Еволюція мінералів — це нещодавня гіпотеза, яка надає історичний контекст мінералогії. Вона постулює, що мінералогія на планетах і супутниках стає все більш складною в результаті змін у фізичному, хімічному та біологічному середовищі. У Сонячній системі кількість мінеральних видів зросла приблизно з дюжини до понад 6000 в результаті трьох процесів: сепарації та концентрації елементів; більший діапазон температур і тиску в поєднанні з дією летких речовин; нові шляхи хімічних перетворень, які забезпечують живі організми.
На Землі було три епохи еволюції мінералів. Народження Сонця та утворення астероїдів і планет збільшили кількість мінералів приблизно до 250. Багаторазова переробка кори та мантії через такі процеси, як часткове плавлення та тектоніка плит, збільшила їх загальну кількість приблизно до 1500. Решта мінералів, понад дві третини від загальної кількості, були результатом хімічних змін, зумовлених живими організмами, причому найбільше збільшення відбулося після Великої кисневої катастрофи.
Використання терміна «еволюція» У статті 2008 року, яка ввела термін «еволюція мінералів», Роберт Гейзен і співавтори визнали, що застосування слова «еволюція» до мінералів, ймовірно, буде суперечливим, хоча прецеденти були ще в книзі 1928 року «Еволюція магматичних порід» Нормана Боуена. Вони використовували цей термін у значенні необоротної послідовності подій, що призводять до виникнення все більш складних і різноманітних угруповань мінералів. На відміну від біологічної еволюції, вона не передбачає мутації, конкуренції чи передачі інформації потомству. Гейзен з колегами дослідили деякі інші аналогії, включаючи ідею вимирання. Деякі мінералоутворювальні процеси більше не відбуваються, як-от ті, які виробляли певні мінерали в енстатитових хондритах, які нестабільні на Землі в окисненому стані. Крім того, парниковий ефект на Венері міг призвести до постійної втрати мінеральних видів. Однак "вимирання" корисних копалин не є справді незворотним процесом - втрачений мінерал може з’явитися знову, якщо відновити відповідні умови навколишнього середовища.
Досонячні мінерали
У ранньому Всесвіті не було мінералів, тому що єдиними доступними елементами були водень, гелій і слідові кількості літію. Утворення мінералів стало можливим після того, як у зірках були синтезовані більш важкі елементи, включаючи вуглець, кисень, кремній і азот. У розширюваних атмосферах червоних гігантів і викидах наднових мікроскопічні мінерали утворювалися при температурах вище .
Докази утворення цих мінералів можна знайти в міжзоряних (досонячних) зернах, що входять до складу примітивних метеоритів, званих хондритами, які по суті є космічними осадовими породами. Кількість відомих видів становить приблизно десяток, хоча було виявлено ще кілька матеріалів, які не класифікуються як мінерали. Алмаз, оскільки він має високу температуру кристалізації (близько ), ймовірно, був першим мінералом, який утворився. Наступними утворилися графіт, оксиди (рутил, корунд, шпінель, гібоніт), карбіди (муасаніт), нітриди (осборніт і нітрид кремнію) і силікати (форстерит і силікатний перовськіт (MgSiO3)). Ці «прото-мінерали» засіяли молекулярні хмари, з яких утворилася Сонячна система.
Процеси Після утворення Сонячної системи еволюція мінералів відбувалася за допомогою трьох основних механізмів:
сепарація та концентрація елементів; більший діапазон температур і тиску в поєднанні з хімічною дією летких речовин; нові шляхи хімічних реакцій, що стали можливими внаслідок життєдіяльності організмів.
Сепарація і концентрація
Вищий рівень класифікації мінералів базується на їх хімічному складі. Однак визначальні елементи для багатьох мінеральних груп, наприклад бор у боратах і фосфор у фосфатах, спочатку були присутні лише в концентраціях декілька частин на мільйон або менше. Це залишало мало або взагалі не давало їм шансів об’єднатися й утворити мінерали, поки зовнішні впливи не сконцентрували їх. Процеси, які розділяють і концентрують елементи, включають планетарну диференціацію (наприклад, поділ на шари, такі як ядро та мантія); дегазація; фракційна кристалізація; часткове плавлення.
Інтенсивні величини та летючі речовини
Допустимі поєднання елементів у мінералах визначаються термодинамікою; щоб елемент був доданий до кристала в заданому місці, він повинен зменшити енергію. При більш високих температурах багато елементів є взаємозамінними в таких мінералах, як олівін. Коли планета охолоджується, мінерали піддаються впливу більшого діапазону інтенсивних фізичних величин, таких як температура та тиск, що дозволяє утворювати нові фази та більш спеціалізовані комбінації елементів, такі як глинисті мінерали та цеоліти. Нові мінерали утворюються, коли з ними реагують такі леткі сполуки, як вода, вуглекислий газ і O2. Такі середовища, як крижані шапки, висохлі озера та ексгумовані метаморфічні породи, мають характерні комплекси мінералів.
Біологічний вплив Життя внесло кардинальні зміни в навколишнє середовище. Найдраматичнішою була Киснева катастрофа приблизно 2,4 мільярда років тому, під час якої фотосинтезуючі організми наповнили атмосферу киснем. Живі організми також каталізують реакції, створюючи такі мінерали, як арагоніт, які не знаходяться в рівновазі з навколишнім середовищем.
Хронологія До утворення Сонячної системи існувало близько 12 мінералів. Оцінка поточної кількості мінералів швидко змінюється. У 2008 році їх було 4300, станом на листопад 2018 року було 5413 офіційно визнаних видів мінералів.
У своїй хронології для Землі Гейзен та ін. (2008) розділив зміни в поширеності мінералів на три широкі інтервали:
планетарна акреція до 4,55 млрд років тому; переробка земної кори та мантії між 4,55 і 2,5 млрд років тому; біологічний вплив після 2,5 млрд років тому.
Далі вони розділили епохи на 10 інтервалів, деякі з яких збігаються. Крім того, деякі дати є невизначеними; наприклад, оцінки початку сучасної тектоніки плит коливаються від 4,5 до 1,0 млрд років тому. Епохи та етапи еволюції мінералів Землі Епоха/етап Вік (млрд років) Кумулятивна кількість мінеральних видів Пренебулярні «прото-мінерали» >4,6 12 Ера планетарної акреції (>4,55 млрд років тому) 1. Сонце запалюється, нагріваючи туманність >4,56 60 2. Формування планетезималей >4,56–4,55 250 Ера переробки кори та мантії (4,55–2,5 млрд років тому) 3. Еволюція магматичних порід 4,55–4,0 350–420 4. Формування гранітоїдів та пегматитів 4,0–3,5 1000 5. Тектоніка плит >3,0 1500 Ера біологічно зумовленої мінералогії (від 2,5 млрд років і дотепер) 6. Безкисневий біологічний світ 3.9–2.5 1500 7. Киснева катастрофа 2,5–1,9 >4000 8. Проміжний океан 1,85–0,85 >4000 9. Періоди "Землі-сніжки" 0,85–0,542 >4000 10. Фанерозойська ера біомінералізації <0,542 >5413
Планетарна акреція
У першу еру Сонце спалахнуло, нагріваючи навколишню молекулярну хмару. Було утворено 60 нових мінералів, які збереглися у вигляді включень у хондритах. Акреція пилу на астероїди та планети, бомбардування, нагрівання та реакції з водою підвищили їх кількість до 250.
Етап 1: Сонце запалюється До 4,56 млрд років тому досонячна туманність була щільною молекулярною хмарою, що складалася з водню та гелію з розсіяними частинками пилу. Коли Сонце спалахнуло й увійшло у фазу Тети Тельця, воно розплавило частинки пилу поблизу. Деякі з крапель розплаву були включені в хондрити у вигляді невеликих сферичних об'єктів, які називаються хондрами. Майже всі хондрити також містять багаті кальцієм і алюмінієм включення, найдавніші матеріали, утворені в Сонячній системі. Досліджуючи хондрити цієї епохи, можна ідентифікувати 60 нових мінералів із кристалічними структурами всіх кристалічних систем. До них належать перші залізо-нікелеві сплави, сульфіди, фосфіди та кілька силікатів і оксидів. Серед найважливіших були багатий магнієм олівін, багатий магнієм піроксен і плагіоклаз. Деякі рідкісні мінерали, вироблені в бідних на кисень середовищах, які більше не зустрічаються на Землі, можна знайти в хондритах енстатиту.
Етап 2: Форма планетезималей Незабаром після того, як нові мінерали утворилися на стадії 1, вони почали злипатися докупи, утворюючи астероїди та планети. Одним із найважливіших нових мінералів був лід; рання Сонячна система мала «снігову лінію», що відокремлювала скелясті планети й астероїди від багатих льодом газових гігантів, астероїдів і комет. Нагрівання від радіонуклідів розтопило лід, і вода реагувала з багатими на олівін породами, утворюючи філосилікати, оксиди, такі як магнетит, сульфіди, такі як пірротин, карбонати, доломіт і кальцит, і сульфати, такі як гіпс. Удари і тепло від бомбардування та можливого плавлення призвели до утворення таких мінералів, як рингвудит, основного компонента мантії Землі.
Згодом астероїди нагрілися достатньо, щоб відбулося часткове плавлення, утворюючи розплави, багаті піроксеном і плагіоклазом (здатними утворювати базальт) і різноманітними фосфатами. Сидерофільні і літофільні елементи розділилися, що призвело до утворення ядра і кори, а несумісні елементи були ізольовані в розплавах. Отримані мінерали збереглися в кам’яних метеоритах, евкритах (кварц, калієвий польовий шпат, титаніт і циркон) і в залізо-нікелевих метеоритах (залізо-нікелеві сплави, такі як камасит і теніт; сульфіди перехідних металів, такі як троїліт; карбіди та фосфіди). За оцінками, на цій стадії утворилося близько 250 нових мінералів.
Переробка кори та мантії
Друга ера в історії еволюції мінералів почалася з потужного удару, який утворив Місяць. Це розплавило більшу частину кори та мантії. Рання мінералогія була визначена кристалізацією вивержених порід і подальшим бомбардуванням. Ця фаза потім була замінена великою переробкою кори та мантії, так що наприкінці цієї ери було близько 1500 мінеральних видів. Однак з цього періоду зберіглося небагато порід, тому час багатьох подій залишається невизначеним.
Етап 3: Магматичні процеси Етап 3 почався з утворення кори, яка складалася з мафічних (з високим вмістом заліза та магнію) та ультраосновних порід, таких як базальт. Ці породи неодноразово перероблялися шляхом фракційного плавлення, фракційної кристалізації та відділення магм, не схильних до змішування. Прикладом такого процесу є ряд реакцій Боуена.
Одним із небагатьох джерел прямої інформації про мінералогію на цьому етапі є мінеральні включення в кристалах циркону, які датуються аж 4,4 млрд років тому. Серед мінералів у включеннях є кварц, мусковіт, біотит, калійний польовий шпат, альбіт, хлорит і рогова обманка.
У бідному на леткі речовини тілі, такому як Меркурій і Місяць, вищевказані процеси викликають утворення близько 350 видів мінералів. Вода та інші леткі речовини, якщо вони присутні, збільшують загальну кількість. Земля була багата на леткі речовини, з атмосферою, що складалася з N2, CO2 і води, а океан ставав дедалі більш солоним. Вулканізм, дегазація та гідратація породили гідроксиди, гідрати, карбонати та евапорити. Для Землі, де ця стадія збігається з Гадейським еоном, загальна кількість широко поширених мінералів оцінюється в 420, а ще більш як 100 були рідкісними. Ймовірно, Марс досяг цієї стадії еволюції мінералів.
Етап 4: Утворення гранітоїдів і пегматитів При достатньому нагріванні базальт переплавлявся з утворенням гранітоїдів, грубозернистих порід, схожих на граніт. Цикли плавлення концентрували рідкісні елементи, такі як літій, берилій, бор, ніобій, тантал і уран, до точки, коли вони могли утворити 500 нових мінералів. Багато з них зосереджені в виключно крупнозернистих породах, званих пегматитами, які зазвичай знаходяться в дайках і жилах поблизу великих магматичних мас. Можливо, Венера досягла такого рівня еволюції.
Етап 5: Тектоніка плит