互动科普

很久以前，宇宙里的任何地方都不存在矿物，因为在大爆炸（big bang）之后的炽热涡旋中无法形成任何固体。直到宇宙大爆炸50万年后，第一批原子——氢、氦和少量的锂才从这团炽热涡旋中形成。经过上百万年，万有引力让这些原初气体聚集成第一批星云，随后又引起星云坍缩，形成了炽热、致密而又耀眼的第一代恒星。

直到一些巨大的恒星爆炸形成第一批超新星（supernova）时，其他的化学元素才被全部合成，并被抛入太空，在不断扩张和冷却的恒星气体包层之中，才会形成第一批固态矿物。但即使在那时，大多数元素及其化合物数量都非常少，而且极为分散，又或者挥发性太强，只能在刚刚形成的气体和尘埃中以游离原子或游离分子的形式存在。由于没有形成晶体（由特定化学成分的物质和原子按规律构成的阵列或重复单元），因此这些无序物质不能算是矿物。

钻石和石墨的微小晶体都由纯碳组成，而碳在宇宙中大量存在，所以它们极有可能是最早的矿物。随后有十余种坚硬的微小晶体加入了它们的行列，这其中有莫桑石（moissanite，碳化硅，也称碳硅石）、奥氏博尼特（osbornite，也称陨氮钛矿），以及一些其他的氧化物和硅酸盐。在此后的大约数千万年里，这些最早的矿物，或者叫做“原始矿物”，一直是宇宙中仅有的晶体。

如今的地球上有超过4,400种已知矿物，还有许多未被发现。是什么原因造成了如此巨大的分化，让十余种晶体发展成了几千种？我和7位同事最近给这个问题提出了一个新答案：“矿物的进化”。矿物的进化研究与数百年来的传统矿物学研究方法不同，后者把矿物视为具有物理和化学特征的个体，而忽视了时间这一关键的地质学第四维度。相反，我们以地球的历史作为整体框架，来理解矿物及它们的产生过程。

我们很快意识到，矿物进化的故事首先应该从岩石行星的产生开始，因为行星是矿物形成的发动机。我们发现，在过去45亿年里，地球经历了一系列不同阶段，每个阶段都出现了全新的现象，剧烈地改变并丰富了我们这颗行星上矿物的种类。

这个故事里的许多细节现在还充满争议，而且肯定会随着日后的发现而改变，但矿物进化的整体过程在科学上已经成熟。我们在此不会讨论那些充满争议的、有关地球历史每一阶段的新数据和新理论。我们更愿意从矿物进化的角度，来演绎这个比那段历史更宏大的故事。

不过，我确实想强调一个非常有趣的见解：地球上数千种矿物中的大多数之所以存在，是因为地球上生命的进化。如果你把行星当成一个与生命进化这出戏没有关系的一个纯舞台布景，那就错了。这些演员，也就是生命，会在进化过程中不断改变它们的舞台——行星。这一观点也为我们在其他行星上寻找生命的痕迹提供了启发。坚硬的矿物比脆弱的有机物残骸更容易保留生物存在的遗迹，而且更加持久。

制造地球

行星是在蕴含着超新星抛出物质的星云中形成的。星云里的大部分物质会迅速向中心下沉，形成中央恒星，剩下的物质形成一个巨大的盘围绕这颗恒星旋转。这些剩余物质不断聚集，形成越来越大的块体：原始尘埃聚集成沙粒、卵石甚至拳头大小的团块，其中包含着有限的十来种原始矿物，以及其他各种各样的原子和分子。

新生恒星一旦点燃，聚集在它周围的尘埃和气体就会“沐浴”在它发出的耀眼光芒之中，一系列戏剧性的变化随即发生。在我们自己的太阳系中，恒星的引燃发生在大约46亿年前。婴儿期的太阳发出的阵阵热浪使各种元素熔化、混合，产生了以数十种新矿物为代表的晶体。这些矿物进化早期形成的新生晶体中，就包括有第一批铁镍合金、硫化物、磷酸盐以及大量的氧化物和硅酸盐。在最原始的“球粒陨石”（chondrule，它们是一度熔化的岩石冷却后形成的小球粒）中就发现了许多这样的矿物。（这些古老的球粒陨石也证明原始矿物诞生在它们之前。矿物学家发现，这些陨石中的原始矿物小颗粒呈纳米和微米级。）

在古老的太阳星云中，这些球粒迅速聚集形成星子（planetesimal，参见环球科学小词典），其中一些星子的直径超过160千米，这个体积足够发生部分熔化，分异形成由不同矿物组成的洋葱一样的圈层，包裹着中心处一个致密的富金属内核。拥挤的太阳系外围频繁发生撞击，由此产生的剧烈激波和额外热能，进一步改变了最大的几个星子上的矿物。水在这个过程中也扮演了角色：这些在太阳系形成之前的星云中就存在的小冰粒，在星子中融化并集中在裂隙和断口中。这些水参与化学反应，形成了新矿物。

在行星形成的这一系列动态过程中，或许诞生了250种不同矿物。这250种矿物是形成任何一个岩石行星的必备原材料，至今依然能在坠落到地球上的各类陨石中找到所有这些矿物。

黑色地球

原始地球慢慢长大。大星子吞没了数千个小星子，直到仅存的两个竞争者在地球轨道上游荡，其中一个是地球的原型，另一个体积比地球小得多，与火星相当，有时候被称为忒伊亚（Theia）——这个名字是希腊神话中月亮女神的母亲。在最终的一场威力超乎想象的撞击之中，忒伊亚擦边撞击了原始地球，气化了自身的最外圈层，释放出1万亿亿吨白炽化的岩石气体，自身则变成了月球。这个过程可以解释地月系中很高的角动量及月亮的许多异常特征，比如为什么它的整体成分与地球的地幔（mantle，地幔是地球内部的铁镍核与外部5千米～50千米厚的地壳之间的圈层，厚度接近3,000千米）接近。

导致月球诞生的这场大碰撞发生在大约45亿年前，此后熔化的地球开始冷却，一直延续至今。虽然最初的地球表面含有数十种有能力形成五花八门矿物质的稀有元素，比如铀、铍、金、砷、铅等，但是与忒伊亚的撞击起到了“重启”的作用。这次撞击让地球的外圈与那些太过分散而无法形成独立矿物的稀有元素充分混合。我们这颗行星当时是一个荒芜且危机四伏的世界，承受着星云碎片的持续撞击，大部分外表被一层黑色玄武岩（basalt）覆盖，这类岩石直到现在还在岩浆冷却过程中不断形成。

地球的矿物学多样性在冥古宙（Hadean eon，距今大约40亿年前）逐渐增加，这主要是由于岩石外圈的反复熔化和固结，以及岩石与早期海洋和大气圈发生的风化反应。经过无数轮回之后，大量岩石的部分熔融和重新固结，以及岩石和水之间的相互作用，例如某些化合物的选择性溶解，逐渐让一些稀有元素聚集起来，足以形成新矿物。

并非所有星球都有潜力产生如此众多的矿物。体积较小且严重缺水的水星以及差不多一样干燥的月球都在大多数熔化发生前就冷却了，因此我们估计在这些星球上可以找到的矿物不会超过350种。拥有少量水的火星在矿物多样性方面可能会表现得更好一些，因为那里的海洋干涸时会形成含水矿物，例如黏土和其他蒸发岩类矿物。我们估计NASA的探测器在火星上最终可以发现约500种不同的矿物。

地球比这些星球更大、更热、更湿，因此还有一些其他手段来形成矿物。所有岩石行星都经历过火山活动，这一过程让玄武岩覆盖了星球表面，但是地球（也许还有与地球体积相近的金星）拥有足够的内部热量，可以重新熔化部分玄武岩，从而形成一系列被称为花岗岩（granitoid）的火成岩（igneous rocks），大家熟悉的、用来制作路阶或工作台的黑灰色花岗岩就是其中之一。花岗岩由多种矿物的粗糙颗粒集合而成，包括石英（沙滩上最常见的颗粒）、长石（feldspar，地壳中最常见的矿物）和云母（mica，可以形成有光泽的薄片状矿物）。所有这些矿物在大星子上都已出现，只是数量极少，它们在地球上首次大规模现身还要归功于这个星球的花岗岩形成过程。

在地球上，花岗岩的反复部分熔融过程富集了稀有的“不相容”元素，这些元素无法在常见矿物晶体中找到舒适的容身之处。这样形成的岩石中有500多种不同矿物，包括一些矿物巨晶，其中富集了锂、铍、硼、铯、钽、铀和十余种其他稀有金属。有些科学家估计，需要超过十亿年的时间，这些元素才能达到可以形成矿物的浓度。地球的“孪生”行星——金星或许有足够的时间来完成这个过程，但是火星和水星上至今都还没有发现花岗岩存在的迹象。

在行星尺度上发生的板块构造运动，进一步丰富了地球的矿物多样性。这个过程沿着火山链产生新鲜的地壳，老地壳则在俯冲带（subduction zone，即一个板块下插到另一个板块之下的地方）被吞没，从这里返回地幔。这些来源于地壳的下插板块中有大量化学性质各异的含水岩石，这些岩石部分熔融，使稀有元素进一步集中。大量的硫化物矿床中诞生出数百种新矿物，这类矿床至今仍是地球上金属矿石最富集的产地。构造力量把地下深处的岩石抬升暴露到表面，又给地表带来了数百种高压环境下才能形成的独特矿物，比如硬玉（它和另一种矿物都被俗称为翡翠）。

综上所述，地球表面或近地表大约有1,500种不同的矿物是在地球历史最初20亿年地壳和地幔形成过程中出现的。但是，矿物学家已经整理出4,400多种不同的矿物。是什么让地球上矿物种类又增加了两倍呢？

红色地球

上述问题的答案就是生命。生物圈的存在使地球与其他所有已知行星和卫星都截然不同，它不可逆转地改变了近地表的环境，主要是海洋和大气层，同时也涉及岩石与矿物。

最早的生命是单细胞有机物，它们依靠岩石的化学能为生，对地球上的矿物多样性没有特别大的影响。确实，地质学家发现的最早受生物作用改造的岩石构造距今已有35亿年，包括由碳酸钙形成的珊瑚礁，以及所谓的条带状铁建造（banded iron formation，其中的铁氧化物明显封存了由生命制造的最古老的氧气）。但当时陆地还很贫瘠，大气中依然普遍缺乏氧气，表面风化作用缓慢，最早期的生命对矿物的种类和分布几乎没有影响。

随着大气中氧气含量的急剧增加，这种情况迅速改变，在地质学的时间跨度上来看，这种转变可以说是在一瞬间完成的。这一切得益于几种新的蓝藻的出现，它们能进行光合作用，从而制造氧气。这一转变被称为“大氧化事件”（Great Oxidation Event），目前还存在很多争议。确切地说，科学家还没有确定这一转变何时发生、发展的速度到底有多快。但是到了距今大约22亿年前，大气层中的氧气达到了目前氧气含量的1%——尽管含量很小，但也足以永久改变地球表面的矿物。

我和同事进行的化学模拟暗示，大氧化事件促成了超过2,500种新矿物产生，其中许多是其他矿物发生水合作用或氧化风化的产物。这些矿物种类的晶体不太可能在缺氧的环境中形成，所以地球的生物化学过程显然直接或间接形成了地球上4,400种已知矿物中的大部分。

这些新矿物多数都在此前已经存在的岩石上形成很薄的镀层或蚀变的外壳。许多已知的稀有矿物晶体仅有手掌大小，重量不足一克。但大氧化事件同时也改变了全球的矿物学特征。最主要的是，整个星球发生了“腐蚀”，此前统治全球的黑色玄武岩开始变红，因为常见玄武岩矿物中的二价铁离子（Fe2+）被氧化成了褐铁矿和其他呈铁锈红色的三价铁离子（Fe3+）化合物。从太空中望去，20亿年前的地球可能看上去跟火星差不多，只不过蓝色的海洋和白色的云朵会让颜色对比更醒目一些。

火星的红色也是氧化引起的，但它的氧气是阳光分解大气层高处的水的产物，同时产生的氢逃逸进入了太空。这一过程产生的氧气足以“腐蚀”火星这颗较小行星的表面，却不足以在地球这样高度氧化、更具地质活动性的行星上创造几千种矿物。

白色地球

大氧化事件之后的十亿年间，几乎没有发生任何对矿物学家有吸引力的事件。这个间隔被称为“中等海洋期”（Intermediate Ocean），甚至有人更古怪地称之为“无聊十亿年”，这个时期生物和矿物的进化似乎都停滞了。名字里的“中等”二字指的是氧化程度：靠近水面的海水充满氧气，但水下深处依然缺氧。有氧区和缺氧区之间的分界面逐渐变深，但没有产生重要的新生物形态，也没有出现大量新矿物种类。

与“无聊十亿年”形成鲜明对比，接下来的一亿年里，地球表面发生巨变。距今大约8亿年前，这个行星上的大部分陆地都集中在赤道附近，形成单一的超级大陆，称为罗迪尼亚（Rodinia）。然后板块构造运动迫使它分解，形成了更长的海岸线，造成了更多降水和更迅速的岩石腐蚀，这些过程把保存热量的二氧化碳从大气层中吸取出来。随着温室效应减弱和气候变冷，极地冰川的覆盖范围逐渐扩大。

扩张的冰雪把更多阳光反射回太空，削弱了太阳的加热效果。冰川的范围越大，地球就越冷。在此后的1,000万年或更久的一段时间内，地球是一个巨大的雪球，仅有少数活火山突破这白茫茫的盖层。有人推测，当时全球平均气温低至零下50℃。

然而地球不可能永远被冰封着。火山持续喷出二氧化碳，又没有降水或足够的风化作用来移除这些温室气体，二氧化碳含量缓慢上升到了现今含量的几百倍，最终引发了一轮全球变暖。随着赤道附近冰的融化，接下来的短短数百年里，失控的升温效应就把地球从冰柜变成了温室。

在接下来的2亿年里，地球在这两种极端之间往复循环了2～4次。在这种混乱的过程中即使产生了新矿物，数量也非常少，但是地球表面矿物的分布会随着每个新的冰川周期发生巨大变化。在温室期，饱受侵蚀的贫瘠岩石地表上细粒的黏土矿物和其他风化产物的产量急骤增加。而在变暖的浅海地区，碳酸盐矿物大规模沉淀。

这种雪球和温室间的循环对地球生物产生了深远的影响。冰河世纪几乎关闭了所有生态系统，而变暖期又见证了生物的猛增。尤其是最后一次大冰期末期，大气中的氧气含量从几个百分点迅速上升到15%，部分原因就是海洋藻类的大面积兴盛和扩张。许多生物学家认为，如此丰富的氧气含量拉开了大型动物诞生和进化的序幕，因为大型动物对新陈代谢的要求更高。

此后，地质圈和生物圈进一步共同进化，多种微生物和动物甚至学会了自己生长出矿物保护壳。碳酸盐骨架这个新事物形成了大型石灰岩礁石，在无数悬崖和峡谷间都能见到它们的踪迹。这种矿物并不是新生的，但它们的普遍程度却前所未有。

绿色地球

纵观地球的历史，绝大多数时间陆地上都是生命无法存活的。太阳发出的紫外线辐射可以摧毁所有重要的生物分子和细胞。随着大气层中氧气含量的增加，具有保护功能的臭氧层（ozone layer）产生了，为下面的陆地撑起了一把紫外线防护伞，足以保护陆地上的生物圈。

陆地上的生物经过漫长的时间才拥有如今的繁茂。在雪球时期结束之时，藻垫（Algal mat）或许就已经在沼泽区域生长发育，但陆地上最大的变化要等到距今4.6亿年前苔藓出现时才会发生，它们才是第一种真正的陆地植物。苔藓占领陆地1,000万年之后，维管植物（vascular plant）出现了，它们的根系插入岩石地表，固定自身并吸取水分。

植物和真菌用它们反应迅速的“生化武器”分解岩石，使玄武岩、花岗岩和石灰岩等岩石的表面风化速度加快了一个数量级。黏土矿物含量的增加和土壤形成速度的加快，给更多更大型的植物和真菌提供了越来越多的栖息地。

到了大约4亿年前的泥盆纪（Devonian period），地球表面第一次进化出和现代类似的景象——郁郁葱葱的森林中孕育着种类繁多的昆虫、四足动物和其他生物。而且由于生物的深远影响，地球上近地表的矿物也终于出现了它们现在所呈现的多样性。

矿物进化的未来

以发展和变化的眼光来研究地球的矿物学特征，可以找到一些激动人心的研究点。例如，不同行星在矿物进化中达到了不同阶段。水星和月球这样又小又干的星球表面，矿物简单而又单调，又小又湿的火星上矿物要略多一些，地球和金星这样的较大行星具有更多挥发物和内部热能，可以在花岗岩的形成中前进得更远。

但是，生命的起源及由此产生的生物和矿物的共同进化，让地球变得与众不同。正如我此前提到的，矿物也许和有机物遗迹一样，对于鉴定其他星球上的生物迹象有重要价值。例如，只有存在生命的地方才有可能发生广泛的氧化。

化学成分不同的星球可能会经历完全不同的矿物进化过程。木卫一（lo）富含硫，冷冰冰的土卫六（Titan）则富含碳氢化合物，它们的矿物进化就完全不同。木卫二（Europa）和土卫二（Enceladus）矿物的进化也很可能完全不同，虽然它们冰冷的表面之下据信都存在液态水海洋，是地外生命最有可能存在的地点。

从进化的角度来研究矿物，也可以阐明有关宇宙进化的另一个更普遍的主题。从简单状态逐渐进化出复杂状态，对于许多问题来说都是成立的：比如恒星中化学元素的进化，行星上的矿物进化，导致生命诞生的分子进化，以及我们熟悉的达尔文自然选择式的生物进化,都是如此。

如此看来，我们生活在一个不断追求复杂的宇宙中：氢原子形成恒星，恒星形成周期表上的元素，这些元素形成行星，行星又形成大量矿物。矿物促成了生命分子的形成，生命分子在地球上发展成生命。在这个包罗万象的“进化”模型中，矿物在宇宙进化中为人的诞生做出了不可或缺的贡献，而人又将通过研究，认识矿物的进化。