很久以前，宇宙中任何地方都沒有礦物。在宇宙大爆炸之後超高溫的漩渦中，不可能形成任何種類的固體，更不用說存在了。花了五十萬年，第一批原子——氫、氦和少量鋰——才從創世的熔爐中出現。又過了數百萬年，引力將這些原始氣體誘導成第一批星雲，然後將星雲坍縮成第一批熾熱、高密度的恆星。
只有在那時，當一些巨大的恆星爆炸成為第一批超新星時，所有其他化學元素才被合成並噴射到太空。只有在那時，在膨脹、冷卻的氣態恆星包層中，第一批固體礦物碎片才有可能形成。但即便如此，大多數元素及其化合物也太稀少和分散，或太易揮發，以至於只能以零星的原子和分子的形式存在於新生的氣體和塵埃中。由於沒有形成晶體，沒有獨特的化學成分和原子以有序的重複單元排列，這種無序的物質不符合礦物的資格。
金剛石和石墨的微觀晶體，都是元素碳的純淨形式，很可能是最早的礦物。緊隨其後的是十幾種其他堅硬的微晶，包括碳化矽 (莫桑石)、氮化鈦 (奧斯本礦) 以及一些氧化物和矽酸鹽。在數千萬年的時間裡，這些最早的少數物種——“原始礦物”——是宇宙中唯一的晶體。
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相比之下，今天的地球擁有超過 4,400 種已知的礦物物種，還有更多有待發現。是什麼導致了這種顯著的多樣化，從僅僅十幾種到數千種晶體形式？我和七位同事最近提出了一個新的“礦物演化”框架來回答這個問題。礦物演化不同於更為傳統、已有數百年曆史的礦物學方法，後者將礦物視為具有獨特的化學和物理性質的珍貴物體，但奇怪地與時間無關——地質學的關鍵第四維度。相反，我們的方法使用地球的歷史作為理解礦物和創造它們的過程的框架。
我們很快意識到，礦物演化的故事始於岩石行星的出現，因為行星是礦物形成的引擎。我們看到，在過去的 45 億年裡，地球經歷了許多階段，每個階段都出現了新的現象，從而極大地改變和豐富了我們星球表面的礦物學。
這個故事的一些細節是激烈爭論的問題，並且無疑會隨著未來的發現而改變，但礦物演化的總體脈絡是確立的科學。我和我的同事並沒有提出有爭議的新資料或關於地球歷史每個階段發生的激進新理論。相反，我們正在根據礦物演化作為指導概念，重新講述那個歷史的更宏大的故事。
然而，我確實想強調一個有趣的見解：地球上數千種礦物中的大多數都歸功於地球上生命的發展。如果你把所有無生命的世界都看作是生命上演其進化戲劇的舞臺，那就再想想。演員們沿途翻新了他們的劇院。這一觀察結果也對在其他世界尋找生命跡象的探索具有啟示意義。堅固的礦物而不是脆弱的有機遺骸可能提供最可靠和持久的生物學跡象。
地球的形成
行星在被超新星物質播種的恆星星雲中形成。星雲的大部分質量迅速向內坍縮，產生中心恆星，但剩餘物質在恆星周圍形成巨大的旋轉盤。這些剩餘物逐漸凝結成越來越大的碎片：沙粒、卵石和拳頭大小的原始塵埃絨球，其中蘊藏著有限的十幾種原始礦物，以及其他雜項原子和分子。
當新生的恆星點燃並用精煉的火焰沐浴附近的塵埃和氣體 концентрации 時，會發生劇烈的變化。在我們自己的太陽系中，恆星點燃發生在將近 46 億年前。來自幼年太陽的熱脈衝融化並重新混合元素，併產生了代表數十種新礦物的晶體。礦物演化最早階段的晶體新奇事物包括第一批鐵鎳合金、硫化物、磷化物以及大量的氧化物和矽酸鹽。這些礦物中的許多都以“球粒”的形式存在於最原始的隕石中：曾經熔化的岩石的冷卻液滴。（這些古老的球粒隕石也為先於球粒的原始礦物提供了證據。礦物學家以隕石中奈米級和微觀晶粒的形式發現了原始礦物。）
在古老的太陽星雲中，球粒迅速凝結成星子，其中一些星子生長到直徑超過 100 英里——大到足以部分熔化並分化成洋蔥狀的獨特礦物層，包括緻密的富金屬核。擁擠的太陽郊區頻繁的碰撞引入了強烈的衝擊和額外的熱量，進一步改變了最大星子中的礦物。水也發揮了作用；它從一開始就存在，以冰粒的形式存在於太陽前星雲中，在星子中，這些冰粒融化並在裂縫和裂隙中聚集。與由此產生的水的化學反應產生了新的礦物。
大約 250 種不同的礦物物種是這些動態行星形成過程的結果。這 250 種礦物是每個岩石行星都必須形成的原材料，並且所有這些礦物至今仍存在於落到地球上的各種隕石群中。
黑色地球
原始地球變得越來越大。大的星子吞噬了數千個較小的星子，直到在我們的軌道郵政編碼中只剩下兩個主要的競爭對手，即原始地球和一個小得多的火星大小的天體，有時被稱為忒伊亞，以希臘月亮女神的母親命名。在最終難以想象的暴力爆發中，忒伊亞側撞了原始地球，汽化了其外層，並將 1 億萬億噸熾熱的岩石蒸汽噴射到太空，成為月球。這種情況解釋了地月系統的高角動量和月球的許多不尋常的特徵，包括為什麼它的主體成分與地球地幔的成分相匹配（地球地幔是從地球鐵鎳核延伸到地球表面三到三十英里厚的地殼的近 2000 英里厚的層）。
在約 45 億年前的這次月球誕生的碰撞之後，熔融的地球開始了持續至今的冷卻。儘管地球的原始表面包括數十種稀有元素——鈾、鈹、金、砷、鉛和許多其他能夠形成各種礦物的元素，但忒伊亞的撞擊充當了宇宙“重置”。它使地球的外層徹底混合，這些不太常見的元素過於分散，無法形成單獨的晶體。我們的星球是一個荒涼、充滿敵意的世界，不斷受到星雲碎片的轟擊，並且大部分被黑色玄武岩覆蓋，玄武岩是一種即使在現代熔岩凝固時也會形成的岩石。
地球的礦物學多樣性在恰如其分的冥古宙（大約在四十億年前之前）逐漸增加，主要來自岩石地殼的反覆熔化和凝固，以及與早期海洋和大氣層的風化反應。經過無數次迴圈，岩石體積的部分熔化和再凝固，以及岩石和水之間的相互作用（例如選定化合物的溶解），逐漸濃縮了不常見的元素，足以形成新一代的奇異礦物。
並非每個行星都具有如此巨大的礦物形成潛力。微小的、脫水的金星和地球同樣乾燥的月球在發生大量熔化之前就已凍結。因此，我們估計在這些世界上發現的礦物物種不會超過 350 種。火星的水資源適中，由於水合礦物（如粘土和海洋乾涸時形成的蒸發巖礦物），情況可能會稍好一些。我們估計，美國宇航局的探測器最終可能會在紅色星球上識別出多達 500 種不同的礦物。
地球更大、更熱、更溼潤，因此還有一些其他的礦物形成技巧可以發揮。所有岩石行星都經歷了火山活動，玄武岩傾瀉在它們的表面上，但地球（可能還有大小相等的金星）有足夠的內部熱量來重熔一些玄武岩，形成一系列被稱為花崗岩體的火成岩，包括我們熟悉的路緣石和檯面的棕褐色和灰色花崗岩。花崗岩是礦物的粗粒混合物，包括石英（海灘上最普遍的沙粒）、長石（地球地殼中最常見的礦物）和雲母（形成閃亮的片狀礦物層）。所有這些礦物都曾在早期在大型星子中少量產生，但由於地球的花崗岩形成過程，它們首次大量出現在地球的地質記錄中。
在地球上，花崗岩的反覆部分熔化濃縮了稀有的“不相容”元素，這些元素無法在常見礦物中找到舒適的晶體學家園。由此產生的岩石含有 500 多種獨特的礦物，包括富含鋰、鈹、硼、銫、鉭、鈾和十幾種其他稀有元素的巨晶種。這些元素需要時間——一些科學家估計超過十億年——才能達到礦物形成的濃度。地球的行星孿生星金星可能已經足夠活躍了足夠長的時間才能發展到如此程度，但火星和水星都尚未顯示出明顯的花崗岩化表面跡象。
地球透過板塊構造的行星尺度過程獲得了更多的礦物多樣性，板塊構造沿著火山鏈產生新的地殼，而舊地殼在俯衝帶被吞沒，在那裡，一個板塊滑到另一個板塊下方並返回地幔。從地殼俯衝下來的大量潮溼、化學成分多樣的岩石被部分熔化，導致稀有元素進一步富集。在巨大的硫化物礦床中產生了數百種新的礦物，這些礦床如今提供了一些地球上最豐富的金屬礦體。當構造力抬升並暴露深層岩石區域時，地球表面又出現了數百種礦物物種，這些區域蘊藏著在高壓下形成的獨特礦物，例如硬玉（兩種更廣為人知的寶石翡翠之一）。
總而言之，在地球最初的 20 億年中，地球表面或附近發現的約 1,500 種不同的礦物可能是由地球動態的地殼和地幔過程產生的。但礦物學家已經編目了 4,400 多種不同的礦物物種。是什麼使地球的礦物學多樣性增加了三倍？
紅色地球
答案是生命。生物圈將地球與所有其他已知的行星和衛星區分開來，並且它不可逆轉地改變了近地表環境——最明顯的是海洋和大氣，但也包括岩石和礦物。
生命的最早表現形式——以岩石的化學能為“食”的原始單細胞生物——不可能對地球的礦物學多樣性產生太大的影響。可以肯定的是，地質學家發現了生物介導的岩層，其歷史可以追溯到 35 億年前，包括由碳酸鈣形成的珊瑚礁和所謂的條帶狀鐵礦層（其中氧化鐵顯然鎖定了生命產生的第一個氧氣）。但陸地仍然貧瘠，大氣層仍然缺乏氧氣，地表風化緩慢，最早的生命幾乎沒有對改變現有礦物的數量或分佈做出貢獻。
隨著大氣中氧氣的迅速上升，這種情況在地質瞬間發生了變化，這要歸功於新型藻類產生的產氧光合作用的創新。關於這種被稱為大氧化事件的轉變，爭論仍在繼續。特別是，研究人員尚未確定它何時以及以多快的速度開始。但到 22 億年前，大氣中的氧氣已上升到現代水平的 1% 以上——數量雖少，但足以永遠改變地球表面的礦物學。
我和我的同事的化學模型表明，大氧化事件為 2,500 多種新礦物鋪平了道路，其中許多是其他礦物的水合、氧化風化產物。這些晶體物種不太可能在缺氧環境中形成，因此地球的生化過程似乎直接或間接地導致了地球上已知 4,400 種礦物中的大多數。
這些新礦物中的大多數以現有岩石上改變物質的薄塗層和外殼的形式出現。許多稀有礦物物種僅從少數幾個重量不到一克的珍貴晶體中得知。但大氧化事件也產生了全球礦物學後果。最值得注意的是，地球生鏽了——在全球範圍內，以前主導景觀的黑色玄武岩變成了紅色，因為普通玄武岩礦物中的亞鐵 (Fe2+) 氧化成赤鐵礦和其他鏽紅色三價鐵 (Fe3+) 化合物。從太空看，二十億年前的地球可能看起來有點像火星，儘管藍色海洋和白色雲彩提供了引人注目的色彩對比。
火星的紅色也是由氧化引起的，但它的氧氣是由陽光在高層大氣中分解水產生的，氫氣逸散到太空。這個過程產生了足夠的氧氣，使這顆小行星的表面在某種程度上生鏽，但不足以創造地球高度氧化、地質活動更活躍的地球上可能存在的數千種礦物。
白色地球
在大氧化事件發生後的大約十億年中，似乎沒有發生太多與礦物學相關的事情。這個時期被稱為中間海洋，或者更異想天開地稱為無聊的十億年，似乎是一個相對生物學和礦物學停滯的時期。“中間”指的是氧氣水平：靠近地表的海水是含氧的，但深處仍然缺氧。這兩個領域之間的介面逐漸加深，但沒有出現根本性的新生命形式，也沒有出現許多新的礦物物種。
與無聊的十億年形成鮮明對比的是，接下來的幾億年地球表面發生了顯著的變化。大約 8 億年前，地球上大部分大陸都位於赤道附近的一個巨大的叢集中，稱為羅迪尼亞。然後，板塊構造力瓦解了這片巨大的陸地，導致海岸線更長、降雨量更大和岩石侵蝕更快——這些過程從大氣中吸走了吸熱二氧化碳。隨著溫室效應減弱和氣候變冷，極地冰的範圍擴大。
不斷擴大的冰雪覆蓋面積將更多的陽光反射回太空，從而降低了太陽的加熱效應。冰層蔓延得越廣，天氣就變得越冷。在 1000 萬年或更長時間裡，地球是一個巨大的雪球，只有少數活火山從白色表面伸出來。據估計，全球平均氣溫驟降至零下 50 攝氏度。
但地球不可能永遠被冰封。火山持續噴出二氧化碳，並且由於沒有降雨和很少的風化作用來去除這種溫室氣體，其水平緩慢上升到現代水平的數百倍，最終引發了溫室變暖迴圈。隨著赤道冰融化，失控的變暖事件可能只用了幾百年時間就將地球從冰窖變成了溫室。
在接下來的 2 億年裡，地球可能在這些極端之間迴圈了兩次到四次。儘管在這個動盪的時期顯然很少或根本沒有出現新的礦物物種，但地表礦物的分佈隨著每個新的冰川週期發生了劇烈的變化。在溫室階段，貧瘠、侵蝕的岩石景觀中，細粒粘土礦物和其他風化產物的產量急劇增加。在變暖海洋的淺水區，碳酸鹽礦物以巨大的晶體扇形沉澱出來。
雪球/溫室迴圈對生命產生了深遠的影響。冰河時代幾乎關閉了所有生態系統，而變暖時期生物生產力突然增加。特別是，在上一次大冰期結束時，大氣中的氧氣從不超過幾個百分點急劇上升到大約 15%，部分原因是沿海藻類大量繁殖。許多生物學家認為，如此高的氧氣水平是大型動物（及其增加的代謝需求）起源和進化的重要前奏。事實上，最早的已知多細胞生物出現在化石記錄中，就在上次全球大冰期結束後的五百萬年。
地圈和生物圈繼續共同進化，特別是當各種微生物和動物學會生長自己的保護性礦物外殼時。碳酸鹽骨骼的創新導致了巨大的石灰岩礁的沉積，這些石灰岩礁在無數懸崖和峽谷中點綴著世界各地的景觀。這些礦物並不是新的，但它們的普遍性是前所未有的。
綠色地球
在地球幾乎所有的歷史中，陸地都無法居住。來自太陽的紫外線會破壞基本的生物分子並殺死大多數細胞。隨著大氣中氧氣水平的升高，形成了保護性平流層臭氧層，足以遮蔽下方的陸地免受紫外線照射，足以容納陸地生物圈。
陸地生命需要時間才能茁壯成長。藻類墊可能在雪球地球后的沼澤地形中生存，但最大的陸地轉變必須等待苔蘚的出現——大約 4.6 億年前的第一批真正的陸地植物。陸地的廣泛殖民又花了 1000 萬年，隨著維管植物的興起，其根部穿透岩石地面以提供錨固並收集水分。
植物和真菌帶來了快速的岩石生物化學分解模式，將玄武岩、花崗岩和石灰岩等地表岩石的風化速率提高了一個數量級。粘土礦物的丰度和土壤形成的速度大大提高，為更多更大的植物和真菌提供了不斷擴大的棲息地。
到大約 4 億年前的泥盆紀時期，地球表面首次演變成引人注目的現代外觀——綠色的森林茁壯成長，其中居住著越來越多的昆蟲、四足動物和其他生物。由於生命的深刻影響，地球的近地表礦物學也達到了其現代的多樣性和分佈狀態。
礦物演化的未來
將地球礦物學視為動態、不斷變化的故事，為研究指明瞭一些令人興奮的機會。例如，不同的行星達到不同的礦物演化階段。像水星和月球這樣小的、乾燥的世界擁有礦物多樣性低的簡單表面。小的、潮溼的火星情況稍好一些。像地球和金星這樣更大的行星，由於其更多的揮發物和內部熱量儲存，可以在花崗岩體的形成中走得更遠。
但是生命的起源，以及由此產生的生物學和礦物的共同進化，使地球與眾不同。正如我之前指出的，礦物可能與有機遺骸一樣有價值，可以用來識別其他世界上的生命特徵。例如，只有那些有生命的星球才可能被廣泛氧化。
成分不同的世界也可能經歷非常不同的礦物演化。富含硫磺的木星衛星木衛一和富含碳氫化合物的土星寒冷衛星土衛六將具有截然不同的礦物種類。木衛二和土衛二（分別是木星和土星的衛星）也可能是如此，兩者都被認為在其冰冷表面下蘊藏著液態海洋，因此是可能存在外星生命的主要場所。
在進化背景下觀察礦物也闡明瞭整個宇宙中進化系統的更普遍主題。簡單的狀態在許多情況下演變成越來越複雜的狀態：恆星中化學元素的演化、行星中礦物的演化、導致生命起源的分子演化以及熟悉的達爾文自然選擇的生物進化。
因此，我們生活在一個為複雜化做好準備的宇宙中：氫原子形成恆星，恆星形成元素週期表的元素，這些元素形成行星，行星反過來又豐富地形成礦物。礦物催化生物分子的形成，生物分子在地球上導致了生命的產生。在這個宏大的場景中，礦物只是宇宙演化中不可避免的一步，這個宇宙正在學會認識自己。