Минерален развој

Минерален развој или минерална еволуција — неодамнешна хипотеза која обезбедува историски контекст на минералогијата. Таа претпоставува дека минералогијата на планетите и месечините станува сè посложена како резултат на промените во физичката, хемиската и биолошката средина. Во Сончевиот систем, бројот на минерални видови пораснал од околу десетина на над 5400 како резултат на три процеси: одвојување и концентрација на елементи; поголем опсег на температура и притисок заедно со дејството на испарливи материи; и нови хемиски патишта обезбедени од живите организми.
На Земјата постоеле три периоди на развој на минералите. Раѓањето на Сонцето и формирањето на астероиди и планети го зголемило бројот на минерали на околу 250. Повтореното преработување на кората и плаштот преку процеси како што се делумно топење и тектоника на плочи го зголемило вкупниот број на околу 1500. Останатите минерали, повеќе од две третини од вкупниот број, биле резултат на хемиски промени посредувани од живи организми, при што најголемото зголемување се случило по Кислородната катастрофа.
1 Употребата на терминот „еволуција“
Во трудот од 2008 година во кој бил воведен терминот „''еволуција на минерали''“, Роберт Хејзен и коавторите препознале дека примената на зборот „еволуција“ на минерали веројатно ќе биде спорна, иако постоеле преседани уште од книгата ''„Еволуцијата на магматските карпи“'' од Норман Бовен од 1928 година. Тие го употребувале терминот во смисла на неповратна низа настани што доведуваат до сè посложени и разновидни збирови на минерали. За разлика од биолошката еволуција, таа не вклучува мутација, конкуренција или пренесување информации на потомството. Хејзен и неговите соработници истражувале некои други аналогии, вклучувајќи ја и идејата за изумирање. Некои процеси на формирање минерали повеќе не се случуваат, како што се оние што произвеле одредени минерали во енстатит хондрити кои се нестабилни на Земјата во нејзината оксидирана состојба. Исто така, ефектот на стаклена градина на Венера можеби довел до трајни загуби на некои минерални видови. Сепак, истребувањето на минерали не е навистина неповратно; изгубен минерал би можел повторно да се појави доколку се воспостават соодветни услови на животната средина.
2 Претсончеви минерали
Во раниот период на Вселената, немало минерали бидејќи единствените достапни елементи биле водород, хелиум и траги од литиум. Формирањето на минерали станало можно откако потешките елементи, вклучувајќи јаглерод, кислород, силициум и азот, биле синтетизирани во ѕвездите. Во ширените атмосфери на црвените џинови и исфрлањата од суперновите, микроскопските минерали се формирале на температури над .
Докази за овие минерали може да се пронајдат во меѓуѕвездените зрна вградени во примитивни метеорити наречени хондрити, кои во суштина се космички седиментни карпи. Бројот на познати видови е приближно десетина, иако се распознаени уште неколку материјали, но не се класифицирани како минерали. Бидејќи има висока температура на кристализација (околу ), дијамантот веројатно бил првиот минерал кој се формирал. Потоа следеле графит, оксиди (рутил, корунд, шпинел, хибонит), карбиди (муасанит), нитриди (осборнит и силициум нитрид) и силикати (форстерит и силикат перовскит (MgSiO<sub>3</sub>)). Овие „ур-минерали“ ги посеале молекуларните облаци од кои е формиран Сончевиот Систем.
3 Процеси
По формирањето на Сончевиот систем, развојот на минералите била водена од три основни механизми: одвојување и концентрација на елементи; поголем опсег на температура и притисок во комбинација со хемиско дејство на испарливи материи; и нови реакциони патишта водени од живи организми.
3.1 Разделување и концентрација
Највисокото ниво во класификацијата на минералите се основа на хемискиот состав. Сепак, дефинирачките елементи за многу минерални групи, како што се борот во боратите и фосфорот во фосфатите, на почетокот биле присутни единствено во концентрации од делови на милион или помалку. Ова им оставило мала или никаква шанса да се спојат и да формираат минерали сè додека надворешните влијанија не ги приближиле. Процесите што ги одделуваат и концентрираат елементите вклучуваат планетарна диференцијација (на пример, одделување во слоеви како што се јадро и плашт); испуштање гасови ; фракционо кристализирање; и делумно топење.
3.2 Променливи и испарливост
Дозволените комбинации на елементи во минералите се определени со термодинамика; за еден елемент да се додаде во кристал на дадена местоположба, тој мора да ја намали енергијата. На повисоки температури, многу елементи се заменливи во минерали како што е оливинот. Како што планетата се лади, минералите стануваат изложени на поголем опсег на интензивни количини како што се температурата и притисокот, овозможувајќи формирање на нови фази и поспецијализирани комбинации на елементи како што се глинести минерали и зеолити. Нови минерали се формираат кога испарливи соединенија како што се вода, јаглерод диоксид и кислород реагираат со нив. Средини како што се ледени капи, суви езера и ископани метаморфни карпи имаат карактеристични групи на минерали.
3.3 Биолошко влијание
Животот направил драматични промени во животната средина. Најдраматичен бил Кислородната катастрофа, пред околу 2,4 милијарди години, во кој фотосинтетските организми ја преплавиле атмосферата со кислород. Живите организми, исто така, катализираат реакции, создавајќи минерали како што е арагонит кои не се во рамнотежа со нивната околина.
4 Хронологија
Пред формирањето на Сончевиот Систем, имало околу 12 минерали. Проценката за моменталниот број на минерали брзо се менувала. Во 2008 година, таа изнесувала 4300, но од ноември 2018 година имало 5413 официјално признати минерални видови.
Во нивната хронологија за Земјата, Хејзен и неговите соработници (2008) ги поделиле промените во изобилството на минерали во три широки интервали: насобирање до 4,55 Ga (пред милијарди години); преработка на Земјината кора и мантија помеѓу 4,55 Ga и 2,5 Ga; и биолошки влијанија по 2,5 Ga. Тие понатаму ги поделиле возрастите на 10 интервали, од кои некои се преклопуваат. Покрај тоа, некои од датумите се неизвесни; на пример, проценките за почетокот на современата тектоника на плочите се движат од 4,5 Ga до 1,0 Ga.
+ Ерои и фази на минералниот развој на Земјата , Ера/фаза, Возраст (Ga), Кумулативен број на видови
''Пренебуларни „ур-минерали“'', >4,6, 12
Период на планетарно насобирање (>4,55 Ga), 1. Сонцето се пали, загревајќи ја маглината, >4,56, 60
2. Форма на планетезимали, >4,56–4,55, 250
Период на преработка на кората и плаштот (4,55–2,5 Ga), 3. Развој на магматски карпи, 4,55–4,0, 350–420
4. Формирање на гранитоиди и пегматити, 4,0–3,5, 1000
5. Тектоника на плочи, >3,0, 1500
Период на биолошки посредувана минералогија (2,5 Ga – денес), 6. Аноксичен биолошки свет, 3,9–2,5, 1500
7. Кислородна катастрофа, 2,5–1,9, >4000
8. Среден океан, 1,85–0,85 , >4000
9. Настани од типот „Снежна земјина топка“, 0,85–0,542, >4000
10. Фанерозојски период на биоминерализација, <0,542, >5413
4.1 Планетарно насобирање
Во првиот период, Сонцето се запалило, загревајќи го околниот молекуларен облак . 60 нови минерали биле произведени и зачувани како инклузии во хондритите. Натрупувањето на прашина во астероидите и планетите, бомбардирањата, загревањето и реакциите со вода го зголемиле бројот на 250.
4.1.1 Фаза 1: Сонцето се пали
Пред 4,56 Ga, пресончевата маглина била густ молекуларен облак кој се состоел од водород и хелиумски гас со распрснати зрна прашина. Кога Сонцето се запалило и влегло во својата фаза од типот на T Бик, ги стопило блиските зрна прашина. Некои од капките на топење биле припоени во хондритите како мали сферични објекти наречени хондрули. Речиси сите хондрити содржат и калциум-алуминиумски богати инклузии (CAI), најраните материјали формирани во Сончевиот Систем. Од испитувањето на хондритите од овој период, може да се распознаат 60 нови минерали со кристални структури од сите кристални системи. Овде спаѓаат првите легури на железо-никел, сулфиди, фосфиди и неколку силикати и оксиди. Меѓу најважните биле оливинот богат со магнезиум, пироксенот богат со магнезиум и плагиокласот. Некои ретки минерали, произведени во средини сиромашни со кислород кои повеќе не се наоѓаат на Земјата, може да се најдат во енстатитните хондрити.
4.1.2 Фаза 2: Формирање на планетезимали
Набргу по формирањето на новите минерали во Фаза 1, тие почнале да се групираат, формирајќи астероиди и планети. Еден од најважните нови минерали билмразот; раниот Сончев Систем имал „снежна линија“ што ги одделувала карпестите планети и астероиди од џиновските планети богати со мраз, заднептунските објекти и кометите. Греењето од радионуклидите го стопило мразот, а водата реагирала со карпи богати со оливин, формирајќи филосиликати, оксиди како што е магнетит, сулфиди како што е пиротит, карбонатите доломит и калцит и сулфати како што е гипс. Шокот и топлината од бомбардирањето и евентуалното топење создале минерали како што е рингвудит, главна компонента на Земјиниот плашт.
На крајот, астероидите се загреале доволно за делумно топење, создавајќи стопи богати со пироксен и плагиоклас (способни за производство на базалт) и разни фосфати. Сидерофилните (металољубиви) и литофилните (силикатнољубиви) елементи се одвоиле, што довело до формирање на јадро и кора, а некомпатибилните елементи биле засегнати во стопите. Добиените минерали се зачувани во еден вид камен метеорит, еукрит (кварц, калиум фелдспат, титанит и циркон) и во железно-никел метеорити (железо-никел легури како што се камацит и тенит; сулфиди на преодни метали како што е троилит; карбиди и фосфиди). Се проценува дека во оваа фаза се формирале 250 нови минерали.
4.2 Преработка на кора и обвивка
Вториот период во историјата на минералниот развој започнал со масивниот удар што ја формирал Месечината. Ова го стопило поголемиот дел од кората и мантијата. Раната минералогија била определена со кристализација на магматски карпи и понатамошни бомбардирања. Оваа фаза потоа била заменета со обемно рециклирање на кората и мантијата, така што на крајот од овој период имало околу 1500 минерални видови. Сепак, малку од карпите преживеале од овој период, па времето на многу настани останува неизвесно.
4.2.1 Фаза 3: Магматски процеси
Третата фаза започнала со кора која била направена од мафични карпи (богати со железо и магнезиум) и ултрамафични карпи како што е базалтот. Овие карпи постојано се рециклирале со фракционо топење, фракционо кристализирање и одвојување на магми кои одбиваат да се мешаат. Пример за таков процес е Боуеновата реакциска серија.
Еден од ретките извори на директни информации за минералогијата во оваа фаза се минералните опфати во цирконските кристали, кои датираат од пред 4,4 Ga. Помеѓу овие минерали се кварц, мусковит, биотит, калиум фелдспат, албит, хлорит и хорнбленда.
Во тело сиромашно со испарливи материи како што се Меркур и Месечината, горенаведените процеси довеле до околу 350 минерални видови. Водата и другите испарливи материи, доколку биле присутни, го зголемиле вкупниот број. Земјата била богата со испарливи материи, со атмосфера составена од N<sub>2</sub>, CO<sub>2</sub> и вода, и океан кој станувал постојано посолен. Вулканизмот, испуштањето гасови и хидратацијата довеле до хидроксиди, хидрати, карбонати и испарувања. За Земјата, каде што оваа фаза се совпаѓа со Хадајк еон, вкупниот број на широко распространети минерали се проценува на 420, со над 100 други кои биле ретки. Марс веројатно ја достигнал оваа фаза на развојот на минералите.
4.2.2 Фаза 4: Формирање на гранитоиди и пегматит
Со доволно топлина, базалтот бил претопен за да формира гранитоиди, грубо зрнести карпи слични на гранит. Циклусите на топење концентрирале ретки елементи како што се литиум, берилиум, бор, ниобиум, тантал и ураниум до точка каде што можеле да формираат 500 нови минерали. Голем број од нив биле концентрирани во исклучително грубо зрнести карпи наречени пегматити кои обично се наоѓаат во насипи и вени во близина на поголеми магматски маси. Венера можеби го достигнала ова ниво на развој.
4.2.3 Фаза 5: Тектоника на плочи
Со почетокот на тектониката на плочите, подвлекувањето ги понела кората и водата надолу, што довело до заемни дејства меѓу флуидите и карпите и поголема концентрација на ретки елементи. Особено, сулфидните наслаги биле формирани со 150 нови минерали на сулфосали. Подвлекувањето, исто така, однело поладна карпа во пшалтот и ја изложила на поголем притисок, што резултирало со нови фази кои подоцна биле подигнати и изложени како метаморфни минерали како што се кијанитот и силиманитот.
4.3 Биолошки посредувана минералогија
Неорганските процеси опишани во претходниот дел произвеле околу 1500 минерални видови. Останатите повеќе од две третини од минералите на Земјата се резултат на преобразбата на Земјата од страна на живите организми. Најголемиот придонес бил од огромното зголемување на содржината на кислород во атмосферата, почнувајќи со Кислородната катастрофа. Живите организми, исто така, почнале да произведуваат скелети и други форми на биоминерализација. Минерали како што се калцит, метални оксиди и многу глинени минерали би можеле да се сметаат за биосигнатури, заедно со скапоцени камења како што се тиркиз, азурит и малахит.
4.3.1 Фаза 6: Биологија во аноксичен свет
Пред околу 2,45 Ga, имало многу малку кислород во атмосферата. Животот можеби играл улога во таложењето на масивни карбонатни слоеви во близина на континенталните маргини и во таложењето на формации на лентесто железо, но нема недвосмислен доказ за ефектот на животот врз минералите.
4.3.2 Фаза 7: Кислородна катастрофа
Почнувајќи од околу 2,45 Ga и продолжувајќи до околу 2,0 или 1,9 Ga, имало драматичен пораст на содржината на кислород во долната атмосфера, континентите и океаните наречен Кислородна катастрофа или Голем настан на оксидација (ГНО). Пред ГНО, елементите што можеле да бидат во повеќекратни оксидациски состојби биле ограничени на најниската состојба, а тоа го ограничувало разновидноста на минерали што можеле да ги формираат. Во постарите седименти, најчесто се наоѓаат минералите сидерит (FeCO<sub>3</sub>), уранинит (UO<sub>2</sub>) и пирит ( FeS<sub>2</sub>). Овие брзо оксидираат кога се изложени на атмосфера со кислород, но ова не се случило дури ни по обемно атмосферско дејство и пренос.
Кога концентрацијата на молекули на кислород во атмосферата достигна 1% од денешното ниво, хемиските реакции за време на атмосферските влијанија станале многу слични на денешните. Сидеритот и пиритот биле заменети со железни оксиди магнетит и хематит; растворените јони на Fe2<sup>+</sup> кои биле однесени во морето веќе биле таложени во обемни формации на лентесто железо. Сепак, ова не резултирало со нови минерали на железо, туку само со промена во нивното изобилство. Спротивно на тоа, оксидацијата на уранинитот резултирало со над 200 нови видови уранилни минерали како што се содит и виксит, како и минерални комплекси како што е гумитот.
Други елементи кои имаат повеќекратни оксидациски состојби вклучуваат бакар (кој се јавува во 321 оксиди и силикати), бор, ванадиум, магнезиум, селен, телуриум, арсен, антимон, бизмут, сребро и жива. Вкупно, се формирале околу 2500 нови минерали.
4.3.3 Фаза 8: Среден океан
Следните приближно милијарда години (1,85–0,85 Ga) често се нарекуваат „ Досадна Милијарда“ бидејќи се сметало дека малку работи се случиле. Пооксидираниот слој на океанска вода во близина на површината полека се продлабочувал на сметка на аноксичните длабочини, но се сметало дека нема никаква драматична промена во климата, биологијата или минералогијата. Сепак, дел од оваа перцепција може да се должи на лошото зачувување на карпите од тој временски период. Многу од највредните резерви на олово, цинк и сребро во светот се наоѓаат во карпите од ова време, како и богати извори на минерали од берилиум, бор и ураниум. Во овој интервал се формирал и суперконтинентот Колумбија, неговото распаѓање и формирањето на Родинија. Во некои квантитативни студии за минерали од берилиум, бор и жива, нема нови минерали за време на Големиот оксидациски настан, но има пулс на иновации за време на склопувањето на Колумбија. Причините за ова не се јасни, иако можеби имало некаква врска со ослободувањето на минерализирачки течности за време на градењето на планините.
4.3.4 Фаза 9: Снежна земјина топка
Помеѓу 1,0 и 0,542 Ga, Земјата доживеала најмалку два настани „Снежна земјина топка“ во кои голем дел (можеби целата) од површината била покриена со мраз (што го прави доминантен површински минерал). Со мразот биле поврзани карбонатите на капата, дебели слоеви од варовник или доломит, со арагонитски вентили. Глинените минерали исто така биле произведувани во изобилство, а вулканите успеале да го пробијат мразот и да го зголемат залихите на минерали.
4.3.5 Фаза 10: Фанерозок и биоминерализација
Последната фаза се совпаѓа со фанерозоикот, во која биоминерализацијата, создавањето минерали од страна на живите организми, станала широко распространета. Иако некои биоминерали може да се најдат во претходните записи, токму за време на камбриумската експлозија се развиле повеќето од познатите скелетни форми, и главните скелетни минерали (калцит, арагонит, апатит и опал). Повеќето од нив се карбонати, но некои се фосфати или калцит. Вкупно, кај живите организми се распознаени над 64 минерални фази, вклучувајќи метални сулфиди, оксиди, хидроксиди и силикати; над дваесетина биле пронајдени во човечкото тело.
Пред фанерозоикот, копното се состоело претежно од неплодна карпа, но растенијата почнале да го населуваат во силурскиот период. Ова довело до зголемување на производството на глинени минерали во голем ред. Во океаните, планктонот пренел калциум карбонат од плитките води до длабокиот океан, спречувајќи го производството на карбонати на капата и правејќи ги идните настани во форма на снежна земјина топка помалку веројатни. Микробите, исто така, се вклучиле во геохемиските циклуси на повеќето елементи, правејќи ги биогеохемиски циклуси. Минералошките новини вклучувале органски минерали кои биле пронајдени во остатоци од живот богати со јаглерод, како што се јагленот и црните шкрилци.
4.4 Антропоцен
Строго кажано, чисто биогените минерали не се признаваат од Меѓународниот минералошки сојуз (ММС) освен ако не се вклучени и геолошки процеси. Чисто биолошките производи како што се школките на морските организми не се прифаќаат. Исто така, експлицитно се исклучени антропогените соединенија. Сепак, луѓето имале такво влијание врз површината на планетата што геолозите размислуваат за воведување на нова геолошка епоха, антропоцен, за да ги одразат овие промени.
Во 2015 година, Заласевич и коавторите предложиле дефиницијата за минерали да се прошири за да ги вклучи и човечките минерали и дека нивното производство претставува 11-та фаза од развојот на минералите. Последователно, Хејзен и коавторите каталогизирале 208 минерали кои се официјално признати од Меѓународниот минералошки сојуз, но се првенствено или исклучиво резултат на човечки активности. Повеќето од нив се формирале во врска со рударството. Покрај тоа, некои биле создадени кога металните артефакти потонале и стапиле во заемно дејство со морското дно. Неколку веројатно нема да бидат официјално признати денес, но им е дозволено да останат во каталогот; меѓу нив се два (ниобокарбид и танталкарбид) кои можеби биле измама.
Хејзен и коавторите распознале три начини на кои луѓето имале големо влијание врз распространувањето и разновидноста на минералите. Првиот е преку производство. Долг список на синтетички кристали имаат минерални еквиваленти, вклучувајќи синтетички скапоцени камења, керамика, тули, цемент и батерии. Многу повеќе немаат минерален еквивалент; над 180.000 неоргански кристални соединенија се наведени во Базата на податоци за неоргански кристални структури. За рударство или изградба на инфраструктура, луѓето ги прераспределиле карпите, седиментите и минералите на ниво кое може да се спореди со она на глацијацијата, а вредни минерали биле прераспределени и споени на начини што не би се појавиле природно.
5 Потеклото на животот
Над две третини од минералните видови го должат своето постоење на животот, но животот може да го должи своето постоење и на минералите. Тие можеби биле потребни како модели за спојување на органски молекули; како катализатори за хемиски реакции; и како метаболити. Две истакнати теории за потеклото на животот вклучуваат глини и сулфиди на преодни метали. Друга теорија тврди дека калциум-боратните минерали како што се колеманит и борат, а можеби и молибдат, можеби биле потребни за формирање на првата рибонуклеинска киселина (РНК). Други теории бараат помалку вообичаени минерали како што се макинавит или грејгит. Каталог на минералите кои биле формирани за време на Хадскиот еон вклучува глинени минерали и сулфиди на железо и никел, вклучувајќи макинавит и грејгит; но боратите и молибдатите биле малку веројатни.
Минералите можеби биле неопходни и за опстанокот на раниот живот. На пример, кварцот е попроѕирен од другите минерали во песочниците. Пред животот да развие пигменти за да го заштити од штетните ултравиолетови зраци, тенок слој кварц можел да го заштити, а воедно да дозволи доволно светлина да помине за фотосинтеза. Фосфатните минерали можеби биле важни и за раниот живот. Фосфорот е еден од основните елементи во молекулите како што е аденозин трифосфатот (ATP), носител на енергија што се наоѓа во сите живи клетки; РНК и ДНК; и клеточните мембрани. Поголемиот дел од фосфорот на Земјата е во јадрото и пшалтот. Најверојатниот механизам за негово ставање на располагање на животот би бил создавањето на фосфати како што е апатитот преку фракционирање, проследено со атмосферско дејство за ослободување на фосфорот. Ова можеби барало тектоника на плочите.
6 Понатамошни истражувања
Од оригиналниот труд за развојот на минералите, направени се неколку проучувања за минерали од специфични елементи, вклучувајќи ураниум, ториум, жива, јаглерод, берилиум и глинени минерали. Тие откриваат информации за различни процеси; на пример, ураниумот и ториумот произведуваат топлина, додека ураниумот и јаглеродот укажуваат на оксидациска состојба. Записите откриле епизодни налети на нови минерали како оние за време на Досадната милијарда, како и долги периоди кога не се појавиле нови минерали. На пример, по скокот во разновидноста за време на склопувањето на Колумбија, немало нови минерали на жива помеѓу пред 1,8 Ga и 600 милиони години. Оваа извонредно долга пауза се припишува на океанот богат со сулфиди, што довело до брзо таложење на минералот цинабар.
Повеќето трудови за развојот на минералите го разгледуваат првото појавување на минералите, но може да се погледне и старосната распределба на даден минерал. Датирани се милиони цирконски кристали, а старосните распределби се речиси независни од тоа каде се наоѓаат кристалите (на пр., магматски карпи, седиментни или метаседиментарни карпи или современ речен песок). Тие имаат врвови и падови кои се поврзани со циклусот на суперконтинентот, иако не е познато дали ова се должи на промени во активноста на подвлекување или на зачувување.
Други истражувања ги испитувале временските варијации на својствата на минералите, како што се изотопските односи, хемиските состави и релативните изобилства на минерали, иако не се под рубриката „развој на минералите“.
7 Историја
Во поголемиот дел од својата историја, минералогијата немала историска компонента. Таа се занимавала со класификација на минералите според нивните хемиски и физички својства (како што се хемиската формула и кристалната структура) и дефинирање на условите за стабилност на минерал или група минерали. Сепак, имало исклучоци каде што публикациите ја разгледувале распределбата на возраста на минералите или на рудите. Во 1960 година, Расел Гордон Гастил открил циклуси во распределбата на датумите на минералите. Чарлс Мејер, откривајќи дека рудите на некои елементи се распределени во поширок временски период од другите, ја припишал разликата на ефектите од тектониката и биомасата врз хемијата на површината, особено слободниот кислород и јаглеродот. Во 1979 година, А.Г. Жабин го вовел концептот на фази на развојот на минералите во списанието на руски јазик „Зборник на трудови на Академијата на науките на СССР“, а во 1982 година, Н.П. Јушкин ја забележал зголемената комплексност на минералите со текот на времето во близина на површината на Земјата. Потоа, во 2008 година, Хејзен и неговите колеги вовеле многу поширока и подетална визија за развојот на минералите. Потоа следела серија квантитативни истражувања на развојот на различни минерални групи. Овие истражувања во 2015 година довеле до концептот на минерална екологија, проучување на распределбата на минералите во просторот и времето.
Во април 2017 година, Природонаучниот музеј во Виена отворил нова постојана изложба за развој на минералите.