇。阿金可以像有些前輩般做為人類的飾物而風光傲人,黃金是古今中外人類所喜愛,可做為裝飾、首飾、金絲、刺繡等。金箔也常用於宮殿、寺廟及教堂,近年來更廣泛應用於藝術、飲食等。

 

阿金也可以選擇做世界經濟的中流砥柱,留守在各國央行的儲備金庫中(約占全球累積產量的20%),穩定各國金融。讓阿金擔心的是虛擬幣的出現,未來是否會取代黃金貨幣的地位?以及各國正在開發的小行星採礦技術是否會讓金價崩盤?

 

黃金在人類高科技產業中也不曾缺席,其用量約占黃金年產量的12%。黃金的高導電性、高散熱性、易延展性和抗腐蝕性,使它成為電子產品的最佳選擇,尤其在關鍵的電線接觸點或微型電子裝置、手機、晶片上。近年來黃金在奈米科技上也占有一席之地,用於半導體、觸媒、生醫、藥學等領域。

 

根據聯合國報告,到2017年全球電子廢料可達5千萬噸,價值約190億美元,其中90%被非法買賣或棄置。2017年日經亞洲評論報導,日本三菱材料公司預計到2021年每年可處理20萬噸的廢料;2020年東奧的金、銀和銅牌,也規劃要使用從電子廢料中提煉的材料。美國地質調查所估計從1噸廢棄電子廢料中回收的黃金,要比從17噸的黃金礦石中採出的還多,電子廢料被稱為「都市裡的金礦」並不為過。

 

然而,阿金最大的願望是做為太空設備的零件,因為可隨著它們奔回金族的原鄉。黃金是要求持久性及零故障的太空電子儀器的最佳材料,也是做為太空人的護鏡或太空艙窗戶的不二之選。黃金對紅外線及紫外線的高反射率,同時對可見光有適度的透光性,在太空強烈的日光環境下,既可保護太空人的眼睛,又可讓太空人能眼觀四方。

 

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