为什么大多数矿物如此稀有?

为什么大多数矿物很稀有:地球上常见的元素构成了最早的矿物,而稀有元素需要特殊的地质过程才能富集。

直接答案

大多数矿物之所以稀有,是因为地壳主要由少数几种丰度很高的元素构成,而最早形成的矿物正是由这些丰度高的元素组成的。较稀有的矿物需要不寻常的条件——例如水岩相互作用、极端岩浆或生物风化——才能把稀缺元素富集到它们自己的晶体结构中[1][2]。因此,已知矿物物种中近一半只在四个或更少的地点被发现过[2]。

2篇文献引用

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早期地球只能利用丰富的元素形成矿物

最早的矿物形成于恒星、星云、小行星和原始地球环境中,主要由相对丰富的化学元素构成——氢、碳、氧、镁、铝、硅、硫、钙、钛、铬和铁[1]。可以把它想象成用储备充足的食材做饭:如果少数几种食材占了可用食材的大部分,那么大多数菜肴都会用到这些食材。同样,常见的造岩矿物是由到处都有的元素构成的,这就是它们常见的原因。

因此,稀有性在一定程度上是个数量问题。一种元素如果只占地壳的极小部分,它形成自己矿物的机会就更少,而且这些矿物最终会分散而不是富集。一项关于矿物稀有性的统计分析发现,地壳丰度确实与一种元素倾向于形成的常见矿物数量相关——但值得注意的是,它与稀有物种的数量呈负相关[2]。换句话说,丰富的元素会产生许多常见矿物,而稀缺元素倾向于产生保持稀有的矿物。

稀有矿物需要能富集稀缺元素的过程

稀缺元素通常不会自行聚集在一起。矿物多样性的增加很大程度上是通过流体-岩石相互作用对较稀有元素的逐步选择和富集实现的——例如在热液金属矿床、复杂花岗伟晶岩和碱性花岗岩中[1]。在这些环境中,水或岩浆反复移动并沉积物质,就像筛子一样,把稀释的元素聚集到一个小而富集的区域,使其最终能形成自己的矿物。

这种效应的规模令人震惊:至少有4,583种矿物——约占所有物种的81%——通过水岩相互作用形成,使地球的水循环成为促进矿物多样性最重要的单一因素[1]。另一条证据也指向同一方向。当研究人员按所含元素对稀有矿物进行分组时,他们发现仅靠地壳丰度无法解释一种元素能形成多少种矿物;地球化学亲和性——一种元素与硫或氧结合的强度——以及主量元素在地质过程中分散的方式也很重要[2]。所以稀有性不仅取决于一种元素存在多少,还取决于地质作用能否将其聚集起来。

生命和风化也会产生稀有矿物,但它们并非全部原因

近地表风化和氧化是矿物形成最常见的单一环境,涉及1,998个物种,而生物过程与至少2,707种矿物有关,主要通过氧化风化实现[1]。换句话说,生命是强大的稀有矿物工厂。但同一项调查也警告不要夸大这一点:与早先的估计相反,只有约34%的矿物物种完全因生物过程而形成[1]。许多稀有矿物可以在没有生命的情况下形成,这对于思考一个无生命星球能有多富含矿物很重要。

该调查还发现,3,349种矿物——占59.2%——仅已知于一种共生环境,即一种形成环境,而另外1,372种已知于两种环境[1]。一种与单一、不常见环境相关的矿物自然会在少数地方被发现。这就是稀有性的特征:不是缺乏原子,而是缺乏将它们组装起来的特定条件。

“稀有”到底有多稀有,它会一直如此吗?

按照标准衡量,国际矿物学协会(IMA)批准的矿物中近一半只在四个或更少的地点被报道过,而且它们与常见造岩矿物构成一个连续谱,而不是一个单独的类别[2]。这种连续性很重要:“稀有”是程度问题,同一种元素根据环境不同,既可以产生无处不在的矿物,也可以产生地方性矿物。

关于发现还有一个需要注意的地方。将2000年以来发现的地方性矿物数量与预计真正地方性的数量进行比较,似乎存在差异——一些表面上稀有的物种可能只是采样不足,而非真正稀缺[2]。所以“为什么大多数矿物稀有”的部分答案是地质性的,部分答案可能是我们还没有到处看过。

本文引用的文献

1

论矿物的共生模式:矿物演化视角

矿物多样性始于丰富的元素,较稀有的元素主要通过流体-岩石相互作用富集,然后通过生物介导的氧化和风化富集,其中水岩相互作用与约81%的矿物物种有关。

2

矿物产出稀有性与地方性的分类学

国际矿物学协会批准的矿物中近一半只在四个或更少的地点被报道过,仅靠地壳丰度并不能决定一种元素形成多少种矿物——地球化学亲和性和元素分散也很重要。