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十五年,新视角,让矿物讲述缤纷多彩的地球往事

十五年,新视角,让矿物讲述缤纷多彩的地球往事

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一项为期15年具有里程碑意义的研究详细介绍了地球上每种已知矿物的起源和多样性,从根本上改变了人们对矿物的看法,将有助于重建地球上的生命历史,指导寻找新矿藏,甚至有助于寻找可居住的行星和外星生命。

一百多年来,科学界一直是根据其结构和化学成分来定义矿物的,但这可能会忽略很多重要的信息。例如,尽管所有的钻石都是一种结晶碳,但是三颗不同的钻石可能会讲述三个完全不同的故事:一颗可能是50亿年前在遥远的恒星中冷却凝结形成的,另一颗可能是在陨石撞击中诞生的,而第三个则可能是在地壳深处高温压制而成。

钻石具有相同的碳结构,但它们可以以不同的方式形成。
图源:ROB LAVINSKY/ARKENSTONE

卡内基科学研究所的矿物学家和天体生物学家 Robert Hazen 和Shaunna Morrison 定义了一种崭新的矿物分类方法,该团队在发表于 American Mineralogist 的两篇论文中表示,这个新角度是将矿物当作基本的化学元素与生命、地球和太阳系的历史紧密结合和互动的产物来看待,重点关注其“起源” 。研究人员定义了57种不同的矿物形成方式,包括从恒星之间的空间凝结到诞生于蝙蝠粪便之中。 

国际矿物学协会(International Mineralogical Association)认可的矿物种类有5600多种,而按照他们的新分类法,这个数字将上升到10500种以上——有许多以前被归为一种的矿物被定义为了不同的品种,40%以上的矿物有两种以上的不同形成方式,有的甚至更多,例如著名的“愚人金”,实际上是一种黄铁矿,主要成分是FeS2,根据不同的形成方式被分为21种不同的类别。

45亿年来,大自然在高温和低温、有水和无水、有微生物的帮助下以及在生命毫无作用的恶劣环境中以21种不同的方式形成了黄铁矿。
图源:ROB LAVINSKY/ARKENSTONE

研究显示,水是非常重要的,80%以上矿物的形成都离不开水,也就是说,如果没有水,矿物的种类会比现在人们看到的要少得多,这也可以解释为何月球、水星、火星等星球发现的矿物种类远少于地球。同时,这个思路也可以用来探究一些行星的历史,因为如果真的找到了被认为必须有水参与才能形成的矿物,则可以想象现在的荒漠未必就是这个星球的本来面目。

绿柱石是最常见的含有铍元素的矿物,它有许多种美丽的颜色,例如祖母绿。创新的分类方法将几种具有绿柱石结构的矿物归为一个单一的“根矿物种类”,同时根据其独特的形成环境分离出几种单独的“自然种类”,从而区分不同的红色、粉色、蓝色和绿色的“种。” 
图源:ROB LAVINSKY/ARKENSTONE

生命的作用也非常重要,在接近一半的已知矿物种类的形成中发挥了直接或间接的作用,而三分之一的已知矿物——超过1900 种——完全是生物活动的结果。许多矿物的历史长达40亿年以上,这再次暗示地球上的生命并非“新生事物”,而是在地球形成的早期就已经存在了。

如果没有生命的影响,某些矿物质不会以特定方式形成。光合作用细菌帮助产生了这种蓝铜矿(左)所需的富氧条件,而蛋白石化菊石(右)是由矿物蛋白石填充了菊石的内部空间而产生的。
图源:ROB LAVINSKY/ARKENSTONE

大约296种已知矿物的历史可能比地球还古老,其中97种只在陨石中发现过(一些矿物颗粒的年龄估计为70亿年——比太阳系的起源还早了数十亿年)。相比于这些远古怪石,人类活动产生的矿物也不少,有600多种,其中因为采矿产生的矿物有500多种,其中光是因为煤矿火灾形成的就有234种。这算不算有生命活动参与产生的矿物,尚有争议。


有趣的是,Robert Hazen 认为除了采矿火灾中意外产生的矿物之外,人类还制造了无数种不符合 IMA 认可条件的矿物类化合物——烧制的陶器、瓷器、半导体、激光晶体、特种合金、合成宝石、塑料碎片等等,所有这些碎片“都可能在地质记录中持续数百万年,从而提供一个清晰的沉积层位,标志着所谓的‘人类纪元’。”——后之视今,亦犹今之视昔,悲夫!


15年的辛勤工作,从数千篇论文中归纳总结相关信息,Robert Hazen 和 Shaunna Morrison 的团队为人们提供了一个崭新的矿物学研究视角,并给出了大量值得进一步研究的思路和线索。国际矿物学协会主席、北京大学地球与空间科学学院教授鲁安怀对此评价道:“Hazen 和 Morrison 的杰出工作为预测自然界中可能存在的矿物提供了一种潜在的方法,而矿物研究可能是重建地球历史'过去和将来'的关键,而理解矿物演化机制将为我们探索深空、寻找外星生命和宜居行星提供一条新的道路。”

一些有趣的数据汇总

  • 5659:研究开始时国际矿物学协会认可的矿物“物种”。(这个数字现在超过 5,800 种)
  • 10556:矿物种类和来源方式的组合(“矿物种类”)
  • 40%:起源不止一种方式的矿物种类比例
  • 57:创造地球矿物质的不同物理、化学或生物过程
  • 9种:通过15种或更多方式产生的矿物


方解石可以以17种不同的方式形成,这种在洞穴中形成的方解石因水位变化而形成独特的形状。

图源:ROB LAVINSKY/ARKENSTONE


  • 480 (8%):以四种或更多方式产生的矿物质
  • 458 (8%):以三种方式产生的矿物质
  • 1372 (24%):以两种方式产生的矿物质
  • 3349 (59%):仅在一个过程中出现的矿物质(共生模式)
  • 21:黄铁矿(愚人金)的形成方式——所有矿物中最多的
  • 9:钻石在从外太空到地球深处的环境中形成的方式
  • 80%:水在创造过程中起主导作用的矿物质
  • 1900(约 1/3):仅由生物过程形成的矿物质
  • ~50%:生物学在其中发挥了直接或间接作用的矿物质
  • 41:稀有元素(占地壳百万分之五以下)参与形成 2400 种(超过 42%)矿物
  • 296:被认为早于地球本身的矿物

  • 97:仅从陨石中发现的矿物质
  • 70 亿年:在陨石中发现的单个矿物颗粒的年龄
  • 高达 350:大约 44.5 亿年前水首次出现在地球上时,在近地表海洋和陆地环境中产生的矿物质
  • 44亿年:地球上已知最古老矿物:锆石晶体
  • 600+:来自人类活动的矿物质,其中500+由采矿引起,234+来自煤矿火灾
  • 3534:被认为在地球最初 2.5 亿年内形成的矿物
  • 77:生物矿物质(由代谢过程形成)
  • 72:直接或间接从鸟类和蝙蝠的鸟粪和尿液中提取的矿物质

参考文献:
1.https://scitechdaily.com/diverse-origins-of-earths-minerals-helping-find-new-minerals-habitable-planets-and-extraterrestrial-life/
2.https://www.sciencenews.org/article/earth-mineral-kingdom-classification-crystal-search-life


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扩展阅读

 

深部含水矿物的放气机制
地球内部可能存在新型Fe-O-H-He矿物,H离子在其中如液体般流动 | NSR

Nat. Geosci.: 首次发现地球内部的超离子态矿物相

npj: 超高压之下的Fe2O3—在地球内部的性质和演化

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