礦物演化論 |
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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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