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金生前世基隆山
踏尋水金九礦業遺跡、
「金屬之王」

黃金-
臺灣最重要的金屬礦產

黃金是人類歷史上發現較早的貴金屬。因其稀有和材質特殊性,被稱為「金屬之王」,自古以來就是財富和地位的象徵。用「黃金」或「金」字表示珍貴與美好的形容詞與成語多不勝數。另一方面,綜觀人類歷史,無數人因黃金而沉淪,導致罪惡、貪婪、腐化,甚至引發血腥的戰爭和屠殺。隨著社會的發展,黃金的經濟地位和應用層面不斷發生變化,但仍是各國重要的儲備資產。

黃金很稀有,但很難憑空想像黃金有多麼值錢?很細的金粉,看似黃泥巴,經過去雜質、純化後,經過1300oC高溫熔化成金液,倒入模具裡凝固,成為每塊400盎司(約12.5公斤)、金光閃閃的國際標準金錠(圖一)。如果按照2000美元/盎司來計算,一塊金錠價值是80萬美元,約2400萬台幣。根據世界黃金協會的數據,人類迄今已經冶煉共約17萬噸黃金,溶融凝固後約可以形成一個邊長20公尺的立方體。

圖一
圖一:(左) 每塊約12.5公斤的標準金錠
圖一
圖一: (右) 世界最大的金錠250公斤 (Toi Gold Museum;Own work by uploader, Toi MineCC BY-SA 3.0)

黃金為什麼那麼值錢?高價的原因是其數量極為稀少。在地球地殼中只有十億分之三是金(0.003ppm),平均每噸岩石僅含3毫克黃金。換言之,一般地殼須在特殊地方、經過複雜的地質作用,將黃金濃縮達千倍、甚至萬倍以上,才能成為有經濟價值的金礦床。有經濟效益的大型露天開採的金礦,通常礦石的含金量(稱為「品位」)須達1至5克/噸(1-5 ppm)。在硬岩開採(Hard rock mining)或是地下開採(Underground mining)的礦石的品位通常至少要達3ppm。由於金的品位一般要達到30 g/1000 kg (= 30 ppm)才可能以肉眼辨識,所以大多數金礦中的金是看不到的。

就地質角度而言,遠古時期黃金較易取得,自1910年以來,人類發現的金礦75%已被開採。2013年一份對全球金礦資源總結報告指出,全球金礦的平均品位大約為1克/噸,即一噸礦石才能練出1克黃金(0.035盎司,相當於一個小迴紋針的質量),雖然無法用肉眼發現金的存在,但對那些開採技術好的公司而言,近地表、可露天開採的這種大礦體,可能已具有經濟價值。礦石是有經濟價值的礦物(如金、硫砷銅礦等)與無經濟價值的礦物(如石英、方解石等)的集合體。當礦石內的金會以粒狀或微粒子狀態存在岩石中,通常會與石英或如黃鐵礦伴生,此情況稱為脈狀礦床或是岩脈金(圖二)。黃鐵礦一般也呈金黃色,容易誤認為黃金,故俗稱「愚人金」(圖三)。

圖二
圖二:礦脈中的金與石英(產地:金瓜石)
圖三
圖三:金瓜石礦液充填破裂岩石而形成富含金的礦石;金以粒狀或微觀粒子狀態存在岩石中,通常與石英及黃鐵礦共生

黃金特性與身世的秘密

金的原子序數為79,在宇宙天然存在的元素中屬於重元素。科學家認為金這類重元素是兩顆中子星碰撞時合成中產生,早在太陽系形成前的塵埃中就已存在,因此恆星和行星形成時,也就有這些重金屬。由於地球形成之初還處於熔融狀態,早期的金幾乎都已沉入地核,目前存在地球上地殼和地函的金,多是拜後來「後期重轟炸期」(距今約40億年前)外太空來的小行星所賜(圖四)。不過,也有部分學者認為地函裡面的黃金與白金並非後期重轟炸、增積過程中加進來的,而是在更早形成地核的時候,殘留了一點留在地函裡面。

據科學家的測量和估算,地球的黃金總儲量大約有48億噸,但99%以上的金在地核內,而分布到整個地殼的只有不到1億噸。金的分布是地球長期演化過程中形成的。地球發展早期階段形成的地殼,金的豐度較高,因此代表早期殘存地殼組成的太古宙綠岩帶(太古宙起始於「後期重轟炸期」,代表地球岩石開始穩定存在並保留到現在),尤其是鎂鐵質和超鎂鐵質火成岩,金的豐度值高於地殼各類岩石,可能成為金礦床的最早的「礦源層」。迄今為止,人類發現的最大的金塊重達280公斤,產於美國的加利福尼亞州。

金在元素週期表中在11族,屬過渡金屬,是化學性質最不活潑的幾種元素之一。金在常溫常壓下是固體,在自然界中常以自然金存在,例如岩石、礦脈及沖積層中的金粒或砂金。金能和游離態的銀形成固溶體(銀含量超過20%稱為琥珀金);在自然界中也能和銅、鈀形成合金。礦物中的金化合物不常見,主要是碲化金。金能溶於汞它的周期表鄰近元素汞(Hg,即水銀),形成汞齊(汞齊也是一種合金),但這並非化學反應。上述與金的性質上有互動的元素,在元素周期表內的相對位置可由圖中著黃色者看出(圖五)。

圖四
圖四:藝術家想像的後期轟炸期景像。Free to use: (please credit Tim Wetherell - Australian National University)
圖五
圖五:金的性質與元素週期表

金的簡易溶解與提煉原理

利用金溶於汞的性質,能將金從其他礦物中分解出來,可用於金礦提煉。類似1554年發明用汞從銀礦中提取銀的混汞法,將含金礦石與汞混合,讓黄金溶解在汞中,再將汞加熱,使汞蒸發,就得到了黄金。此外,金能抵抗硝酸等單一酸的侵蝕,卻能被王水溶解,也能溶於鹼性氰化物溶液,因此提取黄金需要氰化物、汞或王水(圖六)。

圖六
圖六:以王水提煉產生的金粉 Pure gold precipitate produced by the aqua regia refining process By Greenhorn1 - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8994277
  • 王水,又稱王酸或硝基鹽酸,由濃硝酸和濃鹽酸按1:3體積比混合而成,酸性和氧化性極強,能夠溶解化學性極為穩定的金和鉑的物質,因而得名。僅少數(如矽、鉭、氯化銀、硫酸鋇等)能耐得住王水的腐蝕;王水不穩定,極易變質分解。
  • 氰化物(在英文中稱為cyanide,由cyan(青色,藍綠色)一字衍生而来。因單質的氰[(CN)2]呈氣態,故以青字加上氣字頭,得到現在通行的氰字。
  • 硝酸無法溶解金的性質,也用來鑑別金銀鉑等貴金屬(precious metal)與鐵銅鋁等卑金屬(base metal)的方法。這也是英語諺語「acid test」的語源,指用「測試黃金的標準」來測試目標物是否名符其實。意謂著真正的考驗、嚴峻的考驗、決定性的考驗或關鍵的測試。

生產黃金,成本與代價高

金是世界上最美的化學元素之一,也是人類較早發現和利用的貴金屬之一。作為五金之首,因其獨特的化學與物理性質,在工業催化、醫療、環境、電化學等领域有着重要的用途。我們使用的智能手機,裏面可能就有着採金工人們生命的付出。提煉黃金常用的王水、氰化物(如氰化鈉)以及汞等若處理不當,都是有對身體健康或環境有嚴重危害的物質。換言之,要獲得黃金,成本或代價極高。

圖七
圖七:世界五大產金國黃金產量趨勢圖 (2018, USGS)

中國大陸2008年黃金產量達到300噸,超過南非成為全球第一大產金國(圖七)。雖然相較於南非、澳洲、俄羅斯、美國、加拿大等,中國不是一個金礦資源大國,且其金礦品質低,何以能成為全球黃金產量最多的國家?尤其所有其它產金大國黃金產量逐漸縮水,但中國產金量卻逐漸增加,最大產金國地位無可撼動。主要是使用了由西方國家傳來的簡單、成本低且快速的氰化鈉「堆浸提金術」。使用氰化鈉堆浸提金術能夠產量大增,但若處理不當,隨之而來的「摧毀性」環境破壞力也讓西方各國不敢使用。中國大陸氰化鈉生產能力已經超過澳洲和美國,成為世界第一生產大國。出口南美、北美、澳洲和南非的氰化鈉主要用於黃金提取。

金瓜石為何有那麼多黃金?

金瓜石礦床主要產自石英安山岩;本山就是石英安山岩(圖八)。金瓜石和大屯山同樣屬安山岩類,典型的安山岩(如大屯山)不含石英,但金瓜石一帶含很多石英。石英安山岩在世界上常常形成金礦。

圖八
圖八:金瓜石一帶的石英安山岩

本山的山頭--「金瓜」整個是富含黃金的礦體,所以從山頂下挖了兩百公尺厚,整個都拿去化學提煉。另外,由總長約400公里的地下坑道所挖出礦石亦是。在早期用大量氰化物泡洗,使黃金溶到液體裡頭。之後,在水槽裡頭放入普通的廢鐵或廢鋅,讓溶液中的金離子沉澱到槽底。金瓜石用這個辦法提取黃金,可以說是1940年代世界上最進步的方法。當時金瓜石不少一般民家,模仿這種方式,家裡藏放了這種所謂的毒藥,偷偷的挑取礦區的地表土石在自家提煉黃金,滿區都有黃金的故事。

「熱水礦化作用」

由於火成作用本身會帶來一些由岩漿逸出、含豐富礦物質的熱礦液,而熾熱的火成岩體也會加熱地下水,熱液和熱地下水便混合成「熱水礦液」。熱水礦液在地底深處高溫高壓的環境下,溶有較多的金屬離子,它們會順著岩層內的斷裂和破碎帶上升。

當熱水礦液流經岩石裂隙上升到較淺處時,其溫度及所受的壓力降低,金屬離子在熱液中的溶解度也跟著降低,於是過飽和的金屬離子便驟然沉澱在裂縫或周遭的岩石孔隙內,產生所謂的「熱水礦化作用」。如果礦物沉澱累積的量夠多而能獲利、具開採價值,便成為「礦床」。

熱水礦液在上湧的過程中,除了會產生礦化作用之外,高溫強酸的熱水礦液也常和岩石發生物理或化學反應,使岩石的質地產生改變,在地質學上稱之為「換質作用」。金瓜石地區岩石所受的熱水換質作用常見的有三種: 「矽化作用」(圖九)、「黏土化作用」、「綠泥石化作用(或稱青盤岩化作用)」。(圖十)

圖九
圖九:金瓜石地區受矽化作用的石英安山岩,角閃石受酸性熱液溶蝕而留下空洞
圖十
圖十:金瓜石地區青盤岩化的石英安山岩
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