Επιστήμονες αποκρυπτογραφούν και καταγράφουν τις διαφορετικές προελεύσεις των ορυκτών της Γης

Σε δύο εργασίες που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό American Mineralogist και χρηματοδοτούνται εν μέρει από τη NASA, οι επιστήμονες του Carnegie, Robert Hazen και Shaunna Morrison, περιγράφουν λεπτομερώς μια νέα προσέγγιση για την ομαδοποίηση συγγενών ειδών ορυκτών ή το διαχωρισμό σε νέα είδη με βάση το πότε και πώς προήλθαν.

Όταν συνυπολογιστούν οι συνθήκες γένεσης των ορυκτών, ο αριθμός των «ειδών ορυκτών» -ένας νέος όρος- είναι συνολικά πάνω από 10.500, αριθμός περίπου 75% μεγαλύτερος από τα περίπου 6.000 ορυκτά είδη που αναγνωρίζονται από τη Διεθνή Ορυκτολογική Ένωση (IMA) με βάση παράγοντες όπως η κρυσταλλική δομή και η χημική σύνθεση μόνο. «Αυτή η εργασία αλλάζει θεμελιωδώς την άποψη μας για την ποικιλομορφία των ορυκτών στον πλανήτη», λέει ο Δρ. Hazen, ερευνητής στο Carnegie Institution of Science στην Ουάσιγκτον.

«Για παράδειγμα, περισσότερο από το 80% των ορυκτών της Γης προήλθε από την αλληλεπίδραση με το νερό, το οποίο είναι, επομένως, θεμελιωδώς σημαντικό για την ποικιλομορφία των ορυκτών στον πλανήτη. Κατ' επέκταση, αυτό εξηγεί έναν από τους βασικούς λόγους για τους οποίους η Σελήνη και ο Ερμής, ακόμα και ο Άρης, έχουν πολύ λιγότερα είδη ορυκτών από ότι η Γη», εξηγεί ο Hazen.

«Η έρευνα μας αποκαλύπτει επίσης κάτι πολύ σημαντικό για το ρόλο της βιολογίας. Το ένα τρίτο των ορυκτών της Γης δε θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί χωρίς βιολογία – κοχύλια, οστά και δόντια ή μικρόβια, για παράδειγμα, ή τον ζωτικό έμμεσο ρόλο της βιολογίας, όπως για παράδειγμα η δημιουργία μιας ατμόσφαιρας πλούσιας σε οξυγόνο. Χωρίς τη βιολογία περίπου 2.000 ορυκτά δεν θα είχαν σχηματιστεί. Κάθε δείγμα ορυκτού έχει μια ιστορία και το κάθε ορυκτό μας λέει μια ιστορία. Κάθε ορυκτό είναι μια χρονοκάψουλα που αποκαλύπτει το παρελθόν της Γης με τρόπο που τίποτα άλλο δεν μπορεί να το κάνει».

Σύμφωνα με τη μελέτη, η φύση δημιούργησε το 40% των ορυκτών ειδών της Γης με περισσότερους από έναν τρόπους -για παράδειγμα, τόσο αβιοτικά όσο και με τη συμβολή της βιολογίας- και σε αρκετές περιπτώσεις χρησιμοποίησε περισσότερες από 15 διαφορετικές «συνταγές» για την παραγωγή της ίδιας κρυσταλλικής δομής και χημικής σύνθεσης.

Από τα 5.659 αναγνωρισμένα είδη ορυκτών που ερευνήθηκαν από τον Hazen και τους συνεργάτες του, τα εννέα δημιουργήθηκαν μέσω 15 ή περισσότερων διαφορετικών φυσικών, χημικών και/ή βιολογικών διεργασιών -από σχεδόν στιγμιαίο σχηματισμό μέσω πτώσης κεραυνών ή μετεωριτών, έως αλλαγές που προκαλούνται από αλληλεπιδράσεις νερού και πετρωμάτων ή μετασχηματισμούς σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, διεργασίες που απαιτούν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για το σχηματισμό των εν λόγω ορυκτών. 

Και, σαν να δείχνει ότι έχει αίσθηση του χιούμορ, η Φύση χρησιμοποίησε 21 διαφορετικούς τρόπους τα τελευταία 4,5 δισ. χρόνια για να δημιουργήσει πυρίτη (γνωστό και ως Fool's Gold). Ο πυρίτης σχηματίζεται τόσο σε υψηλή όσο και χαμηλή θερμοκρασία, με και χωρίς νερό, με τη βοήθεια μικροβίων και μέσα σε αντίξοα περιβάλλοντα όπου η ζωή δεν παίζει κανέναν ρόλο. Αποτελούμενος από ένα μέρος σιδήρου προς δύο μέρη θείου (FeS₂), ο πυρίτης προέρχεται από μετεωρίτες, ηφαίστεια, υδροθερμικά κοιτάσματα, από την εφαρμογή πίεσης μεταξύ στρωμάτων πετρωμάτων, λόγω διάβρωσης κοντά στην επιφάνεια του πετρώματος, μικροβιακά κατακρημνισμένα ιζήματα, διάφορες διεργασίες που σχετίζονται με την εξόρυξη, φωτιές ανθρακωρυχείων και πολλές άλλες διεργασίες.

Για να καταλήξουν στα συμπεράσματα τους, οι Hazen και Morrison δημιούργησαν μια βάση δεδομένων για κάθε γνωστή διαδικασία σχηματισμού κάθε γνωστού ορυκτού. Βασιζόμενοι σε μεγάλες βάσεις δεδομένων ανοικτής πρόσβασης για τα ορυκτά (mindat.org και rruff.ima/info), που ενισχύθηκαν από χιλιάδες πρωτογενή ερευνητικά άρθρα σχετικά με τη γεωλογία των ορυκτών σε όλο τον κόσμο, εντόπισαν 10.556 διαφορετικούς συνδυασμούς ορυκτών και τρόπους σχηματισμού, οι οποίες αναφέρονται λεπτομερώς στην ερευνητική εργασία «On the paragenetic modes of minerals: A mineral evolution perspective».

Συνολικά, τα ορυκτά έχουν δημιουργηθεί με έναν ή περισσότερους από 57 διαφορετικούς τρόπους, σύμφωνα με αυτή την εργασία και μια άλλη σχετική εργασία, η οποία δημοσιεύτηκε ταυτόχρονα από το ίδιο περιοδικό, και έχει τίτλο: «Lumping and splitting: toward a classification of mineral natural kinds», την οποία συνυπογράφουν οι Δρ. Hazen και Morrison σε συνεργασία με τους ορυκτολόγους Sergey Krivovichev της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών και τον Robert Downs του Πανεπιστημίου της Αριζόνα.

Ο στόχος των προσπαθειών των επιστημόνων είναι να κατανοήσουν πώς η ποικιλομορφία και η κατανομή των ορυκτών έχουν αλλάξει μέσα στο βάθος του χρόνου και να προτείνουν ένα σύστημα ταξινόμησης ορυκτών που αντανακλά την προέλευση των ορυκτών στο πλαίσιο των εξελισσόμενων πλανητών που είναι παρόμοιοι με τη Γη.

Σε προηγούμενες μελέτες για περισσότερο από έναν αιώνα, χιλιάδες ορυκτολόγοι σε όλο τον κόσμο έχουν τεκμηριώσει προσεκτικά σχεδόν 6.000 διαφορετικά «είδη ορυκτών» με βάση τους μοναδικούς συνδυασμούς χημικής σύνθεσης και κρυσταλλικής δομής τους. Ο Δρ Hazen και οι συνεργάτες του ακολούθησαν μια διαφορετική προσέγγιση, δίνοντας έμφαση στο πώς και πότε εμφανίστηκε κάθε είδος ορυκτού σε περισσότερα από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια γεωλογικής ιστορίας.

«Κανείς δεν είχε αναλάβει αυτό το τεράστιο έργο πριν», λέει ο Δρ Hazen, που τιμήθηκε με το μετάλλιο της IMA για το 2021 για τα εξαιρετικά του επιτεύγματα στη χημεία ορυκτών κρυστάλλων, ιδιαίτερα στον τομέα της εξέλιξης των ορυκτών. «Στις δύο επιστημονικές δημοσιεύσεις, καταβάλλουμε προσπάθεια για να θέσουμε τις βάσεις για μια νέα προσέγγιση για την αναγνώριση διαφορετικών ειδών ορυκτών. Χαιρετίζουμε τις ιδέες, τις προσθήκες και τις μελλοντικές εκδόσεις της ορυκτολογικής κοινότητας».

Οι νέες γνώσεις και τα συμπεράσματα των δημοσιεύσεων περιλαμβάνουν:

• Το νερό έχει διαδραματίσει κυρίαρχο ρόλο στην ποικιλομορφία των γήινων ορυκτών, συμμετέχοντας στο σχηματισμό άνω του 80% των ορυκτών ειδών.
• Η βιολογία έπαιξε άμεσο ή έμμεσο ρόλο στο σχηματισμό σχεδόν των μισών γνωστών ορυκτών ειδών, ενώ το ένα τρίτο των γνωστών ορυκτών -περισσότερα από 1.900 είδη- σχηματίστηκαν αποκλειστικά ως συνέπεια βιολογικών δραστηριοτήτων.
• Τα σπάνια στοιχεία διαδραματίζουν δυσανάλογα σημαντικό ρόλο στην ποικιλομορφία των γήινων ορυκτών. Μόλις 41 στοιχεία -συνολικά αποτελούν λιγότερα από 5 μέρη ανά εκατομμύριο του φλοιού της Γης- είναι απαραίτητα συστατικά σε περίπου 2.400 (πάνω από το 42%) των ορυκτών της Γης. Τα 41 στοιχεία περιλαμβάνουν τα αρσενικό, κάδμιο, χρυσό, υδράργυρο, ασήμι, τιτάνιο, κασσίτερο, ουράνιο και βολφράμιο.
• Μεγάλο μέρος της ορυκτής ποικιλομορφίας της Γης δημιουργήθηκε μέσα στα πρώτα 250 εκατομμύρια χρόνια ιστορίας του πλανήτη.
• Περίπου 296 γνωστά ορυκτά πιστεύεται ότι χρονολογούνται πριν από την ίδια τη Γη, από τα οποία τα 97 είναι γνωστό ότι προέρχονται αποκλειστικά από μετεωρίτες (με την ηλικία ορισμένων μεμονωμένων κόκκων ορυκτών να υπολογίζεται στα 7 δισεκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν από το σχηματισμό του ηλιακού μας συστήματος).
• Τα παλαιότερα γνωστά ορυκτά είναι μικροσκοπικοί, ανθεκτικοί κρύσταλλοι ζιργκόν, ηλικίας σχεδόν 4,4 δισεκατομμυρίων ετών.
• Περισσότερα από 600 ορυκτά έχουν προέλθει από ανθρώπινες δραστηριότητες, συμπεριλαμβανομένων πάνω από 500 ορυκτών που προκαλούνται από την εξόρυξη, ενώ 234 από αυτά σχηματίζονται από διαρκείς φωτιές σε ανθρακωρυχεία.

Σύμφωνα με την έρευνα, 3.349 (59%) από τα εγκεκριμένα από την IMA είδη ορυκτών, είναι γνωστό ότι προέρχονται από μία μόνο διαδικασία, 1.372 είδη (24%) από δύο διεργασίες, 458 (8%) από τρεις διεργασίες, και τα υπόλοιπα, 480 (8%), από τέσσερις ή περισσότερες διεργασίες.

Τα διαμάντια, για παράδειγμα, που αποτελούνται από άνθρακα, έχουν σχηματιστεί με έναν από τουλάχιστον εννέα τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της συμπύκνωσης στις ατμόσφαιρες ψύξης των παλαιών αστεριών, κατά τη διάρκεια πρόσκρουσης μετεωρίτη, υψηλές θερμοκρασίες και υπερυψηλή πίεση βαθιά μέσα στη Γη. Αυτές οι διεργασίες οδήγησαν σε ξεχωριστές παραλλαγές διαμαντιών τις οποίες οι συγγραφείς χαρακτηρίζουν ως διαφορετικά «φυσικά είδη».

Οι συγγραφείς προτείνουν, συμπληρωματικά με τον κατάλογο ορυκτών που έχει εγκριθεί από το IMA, να δημιουργηθούν νέες κατηγοριοποιήσεις και ομαδοποιήσεις με βάση τη γένεση ενός ορυκτού. Για παράδειγμα, η επιστήμη μπορεί να ομαδοποιήσει 400 ορυκτά που σχηματίζονται από συμπύκνωση (όπου μια ουσία μεταβαίνει απευθείας από αέριο σε στερεό χωρίς να περάσει από υγρή κατάσταση) σε ηφαιστειακές ατμίδες, ουσιαστικά ανοίγματα στην επιφάνεια της Γης που εκπέμπουν ατμό και ηφαιστειακά αέρια.

Οι δημοσιεύσεις περιγράφουν λεπτομερώς άλλες εκτιμήσεις για την ομαδοποίηση και την ταξινόμηση των ορυκτών, όπως η χρονολογική περίοδος στην οποία σχηματίστηκαν. Για παράδειγμα, η απότομη αύξηση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα της Γης πριν από περίπου 2,3 δισεκατομμύρια χρόνια, οδήγησε στη δημιουργία νέων ορυκτών σε στρώματα του γήινου φλοιού κοντά στην επιφάνεια. Και πριν από περίπου 4,45 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν πρωτοεμφανίστηκε το νερό, οι πρώτες αλληλεπιδράσεις νερού-πετρωμάτων μπορεί να παρήγαγαν έως και 350 ορυκτά σε θαλάσσια και χερσαία περιβάλλοντα κοντά στην επιφάνεια της Γης.

Φαίνεται επίσης ότι εκατοντάδες διαφορετικά ορυκτά μπορεί να είχαν σχηματιστεί στη Γη πριν από τη γιγαντιαία πρόσκρουση, μέσω της οποίας εξατμίστηκε μεγάλο μέρος του φλοιού και του μανδύα του πλανήτη μας και οδήγησε στο σχηματισμό της Σελήνης πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Αν ναι, αυτά τα ορυκτά εξαφανίστηκαν, μόνο για να αναμορφωθούν καθώς η Γη ψύχθηκε και στερεοποιήθηκε. «Η έντονη αντίθεση μεταξύ της μεγάλης ποικιλομορφίας ορυκτών της Γης και της σχετικής ορυκτολογικής φειδωλότητας της Σελήνης και του Ερμή, καθώς και η μέτρια ποικιλομορφία που βλέπουμε στον Άρη, πηγάζει από τις διαφορετικές επιρροές του νερού», λένε οι συγγραφείς.

Εκτός από τυχαίες δημιουργίες ορυκτών σε φωτιές που σχετίζονται με την εξόρυξη, η ανθρωπότητα έχει κατασκευάσει αμέτρητες χιλιάδες ενώσεις που μοιάζουν με ορυκτά που δεν πληρούν τις προϋποθέσεις για αναγνώριση από το IMA, όπως δομικά υλικά, ημιαγωγοί, κρύσταλλοι λέιζερ, ειδικά κράματα, συνθετικοί πολύτιμοι λίθοι, πλαστικά και άλλα. Όλα, ωστόσο, «είναι πιθανό να επιμείνουν για εκατομμύρια χρόνια στο γεωλογικό αρχείο, παρέχοντας έτσι έναν σαφή ιζηματογενή ορίζοντα που σηματοδοτεί τη λεγόμενη «Ανθρωπόκαινο Εποχή».

Εν τω μεταξύ, υπάρχουν 77 «βιοορυκτά», σύμφωνα με τη δημοσίευση, που σχηματίζονται από μια ποικιλία μεταβολικών διεργασιών. Η ομάδα αυτή περιλαμβάνει κοράλλια και κοχύλια, αλλά και ενώσεις στα οστά, τα δόντια και τις πέτρες στα νεφρά. Άλλα 72 ορυκτά προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τα περιττώματα και τα ούρα πουλιών και νυχτερίδων. Αυτός ο κατάλογος περιλαμβάνει το σπάνιο ορυκτό spheniscidite, το οποίο σχηματίζεται όταν τα ούρα των πιγκουίνων Sphenisciformes, αντιδρούν με ορυκτά αργίλου στο Elephant Island στην Ανταρκτική.  

Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι ο σχηματισμός των ωκεανών, η εκτεταμένη ανάπτυξη του ηπειρωτικού φλοιού και ίσως ακόμη και η έναρξη κάποιας πρώιμης μορφής καταβύθισης (η διαδικασία που οδηγεί την τεκτονική των πλακών σήμερα) πριν από 4 έως 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, σημαίνει ότι πολλές σημαντικές διεργασίες σχηματισμού ορυκτών, οι οποίες αφορούν έως 3.534 ορυκτά είδη, εμφανίστηκαν στα πρώτα 250 εκατομμύρια χρόνια ύπαρξης της Γης. «Αν ισχύει αυτό, τότε τα περισσότερα από τα γεωχημικά και ορυκτολογικά περιβάλλοντα που επικαλούνται τα μοντέλα προέλευσης της ζωής, θα ήταν παρόντα πριν από 4,3 δισεκατομμύρια χρόνια», υποστηρίζουν.

Εάν η ζωή είναι «μια κοσμική επιταγή που αναδύεται σε οποιονδήποτε κόσμο πλούσιο σε ορυκτά και νερό», λένε οι συγγραφείς, «τότε αυτά τα ευρήματα υποστηρίζουν την υπόθεση ότι η ζωή στη Γη εμφανίστηκε γρήγορα, σε συνδυασμό με μια ορυκτολογική ποικιλομορφία, στα πρώτα στάδια της πλανητικής εξέλιξης».

Η εργασία υποδεικνύει επίσης ερευνητικές οδούς για μελλοντικούς ερευνητές. «Τι περιβάλλοντα σχηματισμού ορυκτών υπάρχουν στη Σελήνη, τον Άρη και άλλους γήινους κόσμους; Η απαρίθμηση των τρόπων παραγένεσης και η τοποθέτηση κάθε ορυκτού είδους σε μία ή περισσότερες από αυτές τις κατηγορίες, προσφέρει μια ευκαιρία να αξιολογήσουμε την εξωγήινη ορυκτολογία με μια νέα προοπτική. Εάν ο Άρης είχε (ή έχει ακόμα) έναν υδρολογικό κύκλο, ποιες ορυκτολογικές εκδηλώσεις θα μπορούσαμε να περιμένουμε; Για παράδειγμα, υπάρχουν υδροθερμικά θειούχα κοιτάσματα στον Άρη και, αν ναι, κινητοποιήθηκαν κάποια μέταλλα λόγω της ύπαρξης αυτών των κοιτασμάτων; Από την άλλη πλευρά, αν η Σελήνη είναι πραγματικά ξηρή, τότε ποιες παραγενετικές διεργασίες αποκλείονται; Και τα εξωγήινα σώματα εμφανίζουν παραγενετικές διεργασίες που δεν απαντώνται στη Γη, όπως ο κρυοηφαιστεισμός στον Τιτάνα;».

Σύμφωνα με τις εργασίες της ερευνητικής ομάδας:

• 5.659 «Ορυκτά είδη» ήταν αναγνωρισμένα από τη Διεθνή Ορυκτολογική Εταιρεία (ΙΜΑ) κατά την περίοδο της έρευνας. Αξίζει να αναφερθεί ότι, έκτοτε, ο αριθμός έχει αυξηθεί σε περισσότερα από 5.800 είδη.
• Υπάρχουν 10.556 συνδυασμοί ορυκτών ειδών και τρόπων προέλευσης
• Οι διαφορετικές φυσικές, χημικές ή βιολογικές διεργασίες που δημιούργησαν τα ορυκτά της Γης αγγίζουν τις 57
• Το 40% των ορυκτών ειδών έχουν προκύψει με περισσότερες από μία διεργασίες 
• Το 59% (3.349) των ορυκτών εμφανίζονται από μία μόνο διεργασία (παραγένεση)
• Το 24% (1.372) των ορυκτών προκύπτουν από δύο διεργασίες
• Το 8% (458) των ορυκτών προκύπτουν από τρεις διεργασίες
• Το 8% (480) των ορυκτών προκύπτουν από τέσσερις ή περισσότερες διεργασίες
• 9 ορυκτά δημιουργήθηκαν μέσω 15 ή περισσότερων διεργασιών
• Ο πυρίτης έχει σχηματιστεί μέσω 21 διεργασιών, τις περισσότερες από οποιοδήποτε ορυκτό
• Τα διαμάντια έχουν σχηματιστεί με 9 διαφορετικούς τρόπους, από το διάστημα έως τα βάθη της Γης
• Στο 80% των ορυκτών, το νερό έπαιξε κυρίαρχο ρόλο στη δημιουργία τους
• Σε ~50% των ορυκτών, η βιολογία έπαιξε άμεσο ή έμμεσο ρόλο στη δημιουργία τους
• Περίπου το 1/3 (ήτοι 1.900) των ορυκτών σχηματιζονται αποκλειστικά από βιολογικές διεργασίες
• 41 είναι τα σπάνια στοιχεία (που αποτελούν λιγότερο από 5 μέρη ανά εκατομμύριο του φλοιού της Γης) τα οποία που εμπλέκονται στο σχηματισμό 2.400 (πάνω από 42%) ορυκτών
• 296 ορυκτά θεωρούνται προγενέστερα του σχηματισμού της Γης
• 97 ορυκτά θεωρούνται προερχόμενα αποκλειστικά από μετεωρίτες πριν 7 δισεκατομμύρια έτη, πολύ πριν από το σχηματισμό του ηλιακού μας συστήματος
• Έως 350 ορυκτά δημιουργήθηκαν σε θαλάσσια και χερσαία περιβάλλοντα κοντά στην επιφάνεια όταν το νερό εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Γη, περίπου 4,45 δισεκατομμύρια χρόνια πριν
• 4,4 δισεκατομμύρια χρόνια: Χρονολόγηση του αρχαιότερου γνωστού ορυκτού που δημιουργήθηκε στη Γη και αποτελείται από κρυστάλλους ζιργκόν
• 3.534 ορυκτά θεωρείται ότι σχηματίστηκαν τα πρώτα 250 εκατομμύρια χρόνια της Γης
• 600+ ορυκτά προέρχονται από ανθρώπινες δραστηριότητες, συμπεριλαμβανομένων 500+ που προκαλούνται από εξόρυξη και 234 από φωτιές σε ανθρακωρυχεία
• 77 ορυκτά θεωρούνται βιοορυκτά δηλαδή σχηματίζονται αποκλειστικά από μεταβολικές διεργασίες
• 72 ορυκτά προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τα περιττώματα και τα ούρα πτηνών και νυχτερίδων.

Με πληροφορίες από Phys.org