Un estudio de 15 años dirigido por la Institución Carnegie para la Ciencia detalla los orígenes y la diversidad de cada mineral conocido en la Tierra, un trabajo histórico que ayudará a reconstruir la historia de la vida en la Tierra, guiará la búsqueda de nuevos minerales y depósitos de minerales, predecir las posibles características de la vida futura y ayudar en la búsqueda de planetas habitables y vida extraterrestre.
por la Institución Carnegie para la Ciencia
En artículos gemelos publicados hoy por American Mineralogist y patrocinados en parte por la NASA, los científicos de Carnegie Robert Hazen y Shaunna Morrison detallan un enfoque novedoso para agrupar (agrupar) especies afines de minerales o separar nuevas especies en función de cuándo y cómo se originaron.
Una vez que se tiene en cuenta la génesis de los minerales , la cantidad de «tipos de minerales», un término acuñado recientemente, asciende a más de 10 500, un número aproximadamente un 75 % mayor que las aproximadamente 6000 especies de minerales reconocidas por la Asociación Mineralógica Internacional (IMA) sobre la base solo de estructura cristalina y composición química.
«Este trabajo cambia fundamentalmente nuestra visión de la diversidad de minerales en el planeta», dice el Dr. Hazen, científico del personal del Laboratorio de la Tierra y los Planetas, Carnegie Institution for Science, Washington DC.
El 80% de los minerales de la Tierra fueron mediados por agua
«Por ejemplo, más del 80 % de los minerales de la Tierra estaban compuestos por agua, que es, por lo tanto, fundamentalmente importante para la diversidad de minerales en este planeta. Por extensión, esto explica una de las razones clave por las que la Luna, Mercurio e incluso Marte tienen tanta menos especies minerales que la Tierra».
“El trabajo también nos dice algo muy profundo sobre el papel de la biología”, añade. «Un tercio de los minerales de la Tierra no podría haberse formado sin la biología: conchas, huesos y dientes, o microbios, por ejemplo, o el papel indirecto vital de la biología, como la creación de una atmósfera rica en oxígeno que condujo a 2000 minerales que no No me he formado de otra manera».
«Cada espécimen mineral tiene una historia. Cada uno cuenta una historia. Cada uno es una cápsula del tiempo que revela el pasado de la Tierra como nada más puede hacerlo».
El 40% de las especies minerales de la Tierra se formaron en más de una forma
Según el artículo, la naturaleza creó el 40 % de las especies minerales de la Tierra de más de una manera, por ejemplo, tanto de forma abiótica como con la ayuda de las células, y en varios casos usó más de 15 recetas diferentes para producir la misma estructura cristalina y química. composición.
De las 5659 especies de minerales reconocidas encuestadas por Hazen y sus colegas, nueve surgieron a través de 15 o más procesos físicos, químicos y/o biológicos diferentes, desde la formación casi instantánea por rayos o impactos de meteoritos, hasta cambios causados por interacciones agua-roca. o transformaciones a altas presiones y temperaturas que abarcan cientos de millones de años.
Y, como para demostrar que tiene sentido del humor, la naturaleza ha usado 21 formas diferentes durante los últimos 4.500 millones de años para crear pirita (también conocida como Fool’s Gold), el campeón mundial de minerales de diversos orígenes. La pirita se forma a altas y bajas temperaturas, con y sin agua, con la ayuda de microbios y en ambientes hostiles donde la vida no juega ningún papel.
Compuesta de una parte de hierro y dos partes de sulfuro (FeS2), la pirita se deriva y se entrega a través de meteoritos, volcanes, depósitos hidrotermales, por presión entre capas de roca, meteorización de rocas cerca de la superficie, depósitos microbianos precipitados, varios procesos asociados a la minería, incluidos incendios de minas de carbón, y muchos otros medios.
Para llegar a sus conclusiones, Hazen y Morrison crearon una base de datos de todos los procesos conocidos de formación de todos los minerales conocidos. Basándose en grandes bases de datos de minerales de acceso abierto (mindat.org y rruff.ima/info), amplificadas por miles de artículos de investigación primaria sobre la geología de las localidades minerales de todo el mundo, identificaron 10 556 combinaciones diferentes de minerales y modos de formación, detallado en el documento, «Sobre los modos paragenéticos de los minerales: una perspectiva de evolución mineral».
En total, los minerales han llegado a existir en una o más de 57 formas diferentes, según ese artículo y un artículo hermano publicado simultáneamente por la misma revista, «Gumpar y dividir: hacia una clasificación de tipos naturales de minerales», en coautoría de Dres. Hazen y Morrison en colaboración con los mineralogistas Sergey Krivovichev de la Academia Rusa de Ciencias y Robert Downs de la Universidad de Arizona.
El objetivo de sus esfuerzos: «Comprender cómo ha cambiado la diversidad y la distribución de los minerales a lo largo del tiempo y proponer un sistema de clasificación de minerales que refleje los orígenes de los minerales en el contexto de la evolución de los mundos terrestres».
Distinguir minerales en función de cómo y cuándo apareció cada tipo a lo largo de los más de 4500 millones de años de historia de la Tierra
En estudios anteriores durante más de un siglo, miles de mineralogistas de todo el mundo han documentado cuidadosamente casi 6000 «especies minerales» diferentes en función de sus combinaciones únicas de composición química y estructura cristalina. El Dr. Hazen y sus colegas adoptaron un enfoque diferente, enfatizando cómo y cuándo apareció cada tipo de mineral a lo largo de más de 4.500 millones de años de historia de la Tierra.
«Nadie ha emprendido esta enorme tarea antes», dice el Dr. Hazen, honrado por la IMA con su medalla 2021 por sus destacados logros en la química de cristales minerales, particularmente en el campo de la evolución mineral.
«En estos documentos gemelos, estamos presentando nuestro mejor esfuerzo para sentar las bases de un nuevo enfoque para reconocer diferentes tipos de minerales. Damos la bienvenida a las ideas, adiciones y versiones futuras de la comunidad mineralógica».
Los nuevos puntos de vista y conclusiones de los artículos incluyen:
- El agua ha jugado un papel dominante en la diversidad mineral de la Tierra, involucrada en la formación de más del 80% de las especies minerales.
- La vida desempeñó un papel directo o indirecto en la formación de casi la mitad de las especies minerales conocidas, mientras que un tercio de los minerales conocidos (más de 1900 especies) se formaron exclusivamente como consecuencia de actividades biológicas.
- Los elementos raros juegan un papel desproporcionado en la diversidad mineral de la Tierra. Solo 41 elementos, que juntos constituyen menos de 5 partes por millón de la corteza terrestre, son constituyentes esenciales en unos 2400 (más del 42 %) de los minerales de la Tierra. Los 41 elementos incluyen arsénico, cadmio, oro, mercurio, plata, titanio, estaño, uranio y tungsteno.
- Gran parte de la diversidad mineral de la Tierra se estableció en los primeros 250 millones de años del planeta.
- Se cree que unos 296 minerales conocidos son anteriores a la Tierra misma, de los cuales 97 se conocen solo a partir de meteoritos (con la edad de algunos granos minerales individuales estimada en 7 mil millones de años, miles de millones de años antes del origen de nuestro sistema solar)
- Los minerales más antiguos conocidos son cristales de circón diminutos y duraderos, de casi 4.400 millones de años.
- Más de 600 minerales se han derivado de actividades humanas, incluidos más de 500 minerales causados por la minería, 234 de ellos formados por incendios de minas de carbón.
Según la investigación, se sabe que 3.349 (59 %) de las especies minerales aprobadas por IMA se producen en un solo proceso (modo paragenético), 1.372 especies (24 %) en dos procesos, 458 (8 %) en tres procesos y la resto, 480 (8%), de cuatro o más procesos.
Los diamantes, por ejemplo, compuestos de carbono, se han originado en al menos nueve formas, incluida la condensación en las atmósferas que se enfrían de estrellas viejas, durante el impacto de un meteorito y bajo ultra alta presión caliente en las profundidades de la Tierra.
Estos procesos llevaron a distintas variantes de diamantes, por ejemplo, estelar, de impacto, de manto y de ultra alta presión, que los autores designan como diferentes «tipos naturales».
Los autores proponen que, de manera complementaria a la lista de minerales aprobada por IMA, se creen nuevas categorizaciones y agrupaciones en función de la génesis de un mineral (modo paragenético).
Por ejemplo, la ciencia puede agrupar 400 minerales formados por condensación (mediante la cual una sustancia pasa directamente de gas a sólido sin pasar por un estado líquido) en fumarolas volcánicas, aberturas en la superficie de la Tierra que emiten vapor y gases volcánicos.
Los documentos detallan otras consideraciones en la agrupación y clasificación de minerales, como el eón en el que se formaron. Por ejemplo, el «Gran Evento de Oxidación» de la Tierra hace unos 2.300 millones de años provocó la formación de nuevos minerales cerca de la superficie del planeta.
Y hace unos 4.450 millones de años, cuando apareció el agua por primera vez, las primeras interacciones agua-roca pueden haber producido hasta 350 minerales en entornos marinos y terrestres cercanos a la superficie.
También parece que cientos de minerales diferentes pueden haberse formado en la Tierra antes del impacto gigante que vaporizó gran parte de la corteza y el manto de nuestro planeta y condujo a la formación de la Luna hace unos 4.500 millones de años. Si es así, esos minerales fueron borrados, solo para reformarse a medida que la Tierra se enfriaba y solidificaba.
«El marcado contraste entre la gran dotación de minerales de la Tierra y la parsimonia mineralógica relativa de la Luna y Mercurio, así como la modesta diversidad que se encuentra en Marte, se debe a las diferentes influencias del agua», dicen los autores.
Además de las creaciones minerales accidentales en incendios mineros, la humanidad ha fabricado innumerables miles de compuestos similares a minerales que no califican para el reconocimiento de la IMA: materiales de construcción, semiconductores, cristales láser, aleaciones especiales, piedras preciosas sintéticas, desechos plásticos y similares. . Sin embargo, es probable que todos persistan durante millones de años en el registro geológico, proporcionando así un claro horizonte sedimentario que marca la llamada ‘Época del Antropoceno'».
Mientras tanto, hay 77 «biominerales», según el documento, formados por una variedad de procesos metabólicos, desde corales, conchas y ortigas, hasta minerales en huesos, dientes y cálculos renales.
Otros 72 minerales derivan directa o indirectamente del guano y orina de pájaros y murciélagos. Esa lista incluye el raro mineral esfeniscidita, que se forma cuando la orina de los pingüinos (orden Sphenisciformes, de ahí el nombre del mineral) reacciona con minerales arcillosos debajo de una colonia en la Isla Elefante en el Territorio Antártico Británico.
La evolución mineral y los orígenes de la vida.
Los autores señalan que la formación de los océanos, el extenso desarrollo de la corteza continental y tal vez incluso el inicio de alguna forma temprana de subducción (el proceso que impulsa la tectónica de placas en la actualidad) en el Eón Hadeano temprano hace 4.000 a 4.500 millones de años, significaron muchos importantes procesos de formación de minerales, y hasta 3.534 especies de minerales, ocurrieron en los primeros 250 millones de años de la Tierra.
«Si es así, entonces la mayoría de los entornos geoquímicos y mineralógicos invocados en los modelos de los orígenes de la vida habrían estado presentes hace 4.300 millones de años», dicen.
Si la vida es «un imperativo cósmico que emerge en cualquier mundo rico en minerales y agua», dicen los autores, «entonces estos hallazgos respaldan la hipótesis de que la vida en la Tierra surgió rápidamente, en concierto con un Reino Mineral vibrante y diverso, en el etapas más tempranas de la evolución planetaria».
Mineralogía extraterrestre
El trabajo también señala caminos a seguir para futuros investigadores y exploradores:
«¿Qué entornos de formación de minerales ocurren en la Luna, Marte y otros mundos terrestres? Enumerar los modos paragenéticos y colocar cada especie mineral en una o más de esas categorías ofrece la oportunidad de evaluar la mineralogía extraterrestre con una nueva perspectiva. Si Marte hubiera (o todavía tiene) un ciclo hidrológico, ¿qué manifestaciones mineralógicas podríamos esperar? Por ejemplo, ¿existen depósitos de sulfuros hidrotermales marcianos y, de ser así, se movilizaron una variedad de metales? Por otro lado, si la Luna está realmente seca, entonces ¿Qué procesos paragenéticos están excluidos? ¿Y los cuerpos extraterrestres muestran procesos paragenéticos que no se ven en la Tierra, como el criovulcanismo en Titán?
Los artículos gemelos que debutarán el 1 de julio en American Mineralogist son: «Sobre los modos paragenéticos de los minerales: una perspectiva de la evolución de los minerales» y «Aglomeración y división: hacia una clasificación de tipos naturales de minerales».
Por los números
- 5.659: «especies» minerales reconocidas por la Asociación Mineralógica Internacional en el momento de esta investigación. (Ese número ha aumentado desde entonces a más de 5.800 especies)
- 10.556: Combinaciones de especies minerales y medios de origen («clases minerales»)
- 57: diferentes procesos físicos, químicos o biológicos que crearon los minerales de la Tierra
- 40%: Proporción de especies minerales que se originaron en más de una forma
- 3.349 (59%): Minerales que ocurren en un solo proceso (modo paragenético)
- 1.372 (24%): Minerales que se presentan de dos formas
- 458 (8%): Minerales que se presentan de tres formas
- 480 (8%): Minerales que ocurren en cuatro o más formas
- 9: Minerales que surgieron a través de 15 o más formas
- 21: Formas en que se ha formado la pirita (Fool’s Gold): la mayor parte de cualquier mineral
- 9: Formas en que se han formado los diamantes en entornos desde el espacio exterior hasta las profundidades de la Tierra
- 80%: Minerales en los que el agua desempeñó un papel dominante en la creación
- ~50%: Minerales en los que la biología desempeñó un papel directo o indirecto en la creación
- 1.900 (alrededor de 1/3): minerales formados exclusivamente por procesos biológicos
- 41: Elementos raros (que constituyen menos de 5 partes por millón de la corteza terrestre) involucrados en la formación de 2400 (más del 42 %) de los minerales
- 296: Se cree que el mineral es anterior a la Tierra misma
- 97: Minerales conocidos solo de meteoritos
- 7 mil millones de años (antes de nuestro sistema solar por miles de millones de años): la edad de los granos minerales individuales descubiertos en meteoritos
- Hasta 350: Minerales creados en ambientes marinos y terrestres cercanos a la superficie cuando el agua apareció por primera vez en la Tierra hace unos 4450 millones de años
- 4.400 millones de años: Edad del mineral más antiguo conocido creado en la Tierra: cristales de circón
- 3.534: minerales que se cree que se formaron en los primeros 250 millones de años de la Tierra
- Más de 600: minerales derivados de actividades humanas, incluidos más de 500 causados por la minería, 234 por incendios de minas de carbón
- 77: Biominerales (formados por procesos metabólicos)
- 72: Minerales derivados directa o indirectamente del guano y la orina de pájaros y murciélagos
Más información: Robert M. Hazen et al, Sobre los modos paragenéticos de los minerales: una perspectiva de evolución mineral,
Mineralogista estadounidense (2022). DOI: 10.2138/am-2022-8099
Robert M. Hazen et al, Agrupación y división: hacia una clasificación de clases de minerales naturales, Mineralogista estadounidense (2022). DOI: 10.2138/am-2022-8105
