礦物演化論
「無生命」 是礦物的基本定義之一,但當我們用地球長遠的時間尺度來看各種礦物的形成,竟然發現:大多數礦物的存在必須歸功於生命。
撰文╱赫森(Robert M. Hazen)
翻譯/邱淑慧

重點提要
■就我們所知,46億年前,組成太陽系的物質中,只有12種礦物(結晶的化合物)存在,但現在地球上的礦物超過4400種。
■在整個地質年代中,隨著新礦物的生成,地球上的礦物越來越多樣化。
■地球上的礦物種類中,有一半以上的形成與生命有關,地球上的生命至少在20億年前就開始改變地球表面的地質成份。

曾經有段時間,宇宙中沒有任何礦物,大霹靂後的炙熱漩渦,使固態物質幾乎無法存留,大約過了50萬 年,最早的原子──氫、氦和少許的鋰,從宇宙創生的大熔爐中現身,再經過數百萬年,重力誘使這些初始氣體聚集,形成最早的星雲,然後塌縮成第一代既火熱又 緻密的閃亮恆星。

只有在某些巨大恆星爆發形成超新星時,才能合成其他的化學元素並向太空噴發。恆星的氣體層會向外膨脹 而冷卻,此時固態的初始礦物才得以形成。但即便如此,大部份元素與其化合物仍然太少而且太鬆散,不然就是太容易揮發,因此都只是在氣體與塵埃間的零星原子 和分子。因為不同化合物和原子間,並未以重複有序的方式組織排列,也就是沒有形成結晶,這樣雜亂的物質並不能稱為礦物。

鑽石與石墨都是由碳元素組成的純物質,其微晶體可能是最早形成的礦物。而不久後就有其他10幾種堅硬 的微晶體加入,包括碳矽石(碳化矽)、鈦氧石(氮化鈦)以及某些氧化物和矽酸鹽類。在這之後數千萬年裡,這些最早的「初始礦物」或許是宇宙中僅有的晶體。 相較之下,地球上目前已知的礦物超過4400種,而且還有更多有待發現。從只有10多種結晶型態到數千種,是什麼因素造成如此顯著的多樣化?最近我和七位 同仁發表了一個「礦物演化」的新構想,來回答這個問題。百年來傳統礦物學把各種礦物視為化學與物理性質各異的貴重物品,但奇怪的是,從未與地質學上關鍵的 第四維度,也就是時間,有所關聯。我們改用不同的方法,利用地球歷史做為架構,來了解礦物及其形成過程。

我們很快就知道,礦物演化的故事是開始於岩質行星的形成,因為行星是形成礦物的動力來源。在過去46 億年來,地球經歷了許多階段,各個階段都有新的現象發生,使地球表面的礦物有顯著的改變並更加豐富。

這個故事的某些細節仍有著很大的爭議,而且將來必定也會因為新的發現而修改,但礦物演化的整體構想已 是既定的科學概念。我們並不針對地球歷史各階段所發生的事,發表任何具爭議的新想法或是激進的新理論,而是以礦物的演化做為核心概念來重寫地球的歷史故 事。

然而我想強調一個耐人尋味的想法,就是地球的數千種礦物大多數是有賴於地球上的生命發展而存在。如果 你更進一步把非生命的世界也當做生命演化舞台的一個階段,你會發現這些演員一直不斷翻修著舞台。這個觀點也可延伸到在其他星球尋找生命跡象,比起研究零碎 的殘餘有機物質,研究礦物或許可以提供生物學更強力且持續的線索。

宇宙中的大熔爐

行星源自於星雲內部,而星雲則是來自超新星爆炸。星雲的大部份質量會快速向內塌縮,產生中心的恆星, 而剩餘的物質則形成環繞恆星的巨大旋轉圓盤。這些殘餘物質逐漸聚集為越來越大的團塊,先是泥砂般大小,然後如礫石,逐漸成為拳頭般大小的鬆散圓球,組成物 質主要是初始塵埃,含有10多種有限的初始礦物,並混雜著其他的原子和分子。

一旦初生恆星開始點燃核反應,使周遭密集的塵埃和氣體處於烈焰中,便開始發生劇烈變化。在我們的太陽 系內,唯一的恆星──太陽,約在46億年前點燃核反應,一波波來自初生太陽的熱,使元素熔化並混合,產生結晶,呈現出多種新礦物,在這個礦物演化的最初階 段,最早的結晶是鐵鎳合金、硫化物、磷化物和大量氧化物與矽酸鹽,這些礦物有許多也出現在最原始隕石的球粒中,球粒是熔融的岩漿液滴急速冷卻凝固而 成。(這些古老的球粒隕石也證明球粒形成前就有初始礦物存在。礦物學家發現,在隕石中,初始礦物是以奈米和微觀尺度的顆粒存在。) 在古太陽星雲中,球粒快速聚集成微行星,有些會成長達直徑超過160公里,足以發生部份熔融並且分化,依礦物種類而形成洋蔥狀分層,其中包含一個緻密且富 含金屬的核心。在擁擠的太陽周圍,頻繁的碰撞產生強烈的衝擊以及更多的熱,進一步改變大型微行星內的礦物。水在其中也扮演了一個角色,而且是從一開始就有 的,在太陽系形成前的星雲內是以冰粒的方式存在,而在微行星中則是融化且聚集在裂痕和隙縫中。這些冰粒後來融化成液態水,與其他物質發生化學反應,產生了 新的礦物。

在形成行星的動態過程中,可能依序有250種不同的礦物產生。這250種礦物是每個岩質行星形成時所 需的原料,時至今日,在掉落地球表面的多種隕石中,仍然可以找到這些礦物。

黑色玄武岩覆蓋地球

原始地球越來越大,大的微行星會併吞成千上萬個較小的微行星,直到只剩下兩個足以匹敵的對手留在我們 現在的軌道上,除了原始地球之外,還有一個如火星般大小的較小天體,稱為忒伊亞(Theia),是以希臘神話月神的母親命名。最後一次難以想像的激烈爆發 中,忒伊亞側面撞擊原始地球,使地球外層蒸發並向太空爆發出約100億兆公噸的熾熱岩石蒸氣,形成月球。這個情境解釋了地月系統的高角動量,以及月球的許 多奇異特徵,包括為什麼月球整體的組成類似地球的地函(厚度約2900公里,介於地球的鐵鎳地核與5~50公里厚的地殼之間)。

約45億年前生成月球的那次碰撞後,熔融的地球開始冷卻,至今仍持續著。雖然地球的原始表面含有鈾、 鈹、金、砷、鉛等數十種稀有元素,足以形成多樣不同的礦物,但忒伊亞的撞擊就像宇宙中的復原鍵,讓地球的外層徹底混合,因而使罕見的礦物變得分散而無法個 別形成晶體。我們的地球是荒涼的世界,而且四周充滿敵意,不斷遭到星雲碎屑轟擊,而且地表大多覆蓋著大片黑色玄武岩。玄武岩是岩漿冷卻固化後形成的,現在 仍不斷形成。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第98期4月號】

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