15-летнее исследование под руководством Института науки Карнеги подробно описывает происхождение и разнообразие каждого известного минерала на Земле. предсказать возможные характеристики будущей жизни и помочь в поиске обитаемых планет и внеземной жизни.

В статьях-близнецах, опубликованных сегодня журналом American Mineralogist и частично спонсируемых НАСА, ученые Карнеги Роберт Хейзен и Шонна Моррисон подробно описывают новый подход к группированию (объединению) родственных видов минералов вместе или отделению новых видов в зависимости от того, когда и как они возникли.

С учетом генезиса минералов количество «видов минералов» — недавно введенный термин — составляет более 10 500, что примерно на 75% больше, чем примерно 6 000 видов минералов, признанных Международной минералогической ассоциацией (IMA) на основе кристаллической структуры и химического состава.

«Эта работа коренным образом меняет наш взгляд на разнообразие минералов на планете», — говорит доктор Хейзен, научный сотрудник лаборатории Земли и планет Института науки Карнеги, Вашингтон, округ Колумбия.

80% полезных ископаемых Земли образовались через воду

«Например, более 80% земных минералов были связаны с водой, что, таким образом, принципиально важно для минерального разнообразия на этой планете. В более широком смысле это объясняет одну из ключевых причин, почему Луна, Меркурий и даже Марс далеко меньше минеральных видов, чем на Земле».

«Работа также говорит нам кое-что очень глубокое о роли биологии», — добавляет он. «Одна треть земных минералов не могла бы образоваться без биологии — раковин, костей и зубов, или микробов, например, или жизненно важной косвенной роли биологии, такой как создание богатой кислородом атмосферы, которая привела к 2000 минералам, которые не иначе образовались».

«У каждого образца минерала есть история. Каждый рассказывает свою историю. Каждый — это капсула времени, которая раскрывает прошлое Земли так, как ничто другое».

40% видов минералов Земли образовались более чем одним путем

Согласно статье, природа создала 40% видов минералов на Земле более чем одним способом — например, как абиотически, так и с помощью клеток — и в некоторых случаях использовала более 15 различных рецептов для получения одной и той же кристаллической структуры и химического состава. сочинение.

Из 5659 признанных видов минералов, исследованных Хейзеном и его коллегами, девять возникли в результате 15 или более различных физических, химических и/или биологических процессов — от почти мгновенного образования молнией или ударами метеоритов до изменений, вызванных взаимодействием воды и горных пород. или превращения при высоких давлениях и температурах, охватывающие сотни миллионов лет.

И, как бы показывая, что у нее есть чувство юмора, Природа использовала 21 способ за последние 4,5 миллиарда лет для создания пирита (также известного как «Золото дураков») — чемпиона мира по минералам различного происхождения. Пирит образуется при высоких и низких температурах, с водой и без воды, с помощью микробов и в суровых условиях , где жизнь не играет никакой роли.

Состоящий из одной части железа и двух частей сульфида (FeS2), пирит образуется и доставляется через метеориты, вулканы, гидротермальные месторождения, давление между слоями горных пород, приповерхностное выветривание горных пород, осажденные микробами месторождения, несколько процессов, связанных с горнодобывающей промышленностью, включая пожары в угольных шахтах и ​​многие другие средства.

Чтобы прийти к своим выводам, Хейзен и Моррисон создали базу данных всех известных процессов образования каждого известного минерала. Опираясь на большие базы данных минералов с открытым доступом (mindat org и rruff ima/info), дополненные тысячами первичных исследовательских статей по геологии месторождений полезных ископаемых по всему миру, они определили 10 556 различных комбинаций минералов и способов образования. подробно описано в статье «О парагенетических модусах минералов: перспектива эволюции минералов».

В целом, минералы возникли одним или несколькими из 57 различных способов, согласно этой статье и родственной статье, опубликованной одновременно в том же журнале, «Объединение и расщепление: к классификации природных видов минералов», в соавторстве с доктора Хейзен и Моррисон в сотрудничестве с минералогами Сергеем Кривовичевым из Российской академии наук и Робертом Даунсом из Аризонского университета.

Цель их усилий: «Понять, как разнообразие и распределение минералов изменились с течением времени, и предложить систему классификации минералов, отражающую происхождение минералов в контексте эволюции земных миров».

Различение минералов на основе того, как и когда каждый вид появился на протяжении более 4,5 миллиардов лет истории Земли.

В более ранних исследованиях, проведенных более чем за столетие, тысячи минералогов по всему миру тщательно задокументировали почти 6000 различных «минеральных видов» на основе их уникальных комбинаций химического состава и кристаллической структуры. Доктор Хазен и его коллеги использовали другой подход, подчеркивая, как и когда каждый вид минерала появился на протяжении более чем 4,5 миллиардов лет истории Земли.

«Раньше никто не брался за эту огромную задачу», — говорит д-р Хазен, награжденный IMA медалью 2021 года за выдающиеся достижения в области кристаллохимии минералов, особенно в области эволюции минералов.

«В этих двойных статьях мы прилагаем все усилия, чтобы заложить основу для нового подхода к распознаванию различных видов минералов. Мы приветствуем идеи, дополнения и будущие версии минералогического сообщества».

Новые взгляды и выводы авторов включают:

• Вода играла главенствующую роль в минеральном разнообразии Земли, участвуя в формировании более 80% видов минералов.
• Жизнь прямо или косвенно сыграла роль в образовании почти половины известных видов минералов, а треть известных минералов — более 1900 видов — образовалась исключительно в результате биологической деятельности.
• Редкие элементы играют непропорционально большую роль в минеральном разнообразии Земли. Всего 41 элемент — вместе составляющие менее 5 частей на миллион земной коры — являются важными компонентами примерно 2400 (более 42%) земных минералов. 41 элемент включает мышьяк, кадмий, золото, ртуть, серебро, титан, олово, уран и вольфрам.
• Большая часть минерального разнообразия Земли была создана в течение первых 250 миллионов лет существования планеты.
• Считается, что около 296 известных минералов появились раньше самой Земли, 97 из которых известны только из метеоритов (возраст некоторых отдельных минеральных зерен оценивается в 7 миллиардов лет — за миллиарды лет до возникновения нашей Солнечной системы).
• Самые старые известные минералы — это крошечные прочные кристаллы циркона, возраст которых составляет почти 4,4 миллиарда лет.
• Более 600 минералов образовались в результате деятельности человека, в том числе более 500 минералов возникли в результате добычи полезных ископаемых, 234 из них образовались в результате пожаров в угольных шахтах.

Согласно исследованию, известно, что 3349 (59%) видов минералов, одобренных IMA, происходят только из одного процесса (парагенетический способ), 1372 вида (24%) из двух процессов, 458 (8%) из трех процессов и остальные, 480 (8%), из четырех и более отростков.

Алмазы, например, состоящие из углерода, возникли по крайней мере девятью способами, включая конденсацию в остывающей атмосфере старых звезд, во время удара метеорита и при сверхвысоком горячем давлении глубоко внутри Земли.

Эти процессы привели к различным вариантам алмазов — например, звездным, импактным, мантийным и алмазам сверхвысокого давления, — которые авторы определяют как разные «естественные типы».

Авторы предлагают, чтобы в дополнение к утвержденному IMA списку минералов были созданы новые категории и группы на основе генезиса минерала (парагенетический способ).

Например, наука может сгруппировать 400 минералов, образующихся в результате конденсации (при которой вещество переходит непосредственно из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое состояние) в вулканических фумаролах — отверстиях в поверхности Земли, из которых выбрасываются пар и вулканические газы.

В документах подробно изложены другие соображения по кластеризации и классификации минералов, например, эпоха, в которой они образовались. Например, «Великое событие окисления» на Земле около 2,3 миллиарда лет назад привело к образованию новых минералов у поверхности планеты.

А около 4,45 миллиарда лет назад, когда впервые появилась вода, самые ранние взаимодействия воды и горных пород могли привести к образованию до 350 минералов в приповерхностных морских и наземных средах.

Похоже также, что сотни различных минералов могли образоваться на Земле до гигантского столкновения, которое испарило большую часть коры и мантии нашей планеты и привело к образованию Луны около 4,5 миллиардов лет назад. Если это так, то эти минералы были уничтожены только для того, чтобы восстановиться, когда Земля остыла и затвердела.

«Резкий контраст между большим набором минералов на Земле и относительной минералогической скупостью Луны и Меркурия, а также скромным разнообразием, обнаруженным на Марсе, происходит из-за различного влияния воды», — говорят авторы.

В дополнение к случайным образованиям полезных ископаемых при пожарах в шахтах, человечество произвело бесчисленные тысячи минералоподобных соединений, которые не соответствуют критериям признания IMA — строительные материалы, полупроводники, лазерные кристаллы, специальные сплавы, синтетические драгоценные камни, пластиковый мусор и тому подобное. . Однако все они «вероятно сохранятся в геологической летописи в течение миллионов лет, тем самым обеспечивая четкий осадочный горизонт, знаменующий так называемую« антропоценовую эпоху».

Между тем, согласно статье, существует 77 «биоминералов», образованных в результате различных метаболических процессов — от кораллов, раковин и крапивы до минералов в костях, зубах и камнях в почках.

Еще 72 минерала прямо или косвенно получают из гуано и мочи птиц и летучих мышей. В этот список входит редкий минерал сфеницидит, который образуется, когда моча пингвинов (отряд Sphenisciformes, отсюда и название минерала) реагирует с глинистыми минералами под лежбищем на острове Элефант в Британской антарктической территории.

Эволюция минералов и происхождение жизни

Авторы отмечают, что образование океанов, экстенсивное развитие континентальной коры и, возможно, даже инициирование какой-то ранней формы субдукции (процесса, который сегодня управляет тектоникой плит) в ранний гадейский эон 4,0–4,5 миллиарда лет назад означало, что многие важные процессы минералообразования — и целых 3534 вида минералов — произошли в первые 250 миллионов лет жизни Земли.

«Если это так, то большая часть геохимической и минералогической среды, используемой в моделях происхождения жизни, существовала 4,3 миллиарда лет назад», — говорят они.

Если жизнь — это «космический императив, возникающий в любом мире, богатом минералами и водой», — говорят авторы, — «тогда эти открытия подтверждают гипотезу о том, что жизнь на Земле возникла быстро, в согласии с живым, разнообразным Минеральным царством, в самые ранние стадии планетарной эволюции».

Внеземная минералогия

Работа также указывает пути вперед для будущих исследователей и исследователей:

«Какие минералообразующие среды встречаются на Луне, Марсе и других земных мирах? Перечисление парагенетических типов и помещение каждого минерального вида в одну или несколько из этих категорий дает возможность оценить внеземную минералогию с новой точки зрения. Если бы Марс имел (или все еще имеет) гидрологический цикл, каких минералогических проявлений можно ожидать?Например, существуют ли марсианские гидротермальные сульфидные месторождения и, если да, были ли мобилизованы различные металлы?С другой стороны, если Луна действительно сухая, то какие парагенетические процессы исключены? И есть ли у внеземных тел парагенетические процессы, не наблюдаемые на Земле, такие как криовулканизм на Титане?»

Двойные статьи, которые появятся 1 июля в журнале American Mineralogist : «О парагенетических модусах минералов: взгляд на эволюцию минералов» и «Объединение и расщепление: к классификации природных видов минералов».

---

По номерам

• 5659: Минеральные «виды», признанные Международной минералогической ассоциацией на момент проведения этого исследования. (С тех пор это число возросло до более чем 5800 видов)
• 10 556: Комбинации видов минералов и средств происхождения («минеральные виды»).
• 57: различные физические, химические или биологические процессы, которые создали минералы Земли.
• 40%: доля видов минералов, возникших более чем одним путем.
• 3349 (59%): минералы, образующиеся только в одном процессе (парагенетический режим)
• 1372 (24%): минералы, встречающиеся двумя способами.
• 458 (8%): ​​минералы, встречающиеся тремя способами.
• 480 (8%): ​​минералы, встречающиеся четырьмя и более способами.
• 9. Минералы, возникшие 15 или более способами.
• 21. Способы образования пирита (золота дураков) — больше, чем любого другого минерала.
• 9. Способы формирования алмазов в средах от космоса до недр Земли.
• 80%: Минералы, в создании которых вода играла главную роль.
• ~ 50%: минералы, в создании которых биология прямо или косвенно сыграла роль.
• 1900 (около 1/3): минералы, образованные исключительно биологическими процессами .
• 41: Редкие элементы (составляющие менее 5 частей на миллион земной коры), участвующие в формировании 2400 (более 42%) минералов.
• 296: Считалось, что минерал существовал раньше самой Земли.
• 97: Минералы, известные только из метеоритов.
• 7 миллиардов лет (на миллиарды лет раньше нашей Солнечной системы): возраст отдельных минеральных зерен, обнаруженных в метеоритах.
• До 350: минералы, образовавшиеся в приповерхностных морских и наземных средах, когда вода впервые появилась на Земле ~ 4,45 миллиарда лет назад.
• 4,4 миллиарда лет: возраст самого древнего из известных минералов, созданных на Земле: кристаллов циркона
• 3534: минералы, которые, как считается, образовались в течение первых 250 миллионов лет существования Земли.
• 600+: минералы, полученные в результате деятельности человека, в том числе 500+ в результате добычи полезных ископаемых, 234 в результате пожаров в угольных шахтах.
• 77: Биоминералы (образуются в результате метаболических процессов)
• 72: Минералы, полученные прямо или косвенно из гуано и мочи птиц и летучих мышей.