vignette| La plupart des minéraux sur Terre formés après la photosynthèse par les cyanobactéries (photo) ont commencé à ajouter de l'oxygène à l'atmosphère. L'évolution minérale est une hypothèse basée sur un article scientifique de 2008 qui fournit un contexte historique à la minéralogie. Elle pose l'hypothèse que la minéralogie des planètes et des lunes devient de plus en plus complexe à la suite de changements dans l'environnement physique, chimique et biologique (pour la Terre). Dans le système solaire, le nombre d'espèces minérales est passé d'une douzaine à plus de en raison de trois processus : la séparation et la concentration des éléments, l'augmentation des plages de température et de pression couplée à l'action des substances volatiles, et les nouvelles voies chimiques offertes par les organismes vivants.
Sur Terre, l'évolution des minéraux s'est déroulée en trois temps. La naissance du Soleil et la formation des astéroïdes et des planètes ont porté le nombre de minéraux à environ 250. Le remaniement répété de la croûte et du manteau terrestres par des processus tels que la fusion partielle et la tectonique des plaques a porté le total à environ minéraux. Les espèces restantes, soit plus des deux tiers du total, résulteraient de modifications chimiques opérées par des organismes vivants, la plus forte augmentation ayant eu lieu après l'épisode de la Grande Oxydation.
Utilisation du terme « évolution » Dans un article de 2008 qui a introduit le terme « évolution minérale », le minéralogiste et exobiologiste américain Robert Hazen et ses co-auteurs sont convenus que l'utilisation du mot « évolution » était susceptible d'être controversée pour les minéraux, bien qu'il y ait eu des précédents parfois anciens comme le livre L'évolution des roches ignées par Norman Levi Bowen en 1928. Ils ont utilisé le terme dans le sens d'une séquence irréversible d'événements conduisant à des assemblages de minéraux de plus en plus complexes et diversifiés. Contrairement à l'évolution biologique, elle ne fait pas rentrer en jeu les phénomènes de mutation, de compétition ou d'hérédité. Par contre Hazen ont exploré d'autres analogies, comme l'idée d'extinction. Certains processus de formation de minéraux ne se produisent plus, comme ceux qui ont produit certains minéraux dans les chondrites à enstatite qui sont instables sur Terre dans leur état oxydé. De plus, l'effet de serre incontrôlable sur Vénus peut avoir entraîné des pertes permanentes d'espèces minérales. Cependant, l'extinction des minéraux n'est pas vraiment irréversible ; un minéral perdu pourrait réapparaître si les conditions environnementales appropriées étaient rétablies.
Minéraux présolaires vignette| Les grains présolaires (« poussière d'étoile ») de la météorite de Murchison fournissent des informations sur les premiers minéraux. Au début de l'Univers, il n'y avait pas de minéraux car les seuls éléments disponibles étaient l'hydrogène, l'hélium et ainsi que des traces de lithium. La formation de minéraux a été rendue possible après la synthèse d'éléments plus lourds, comme le carbone, l'oxygène, le silicium et l'azote dans les étoiles. Dans les atmosphères en expansion des étoiles géantes rouges et les éjectas des supernovae, des minéraux microscopiques se sont formés à des températures supérieures à .
Des échantillons de ces minéraux se retrouvent sous forme de grains interstellaires incorporés dans des météorites primitives appelées chondrites, qui sont essentiellement des roches sédimentaires cosmiques. Le nombre d'espèces connues est d'environ une douzaine, auxquelles s'ajoutent certains matériaux identifiés non classés comme minéraux. Le diamant a probablement été le premier minéral à se former, parce que sa température de cristallisation est élevée (environ ). Viennent ensuite le graphite, les oxydes (rutile, corindon, spinelle, hibonite), les carbures (moissanite), les nitrures (osbornite et nitrure de silicium) et les silicates (forstérite et pérovskite, MgSiO3). Ces minéraux de la première heure ont ensemencé les nuages moléculaires à partir desquels le système solaire s'est formé.
Processus Après la formation du système solaire, l'évolution minérale a été guidée par trois mécanismes principaux : la séparation et la concentration des éléments, l'augmentation des plages de température et de pression combinée à l'action chimique des substances volatiles, et les nouvelles voies de réaction induites par les organismes vivants.
Séparation et concentration vignette| Vues en coupe de certaines planètes telluriques, montrant les couches Le système de classification des minéraux le plus évolué est basé sur la composition chimique. Or, les éléments simples formant des groupes de minéraux, tels que le bore pour les borates et le phosphore pour les phosphates, n'étaient dans les périodes reculées présents qu'à des concentrations de quantièmes de parties par million ou moins. Cela leur laissait peu ou pas de chance de se rassembler et de former des minéraux, jusqu'à ce que des influences extérieures les concentrent. Les processus que sont la différenciation planétaire (notamment la séparation en couches telles qu'un noyau et un manteau), le dégazage, la cristallisation fractionnée ; et la fusion partielle les séparent et les concentrent.
Variables intensives et volatiles vignette| Des cristaux de gypse se sont formés lorsque l'eau s'est évaporée dans le lac Lucero, au Nouveau-Mexique. Les combinaisons admissibles d'éléments dans les minéraux sont déterminées par la thermodynamique ; pour qu'un élément soit ajouté à un cristal à un endroit donné, il doit réduire l'énergie. À des températures plus élevées, de nombreux éléments sont interchangeables dans des minéraux tels que l'olivine. Au fur et à mesure qu'une planète refroidit, les minéraux sont exposés à une plus grande gamme de variables intensives telles que la température et la pression, permettant la formation de nouvelles phases et de combinaisons plus spécialisées d'éléments tels que les minéraux argileux et les zéolithes. Les nouveaux minéraux se forment lors d'interactions et des réactions avec des composés volatils tels que l'eau, le et l'. Des suites minérales distinctes apparaissent dans des environnements tels que les calottes glaciaires, les lacs asséchés et les roches métamorphiques déterrées.
Influence biologique La vie a provoqué des changements spectaculaires dans l'environnement de la Terre. Le plus remarquable a été l'événement de la grande oxydation, il y a environ d'années, au cours duquel des organismes photosynthétiques ont inondé l'atmosphère d'oxygène. Les organismes vivants catalysent également des réactions, créant des minéraux tels que l'aragonite qui ne sont pas en équilibre avec leur environnement..
Chronologie Avant la formation du système solaire, il n'y avait environ que . En 2008, le nombre estimé de minéraux était de , l'IMA élève ce nombre en novembre 2018 à 5413 espèces minérales officiellement reconnues.
Dans leur chronologie de la Terre, Hazen ont divisé les changements dans l'abondance minérale en trois intervalles généraux : l'accrétion planétaire jusqu'à d'années (Ga) ; la réorganisation de la croûte et du manteau terrestres entre et ; et les influences biologiques après . Ils ont en outre divisé les âges en , dont certains se chevauchent. De plus, certaines des dates sont incertaines comme les estimations de l'apparition de la tectonique des plaques moderne vont de à . Époques et étapes de l'évolution minérale de la Terre Époque/étape Âge en milliards d'années (Ga) Nombre cumulé d'espèces Minéraux de la première heure prénébulaires > 4,6 12 Ère de l'accrétion planétaire (> 4,55 Ga) 1. Le soleil s'allume, nébuleuse chauffante > 4,56 60 2. Formation de planétésimaux > 4,56–4,55 250Ère de remaniement de la croûte et du manteau (4,55–2,5 Ga) 3. Évolution des roches ignées 4,55–4,0 350–420 4. Formation granitoïde et pegmatite 4,0–3,5 5. Tectonique des plaques > 3,0 Ère de la minéralogie à médiation biologique ( - présent) 6. Monde biologique anoxique 3,9–2,5 7. Crise de la Grande oxydation 2,5–1,9 > 8. Océan intermédiaire 1,85–0,85> 9. Événements Terre boule de neige 0,85–0,542 > 10. Ère phanérozoïque de la biominéralisation < 0,542 >
Accrétion planétaire vignette| Coupe transversale d'une chondrite contenant des chondres d'olivine ronds et des inclusions minérales riches en calcium et en aluminium blanches irrégulières vignette| Échantillon de pallasite à cristaux d'olivine dans une matrice fer-nickel Lors de la première ère, le Soleil s'est allumé, chauffant le nuage moléculaire environnant, ce qui a généré 60 nouveaux minéraux, qui ont été conservés sous forme d'inclusions dans des chondrites. L'accrétion des poussières formant les astéroïdes et les planètes, les bombardements, la montée en chaleur et les réactions avec l'eau ont porté le nombre à 250.
Étape 1 : Le soleil s'allume Avant , la nébuleuse présolaire formait un nuage moléculaire dense composé d'hydrogène et d'hélium gazeux avec des grains de poussière dispersés. Lorsque le Soleil s'est allumé et a amorcé sa phase T-Tauri, il a fait fondre les grains de poussière à proximité. Certaines des gouttelettes fondues ont été incorporées dans les chondrites sous forme de petits éléments sphériques appelés chondres. Presque toutes les chondrites présentent également des inclusions riches en calcium et en aluminium (ou ), les premiers matériaux formés dans le système solaire. Grâce aux analyses des chondrites datant de cette époque, 60 nouveaux minéraux peuvent être identifiés possédant des structures cristallines de tous les systèmes cristallins. Ceux-ci comprenaient les premiers alliages fer-nickel, les sulfures, les phosphures et plusieurs silicates et oxydes. Le plus abondant de ces minéraux est l'olivine riche en magnésium, puis le pyroxène riche en magnésium et le plagioclase. Certains minéraux rares, se formant dans des environnements pauvres en oxygène qui ne se trouvent plus sur Terre, peuvent être trouvés dans les chondrites à enstatite.
Étape 2 : Formations planétésimaux Peu de temps après leur formation à l'étape 1, les nouveaux minéraux s'agglutinent, formant astéroïdes et planètes. L'un des nouveaux minéraux les plus importants était la glace ; le système solaire primitif possédait une « ligne de neige » séparant les planètes rocheuses et les astéroïdes des géantes gazeuses riches en glace, des astéroïdes et des comètes. La chaleur venant des radionucléides a fait fondre la glace et l'eau a réagi avec les roches riches en olivine, formant des phyllosilicates, des oxydes tels que la magnétite, des sulfures tels que la pyrrhotite, les carbonates dolomite et calcite, et des sulfates tels que le gypse. Des minéraux tels que la ringwoodite, composant important du manteau terrestre ont été générés pas le choc et la chaleur dégagés lors du bombardement et de la fusion éventuelle.
Par la suite, les astéroïdes se sont suffisamment réchauffés pour qu'une fusion partielle se produise, générant des fontes riches en pyroxène et en plagioclase (capables de produire du basalte) et une variété de phosphates. Les éléments sidérophiles (aimant les métaux) et lithophiles (aimant les silicates) se sont séparés, entraînant la formation d'un noyau et d'une croûte, et les éléments incompatibles seront retrouvés séquestrés dans les magmas. Les minéraux obtenus ont été conservés dans un type de météorite pierreuse, l'eucrite (contenant quartz, feldspath potassique, titanite et zircon) et dans des météorites fer-nickel (alliages fer-nickel comme la kamacite et la taénite ; sulfures de métaux de transition comme la troïlite ; carbures et phosphures). Environ minéraux sont apparus à ce stade.
Retravail de la croûte et du manteau vignette| Un cristal de zircon vignette|Échantillon de pegmatite du Grand Canyon vignette| Schéma d'une zone de subduction