很久以前，宇宙中任何地方都没有矿物。在宇宙大爆炸之后超高温的漩涡中，不可能形成任何种类的固体，更不用说存在了。花了五十万年，第一批原子——氢、氦和少量锂——才从创世的熔炉中出现。又过了数百万年，引力将这些原始气体诱导成第一批星云，然后将星云坍缩成第一批炽热、高密度的恒星。
只有在那时，当一些巨大的恒星爆炸成为第一批超新星时，所有其他化学元素才被合成并喷射到太空。只有在那时，在膨胀、冷却的气态恒星包层中，第一批固体矿物碎片才有可能形成。但即便如此，大多数元素及其化合物也太稀少和分散，或太易挥发，以至于只能以零星的原子和分子的形式存在于新生的气体和尘埃中。由于没有形成晶体，没有独特的化学成分和原子以有序的重复单元排列，这种无序的物质不符合矿物的资格。
金刚石和石墨的微观晶体，都是元素碳的纯净形式，很可能是最早的矿物。紧随其后的是十几种其他坚硬的微晶，包括碳化硅 (莫桑石)、氮化钛 (奥斯本矿) 以及一些氧化物和硅酸盐。在数千万年的时间里，这些最早的少数物种——“原始矿物”——是宇宙中唯一的晶体。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。 通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
相比之下，今天的地球拥有超过 4,400 种已知的矿物物种，还有更多有待发现。是什么导致了这种显著的多样化，从仅仅十几种到数千种晶体形式？我和七位同事最近提出了一个新的“矿物演化”框架来回答这个问题。矿物演化不同于更为传统、已有数百年历史的矿物学方法，后者将矿物视为具有独特的化学和物理性质的珍贵物体，但奇怪地与时间无关——地质学的关键第四维度。相反，我们的方法使用地球的历史作为理解矿物和创造它们的过程的框架。
我们很快意识到，矿物演化的故事始于岩石行星的出现，因为行星是矿物形成的引擎。我们看到，在过去的 45 亿年里，地球经历了许多阶段，每个阶段都出现了新的现象，从而极大地改变和丰富了我们星球表面的矿物学。
这个故事的一些细节是激烈争论的问题，并且无疑会随着未来的发现而改变，但矿物演化的总体脉络是确立的科学。我和我的同事并没有提出有争议的新数据或关于地球历史每个阶段发生的激进新理论。相反，我们正在根据矿物演化作为指导概念，重新讲述那个历史的更宏大的故事。
然而，我确实想强调一个有趣的见解：地球上数千种矿物中的大多数都归功于地球上生命的发展。如果你把所有无生命的世界都看作是生命上演其进化戏剧的舞台，那就再想想。演员们沿途翻新了他们的剧院。这一观察结果也对在其他世界寻找生命迹象的探索具有启示意义。坚固的矿物而不是脆弱的有机遗骸可能提供最可靠和持久的生物学迹象。
地球的形成
行星在被超新星物质播种的恒星星云中形成。星云的大部分质量迅速向内坍缩，产生中心恒星，但剩余物质在恒星周围形成巨大的旋转盘。这些剩余物逐渐凝结成越来越大的碎片：沙粒、卵石和拳头大小的原始尘埃绒球，其中蕴藏着有限的十几种原始矿物，以及其他杂项原子和分子。
当新生的恒星点燃并用精炼的火焰沐浴附近的尘埃和气体 концентрации 时，会发生剧烈的变化。在我们自己的太阳系中，恒星点燃发生在将近 46 亿年前。来自幼年太阳的热脉冲融化并重新混合元素，并产生了代表数十种新矿物的晶体。矿物演化最早阶段的晶体新奇事物包括第一批铁镍合金、硫化物、磷化物以及大量的氧化物和硅酸盐。这些矿物中的许多都以“球粒”的形式存在于最原始的陨石中：曾经熔化的岩石的冷却液滴。（这些古老的球粒陨石也为先于球粒的原始矿物提供了证据。矿物学家以陨石中纳米级和微观晶粒的形式发现了原始矿物。）
在古老的太阳星云中，球粒迅速凝结成星子，其中一些星子生长到直径超过 100 英里——大到足以部分熔化并分化成洋葱状的独特矿物层，包括致密的富金属核。拥挤的太阳郊区频繁的碰撞引入了强烈的冲击和额外的热量，进一步改变了最大星子中的矿物。水也发挥了作用；它从一开始就存在，以冰粒的形式存在于太阳前星云中，在星子中，这些冰粒融化并在裂缝和裂隙中聚集。与由此产生的水的化学反应产生了新的矿物。
大约 250 种不同的矿物物种是这些动态行星形成过程的结果。这 250 种矿物是每个岩石行星都必须形成的原材料，并且所有这些矿物至今仍存在于落到地球上的各种陨石群中。
黑色地球
原始地球变得越来越大。大的星子吞噬了数千个较小的星子，直到在我们的轨道邮政编码中只剩下两个主要的竞争对手，即原始地球和一个小得多的火星大小的天体，有时被称为忒伊亚，以希腊月亮女神的母亲命名。在最终难以想象的暴力爆发中，忒伊亚侧撞了原始地球，汽化了其外层，并将 1 亿万亿吨炽热的岩石蒸汽喷射到太空，成为月球。这种情况解释了地月系统的高角动量和月球的许多不寻常的特征，包括为什么它的主体成分与地球地幔的成分相匹配（地球地幔是从地球铁镍核延伸到地球表面三到三十英里厚的地壳的近 2000 英里厚的层）。
在约 45 亿年前的这次月球诞生的碰撞之后，熔融的地球开始了持续至今的冷却。尽管地球的原始表面包括数十种稀有元素——铀、铍、金、砷、铅和许多其他能够形成各种矿物的元素，但忒伊亚的撞击充当了宇宙“重置”。它使地球的外层彻底混合，这些不太常见的元素过于分散，无法形成单独的晶体。我们的星球是一个荒凉、充满敌意的世界，不断受到星云碎片的轰击，并且大部分被黑色玄武岩覆盖，玄武岩是一种即使在现代熔岩凝固时也会形成的岩石。
地球的矿物学多样性在恰如其分的冥古宙（大约在四十亿年前之前）逐渐增加，主要来自岩石地壳的反复熔化和凝固，以及与早期海洋和大气层的风化反应。经过无数次循环，岩石体积的部分熔化和再凝固，以及岩石和水之间的相互作用（例如选定化合物的溶解），逐渐浓缩了不常见的元素，足以形成新一代的奇异矿物。
并非每个行星都具有如此巨大的矿物形成潜力。微小的、脱水的金星和地球同样干燥的月球在发生大量熔化之前就已冻结。因此，我们估计在这些世界上发现的矿物物种不会超过 350 种。火星的水资源适中，由于水合矿物（如粘土和海洋干涸时形成的蒸发岩矿物），情况可能会稍好一些。我们估计，美国宇航局的探测器最终可能会在红色星球上识别出多达 500 种不同的矿物。
地球更大、更热、更湿润，因此还有一些其他的矿物形成技巧可以发挥。所有岩石行星都经历了火山活动，玄武岩倾泻在它们的表面上，但地球（可能还有大小相等的金星）有足够的内部热量来重熔一些玄武岩，形成一系列被称为花岗岩体的火成岩，包括我们熟悉的路缘石和台面的棕褐色和灰色花岗岩。花岗岩是矿物的粗粒混合物，包括石英（海滩上最普遍的沙粒）、长石（地球地壳中最常见的矿物）和云母（形成闪亮的片状矿物层）。所有这些矿物都曾在早期在大型星子中少量产生，但由于地球的花岗岩形成过程，它们首次大量出现在地球的地质记录中。
在地球上，花岗岩的反复部分熔化浓缩了稀有的“不相容”元素，这些元素无法在常见矿物中找到舒适的晶体学家园。由此产生的岩石含有 500 多种独特的矿物，包括富含锂、铍、硼、铯、钽、铀和十几种其他稀有元素的巨晶种。这些元素需要时间——一些科学家估计超过十亿年——才能达到矿物形成的浓度。地球的行星孪生星金星可能已经足够活跃了足够长的时间才能发展到如此程度，但火星和水星都尚未显示出明显的花岗岩化表面迹象。
地球通过板块构造的行星尺度过程获得了更多的矿物多样性，板块构造沿着火山链产生新的地壳，而旧地壳在俯冲带被吞没，在那里，一个板块滑到另一个板块下方并返回地幔。从地壳俯冲下来的大量潮湿、化学成分多样的岩石被部分熔化，导致稀有元素进一步富集。在巨大的硫化物矿床中产生了数百种新的矿物，这些矿床如今提供了一些地球上最丰富的金属矿体。当构造力抬升并暴露深层岩石区域时，地球表面又出现了数百种矿物物种，这些区域蕴藏着在高压下形成的独特矿物，例如硬玉（两种更广为人知的宝石翡翠之一）。
总而言之，在地球最初的 20 亿年中，地球表面或附近发现的约 1,500 种不同的矿物可能是由地球动态的地壳和地幔过程产生的。但矿物学家已经编目了 4,400 多种不同的矿物物种。是什么使地球的矿物学多样性增加了三倍？
红色地球
答案是生命。生物圈将地球与所有其他已知的行星和卫星区分开来，并且它不可逆转地改变了近地表环境——最明显的是海洋和大气，但也包括岩石和矿物。
生命的最早表现形式——以岩石的化学能为“食”的原始单细胞生物——不可能对地球的矿物学多样性产生太大的影响。可以肯定的是，地质学家发现了生物介导的岩层，其历史可以追溯到 35 亿年前，包括由碳酸钙形成的珊瑚礁和所谓的条带状铁矿层（其中氧化铁显然锁定了生命产生的第一个氧气）。但陆地仍然贫瘠，大气层仍然缺乏氧气，地表风化缓慢，最早的生命几乎没有对改变现有矿物的数量或分布做出贡献。
随着大气中氧气的迅速上升，这种情况在地质瞬间发生了变化，这要归功于新型藻类产生的产氧光合作用的创新。关于这种被称为大氧化事件的转变，争论仍在继续。特别是，研究人员尚未确定它何时以及以多快的速度开始。但到 22 亿年前，大气中的氧气已上升到现代水平的 1% 以上——数量虽少，但足以永远改变地球表面的矿物学。
我和我的同事的化学模型表明，大氧化事件为 2,500 多种新矿物铺平了道路，其中许多是其他矿物的水合、氧化风化产物。这些晶体物种不太可能在缺氧环境中形成，因此地球的生化过程似乎直接或间接地导致了地球上已知 4,400 种矿物中的大多数。
这些新矿物中的大多数以现有岩石上改变物质的薄涂层和外壳的形式出现。许多稀有矿物物种仅从少数几个重量不到一克的珍贵晶体中得知。但大氧化事件也产生了全球矿物学后果。最值得注意的是，地球生锈了——在全球范围内，以前主导景观的黑色玄武岩变成了红色，因为普通玄武岩矿物中的亚铁 (Fe2+) 氧化成赤铁矿和其他锈红色三价铁 (Fe3+) 化合物。从太空看，二十亿年前的地球可能看起来有点像火星，尽管蓝色海洋和白色云彩提供了引人注目的色彩对比。
火星的红色也是由氧化引起的，但它的氧气是由阳光在高层大气中分解水产生的，氢气逸散到太空。这个过程产生了足够的氧气，使这颗小行星的表面在某种程度上生锈，但不足以创造地球高度氧化、地质活动更活跃的地球上可能存在的数千种矿物。
白色地球
在大氧化事件发生后的大约十亿年中，似乎没有发生太多与矿物学相关的事情。这个时期被称为中间海洋，或者更异想天开地称为无聊的十亿年，似乎是一个相对生物学和矿物学停滞的时期。“中间”指的是氧气水平：靠近地表的海水是含氧的，但深处仍然缺氧。这两个领域之间的界面逐渐加深，但没有出现根本性的新生命形式，也没有出现许多新的矿物物种。
与无聊的十亿年形成鲜明对比的是，接下来的几亿年地球表面发生了显著的变化。大约 8 亿年前，地球上大部分大陆都位于赤道附近的一个巨大的集群中，称为罗迪尼亚。然后，板块构造力瓦解了这片巨大的陆地，导致海岸线更长、降雨量更大和岩石侵蚀更快——这些过程从大气中吸走了吸热二氧化碳。随着温室效应减弱和气候变冷，极地冰的范围扩大。
不断扩大的冰雪覆盖面积将更多的阳光反射回太空，从而降低了太阳的加热效应。冰层蔓延得越广，天气就变得越冷。在 1000 万年或更长时间里，地球是一个巨大的雪球，只有少数活火山从白色表面伸出来。据估计，全球平均气温骤降至零下 50 摄氏度。
但地球不可能永远被冰封。火山持续喷出二氧化碳，并且由于没有降雨和很少的风化作用来去除这种温室气体，其水平缓慢上升到现代水平的数百倍，最终引发了温室变暖循环。随着赤道冰融化，失控的变暖事件可能只用了几百年时间就将地球从冰窖变成了温室。
在接下来的 2 亿年里，地球可能在这些极端之间循环了两次到四次。尽管在这个动荡的时期显然很少或根本没有出现新的矿物物种，但地表矿物的分布随着每个新的冰川周期发生了剧烈的变化。在温室阶段，贫瘠、侵蚀的岩石景观中，细粒粘土矿物和其他风化产物的产量急剧增加。在变暖海洋的浅水区，碳酸盐矿物以巨大的晶体扇形沉淀出来。
雪球/温室循环对生命产生了深远的影响。冰河时代几乎关闭了所有生态系统，而变暖时期生物生产力突然增加。特别是，在上一次大冰期结束时，大气中的氧气从不超过几个百分点急剧上升到大约 15%，部分原因是沿海藻类大量繁殖。许多生物学家认为，如此高的氧气水平是大型动物（及其增加的代谢需求）起源和进化的重要前奏。事实上，最早的已知多细胞生物出现在化石记录中，就在上次全球大冰期结束后的五百万年。
地圈和生物圈继续共同进化，特别是当各种微生物和动物学会生长自己的保护性矿物外壳时。碳酸盐骨骼的创新导致了巨大的石灰岩礁的沉积，这些石灰岩礁在无数悬崖和峡谷中点缀着世界各地的景观。这些矿物并不是新的，但它们的普遍性是前所未有的。
绿色地球
在地球几乎所有的历史中，陆地都无法居住。来自太阳的紫外线会破坏基本的生物分子并杀死大多数细胞。随着大气中氧气水平的升高，形成了保护性平流层臭氧层，足以屏蔽下方的陆地免受紫外线照射，足以容纳陆地生物圈。
陆地生命需要时间才能茁壮成长。藻类垫可能在雪球地球后的沼泽地形中生存，但最大的陆地转变必须等待苔藓的出现——大约 4.6 亿年前的第一批真正的陆地植物。陆地的广泛殖民又花了 1000 万年，随着维管植物的兴起，其根部穿透岩石地面以提供锚固并收集水分。
植物和真菌带来了快速的岩石生物化学分解模式，将玄武岩、花岗岩和石灰岩等地表岩石的风化速率提高了一个数量级。粘土矿物的丰度和土壤形成的速度大大提高，为更多更大的植物和真菌提供了不断扩大的栖息地。
到大约 4 亿年前的泥盆纪时期，地球表面首次演变成引人注目的现代外观——绿色的森林茁壮成长，其中居住着越来越多的昆虫、四足动物和其他生物。由于生命的深刻影响，地球的近地表矿物学也达到了其现代的多样性和分布状态。
矿物演化的未来
将地球矿物学视为动态、不断变化的故事，为研究指明了一些令人兴奋的机会。例如，不同的行星达到不同的矿物演化阶段。像水星和月球这样小的、干燥的世界拥有矿物多样性低的简单表面。小的、潮湿的火星情况稍好一些。像地球和金星这样更大的行星，由于其更多的挥发物和内部热量储存，可以在花岗岩体的形成中走得更远。
但是生命的起源，以及由此产生的生物学和矿物的共同进化，使地球与众不同。正如我之前指出的，矿物可能与有机遗骸一样有价值，可以用来识别其他世界上的生命特征。例如，只有那些有生命的星球才可能被广泛氧化。
成分不同的世界也可能经历非常不同的矿物演化。富含硫磺的木星卫星木卫一和富含碳氢化合物的土星寒冷卫星土卫六将具有截然不同的矿物种类。木卫二和土卫二（分别是木星和土星的卫星）也可能是如此，两者都被认为在其冰冷表面下蕴藏着液态海洋，因此是可能存在外星生命的主要场所。
在进化背景下观察矿物也阐明了整个宇宙中进化系统的更普遍主题。简单的状态在许多情况下演变成越来越复杂的状态：恒星中化学元素的演化、行星中矿物的演化、导致生命起源的分子演化以及熟悉的达尔文自然选择的生物进化。
因此，我们生活在一个为复杂化做好准备的宇宙中：氢原子形成恒星，恒星形成元素周期表的元素，这些元素形成行星，行星反过来又丰富地形成矿物。矿物催化生物分子的形成，生物分子在地球上导致了生命的产生。在这个宏大的场景中，矿物只是宇宙演化中不可避免的一步，这个宇宙正在学会认识自己。