地球的金礦床

圖／董國安提供

具有明亮光澤及延展性極高的金屬「金」，被應用於貨幣、珠寶、藝術品、或是應用於工業的電子零組件，抑或是醫學上的假牙，「金」存在於生活中的各個角落。長期以來科學家都希望透過特定的方法，將金屬轉化成黃金。然而，以現今的技術及科學知識，「金」並無法從其他元素轉化而來。以下將對「金」的來源進行進一步的探討。

地球的生成與金的關係

「金」的原子序為 79 ，化學性質不活潑。地球在 46 億年前形成之初，並沒有分層的現象，然而在隕石的撞擊與放射性元素的衰變下，地球的溫度逐漸增加。因溫度上升，存在於地球內部的元素產生熔融。當溫度開始下降，又因冷卻與重力的交互作用，鐵、鎳等重元素逐漸下沉，形成密度較大的地核；矽、鋁氧化物等較輕的物質則升至表面而組成最外部的地殼；比重介於兩者間，富含鐵、鎂的矽酸鹽類則形成地幔。純金的比重 19.3 遠大於鐵的比重 7.8 ，在地球形成之初，理應伴隨著重元素一起進入地核，但截至 2014 年底，人類總共已開採 18.36 萬公噸（相當於 9513 立方公尺）的金，究竟它是從哪裡來的呢？

地球金礦的來源

金具有親鐵性，鐵隕石的含金量比一般的岩石高 2 至 3 個數量級。金在地核的豐度約為 2.6 ppm、在地函約為 1 ppm、在地殼為約 0.002 ppm，地球形成之初， 99 % 的金進入地核。然而，為何在地函中發現比預期高的含金量？

地球形成後期（重轟炸期，如磒石撞擊，約 38 億年前），拜小行星撞擊事件所賜，金元素便隨著撞擊事件進入地函。此論點藉由鎢同位素的分析獲得證實。放射性同位素 ¹⁸²Hf（鉿）衰變為 ¹⁸²W（鎢），其半衰期為 8.9 百萬年。地球形成初期，大部分的鎢隨著鐵、鎳進入地核；而 Hf（鉿）則留在地幔之中。地核中沒有 ¹⁸²Hf 衰變產生的 ¹⁸²W ，而地幔中的 ¹⁸²W 卻隨著時間不斷的增加，因此兩者的 ¹⁸²W / ¹⁸⁴W 比值產生差異。鐵隕石的成分為小行星的鐵、鎳核心，與地核的成分相似，同樣也具有較低的 ¹⁸²W / ¹⁸⁴ W 比值。格陵蘭的岩石擁有 37 億年的歷史，分析格陵蘭與現代岩石樣本，發現格陵蘭的樣本擁有較低的 ¹⁸²W / ¹⁸⁴W 比值。此現象指示，隕石撞擊地球，不僅本身釋放高含量的金、鎢元素，影響地球岩石內 ¹⁸²W / ¹⁸⁴ W 比值；其巨大的撞擊力也間接促使地幔的對流，帶來了珍貴的禮物「金子」。

金礦的成因及形成環境

「礦床」為地殼中的具經濟價值的元素或礦物，因特定地質作用而富集，其規模具有經濟價值並是可開採的集合體，以目前金礦開採技術，品味 0.03 – 0.3 ppm （每一噸礦石中所含之克金屬）即具開採價值。金礦床成因主要受到 1. 岩漿、 2. 熱液、 3. 沉積等地質作用交互影響而成。形成的礦床類型有以下幾種：a. 班岩型、b. 淺層熱液型、c. 造山型或侵入型、d. 卡林型、e. 火山硫化物型、f. 鐵氧化物-銅-金型、g. 砂金型等 7 種類型，各類型金礦蘊含量如下圖所示。各類型金礦床所形成地質構造環境如下次圖。

金礦主要形成年代

以地質年代來說，金礦主要形成在中太古代、晚太古代、早元古代。地球發展早期，地殼的金豐度較高，因此在太古宙的綠岩帶中，其火成岩組成為鐵鎂質或超鐵鎂質，金的豐度高於地殼的各類岩石。金在地殼中的豐度極低，又具有親硫、親鐵及高熔點等特性，因此要形成具工業價值的礦床，往往需要成千上萬倍的富集並長時期的積累，與多次的成礦作用，所以前寒武時期金礦蘊含量高且成因單純，中 – 新生代金礦蘊含量較少但成因複雜。地球目前金礦資源豐富的國家分別為：南非、俄羅斯、美國、加拿大、澳大利亞及中國。這些國家的金礦床形成年代與類型各不相同，以下介紹不同年代的礦床生成方式。

A. 太古宙（Archean）

距今 40 – 26 億年間，金礦床主要發育於綠岩帶（Greenstone belt）內。此類礦床受變質熱液作用產生，古老地盾區岩石受鐵鎂質火成岩的侵入，高溫使礦體內的金伴隨著熱液流動，最後含金的溶液流入岩體的裂隙岩石中，經冷卻與沉澱形成含金的礦床。此類礦床分布廣泛、規模大，礦體延展穩定，礦石成分主要為金 – 石英、金 – 黃鐵礦。分布於加拿大、南非、印度、澳洲西部及南美洲南部。

B. 元古宙（Proterozoic）

距今 25 – 5.4 億年間，於綠岩帶內形成的金礦床，在風化作用下經過剝蝕、搬運和沉積，形成巨大的礫岩型金礦床，而此類礦床中之礫岩成分主要為石英。此類礦床分布受限於綠岩帶附近的古老陸臺上，因此僅出現在南非蘭德地區、加納、巴西、加拿大等地。除此之外，元古代尚有少數沉積變質型金礦，這類礦床為海底火山噴發時，沉積物中的金在變質作用中得以遷移並聚集而成。

C. 古生代（Paleozoic）

距今 5.4 – 2.5 億年間，金礦規模不大，分布也較為侷限。礦床的發育主要受構造岩漿活動影響，因而形成多種熱液礦床。礦石成分含括金 – 石英、金 – 石英 – 硫化物、玉髓、重晶石等。

D. 中 – 新生代（Mesozoic、Cenozoic）

距今 2.5 億年至今，此時期全球構造活動加劇，在島弧邊緣和陸塊外側出現新的構造岩漿活動區，岩漿也將地幔中的金帶至離地表較近的岩體中，生成環太平洋金礦帶。環太平洋金礦帶可區分成東帶與西帶，東帶北起加拿大南至智利，有斑岩型金銅礦床、熱液型礦床；西帶北起日本南至紐西蘭，主要為金屬硫化物礦床、熱液型脈狀金礦床。

結論

• 地球的金礦除了早期隱沒於地核內，大部分為隕石撞擊所帶來。
• 地球多數金礦儲藏於中太古代綠岩帶內，綠岩帶金礦床占全球金礦產量 60 %以上。
• 從太古宙至中-新生代，礦床的規模逐漸變小，礦床的類型增加，礦床內的礦石組合更加多元。