壓碎、煮沸和烘烤,他們為地球記下礦物生成食譜

作者 | 發布日期 2022 年 07 月 23 日 0:00 | 分類 科技趣聞 , 自然科學 line share follow us in feedly line share
壓碎、煮沸和烘烤,他們為地球記下礦物生成食譜


當地球心念一動:本世紀,我想來點「黃鐵礦」!大自然便忙起來,點燃火山、召喚隕石、增加岩層壓力,微生物和人類也都來幫忙,壓碎、煮沸或烘烤……以多種方式打造淡黃銅色、散發金屬光澤的黃鐵礦。即使礦物質化學成分與晶體結構一樣,但大自然其實有許多種「烹飪方式」創造物質。

羅伯特·哈森博士與肖娜·莫里森博士經過15年不懈努力,為每種已知礦物建立個別成因資料庫,詳細標示每種礦物質形成經歷的物理、化學或生物反應,為地球建立礦物誕生食譜。

新礦物學分類,增加成因資訊

近兩世紀以來,礦物學系統主要根據化學成分與晶體排列結構分類,記錄近6千種礦物質分類。華盛頓特區卡內基科學研究所(the Carnegie Institution for Science)羅伯特·哈森(Robert Hazen)博士與肖娜·莫里森(Shaunna Morrison)博士認為種類應該遠不只這些。

「以前的礦物學系統僅根據晶體結構碳酸鈣,判斷是否為同為方解石。但我們的觀點,光方解石(Calcite)就分為十多種。」哈森說:「因貝殼沉積形成的方解石、經化學沉澱海底形成的方解石,或地球深處因高壓、高溫等變質作用形成的方解石……皆不相同。成因不同,讓我們看到許多種類方解石,這便是新礦物學方法的關鍵。」

根據他們研究,大自然使用21種方式製造黃鐵礦(Pyrite)。黃鐵礦主要由一份鐵和兩份硫化物(FeS2)組成,高溫和低溫、有水和無水條件,不論有微生物幫助,或在無任何生命作用的惡劣環境皆能形成。舉凡隕石、火山、熱液礦床、岩石層壓力、近地表岩石風化、微生物沉澱礦床,以及人為採礦過程發生火災等各種方式,皆能產生黃鐵礦。

▲ 黃鐵礦的金屬光澤和淡黃銅色調使它看起來很像黃金,因此又有「愚人金」之稱。(Source:Ivar Leidus, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)

哈森與莫里森以每種礦物的形成方式區分,經過15年不懈努力,已發現大自然藉壓碎、搗碎、煮沸、烘烤等物理、化學或生物過程約57種方式,創造10,500多種礦物質類型,並為每種已知礦物建立個別成因資料庫,詳細標示每種礦物質形成經歷的物理、化學或生物反應。

生命以各種方式影響礦物質

南極洲大象島(Elephant Island)有種獨特的暗褐色礦物──水磷鐵氨石(spheniscidite),是當地企鵝的排泄物與土壤礦物相互作用產生,命名更取自企鵝學名「Sphenisciformes」。如此獨一無二的結晶化合物,反映出只存於該地的特殊形成條件。

▲ 南極洲大象島獨有的水磷鐵氨石(spheniscidite),是當地企鵝的排泄物與土壤礦物作用。圖為南極企鵝(chinstrap penguin)。(Source:Lewnwdc77, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

「如果沒有生物影響,地球近三分之一礦物質無法形成。」哈森解釋:「如光合作用產生氧氣。氧氣是非常活潑的氣體,藉氧化礦物質改變地球表面,也是生物學重要的間接作用;當然,生命也自己創造礦物──生物礦物,如生物體貝殼、牙齒、骨骼及其他微生物。」

「每個礦物標本都有一段歷史、都講述一個故事;每個都是時間膠囊,揭示地球的過去,是其他東西都無法做到的。」生命以各種方式影響礦物質誕生,礦物質也記錄了地球的歷程。

地球新紀元,人類創造新礦物

地質學家將11,700年前最後一次冰河時代以來的時間標記為全新世(the Holocene)。但近期開始亦有觀點認為,工業革命後,人類地表活動已對氣候、生態系統造成全球性影響,並對地球發展產生決定性的作用,主張地球已進入「人類世」(Anthropocene)。.

▲ 有觀點主張自工業革命後,人類的活動對氣候、生態系統造成全球性影響,對地球發展產生決定性的作用,認為地球已進入「人類世」(Anthropocene)。(Source:Flickr/eutrophication&hypoxia CC BY 2.0)

新的、人造礦物及類似礦物的化合物支持此觀點。亞利桑那大學馬庫斯‧奧格列裡(Marcus Orglieri)說:「在我們這時代留下的沉積層,未來礦物學家將發現大量建築材料如磚、煤渣塊和水泥,以及金屬合金如鋼、鈦和鋁,甚至是核時代許多致命放射性副產品。他們可能還會驚歎某些美麗的人造寶石,如像鑽石的立方氧化鋯(Cubic Zirconia)與莫桑石(Synthetic Moissanite)、合成紅寶石(Synthetic ruby)。」

英國地質調查局(British Geological Survey)人類世工作組的秘書科林沃特斯(Colin Waters)回應:「其實人類為自己目的創造的類似礦物新材質,將成為我們在這個星球存在的大量標誌。」他舉圓珠筆為例,「筆尖球是由碳化鎢製成,自1950年代以來生產數十億個,想像一下有多少這種材料環繞著地球。」

▲ 圓珠筆筆尖的球是由碳化鎢製成,1950年代以來全球生產了數十億個。(Source:Flickr/Ivan Radic CC BY 2.0)

「半導體、磁鐵、電池和建築石材……人類合成了成千上萬種材料。」哈森教授說:「這些有類似礦物的材質,將在未來十億年地質紀錄持續存在。」

這些礦物和類似礦物的化合物將隨著人類活動遍布全球,並長久保存於地質紀錄裡,成為人類時代的獨特標誌。這正是地球進入新紀元──「人類世」的最大證據。

礦物質多樣性可幫助尋找外星生命嗎?

▲ 火星夏普山(Mount Sharp)下,有名為花園城(Garden Cityp)區域的雙色礦脈網絡。此類礦脈形成多為流體穿過破裂的岩石,裂縫沉積礦物質並影響周圍岩石化學成分,在這種情況下,礦脈比周圍主岩更能抵抗侵蝕。照片由NASA好奇號火星探測器的相機(Mastcam)所拍攝。(Source:NASA

哈森與莫里森的努力成果不僅介紹礦物起源、展現礦物質多樣性,有助重建地球生命歷史,甚至能成為研究其他星球的工具,尋找可居住的行星和外星生命。

「我們正在研究火星礦物學,尋找可能指向生命的礦物質證據。」哈森說:「我們在尋找的不是任何特定礦物,而是微量元素的痕跡;這些礦物的形態、大小和形狀將成為火星究竟有無生命的有力證據。」

(本文由 地球圖輯隊 授權轉載;首圖來源:Vassil, Public domain, via Wikimedia Commons)