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承载无数光荣和梦想的矿业文明

——关于建设现代矿业文明的初步思考之四

2018-7-9 16:56:04 来源:中国矿业报 本报记者:赵腊平

人类走过石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代,在聚集和相互融合的过程中是一场旷日持久的信息积累与交互,聚集能量并塑造矿业文明。

不同的矿业文明发展阶段,不仅直观地反映着人类文明的进步,也是人类文明前进的源动力。21世纪,人类的资源利用方式发生了哪些变化?在对矿种的研究中又有了哪些新的发现?

矿业文明是使人类脱离矿业无序开发状态的所有社会行为和自然行为构成的集合,是人类在开发利用矿产资源的过程中积累、沉淀下来的矿业文化成果中的精华部分。

矿业文化,是人类在矿业开发实践中产生、源于矿业开发实践又反作用于矿业开发实践的艺术、知识和观念以及与之相适应的矿业开发组织、制度、行为和由此产生的矿业物质财富和精神财富的总和。

矿业史专家张以诚先生认为,矿业文化随着社会经济科技的发展而发展。不同时代的矿业文化各有其特点,某一特定时代的矿业文化也有自己的特殊性。即使同一历史时期,由不同矿种开发而形成的文化也有明显差异。同时,矿产资源种类不同,或因产业类型或行业分割也会形成不同的文化分支。由这许多支脉产生的艺术、知识、观念、组织制度等最终经过沉淀和凝聚,形成了不同时期、不同区域的矿业文明。

那么,从古至今,矿业文明都有哪些个发展阶段呢?我个人认为,可以分别从人类使用与生活密切的能源资源和制作生产工具的原材料的进步和发展来划分。

从人类使用能源的类别来看

纵观人类社会的发展历程可以发现,资源的利用方式是人类文明兴衰的决定性因素。原始文明(渔猎文明)的人类获取资源的方式是以采摘植物果实和猎杀动物为特征;农业文明的人类获取资源的方式是以载培植物和饲养动物为特征;工业文明的人类获取资源的方式是以开采矿山、挖掘地下资源为特征。工业文明的能源基础先期主要是煤、石油、天然气等化石矿物能源,近几十年来还有核能与水电等。

从能源矿产的角度看,矿业文明可分为薪柴时代、煤炭、石油、电力等矿物能源时代与新能源时代。

(一)薪柴时代

事实上,人类的物质需求很大程度上是一种能量需求。不同时代对能源资源的需求会随着人类利用技术水平的提高而改变。18世纪之前的文明是木材和木炭的文明。薪柴是人类第一代主体能源。人类发展史上的一大飞跃,是对火的利用。同时,人类还靠人力、畜力以及来自太阳、风和水的动力从事生产活动,逐步发展了农业文明。当然,这一阶段利用能源资源的形式也是低级的。

(二)矿物能源时代

工业革命特别是机器的大规模使用,促进了煤和铁矿石、钢铁的使用。工业革命时期是对矿产、能源依赖最强的发展阶段。在这个阶段,矿产资源的人均消费量是一个国家发达程度的标志之一。越是发达的国家,其矿产资源的消费量就越大。在这个意义上说,矿业文明是工业文明的主要推手,也是工业文明的主要内容。

工业革命拓宽了人类改造和利用能量的范围。以矿物能源为基础的经济的核心特征,就是生产基本上摆脱了对土地的依赖。工业革命也被界定为从有机物经济向以矿物能源为基础的经济转变的阶段。

煤炭是最早被大规模开发、利用的矿物能源。19世纪的文明是煤的文明。由于有了煤和铁,资本主义得以巩固。

矿物能源的大规模利用,有三个重要事件。一是蒸气机的发明与使用。蒸气机大量使用煤炭,推动各种机械做功,促进了第一次工业革命的兴起,为人类跨入工业社会做出了重要贡献。二是石油的发现和内燃机的发明与使用,使工业生产规模极大地扩大。三是电力的出现。以大量煤炭和石油为燃料的电厂,向各个生活和生产领域提供电能,极大地提高了人类的生活和工业生产水平,同时也促进了科技进步。19世纪末期,水利发电技术也得到应用。电能的大规模使用,促进了第二次工业文明的蓬勃发展。

工业革命时期,生产在充分开发能源的框架内显著扩大,并加速增长。

(三)新能源时代

20世纪,随着矿物能源使用的负面影响越来越大,人们更加重视通过不同途径寻求能源。利用核能是人类发展史上的大事。核能的和平利用,使人类找到了一种潜力巨大的能源。这一时期人类开发利用的新能源还有太阳能、风力发电、地热能、海洋能、生物质能、氢能等。其中对风能、水能、生物质能的利用已经大大超越了古时候效率低下的利用形式。第三次科技革命以来,尤其是信息技术的发展,极大地提高了能源利用和管理的效率,促进了人类文明的繁荣与发展。

从人类开发利用矿产的种类来看

从古至今,从人类使用矿产资源的种类与历程分析,矿业文明经历了以下几个时期——

(一)石器时代

在原始社会,人类认识自然、利用自然的能力是十分有限的。为了生存,人类开始使用粗陋的石器防御和捕猎野兽。从世界各地的考古发现来看,人类最初制造与利用的石料,均属于非金属矿产这一大类,如燧石、石灰岩、石英岩、砂岩、花岗岩等,因此,使用这种石器的时代叫做石器时代,包括旧石器时代和新石器时代。

(二)陶器时代

石器时代之后,进入陶器时代。这是由我国学者陈明远、旅美华人学者金岷彬、矿业史学者张以诚、美学家林少雄等针对考古界“三分期学说”所提出的新论点。他们认为应把史前史三分期修正为四分期,即:石器时代、陶器时代、青铜器时代和铁器时代。陈明远等认为,陶器具有石器无可比拟的空前进步性。在历史演化的长链上,“陶器时代”的意义甚至比青铜器时代更为深远、更为关键。中华文明早在距今大约7000年前就已经出现了原始陶器,最早的彩陶出现在黄河流域。这也是我国早期矿业文明中的一个令人骄傲的发现。

(三)青铜器时代

青铜器时代处于铜石并用时代之后,世界各地进入这一时代的年代有早有晚。距今大约6000年前,西亚居民掌握了炼铜技术,人类进了青铜器时代。美洲直到将近公元11世纪才出现冶铜中心。

我们可一想见,古人在寻找石料和加工的过程中,逐步识别了自然铜与铜矿石。最早采矿铜矿石是从地表挖掘开始的。当古人们发现矿脉或矿带向深部延伸的规律时,就创造了从地面向地下挖掘竖井,并由竖井底部向四周开拓巷道采掘矿石。而此前,人类在烧制陶器的过程中积累起来的丰富经验,为青铜的冶铸业提供了必要的高温知识、耐火材料、造型材料与造型技术等条件。

中国是世界上铁器和青铜器发明最早的地区之一。也有人认为,中国是世界上已知的第一个铜冶炼技术的文明,目前世界上最早的冶炼铜发现于中国的陕西姜寨遗址;也有部分学者认为龙山文化晚期或龙山时代已进入青铜时代,在公元前3000年前掌握了青铜冶炼技术。在青铜时代,中国已经建立了国家,有了发达的农业和手工业,并且汉字也已经发展成熟。中国青铜器时代和早期铁器时代的青铜艺术品,显示了绵延一千五百多年的中国青铜器的萌生、发展和变化的历史。

(四)铁器时代

在考古学上,铁器时代是指人们已经能运用很复杂的金属加工来生产铁器,开始使用铁来制造工具和武器的时代。铁器时代是人类发展史中一个极为重要的时代。铁的高硬度,高熔点与铁矿的高蕴含量,使得铁相对青铜来说来得便宜并运用与各方面,所以其需求很快便远超青铜。世界上最早大量生产铁并将其应用的是西台帝国,大约在公元前1400年已掌握了冶铁技术。

我国在商代中期已经开始用铁,秦汉时期完全进入铁器时代。中国冶铁业出现的时间虽晚于西亚和欧洲等地,但发展迅速,在相当长的一段时间内,一直处于世界冶金技术的前列。铁器时代实际上是与煤炭的使用密不可分的。在欧洲,煤炭和铁矿石的开发利用,促进了蒸汽机发明使用,使生产力得到大幅度提高,进而导致了欧洲工业革命。

说到铁矿石等金属矿产的开采与应用,早在500多年前,被誉为“矿物学之父”的德国学者格奥尔吉乌斯·阿格里科拉(Georgius Agricola)最著名的十二卷巨著《矿冶全书》(或称《论矿冶》(De remetallica))中提出,采矿技艺“是人类最古老、最必不可少也最有利可图的技艺之一。”“因此对人类来说,金属最为必需。如果一门技艺缺少金属,它就不那么重要,因为制造任何东西都需要工具。”

(五)石油时代

人们普遍认为“石油时代‘始于19世纪初,即发明了先进的钻井技术、使用内燃机为产品加工和使用汽油发动机之后。“石油时代”分为两个时期:石油时代早期和石油时代后期。

石油时代早期贯穿整个19世纪。这个时期,世界对石油的耗用和对内燃机的使用迅速增加。到了20世纪,两个事件彻底改变了石油的命运。第一件事发生在1846年,当时亚伯拉罕·皮诺·格斯纳发明了煤油,将煤和石油变成照明燃料,提高了石油的可用性,增加对石油的需求。第二事是埃德温·德雷克于1859年发明了用于现代深水油井的钻井技术,导致石油开采业开始蓬勃发展。卡尔·本茨亦于1885年设计和制造了世界上第一辆能应用内燃机发动的汽车,致使石油需求大增。

石油时代后期始于20世代初并持续到现在。在这个时期,石油成为世界主要能源,石油开采技术高速发展,而各国也大量开采石油以应付日益增长的需求。自20世纪70年代以来,随着许多工业化国家的石油产量达到顶峰,不少学者认为全球产量将会达到顶峰。加之核能的出现,许多学者认为核子时代将取代石油时代。但实际上,石油的需求仍在增长,在短时间内,核能仍然很难取代石油的地位。

(六)硅时代

人类走过石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代,在聚集和相互融合的过程中是一场旷日持久的信息积累与交互,聚集能量并塑造矿业文明。而人类的文明应该以什么来定义?从物质的角度来看,或许可以是材料。如果以工业革命来划分,前两次是煤炭与石油的应用,第三次人类社会的变革引领便是计算机,相对应的便是“硅时代”。

自硅晶体的半导体特性被发现和运用之后,几乎改变了人类的思维方式:一是光伏的发明将太阳光辐射能直接转换为电能,二是制成各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界,而后者的发明更是为现代信息奠定基础。硅在地壳中是第2丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%),因此硅元素的取得并不难。

当今世界正处在由工业时代走向信息时代的阶段。在信息时代,领头的是半导体材料——硅。硅占整个半导体材料产量的90%左右。这就是人们把现时代称为硅时代(信息时代)的原因。

(七)碳时代

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)成功地在实验室从石墨薄片中剥离出了石墨烯,两人因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维晶体。人们发现,它的厚度只有0.34纳米,一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛而成。它是目前已知最薄的一种材料,属于纳米材料的一种。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮,特别是它的独特性能,许多专家称之为“改变21世纪的材料”,并预测“21世纪将是碳(C)的世纪”。

石墨烯因其具有的超强的导电性、优异的导热性能、机械强度,以及可拉伸折叠的柔韧性和优异的透光性、比表面积,成为一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料,在触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药等领域拥有广阔的应用前景,一旦量产将成为下一个万亿级的新兴产业。此外,用石墨烯制成的散热薄膜可应用到智能手机、平板电脑、LED照明、LCD电视等超薄大功耗电子产品。功能化的石墨烯材料在生物医药、生物诊断和食品加工等领域也有极高的应用价值。□

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