矿石形成：表层视角
过去几个月，我们简要介绍了矿石在地下形成的各种方式；现在，是时候将这种表层理解应用于表层过程了。
严格来说，我们已经见过一种：硫化物熔体矿床与溢流玄武岩和陨石撞击有关，这些绝对发生在地表。不过，它们完全是火成过程，因此在关于岩浆成矿过程的文章中已经介绍过。
在很大程度上，你可以将各种热液成矿过程视为变质性质的。也就是说，流体导致现有岩层发生蚀变；矽卡岩尤其如此。
然而，岩石三脚架还有第三条腿：火成岩、变质岩和沉积岩。是否存在恰好是矿石的沉积岩？当然有！事实上，一种沉积过程蕴藏着地球上最有价值的矿石——而且一如既往，这个过程很可能并不局限于地球。
砂矿？我几乎不认识她！
我们说的是砂矿，这意味着我们在谈论黄金。就美元价值而言，黄金极其昂贵，使得这些矿床成为地球上最有价值的矿床之一——而且世界上近一半的黄金仅来自其中一个矿床。需要明确的是，黄金并非唯一可以在砂矿中富集的矿物；它只是目前每个人都关心的矿物，因为，嗯，你最近看到现货价格了吗？
哎哟。（数据来自 Goldprice.org）
既然我们谈论的是沉积物，你可能会猜到，这是一个次生过程：黄金必须已经通过某种热液成矿过程就位。然后通常的侵蚀发生了：风和水分解岩石，黄金与其他所有即将变成沉积物的小岩石碎屑一起被冲下山。然而，黄金比硅酸盐岩石密度大得多。这是关键所在：任何密度较大的材料在颗粒流中自然会被分选出来。具体来说，经验数据显示，任何密度大于 2.87 克/立方厘米的物质都可以在砂矿中富集。这符合许多热液过程喜欢产生的硫化物矿物，但不幸的是，硫化物往往太软且化学性质太不稳定，无法承受风化而形成砂矿，至少在地球上自从蓝细菌用氧气污染大气层之后是这样。
干燥？是的。多风？是的。风成砂矿？也许吧！图片：“MSL Sunset Dunes Mosaic”，NASA/JPL 和 Olivier de Goursac
一种侵蚀形式是风蚀，这在干旱地区往往很重要——特别是澳大利亚和美国西部的沙漠。风蚀也能形成砂矿，称为“风成砂矿”。机制相当简单：较轻的沙粒会被吹得更远，将重物质集中在沙丘的一侧或更靠近原始源岩的地方。考虑到每年全球性的沙尘暴，火星上可能经常出现风成砂矿，但稀薄的大气可能使这一过程不像你想象的那么可能发生。
我们也曾在火星上看到过岩崩，以这种方式移动的物质遵循相同的物理原理。在颗粒流中，存在浮力，重物质会沉到底部并更快停止。如果较轻的材料被风或水进一步带走，我们称由此产生的有用、沉重岩石堆为“冲积砂矿”。
不过，至少在这个星球上，通常是水在移动沉积物，也是水在进行分选。重颗粒更容易从水中沉淀出来。这往往发生在水流被扰乱的地方：瀑布底部、河流弯曲处，或者河流汇入湖泊或海洋的地方。任何老克朗代克或加利福尼亚探矿者都知道那是你去淘金的地方，但你大概不会听到一个49年淘金者称其为“冲积砂矿”。淘金盘本身利用的正是相同的物理原理——这就是为什么它，以及人们使用电动泵的现代高级溜槽，被称为“砂矿开采”。火星干涸的河床可能充满了冲积砂矿；土卫六上的三角洲也可能如此，尽管在一个水是基岩一部分的世界里，其低温矿物学对地球地质学家来说会非常陌生。
回到地球，波浪作用，伴随着反复的水流逆转，非常擅长分选颗粒。如今海滩上没有黄金矿床，因为无论在何处发现，它们都被迅速开采殆尽。但有许多海滩上的黑色磁铁矿砂因其密度高于石英而被富集。如果你的海滩没有磁铁矿，可以观察颗粒大小：即使是石英颗粒也常常在多浪的海滩上按大小分选。显然，这个想法是在科学家们对拉丁语失去迷恋之后产生的，因为这类矿床被简单地称为“海滩砂矿”，而不是“沿岸砂矿”。
克朗代克，羡慕吧：维特沃特斯兰德矿场已经开采出五万吨这种东西。
虽然我们北美人可能会想到克朗代克或加利福尼亚淘金热——两者都是由砂矿引发的——但世界上最大的金矿实际上在南非：维特沃特斯兰德盆地。该盆地实际上是一个古老的湖床，起源于太古代——大约三十亿年前。在大约2.6亿年的时间里，沉积物在这个湖中堆积，慢慢将其填满。这些沉积物是从附近含有造山带金矿床的山脉冲刷出来的。湖床进一步富集了这些古老的黄金，它产出了已开采黄金的相当大一部分——根据不同来源，你会看到从高达50%到低至22%的数字。无论如何，那是大量的黄金。
维特沃特斯兰德有点反常；大多数砂矿比那小得多。确实，这也是为什么你会发现只有像黄金和宝石（特别是钻石）这样真正有价值的矿物才会被砂矿开采。当然，这个过程可以富集磁铁矿，但通常不值得为了富含铁的沙子而剥离海滩。
最常见的非贵重例外是沥青铀矿（UO2），一种在太古代砂矿中发现的铀矿石。正如你可能想象的那样，高比例的重铀使其成为一种密度足以形成砂矿的矿物。然而，我必须指定太古代，因为含氧大气倾向于进一步将沥青铀矿氧化成更易溶于水的形式，它会被冲刷入海而不是形成矿床。在地球上，似乎没有在大氧化事件之后形成的沥青铀矿砂矿；在火星上你不会遇到这个问题，这颗红色星球的干涸河床很可能有足够的沥青铀矿储量，足以上演一场火星版的“铀矿热”。
如果你是火星人，你更愿意在那些河流弯曲处找到铀还是黄金？图片：Nandes Valles 山谷系统，ESA/DLR/FU Berlin
虽然在维特沃特斯兰德，铀是作为金矿的副产品生产的，但铀矿石可以独立于黄金沉积。你可以在加拿大的冲积矿床中看到这一点，在安大略省埃利奥特湖周围，由于一个三十亿年前河床的弯曲，这里产出了数百万磅的铀，却没有一丝黄金。从美元价值的角度来看，金矿可能价值更高，但铀可能对文明的贡献更大。
红土化，或为什么火星人不能有汽水罐
说到对文明有用，还有另一种作用于地表的过程，为我们提供比黄金更贱的金属矿石。它不是机械的，而是化学的，并且鉴于它需要炎热、潮湿、多水的条件，几乎肯定仅限于 Sol 3（地球）。正如副标题所揭示的，这个过程被称为“红土化”，它是那里唯一的经济铝矿床的成因，同时还贡献了世界镍储量的很大一部分。
这个过程相当简单：在热带地区，充足的雨水会慢慢从粘土土壤中浸出任何可移动的离子。像钠和钾这样的离子首先流失，接着是钙和镁，但如果材料在地表停留足够长的时间，并且气候保持炎热潮湿，化学风化最终甚至会剥离二氧化硅。由此产生的“红土”岩石（或粘土）富含铁、铝，有时还有镍和/或铜。镍红土在新喀里多尼亚特别普遍，构成了该岛矿业的基础。富含铝的红土被称为铝土矿，是地球上所有铝的来源，遍布全球。更古老的红土很可能以固体形式存在，随着时间的推移压缩成沉积岩，但较新的矿床可能仍然具有泥土的质地。出于显而易见的原因，那些较新的矿床往往更受青睐，因为开采成本更低。
那些红土实际上是铝矿石，来自20世纪80年代牙买加岛的一次作业。图片来自 Paul Morris 的“Bauxite”，CC BY-SA 2.0
当我们谈论火星历史上的“温暖潮湿”时期时，我们指的是火星表面存在液态水——我们明确指的不是热带条件。火星可能从来都不是会发生红土化的那种地方，因此我们极不可能在火星表面找到铝土矿。因此，未来的火星人将不得不在没有铝制汽水罐的情况下凑合。当然，那里有丰富的铁，并且与地球上同等体积的铝重量大致相同，所以没有铝他们可能也能过得很好。
历史上大多数镍来自硫化物熔体矿床，而不是红土化，即使在地球上也是如此，所以火星人应该能够制造他们的不锈钢。考虑到某些人对某种不锈钢火箭的雄心壮志，听到这个或许令人欣慰。
结语
随着本系列的结束，需要强调的是，我只是对这些表层过程——实际上，也是我们在这些文章中讨论的所有矿石形成过程——提供了一个非常表层的理解。关于每一个过程，都可以写出（并且确实已经写出了）专著。考虑到现代科学产生的知识的深度，这并不奇怪。你可以攻读整个博士学位，只研究我们本系列中讨论的某个过程的一个方面；过去有人这样做，在可预见的未来也会继续这样做。所以，如果你觉得这些文章有趣，并为系列的结束感到难过——别担心！还有很多东西要学；你只需要自己去追求。
另外，我哪儿也不会去。在某个时候，这个网站上还会有更多与岩石相关的文章发表。如果你以前没看过，不妨看看 Hackaday 长期运行的“采矿与提炼”系列。它的重点不是矿石本身——更多关注我们人类如何处理它们——但如果你已经读到这里，它很可能也会吸引你。