除了一些露出地表的矿藏,其作业面不在地下之外,其余大部分的矿藏由于埋深的原因,都需要挖出一定深度的矿洞,矿工通过相应的坑道进入地下作业区,与采掘的机器相配合完成采矿工作,因此在地下开采作业时,如何有效地保障矿坑的安全性,成为矿产资源开发过程中必须时刻面对的重要问题。
近期,山东栖霞笏山金矿发生塌陷事故,部分矿工被困井下,全国人民无不为之牵肠挂肚。好消息是目前地面营救人员已经与井下被困矿工取得了联系,22名矿工全部安全,救援的生命保障物资已经源源不断运送到井下,相关营救工作正在紧张有序地开展过程中。那么,在金矿地面以下600米深处的温度如何,在那么深的地方是否存在大量积水,我想肯定很多人都有如此疑问。
宇宙中金元素的形成
金元素的形成,如果一直往历史深处追溯,归功于恒星的核聚变以及超新星的爆发。大质量的恒星,在进入生命末期之后,由内向外的组成物质会呈现明显的分层结构。这种结构的产生,主要原因在于元素在恒星内部产生,需要相应的高温高压环境,而且元素越重(原子序数越高),则所需要的高温高压环境就越苛刻,像太阳这么大的恒星,在生命末期最内层只能聚变到碳就停滞不前了。
对于更大质量的恒星来说,由于元素铁的比结合能最高,这就意味着生成金元素所吸收的能量,要比核聚变产生金元素所释放的能量要高,恒星内部的核聚变就不能可持续进行,到此为止了,所以大质量恒星在生命末期时,内核基本上可以视为一个巨大的“铁球”。
大质量恒星在生命末期,往往会发生超新星爆发,大量恒星内部物质(铁及原子序数在铁以下的众多元素)被抛撒到宇宙空间中,在爆发瞬间产生的高温要比恒星主序期内高得多,通过快中子俘获反应,这些元素与快中子发生结合,形成许多比铁还要重的元素,其中这些重元素就含有金。
金矿的形成
在太阳形成以后,没有被太阳吸聚的星际物质,就会在与太阳不同距离处,逐渐聚合成行星的固态内核,同时继续吸聚那些剩余的轻物质,最终演化为太阳的不同行星。包括金元素在内的重金属,由于比重较大,在行星形成以及逐渐冷却期间,会慢慢地向深处沉积,绝大多数都被包裹在地球的近地核区域。
大约在26亿年前,随着太古代全球性大规模的火山喷发,包括金在内的一些重金属元素,随着岩浆的运动,一部分就带到地幔和地壳中来,形成地球最初的金矿来源。后来,在大约1亿年前,随着地球地质活动的剧烈运动,有些地区的地壳受到强大的挤压作用,发生褶皱或者隆起,金元素物质逐渐发生活化富集效应,为现在的岩金矿和伴生矿的形成奠定了基础。其中,岩金矿在所有金矿中占比最高,达到70%左右。
除了岩金矿和伴生矿以外,世界上的金矿还有另外一种存在形式,那就是沙金矿。这种矿床是在岩金的基础上,通过几千几万年的持续风力、水力侵蚀作用,金元素逐渐形成单体与其它物质分离开来,在重力作用下,慢慢沉积在河流的稳水区域,形成大小不一颗粒状金。历史上很多国家和地区的“淘金热”,寻找的就是这种沙金。
岩金矿底的温度
由于地球的圈层结构,使得地壳以下不同深度处的温度呈现不同的变化趋势,总体来看,可以分为三个部分,即变温层、常温层和内热层。
变温层是地球最表面的一层,这里的热量来源主要是太阳辐射,热导率较小,温度随着深度的增加而逐渐降低。变温带的厚度以及温度变化情况,与所处的纬度、所在的季节有很大的关系,纬度越高、气温越低,变温带的厚度就越大。一般在中低纬度地区,变温层的温度在20米以内,较高的纬度或者其它特殊地域,可以达到30米。
常温层是变温层下面的一层较薄区域,在该区热量散失的速率与来自地球内部的热量供给基本保持平衡,所以总体温度变化不大。
内热层处于变温层之下,其热量主要来源于地球内部的热量供给,所以越往下温度就会越高,而且规律性比较明显。计算内热层一个点位温度的方法,主要依靠地温梯度法。
山东栖霞笏山金矿600米的地下,属于地球内热层的范围。这个季节该区域地表平均温度我们估且视为0摄氏度,那么常温层的温度一般为5摄氏度,在30米以下为内热层起始点,从30米往下温度的变化就会与深度的变化呈现一定的线性关系,地温梯度表达式为T=35h+20,那么在考虑上述起始参数的情况下,我们可得600米地下的温度大约为39摄氏度,如果通风条件较好,那么温度是可以维持在35摄氏度左右的。
金矿内部会有积水吗?
通过上面对金矿形成原因的简要分析,我们可以看出,金矿(岩金矿)的成矿区,普遍位于地下岩浆侵入地壳之后,所形成的变质岩的边缘地带。而山东栖霞笏山金矿属于我国华北地台金矿的成矿区域,处在板块边缘和基底构造层的隆起地带,所以这里的金矿最直接的来源,则是太古代结晶基底的中深变质岩系。
该区金矿的成矿过程,主要经历了基底区的变质热液作用、花岗岩化作用、燕山运动等的共同地质活动,以沉积、叠生成矿为最主要的特征。由于花岗岩的致密性很强、透水性弱,所以在稳定、科学的采矿工艺条件下,金矿内部不会出现严重的透水现象。
不过,由于花岗岩并非一个完整的大整体结构,在不同的组分控制下,内部也会出现许多细微的缝隙,在采矿压力释放情况下,部分地下水会沿着缝隙上涌进入矿体底部,不过,只要采取有效的排水措施,这些上涌水完全可以有效地排出,在矿底基本上不会出现大面积的积水问题。
假如矿体本身出现坍塌,局部排水措施的功效就会受到影响,在地底压力的作用下,地下水则会在低洼处逐渐聚集,形成积水。这也是东栖霞笏山金矿发生塌陷事故以后,多日来矿工能够得以维持生存的一个重要因素。
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