یک مطالعه ۱۵ ساله که توسط مؤسسه علوم کارنگی انجام شد، منشأ و تنوع هر ماده معدنی شناخته شده روی زمین را شرح می دهد، مجموعه ای برجسته از کار که به بازسازی تاریخ حیات روی زمین کمک می کند، به جستجوی مواد معدنی و ذخایر جدید سنگ معدن کمک می کند. ویژگی های احتمالی حیات آینده را پیش بینی کنید و به جستجوی سیارات قابل سکونت و حیات فرازمینی کمک کنید.
رابرت هازن و شانا موریسون، دانشمندان کارنگی، در مقالههای دوگانهای که امروز توسط American Mineralogist منتشر شده و بخشی از آن توسط ناسا حمایت میشود، رویکرد جدیدی را برای خوشهبندی (مجموعه کردن) گونههای همبستگی مواد معدنی با هم یا جدا کردن گونههای جدید بر اساس زمان و چگونگی پیدایش آنها شرح میدهند.
هنگامی که پیدایش مواد معدنی مورد بررسی قرار گیرد، تعداد «انواع مواد معدنی» – یک اصطلاح جدید – در مجموع به بیش از ۱۰۵۰۰ می رسد که این عدد حدود ۷۵ درصد بیشتر از حدود ۶۰۰۰ گونه معدنی است که توسط انجمن بین المللی کانی شناسی (IMA) بر اساس شناسایی شده است. ساختار کریستالی و ترکیب شیمیایی به تنهایی.
دکتر هازن، دانشمند آزمایشگاه زمین و سیارات، مؤسسه علوم کارنگی، واشنگتن دی سی، می گوید: «این کار اساساً دیدگاه ما را نسبت به تنوع مواد معدنی روی سیاره تغییر می دهد.
۸۰ درصد مواد معدنی زمین با واسطه آب بوده است
به عنوان مثال، بیش از ۸۰ درصد از مواد معدنی زمین توسط آب ایجاد شده است، که بنابراین برای تنوع مواد معدنی در این سیاره اهمیت اساسی دارد. گونه های معدنی کمتر از زمین.”
او می افزاید: «این کار همچنین چیزهای بسیار عمیقی در مورد نقش زیست شناسی به ما می گوید. یک سوم از مواد معدنی زمین نمیتوانست بدون زیستشناسی شکل بگیرد، مثلاً پوستهها، استخوانها و دندانها، یا میکروبها، یا نقش غیرمستقیم حیاتی زیستشناسی، مانند ایجاد جوی غنی از اکسیژن که منجر به تولید ۲۰۰۰ ماده معدنی میشود. در غیر این صورت شکل نگرفته اند.”
“هر نمونه معدنی تاریخچه ای دارد. هر کدام داستانی را روایت می کند. هر کدام یک کپسول زمانی است که گذشته زمین را به اندازه هیچ چیز دیگری آشکار می کند.”
۴۰ درصد از گونه های معدنی زمین به بیش از یک روش تشکیل شده اند
طبق این مقاله، طبیعت ۴۰ درصد از گونههای معدنی زمین را به بیش از یک روش ایجاد کرده است – برای مثال، هم به صورت غیرزیستی و هم با کمک سلولها – و در چندین مورد از بیش از ۱۵ دستور غذای مختلف برای تولید ساختار بلوری و مواد شیمیایی یکسان استفاده کرده است. ترکیب بندی.
از ۵۶۵۹ گونه معدنی شناخته شده بررسی شده توسط هازن و همکاران، ۹ گونه از طریق ۱۵ یا بیشتر فرآیندهای مختلف فیزیکی، شیمیایی و/یا بیولوژیکی به وجود آمدند – همه چیز از تشکیل تقریباً آنی توسط صاعقه یا برخورد شهاب سنگ تا تغییرات ناشی از فعل و انفعالات آب و سنگ. یا دگرگونی هایی در فشارها و دمای بالا که صدها میلیون سال را در بر می گیرد.
و برای اینکه نشان دهد که دارای حس شوخ طبعی است، طبیعت از ۲۱ روش مختلف در طول ۴.۵ میلیارد سال گذشته برای ایجاد پیریت (معروف به طلای احمق) استفاده کرده است – قهرمان جهان معدنی با ریشه های مختلف. پیریت در دمای بالا و پایین، با و بدون آب، با کمک میکروب ها و در محیط های خشن که زندگی هیچ نقشی ندارد، تشکیل می شود.
پیریت که از یک قسمت آهن تا دو قسمت سولفید (FeS2) تشکیل شده است، از طریق شهابسنگها، آتشفشانها، نهشتههای گرمابی، فشار بین لایههای سنگ، هوازدگی سنگهای نزدیک به سطح، رسوبات میکروبی رسوبشده، چندین فرآیند مرتبط با معدن از جمله استخراج و تحویل میشود. آتش سوزی معادن زغال سنگ، و بسیاری از وسایل دیگر.
هازن و موریسون برای رسیدن به نتایج خود یک پایگاه داده از هر فرآیند شناخته شده تشکیل هر کانی شناخته شده ایجاد کردند. آنها با تکیه بر پایگاههای اطلاعاتی بزرگ و با دسترسی آزاد معدنی (mindat.org و rruff.ima/info)، که توسط هزاران مقاله تحقیقاتی اولیه در زمینشناسی محلهای معدنی در سراسر جهان تقویت شدهاند، ۱۰۵۵۶ ترکیب مختلف از کانیها و حالتهای تشکیل را شناسایی کردند. جزئیات در مقاله، “در مورد حالت های پاراژنتیکی مواد معدنی: دیدگاه تکامل مواد معدنی.”
یک نمونه زیبا از آلبرتا، کانادا از یک بیومرینال — تقاطع مواد معدنی و زندگی. اعتبار: ARKENSTONE/Rob Lavinsky
در مجموع، مواد معدنی به یک یا چند مورد از ۵۷ روش مختلف به وجود آمده اند، بر اساس آن مقاله و مقاله خواهری که به طور همزمان توسط همان مجله منتشر شده است، “Lumping and splitting: toward a طبقه بندی انواع طبیعی معدنی”، با نویسنده مشترک. دکتر هازن و موریسون با همکاری کانی شناسان سرگئی کریوویچف از آکادمی علوم روسیه و رابرت داونز از دانشگاه آریزونا.
هدف از تلاش های آنها: “درک چگونگی تنوع و توزیع مواد معدنی در طول زمان تغییر کرده است و سیستمی از طبقه بندی مواد معدنی را پیشنهاد می کند که منشا مواد معدنی را در زمینه جهان های زمینی در حال تکامل منعکس می کند.”
تشخیص مواد معدنی بر اساس چگونگی و زمان ظهور هر نوع در طول تاریخ بیش از ۴.۵ میلیارد سال زمین
در مطالعات قبلی در بیش از یک قرن، هزاران کانی شناس در سراسر جهان تقریباً ۶۰۰۰ “گونه معدنی” مختلف را بر اساس ترکیبات منحصر به فرد ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری آنها به دقت مستند کرده اند. دکتر هازن و همکارانش رویکرد متفاوتی در پیش گرفتند و بر چگونگی و زمان ظهور هر نوع ماده معدنی در بیش از ۴.۵ میلیارد سال تاریخ زمین تأکید کردند.
دکتر هازن، که توسط IMA با مدال سال ۲۰۲۱ به خاطر دستاوردهای برجستهاش در شیمی کریستال معدنی، بهویژه در زمینه تکامل مواد معدنی، مفتخر شد، میگوید: «هیچکس قبلاً این وظیفه عظیم را انجام نداده است.
“در این دو مقاله، ما بهترین تلاش خود را برای ایجاد زمینهای برای رویکردی جدید برای شناخت انواع کانیها انجام میدهیم. ما از بینشها، اضافات و نسخههای آینده جامعه کانیشناسی استقبال میکنیم.”
بینش و نتیجه گیری جدید مقالات عبارتند از:
آب نقش غالبی در تنوع مواد معدنی زمین داشته و در تشکیل بیش از ۸۰ درصد گونه های معدنی نقش دارد.
حیات نقش مستقیم یا غیرمستقیم در شکلگیری تقریباً نیمی از گونههای معدنی شناختهشده داشت، در حالی که یک سوم کانیهای شناخته شده – بیش از ۱۹۰۰ گونه – منحصراً در نتیجه فعالیتهای بیولوژیکی شکل گرفتند.
عناصر کمیاب نقش نامتناسبی در تنوع مواد معدنی زمین دارند. فقط در برخی از ۲۰ درصد مواد معدنی از ۲۰ درصد، از ۴ درصد خاکی. ۴۱ عنصر شامل آرسنیک، کادمیوم، طلا، جیوه، نقره، تیتانیوم، قلع، اورانیوم و تنگستن است.
بسیاری از تنوع معدنی زمین در ۲۵۰ میلیون سال اول این سیاره ایجاد شد
تصور میشود که حدود ۲۹۶ کانی شناختهشده مربوط به خود زمین هستند، که ۹۷ مورد آن فقط از روی شهابسنگها شناخته شدهاند (با سن برخی از دانههای معدنی منفرد ۷ میلیارد سال تخمین زده میشود – میلیاردها سال قبل از پیدایش منظومه شمسی ما).
قدیمی ترین کانی های شناخته شده کریستال های ریز و بادوام زیرکون هستند که تقریباً ۴.۴ میلیارد سال قدمت دارند.
بیش از ۶۰۰ ماده معدنی از فعالیت های انسانی مشتق شده اند، از جمله بیش از ۵۰۰ ماده معدنی ناشی از استخراج معادن، که ۲۳۴ مورد از آنها در اثر آتش سوزی در معادن زغال سنگ تشکیل شده است.
بر اساس این تحقیق، ۳۳۴۹ (۵۹%) از گونههای معدنی مورد تایید IMA تنها از یک فرآیند (حالت پاراژنتیک)، ۱۳۷۲ گونه (۲۴%) از دو فرآیند، ۴۵۸ (۸%) از سه فرآیند و بقیه، ۴۸۰ (۸%)، از چهار یا بیشتر فرآیند.
برای مثال، الماسهایی که از کربن تشکیل شدهاند، دستکم به ۹ روش از جمله تراکم در اتمسفر خنککننده ستارگان قدیمی، در طی برخورد شهابسنگ و تحت فشار فوقالعاده داغ در اعماق زمین به وجود آمدهاند.
این فرآیندها به انواع الماس های متمایز منجر شد – مانند ستاره، ضربه، گوشته و فشار فوق العاده بالا – که نویسندگان آنها را به عنوان “انواع طبیعی” مختلف معرفی می کنند.
نویسندگان پیشنهاد میکنند که مکمل فهرست مواد معدنی مورد تأیید IMA، دستهبندیها و گروهبندیهای جدیدی بر اساس پیدایش یک کانی (حالت پاراژنتیکی) ایجاد شود.
برای مثال، علم میتواند را گروهبندی کند.
این مقالات ملاحظات دیگری را در خوشهبندی و طبقهبندی کانیها، مانند عصری که در آن تشکیل شدهاند، شرح میدهند. به عنوان مثال، “رویداد بزرگ اکسیداسیون” زمین در حدود ۲.۳ میلیارد سال پیش منجر به تشکیل مواد معدنی جدید در نزدیکی سطح سیاره شد.
بریل، رایجترین ماده معدنی حاوی عنصر بریلیم در رنگهای بسیار زیبایی مانند زمرد – نام رایج آن است. رویکرد نوآورانه برای طبقهبندی شامل تودهبندی چندین گونه با ساختار بریل به یک “نوع معدنی ریشه” در حالی که چندین “نوع طبیعی” منفرد بر اساس محیطهای شکلگیری منحصربهفردشان جدا میشود، که انواع متمایز قرمز، صورتی، آبی و سبز را ایجاد میکنند. اعتبار: ARKENSTONE/Rob Lavinsky
و در حدود ۴.۴ و محیط های نزدیک به محیط های۳ به اندازه ی محیط های معدنی به اندازه ی.
همچنین به نظر می رسد که صدها ماده معدنی مختلف ممکن است قبل از برخورد غول پیکری که بخش عمده ای از پوسته و گوشته سیاره ما را تبخیر کرد و به شکل گیری ماه در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش منجر شد، روی زمین تشکیل شده باشد. اگر چنین بود، آن مواد معدنی محو میشدند تا با سرد شدن و جامد شدن زمین اصلاح شوند.
نویسندگان میگویند: «تضاد شدید بین ترکیب بزرگ مواد معدنی زمین و کانیشناسی نسبی ماه و عطارد، و همچنین تنوع کم موجود در مریخ، از تأثیرات متفاوت آب ناشی میشود».
علاوه بر مواد معدنی تصادفی در آتش سوزی معدن، بشریت هزاران ترکیب مشابه معدنی بی شماری را ساخته است که واجد شرایط شناسایی توسط IMA نیستند – مواد ساختمانی، نیمه هادی ها، کریستال های لیزری، آلیاژهای ویژه، سنگ های قیمتی مصنوعی، زباله های پلاستیکی و موارد مشابه. . با این حال، همه «احتمالاً میلیونها سال در سوابق زمینشناسی باقی میمانند، بنابراین افق رسوبی روشنی را ارائه میکنند که به اصطلاح «عصر آنتروپوسن» را نشان میدهد.
در همین حال، بر اساس این مقاله، ۷۷ “زیست معدنی” وجود دارد که توسط فرآیندهای متابولیکی مختلف – همه چیز از مرجان ها، صدف ها و گزنه ها گرفته تا مواد معدنی در استخوان ها، دندان ها و سنگ های کلیه – تشکیل شده اند.
۷۲ ماده معدنی دیگر به طور مستقیم یا غیرمستقیم از گوانو و ادرار پرندگان و خفاش ها به دست می آیند. این فهرست شامل ماده معدنی نادر اسفنسیدیت است که زمانی تشکیل میشود که ادرار پنگوئنها (مرتب به Sphenisciformes، از این رو نام کانی) با کانیهای رسی در زیر سکوی سرپایی در جزیره فیلها در قلمرو قطب جنوب بریتانیا واکنش نشان میدهد.
تکامل مواد معدنی و منشأ حیات
نویسندگان خاطرنشان میکنند که شکلگیری اقیانوسها، توسعه گسترده پوسته قارهای، و شاید حتی شروع برخی از شکلهای اولیه فرورانش (فرآیندی که زمین ساخت صفحه امروزی را به پیش میبرد) در اوایل دوران هادین ۴.۰ تا ۴.۵ میلیارد سال پیش، به معنای بسیاری بود. فرآیندهای مهم تشکیل مواد معدنی – و ۳۵۳۴ گونه معدنی – در ۲۵۰ میلیون سال اول زمین رخ داده است.
آنها میگویند: «اگر چنین است، پس بیشتر محیطهای ژئوشیمیایی و کانیشناسی که در مدلهای منشأ حیات به کار رفتهاند، ۴.۳ میلیارد سال پیش وجود داشتهاند.
نویسندگان میگویند اگر حیات «یک الزام کیهانی است که در هر دنیای غنی از مواد معدنی و آب پدیدار میشود»، «این یافتهها این فرضیه را تأیید میکند که حیات روی زمین به سرعت و در هماهنگی با یک پادشاهی معدنی پر جنب و جوش و متنوع، در جهان پدید آمده است. مراحل اولیه تکامل سیاره ای.”
کانی شناسی فرازمینی
این کار همچنین راههایی را برای محققان و کاشفان آینده نشان میدهد:
“چه محیطهای تشکیلدهنده مواد معدنی در ماه، مریخ و دیگر جهانهای زمینی رخ میدهد؟ شمارش حالتهای پاراژنتیکی، و قرار دادن هر گونه معدنی در یک یا چند دسته از آن دستهها، فرصتی برای ارزیابی کانیشناسی فرازمینی با چشماندازی جدید ارائه میدهد. اگر مریخ (یا هنوز هم دارد) یک چرخه هیدرولوژیکی، چه تظاهرات کانی شناسی را می توانیم انتظار داشته باشیم؟ به عنوان مثال، آیا ذخایر سولفید هیدروترمال مریخ وجود دارد و اگر چنین است، آیا فلزات مختلفی بسیج شده اند؟ از سوی دیگر، اگر ماه واقعاً خشک است، پس چه فرآیندهای پاراژنتیکی مستثنی هستند؟ و آیا اجسام فرازمینی فرآیندهای پاراژنتیکی را نشان میدهند که روی زمین دیده نمیشوند، مانند آتشفشان سرمایی در تیتان؟
مقالههای دوگانهای که در ۱ ژوئیه در American Mineralogist منتشر میشوند عبارتند از: «در مورد حالتهای پاراژنتیکی کانیها: چشمانداز تکامل مواد معدنی» و «مجموعه و تقسیم: به سمت طبقهبندی انواع طبیعی معدنی».
با اعداد
۵۶۵۹: “گونه” معدنی که توسط انجمن بین المللی کانی شناسی در زمان این تحقیق به رسمیت شناخته شده است. (این تعداد از آن زمان به بیش از ۵۸۰۰ گونه افزایش یافته است)
۱۰۵۵۶: ترکیبی از گونههای مواد معدنی و وسایل منشأ (“انواع مواد معدنی”)
۵۷: فرآیندهای مختلف فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی که مواد معدنی زمین را ایجاد کردند
۴۰ درصد: نسبت گونه های معدنی که به بیش از یک راه منشأ گرفته اند
۳۳۴۹ (۵۹%): مواد معدنی که فقط در یک فرآیند (حالت پاراژنتیکی) رخ میدهند.
۱۳۷۲ (۲۴%): مواد معدنی که به دو صورت وجود دارند
۴۵۸ (۸%): مواد معدنی که به سه صورت وجود دارند
۴۸۰ (۸%): مواد معدنی که به چهار روش یا بیشتر وجود دارند
۹: مواد معدنی که از ۱۵ راه یا بیشتر به وجود آمده اند
۲۱: روشهای تشکیل پیریت (طلای احمق) – بیشترین مقدار از هر ماده معدنی
۹: روش های تشکیل الماس در محیط هایی از فضا تا اعماق زمین
۸۰%: مواد معدنی که آب در ایجاد آنها نقش غالب داشته است
~۵۰%: مواد معدنی که زیست شناسی در ایجاد آنها نقش مستقیم یا غیرمستقیم داشته است
۱۹۰۰ (حدود ۱/۳): مواد معدنی منحصراً توسط فرآیندهای بیولوژیکی تشکیل شده اند
۴۱: عناصر کمیاب (که کمتر از ۵ قسمت در میلیون پوسته زمین را تشکیل می دهند) در تشکیل ۲۴۰۰ (بیش از ۴۲٪) مواد معدنی دخیل هستند.
۲۹۶: تصور می شد که معدنی به پیش از خود زمین قدمت دارد
۹۷: مواد معدنی که فقط از شهاب سنگ ها شناخته می شوند
۷ میلیارد سال (پیش از تاریخ منظومه شمسی ما میلیاردها سال): سن تک دانه های معدنی کشف شده در شهاب سنگ ها
تا ۳۵۰: مواد معدنی ایجاد شده در محیط های دریایی و زمینی نزدیک به سطح زمانی که آب برای اولین بار در ۴.۴۵ میلیارد سال پیش روی زمین ظاهر شد.
۴.۴ میلیارد سال: سن قدیمی ترین کانی شناخته شده ایجاد شده روی زمین: بلورهای زیرکون
۳۵۳۴: مواد معدنی که تصور می شود در ۲۵۰ میلیون سال اول زمین تشکیل شده اند
۶۰۰+: مواد معدنی به دست آمده از فعالیت های انسانی، از جمله ۵۰۰+ ناشی از معدن، ۲۳۴ از آتش سوزی معدن زغال سنگ.
۷۷: بیومینرال ها (تشکیل شده توسط فرآیندهای متابولیک)
۷۲: مواد معدنی مشتق شده به طور مستقیم یا غیر مستقیم از گوانو و ادرار پرندگان و خفاش ها
منبع: Phys.org
