鉱物の進化

鉱物の進化は、鉱物学に歴史的背景を与える最近の仮説です。この仮説は、物理的、化学的、生物学的環境の変化の結果として、惑星や衛星の鉱物学がますます複雑になっていると仮定しています。太陽系では、元素の分離と濃縮、揮発性物質の作用と相まって温度と圧力の範囲が広くなる、生物によってもたらされる新しい化学経路という 3 つのプロセスの結果として、鉱物種の数は約 12 種類から 5,400 種類以上に増加しました。

地球には、鉱物の進化の3つの時代がありました。太陽の誕生と小惑星や惑星の形成により、鉱物の数は約250に増加しました。部分溶融やプレートテクトニクスなどのプロセスによる地殻とマントルの繰り返しの再加工により、合計は約1500に増加しました。残りの鉱物、全体の3分の2以上は、生物が媒介する化学変化の結果であり、最大の増加は大酸化イベント後に発生しました。

2008年の論文で「鉱物の進化」という用語を紹介した際、ロバート・ヘイゼンと共著者らは、鉱物に「進化」という言葉を使うのは議論を呼ぶ可能性が高いことを認識していたが、1928年にノーマン・ボーエンが書いた『火成岩の進化』という本にまで遡る前例があった。彼らはこの用語を、ますます複雑で多様な鉱物の集合体につながる不可逆的な一連の出来事という意味で使用した。^[1]生物の進化とは異なり、突然変異、競争、子孫への情報の伝達は伴わない。ヘイゼンらは、絶滅という概念を含む他の類似性も検討した。地球上では酸化状態で不安定なエンスタタイトコンドライト中の特定の鉱物を生成するプロセスなど、一部の鉱物形成プロセスはもはや起こらない。また、金星の暴走温室効果により、鉱物種が永久に失われた可能性がある。^{[1] [2]}しかし、鉱物の絶滅は真に不可逆的ではない。適切な環境条件が回復すれば、失われた鉱物が再び出現する可能性がある。^[3]

宇宙の初期には、水素、ヘリウム、微量のリチウムしか存在しなかったため、鉱物は存在しなかった。^[4]炭素、酸素、ケイ素、窒素などのより重い元素が恒星で合成された後、鉱物の形成が可能になった。赤色巨星の膨張する大気と超新星の噴出物の中で、1,500 °C (2,730 °F) を超える温度で微細な鉱物が形成された。^{[1] [5]}

これらの鉱物の証拠は、コンドライトと呼ばれる原始的な隕石に組み込まれた星間粒子の中に見出すことができる。コンドライトは本質的に宇宙堆積岩である。^[5]知られている種の数はおよそ12種であるが、さらにいくつかの物質が特定されているが鉱物として分類されていない。^[5]ダイヤモンドは結晶化温度が高いため（約4,400 °C（7,950 °F））、おそらく最初に形成された鉱物である。^{[6] [7]}これに続いて、グラファイト、酸化物（ルチル、コランダム、スピネル、ヒボナイト）、炭化物（モアッサナイト）、窒化物（オスボルナイト、窒化ケイ素）、ケイ酸塩（フォルステライト、ケイ酸塩ペロブスカイト（MgSiO ₃））が形成された。^[1]これらの「原始鉱物」は、太陽系が形成される分子雲の種となった。^[8]

太陽系の形成後、鉱物の進化は3つの主要なメカニズムによって促進されました。それは、元素の分離と濃縮、揮発性物質の化学作用と組み合わされたより広い温度と圧力の範囲、そして生物によって引き起こされる新しい反応経路です。^[9]

鉱物の分類の最高レベルは化学組成に基づいています。^{[10]しかし、}ホウ酸塩のホウ素やリン酸塩のリンなど、多くの鉱物グループを定義する元素は、最初はppm以下の濃度でしか存在しませんでした。そのため、外部の影響によって濃縮されるまで、それらが集まって鉱物を形成する機会はほとんどありませんでした。^[11]元素を分離および濃縮するプロセスには、惑星の分化（たとえば、核やマントルなどの層への分離）、ガス放出、分別結晶化、部分溶融などがあります。^[1]

鉱物中の元素の許容される組み合わせは熱力学によって決定される。特定の場所で結晶に元素を追加するには、その元素がエネルギーを減少させる必要がある。高温では、オリビンなどの鉱物では多くの元素が互換性がある。^[3]惑星が冷却するにつれて、鉱物は温度や圧力などのより広範囲の強度変数にさらされるようになり、 ^[1]粘土鉱物やゼオライトなどの新しい相やより特殊な元素の組み合わせの形成が可能になった。^[3]水、二酸化炭素、O ₂などの揮発性化合物がそれらと反応すると、新しい鉱物が形成される。氷床、乾燥湖、地表に現れた変成岩などの環境には、特徴的な鉱物群が存在する。^[1]

生命は環境に劇的な変化をもたらしました。最も劇的なものは約24億年前の大酸化イベントで、光合成生物が大気中に酸素を溢れさせました。生物はまた反応を触媒し、アラゴナイトなどの周囲の環境と平衡を保っていない鉱物を作り出します。^{[1] [12]}

太陽系が形成される前は、約12種類の鉱物がありました。^[5]現在の鉱物の数の推定値は急速に変化しています。2008年には4300種類でしたが、^[1] 2018年11月現在、公式に認められている鉱物種は5413種類あります。^[13]

ヘイゼンら（2008）は、地球の年代学において、鉱物資源量の変化を3つの大まかな期間に分けた。45億5千万年前（10億年前）までの惑星集積、45億5千万年前から25億年前までの地殻とマントルの再形成、そして25億年前以降の生物学的影響である。^{[1] [12]}彼らはさらに年代を10の期間に分けたが、そのうちのいくつかは重複している。さらに、いくつかの日付は不確実であり、例えば、現代のプレートテクトニクスの始まりの推定は45億年から10億年の範囲である。^[14]

最初の時代には、太陽が発火し、周囲の分子雲が加熱された。60種類の新しい鉱物が生成され、コンドライトの含有物として保存された。小惑星や惑星への塵の集積、衝突、加熱、水との反応により、その数は250に増加した。^{[8] [12]}

45.6億年前より前、プレソーラー星雲は、水素とヘリウムのガスと分散した塵粒子からなる高密度の分子雲でした。太陽が点火してT-タウリ期に入ったとき、近くの塵粒子が溶けました。溶融した液滴の一部は、コンドリュールと呼ばれる小さな球状の物体としてコンドライトに取り込まれました。 [ ^12]ほとんどすべてのコンドライトには、太陽系で形成された最古の物質であるカルシウム-アルミニウムに富む包有物（CAI）も含まれています。 ^[5]この時代からのコンドライトの調査から、すべての結晶系の結晶構造を持つ60種類の新しい鉱物を特定できます。^[5]これらには、最初の鉄-ニッケル合金、硫化物、リン化物、およびいくつかのケイ酸塩と酸化物が含まれます。^[12]最も重要なものには、マグネシウムを豊富に含むオリビン、マグネシウムを豊富に含む輝石、および斜長石がありました。地球上ではもはや見られない酸素の少ない環境で生成されたいくつかの希少鉱物が、エンスタタイトコンドライトの中に見出されることがある。^[5]

ステージ 1 で新しい鉱物が形成されるとすぐに、それらは凝集し始め、小惑星や惑星を形成しました。最も重要な新しい鉱物の 1 つは氷でした。初期の太陽系には、岩石惑星や小惑星と、氷に富んだ巨大惑星、太陽系外縁天体、彗星を分ける「雪線」がありました。放射性核種の熱によって氷が溶け、水がオリビンに富む岩石と反応して、フィロケイ酸塩、磁鉄鉱などの酸化物、磁硫鉄鉱などの硫化物、炭酸塩のドロマイトと方解石、石膏などの硫酸塩が形成しました。衝撃と熱の衝突と最終的な溶融によって、地球のマントルの主成分であるリングウッダイトなどの鉱物が作られました。 ^[5]

最終的に、小惑星は部分溶融が起こるほど加熱され、輝石と斜長石（玄武岩を生成できる）とさまざまなリン酸塩を豊富に含む溶融物を生み出した。親金属元素と親石元素が分離して核と地殻が形成され、相容れない元素は溶融物に隔離された。^[5]結果として生じた鉱物は、石質隕石の一種であるユークライト（石英、カリ長石、チタン酸塩、ジルコン）と鉄ニッケル隕石（カマサイトやテーナイトなどの鉄ニッケル合金、トロイライトなどの遷移金属硫化物、炭化物、リン化物）に保存されている。^[1]この段階で推定250種類の新しい鉱物が形成された。^{[8] [12]}

鉱物進化史における第 2 の時代は、月を形成した大規模な衝突から始まりました。この衝突により、地殻とマントルの大部分が溶けました。初期の鉱物学は、火成岩の結晶化とさらなる衝突によって決定されました。この段階は、地殻とマントルの大規模なリサイクルに取って代わられ、この時代の終わりには約 1500 種の鉱物が存在しました。ただし、この時代から生き残った岩石はほとんどなく、多くのイベントの時期は不明のままです。^[1]

第3段階は、苦鉄質岩（鉄とマグネシウムを多く含む）と玄武岩などの超苦鉄質岩でできた地殻から始まりました。これらの岩石は、分別溶融、分別結晶化、混ざり合わないマグマの分離によって繰り返しリサイクルされました。このようなプロセスの例として、ボーエンの反応シリーズがあります。^[1]

この段階の鉱物学に関する直接的な情報源となる数少ない資料の一つは、44億年前まで遡るジルコン結晶中の鉱物包有物である。包有物に含まれる鉱物には、石英、白雲母、黒雲母、カリ長石、アルバイト、緑泥石、角閃石などがある。^[16]

水星や月のような揮発性物質の少ない天体では、上記のプロセスによって約 350 種の鉱物が生成される。水やその他の揮発性物質が存在する場合、その総数は増加する。地球は揮発性物質に富み、大気は N ₂、 CO ₂、水で構成され、海は着実に塩分濃度が高まっていった。火山活動、ガス放出、水和によって、水酸化物、水和物、炭酸塩、蒸発岩が生成された。この段階が冥王代と一致する地球の場合、広く存在する鉱物の総数は 420 種と推定され、希少な鉱物は 100 種以上ある。^[6] 火星はおそらくこの鉱物進化の段階に達していた。^[1]

十分な熱を与えると、玄武岩は再溶融して花崗岩に似た粗粒の岩石である花崗岩質岩石を形成した。溶融サイクルにより、リチウム、ベリリウム、ホウ素、ニオブ、タンタル、ウランなどの希少元素が濃縮され、500種類の新しい鉱物が形成された。これらの多くは、ペグマタイトと呼ばれる非常に粗粒の岩石に集中しており、通常、より大きな火成岩の近くの岩脈や鉱脈に見られる。金星はこのレベルの進化を達成した可能性がある。^[12]

プレートテクトニクスの始まりとともに、沈み込みによって地殻と水が下方に運ばれ、流体と岩石の相互作用と希少元素の濃縮が起こりました。特に、150種類の新しい硫化塩鉱物を含む硫化物鉱床が形成されました。また、沈み込みによってより冷たい岩石がマントルに運ばれ、より高い圧力にさらされ、その結果、新しい相が生まれ、後に隆起してカイヤナイトや珪線石などの変成鉱物として露出しました。^[12]

前のセクションで説明した無機プロセスにより、約1500種の鉱物が生成された。地球の鉱物の残りの3分の2以上は、生物による地球の変化の結果である。^[12]最大の貢献は、大酸化イベントに始まった大気中の酸素含有量の大幅な増加によるものである。^[17]生物はまた、骨格やその他の形態のバイオミネラリゼーションを生み出し始めた。^{[ 18]}方解石、金属酸化物、多くの粘土鉱物などの鉱物は、トルコ石、アズライト、マラカイトなどの宝石とともに、バイオシグネチャーと見なすことができる。^{[19] : 177}

約245億年前までは、大気中に酸素はほとんど存在しなかった。大陸棚近くの巨大な炭酸塩層の沈殿や縞状鉄鉱層の堆積には生命が関与していた可能性があるが^[1]、生命が鉱物に及ぼした影響については明確な証拠がない^{[16] 。}

245億年前頃から始まり、20億年前または19億年前頃まで、下層大気、大陸、海洋の酸素含有量が劇的に増加した。これは大酸化イベントまたは大酸化イベント（GOE）と呼ばれる。GOE以前は、複数の酸化状態をとることができる元素は最低の状態に制限されており、それによって形成される鉱物の種類が制限されていた。古い堆積物では、菱鉄鉱（FeCO ₃）、閃ウラン鉱（UO ₂）、黄鉄鉱（FeS ₂）などの鉱物がよく見られる。これらは酸素を含む大気にさらされると急速に酸化するが、これは長時間の風化と輸送の後でも起こらなかった。^[20]

大気中の酸素分子の濃度が現在の1%に達したとき、風化中の化学反応は現在とほぼ同じでした。菱鉄鉱と黄鉄鉱は、鉄酸化物の磁鉄鉱と赤鉄鉱に置き換えられ、海に運ばれた溶解したFe ²⁺イオンは、広大な縞状鉄鉱層に堆積しました。しかし、これは新しい鉄鉱物をもたらしたわけではなく、その存在量が変化しただけです。対照的に、ウラン鉱の酸化は、ソディ石やウィークサイトなどの200を超える新しいウラン鉱物種、およびゴム石などの鉱物複合体をもたらしました。^[20]

複数の酸化状態を持つ他の元素には、銅（321の酸化物とケイ酸塩で存在）、ホウ素、バナジウム、マグネシウム、セレン、テルル、ヒ素、アンチモン、ビスマス、銀、水銀などが​​あります。^[20]合計で約2500の新しい鉱物が形成しました。[ ^12]

次のおよそ10億年（18.5～8.5億年）は、ほとんど何も起こらなかったように見えることから、「退屈の10億年」と呼ばれることが多い。表面近くの海水の酸化層は、無酸素の深部を犠牲にしてゆっくりと深くなったが、気候、生物学、鉱物学に劇的な変化はなかったようだ。しかし、このように認識される理由の一部は、その期間の岩石の保存状態が悪かったためかもしれない。鉛、亜鉛、銀の世界で最も貴重な埋蔵量の多くがこの時期の岩石中に見つかっており、ベリリウム、ホウ素、ウランの鉱物も豊富に含まれている。^{[15] : 181}この期間には、超大陸 コロンビアの形成、その分裂、ロディニアの形成も見られた。^{[15] : 195}ベリリウム、ホウ素、水銀鉱物の定量的研究では、大酸化イベント中に新しい鉱物は発見されなかったが、コロンビアの形成中に革新が起こったと報告されている。その理由は明らかではないが、山脈形成中に鉱化流体が放出されたことと関係があるかもしれない。^{[15] : 202–204}

10億年から5億4200万年の間に、地球は少なくとも2回の「スノーボールアース」現象を経験し、表面の大部分（おそらくすべて）が氷で覆われ、氷が主な表面鉱物となった。氷に関連して、炭酸塩岩、石灰岩またはドロマイトの厚い層、およびアラゴナイト扇状地があった。^[21]粘土鉱物も豊富に生成され、火山が氷を突き破って鉱物のストックを増やした。^[12]

最後の段階は顕生代と一致し、この時代には生物による鉱物の生成であるバイオミネラリゼーションが広まりました。[ ^12]バイオミネラルの一部は以前の記録にも見られますが、既知の骨格形態のほとんどが発達したのはカンブリア爆発の時期であり、^[18]主要な骨格鉱物（方解石、アラゴナイト、アパタイト、オパール）も発達しました。^[1]これらのほとんどは炭酸塩ですが、リン酸塩や方解石もあります。 全体として、金属硫化物、酸化物、水酸化物、ケイ酸塩など、生物では64を超える鉱物相が確認されています。 ^[18]人体では24を超える相が見つかっています。^[1]

顕生代以前は、陸地はほとんどが不毛の岩石であったが、シルル紀に植物が生息し始めた。これにより粘土鉱物の生産が桁違いに増加した。海洋では、プランクトンが炭酸カルシウムを浅瀬から深海に運び、キャップ炭酸塩の生産を抑制し、将来のスノーボールアース現象の可能性を低下させた。微生物もほとんどの元素の地球化学的循環に関与するようになり、生物地球化学的循環を形成した。鉱物学上の新奇性には、石炭や黒色頁岩などの炭素を豊富に含む生命の残骸で発見された有機鉱物が含まれていた。^[1]

厳密に言えば、純粋に生物起源の鉱物は、地質学的プロセスも関与していない限り、国際鉱物学協会（IMA）では認められていない。海洋生物の殻などの純粋に生物学的な産物は受け入れられない。また、人為的化合物も明示的に除外されている。^[23]しかし、人間は地球の表面に多大な影響を及ぼしてきたため、地質学者はこれらの変化を反映するために新しい地質時代である人新世の導入を検討している。^{[24] [25]}

2015年、ザラシエヴィッチと共著者らは、鉱物の定義を拡張して人間由来の鉱物も含めること、そしてその生成は鉱物進化の第11段階を構成することを提案した。^{[17] [26]}その後、ヘイゼンと共著者らは、IMAによって公式に認められているが、主にまたは排他的に人間の活動の結果である208種の鉱物をカタログ化した。これらのほとんどは採鉱に関連して形成されたものである。さらに、金属の遺物が沈んで海底と相互作用したときに生成されたものもある。今日ではおそらく公式に認められていないが、カタログに残ることが許可されているものもいくつかあり、その中には偽物であった可能性のある2種（ニオブ炭化物とタンタル炭化物）が含まれる。 ^{[25] [27] [28] [29]}

ヘイゼンと共著者らは、人間が鉱物の分布と多様性に大きな影響を与えた3つの方法を特定した。1つ目は製造である。合成結晶の長いリストには、合成宝石、セラミック、レンガ、セメント、電池など、鉱物に相当するものがある。^[29]鉱物に相当するものがないものもたくさんある。18万を超える無機結晶化合物が無機結晶構造データベースに登録されている。^[27]採掘やインフラの建設のために、人間は氷河期に匹敵する規模で岩石、堆積物、鉱物を再分配し、貴重な鉱物が自然には発生しない方法で再分配され、並置されてきた。^[28]

鉱物種の3分の2以上は生命の存在に負っているが^[12]、生命の存在もまた鉱物に負っている可能性がある。鉱物は有機分子をまとめるためのテンプレートとして、化学反応の触媒として、そして代謝産物として必要だったのかもしれない。^[1]生命の起源に関する2つの有力な理論は、粘土と遷移金属硫化物に関するものである。^{[30] [31]別の理論では、}コレマナイトやホウ酸塩などのカルシウムホウ酸塩鉱物、そしておそらくモリブデン酸塩も、最初のリボ核酸（RNA）の形成に必要だった可能性があると主張している。 ^{[32] [33]他の理論では、}マキナワイトやグレイジャイトなどのあまり一般的ではない鉱物が必要である。^[1]冥王代に形成された鉱物のカタログには、粘土鉱物、マキナワイトやグレイジャイトなどの鉄硫化物とニッケル硫化物が含まれているが、ホウ酸塩とモリブデン酸塩は含まれていない可能性が高い。^{[6] [34] [35]}

鉱物も初期の生命の生存に必要だったかもしれない。例えば、砂岩に含まれる石英は他の鉱物よりも透明である。生命が有害な紫外線から身を守る色素を発達させる前は、石英の薄い層が光合成に必要な光を通しつつ、生命を遮蔽していた。リン酸鉱物も初期の生命にとって重要だったかもしれない。リンは、すべての生細胞に含まれるエネルギーキャリアであるアデノシン三リン酸（ATP）、RNAとDNA、細胞膜などの分子に不可欠な元素の1つである。地球のリンのほとんどは核とマントルにある。リンを生命が利用できるようにするための最も可能性の高いメカニズムは、分留によってアパタイトなどのリン酸塩が生成され、その後風化によってリンが放出されるというものである。これにはプレートテクトニクスが必要だったかもしれない。^{[36] [37]}

鉱物の進化に関する最初の論文以来、ウラン、トリウム、水銀、炭素、ベリリウム、粘土鉱物など、特定の元素の鉱物に関する研究がいくつか行われてきました。これらは、さまざまなプロセスに関する情報を明らかにしています。たとえば、ウランとトリウムは熱を生成し、ウランと炭素は酸化状態を示します。^[14]記録は、ボーリングビリオンのような新しい鉱物の断続的な爆発と、新しい鉱物が出現しなかった長い期間を明らかにしています。たとえば、コロンビアの組み立て中に多様性が飛躍的に増加した後、18億年前から6億年前の間に新しい水銀鉱物は存在しませんでした。この驚くほど長い休止期間は、硫化物が豊富な海に起因し、それが鉱物である辰砂の急速な堆積につながったと考えられています。^{[15] : 204}

鉱物の進化に関する論文のほとんどは鉱物の初出について取り上げていますが、特定の鉱物の年代分布を見ることもできます。数百万のジルコン結晶の年代が測定されており、年代分布は結晶が見つかった場所（火成岩、堆積岩、堆積変成岩、現代の川砂など）にほとんど依存していません。ジルコンの年代分布には超大陸サイクルに関連する高低がありますが、これが沈み込み活動の変化によるものか、保存によるものかは明らかではありません。^[14]

他の研究では、「鉱物の進化」という名目ではないものの、同位体比、化学組成、鉱物の相対的存在量などの鉱物特性の時間的変化を調べた。^[38]

鉱物学はその歴史の大部分において、歴史的な要素を持たなかった。鉱物を化学的および物理的特性（化学式や結晶構造など）に従って分類し、鉱物または鉱物群の安定性の条件を定義することに関係していた。^[1]しかし、出版物が鉱物または鉱石の年代の分布を検討した例外があった。1960年、ラッセル・ゴードン・ガスティルは、鉱物の年代の分布に周期性があることを発見した。^[39]チャールズ・マイヤーは、一部の元素の鉱石が他の元素よりも広い時間範囲にわたって分布していることを発見し、その違いは地殻変動とバイオマスが表面の化学、特に遊離酸素と炭素に与える影響によるものとした。^{[40] 1979年、AGザビンはロシア語の雑誌}Doklady Akademii Naukで鉱物の進化の段階という概念を紹介し、1982年にはNPユシュキンは地球の表面近くの鉱物の複雑さが時間の経過とともに増していることを指摘した。^{[41] [42]}その後、2008年にヘイゼンと同僚は、鉱物の進化に関するより広範で詳細なビジョンを提示しました。これに続いて、さまざまな鉱物グループの進化に関する一連の定量的な調査が行われました。これらは、2015年に鉱物生態学の概念、つまり空間と時間における鉱物の分布の研究につながりました。^{[42] [43]}

2017年4月、ウィーン自然史博物館は鉱物の進化に関する新しい常設展示をオープンした。^{[44] [45]}

• 「アベライト」。鉱物進化データベース。