Mineralen Evolutie

Het begrip evolutie wordt meestal gebruikt voor de levende natuur. Recent onderzoek heeft aangetoond dat ook de anorganische natuur, onder invloed van leven, met der tijd sterk geëvolueerd is.

Ongeveer 2,4 miljard jaar gelden vond er een dramatische wending plaats in de geschiedenis van de aarde. Er ontstond een periode van waarbij de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer sterk toenam (Great Oxidation Event). Van een methaan rijke atmosfeer ontstond er een zuurstof rijke atmosfeer. Hierdoor werd leven mogelijk zoals we het nu kennen, maar ook de aardkorst zelf en de diversiteit aan mineralen is hierdoor enorm veranderd.

Dit is hele proces was het gevolg van leven. De eerste levensvormen waren bacteriën. Men gaat ervan uit dat deze cyanobacteriën al 3,5 miljard jaar geleden actief waren. Het zuurstof wat zij produceerden verdween niet in de atmosfeer maar werd opgenomen (oxidatie) door het opgeloste ijzer in de oceanen. Dit ging door tot ongeveer 2,4 miljard jaar geleden, tot al het ijzer was geoxideerd en er een geleidelijke toename van zuurstof in de atmosfeer ontstond.

De wetenschap begint zich steeds meer te realiseren dat de verscheidenheid aan mineralen in onze aardkorst het gevolg is van deze oxidatie. Dit had uiteindelijk niet alleen gevolgen voor het leven op aarde maar ook voor de mineralen die in de aardkorst voorkomen. Niet alleen het leven evolueerde dramatisch, maar na nu blijkt, ook de mineralen in onze aardkorst.

Mineralen worden ingedeeld in een aantal groepen of klassen. Dit zijn de elementen, sulfiden, oxiden, haliden, carbonaten, boraten, sulfaten, fosfaten, silicaten en organische verbindingen.



De distributie van mineralen is niet zomaar toevallig. Dit is afhankelijk van de het type afzettingen en de geologische context. De meest boraten vind men bijvoorbeeld daar waar ooit zeeën waren die nu volledig zijn opgedroogd. Alle zouten die ooit in het zeewater voor kwamen werden afgezet in dikke lagen. Hier zitten ook de bekende boraten zoals colemaniet, ulexiet en boraciet tussen maar ook haliden als steenzout.

Veel van deze afzettingen zijn minder van 10 miljoen jaar oud. Dit klinkt oud maar in de geologische geschiedenis van de aarde is dit erg jong als je bedenkt dat de aarde ruim 4,6 miljard jaar oud is. De oudste mineralen zijn zirkoon kristallen van 4,4 miljard jaar oud. Zirkoon kristallen zijn taaie rakkers, ze zijn hard en hebben een hoog smeltpunt en worden nauwelijks aangetast door chemische processen. Het zijn in mineralogische zin echte overlevers. Als alle ander mineralen door geologische processen gerecycled worden blijven de zirkonen intact.

Sommige zirkonen vormen zelfs groeiringen zoals bomen wat bewijst dat ze meerdere keren door de geologische cyclus van formatie, erosie en subductie zijn gegaan. Maar slechts 1 mineraal leert ons niet hoe de mineralen in de aardkorst zijn geëvolueerd in de 4,6 miljard jaar aardgeschiedenis. Hiervoor hebben we nog oudere mineralen nodig. Mineralen die we vinden in meteorieten.

De meest voorkomende type meteoriet is een chondriet, een steen meteoriet. De meeste mensen denken dat nikkel-ijzer meteorieten het meest voorkomen. Deze worden eerder gevonden omdat ze opvallen door hun gewicht en makkelijk op te sporen zijn met detectors. Toch zijn 80 tot 90 procent van alle meteorieten steenmeteorieten.

Chondrieten ontstaan al vroeg bij de geboorte van een zonnestelsel. Ze vormen kleine bolletjes of druppeltjes, net als condenserend water, die later samenklonteren tot kleine astroïden. Als deze, of delen ervan, door de zwaartekracht van de aarde worden gegrepen vallen ze als steenmeteorieten neer. Het zijn de brokken die nooit groot genoeg werden om door de inwendige druk planeten, manen of echt grote astroïden te vormen.

Deze chondrieten bestaan uit stoffen die gevormd zijn in de gaswolk die overbleef na een supernova. Nog voor de vorming van een nieuwe ster, de zogenaamde "presolar nebula". Dus nog voor de vorming van een nieuw zonnestelsel. De verhoudingen van isotopen in deze chondrieten zijn duidelijk anders dan de isotopen die vandaag de dag worden aangetroffen in ons zonnestelsel. Sommigen van deze chondrieten zijn extreem oud en de verschillen in chemie wijzen erop dat de afkomstig zijn van diverse bronnen in ons sterrenstelsel.

Wat kunnen we leren van deze chondrieten? Welke mineralen waren al aanwezig tijdens de aller vroegste fase van onze zonnestelsel? Tot nu toe zijn er 12 oermineralen geïdentificeerd in het ruimtestof.

Dit zijn: Diamant, grafiet, Moissaniet (siliciumcarbide), Khamrabaeviet (Titaniumcarbide), Nieriet (silicium nitride), Korund (aluminium oxide), Spinel (aluminium magnesium oxide), Hiboniet ( calcium aluminium oxide), Titanium oxide, Olivijn (magesium ijzer silicaat), Enstatiet ( magnesium silicaat).

opvallend is dat al deze mineralen vallen in slechts vier van de mineraalgroepen die we vandaag de dag kennen. Bij het begin van een zonnestelsel is er dus sprake van een zeer eenvoudige mineralogie. Er zullen ongetwijfeld meer mineralen gevormd zijn. het valt echter niet mee om deze te ontdekken door het microscopische formaat van de korreltjes en het feit dat de zeer lang tijd zijn bloot gesteld aan kosmische straling en botsingen met andere deeltjes waardoor ook weer andere mineralen kunnen ontstaan, en dus lastig te bepalen is wat er als eerst was.

Maar hoe zijn we dan van 12 naar de 5100 verschillende soorten gegaan die we nu kennen ?

- "oer" mineralen, > 4.600 MJ - 12 mineralen

- Primaire chondriet mineralen - > 4,560 MJ - 60 mineralen

- Eerste stollingsgesteenten - 4,550 tot 4.000 MJ - 350 tot 500 mineralen

- Graniet en pegmatiet formatie - 4.000 tot 3.500 MJ - 1000+ mineralen

- Ontstaan plaat tektoniek - > 3.000 MJ - 1500 mineralen

- Zuurstof arme aarde, 3.900 tot 2.500 MJ - 1500 mineralen

- Grote oxidatie periode (Toename zuurstof in wereldzeeën) - 2.500 tot 1.900 MJ- > 4000 mineralen

- Toename zuurstof in atmosfeer (langzame oxidatie aardoppervlak) - 1,900 tot 900 MJ - > 4000 mineralen

- Einde oxidatie periode, sterke toename zuurstof in atmosfeer - 900 tot 540 MJ - > 4000 mineralen

-Cambrische explosie, Grote toename leven, Biomineralisatie - 540 MJ tot heden - > 5.100 mineralen

Nadat de aarde was gevormd door samenklonteren van al het ruimtestof en groter materiaal als astroïden en zelfs kleine planeten ontstonden door smelten, mengen en kristallisatie nieuwe mineralen. De vraag is echter hoeveel nieuwe mineralen er zijn gevormd na het ontstaan van leven op de planeet. Deze vraag probeert men te beantwoorden in het mineralen evolutie project.

De drijvende kracht achter dit project is dr. Robert Hazen. Hij en andere aardwetenschappers verbonden aan het laboratorium of Geophisycs van het Carnegie Instituut in Washington, USA proberen een theorie van mineralenevolutie te maken net zoals er een theorie voor de evolutie van het leven bestaat. Net als met het leven gaat men ervan uit dat we begonnen met enkele soorten die zich met der tijd ontwikkelden tot een enorme variatie.

Een belangrijk aspect van dit onderzoek is het opzetten van grote databases met informatie over de ouderdom van alle mineralen uit de diverse geologische milieus.

Met de uitvinding van de massaspectroscopie rond 1950 is het mogelijk om de ouderdom van mineralen te bepalen. Sinds die tijd zijn er van talloze mineraalvoorkomens analyses gemaakt met deze techniek maar tot nu toe was er niemand dia la deze data combineerde. De database van mineralen evolutie in Tucson Arizona, doet dat in combinatie met de data van Mindat.org om inzicht te krijgen waar mineralen voor het eerst ontstonden en wat de relatie is van hun ontstaan met andere processen in de vroeg aardgeschiedenis. Op die wijze zijn er inmiddels 650.000 datapunten verzameld.

Tot nu toe heeft het onderzoek uitgewezen dat de meeste mineralen die zuurstof en en water in hun structuur hebben zijn gevormd als gevolg van het grote oxidatie event.

Deze mineralen omvatten ook de kleurrijke secundaire mineralen zoals azuriet, pyromorfiet en wulfeniet die zo geliefd zijn bij verzamelaars.

Dit onderzoek is alles behalve eenvoudig. Bijna de gehele aardkorst is al een keer gerecyceld geweest door plaat tektoniek en de echt oude delen van onze aardkorst (kratons) zijn aangetast door miljarden jaren erosie. Hierdoor is het erg lastig een goed beeld te krijgen van de mineralen die voorkwamen in de oude geschiedenis van de aarde. Dit geld met name voor de secundaire mineralen die uitsluitend aan de oppervlakte (< 1 km diep) voorkomen.

Door het bestuderen van de huidige mineralen kunnen we voorspellingen maken van wat er vroeger ook al voor moest komen. Overal waar bijvoorbeeld het loodmineraal galeniet aan de oppervlakte komt vinden we tegenwoordig de secundaire mineralen, anglesiet, cerussiet en pyromorfiet. Deze mineralen ontstaan altijd wanneer loodafzettingen in contact komen met grondwater. Het is logisch om aan te nemen dat overal waar deze omstandigheden zich voordoen deze mineralen zullen ontstaan. Nu, maar ook een miljard jaar geleden. Je hebt geen miljard jaar oud stuk cerussiet nodig om dit aannemelijk te maken.

Voor de vorming van kleurrijke mineralen zijn er twee factoren van belang. Ten eerste de metalen en ten tweede het zuurstof om de oxidatie in gang te zetten. Nu is het niet zo dat bij een beperkte hoeveelheid zuurstof alle metalen direct beginnen te oxideren.

Net als bij organismen kan de ene met zeer weinig zuur stof leven en hebben andere relatief veel zuurstof nodig. Bij dieren is gebleken dat de hoeveelheid zuurstof overeen komt met de maximale grootte die dieren kunnen hebben. In het geval van mineralen wordt de diversiteit groter naarmate het zuurstof gehalte stijgt. Zo heb je maar weinig zuurstof nodig om ijzer te laten oxideren, maar is er een veel hogere zuurstof concentratie nodig om koper of uranium te laten oxideren. Twee metalen die voor de meest kleurrijke mineralen zorgen.

Deze informatie is erg belangrijk bij het onderzoek naar leven op andere planeten. Het lijkt erop dat de aanwezigheid van een grote diversiteit aan mineralen het gevolg is van leven. De mineralogie van de maan is bijvoorbeeld veel complexer dan die van meteorieten maar vele malen eenvoudiger dan die van de aarde met slechts 100 verschillende mineralen. Mineralogisch onderzoek op Mars laat op dit gebied nog veel vragen open. Zo is er door de marsvoertuigen het mineraal jarosiet ontdekt, een sulfaat dat alleen kan ontstaan in een vochtige omgeving. Het geeft aan dat de mineralogie van Mars vele malen complexer is dan die van de Maan maar nog lang geen uitsluitsel geeft over de aanwezigheid van leven op de rode planeet.

Om deze theorie verder te testen is het noodzakelijk dat we echt oude delen van onze aardkorst vinden. Helaas is dit door de dynamiek van de aarde erg lastig. In de toekomst zullen we wellicht in staat zijn om rotsblokken van de oude aarde terug te vinden op de maan die daar door enorme meteoriet op aarde inslagen terecht zijn gekomen. Net zoals we veel te weten zijn gekomen van meteorieten afkomstig van de Maan en Mars die op de aarde vielen. Nu de Amerikaanse regering heeft bedacht om na 45 jaar weer een expeditie naar de maan te organiseren is deze kans groter dan ooit.

Naast inzicht in de geschiedenis van onze aarde en de zoektocht naar leven in, en buiten ons zonnestelsel, is het ook mogelijk om de gegevens te extrapoleren om in te schatten hoeveel mineralen er theoretisch moeten zijn op basis van de huidige gegevens. Dan blijkt dat we er met 5.100 mineralen al heel veel ontdekt zijn en dat er nog zo'n 1.400 ontdekt moeten worden. De natuur heeft kennelijk nog vele mineralogische verrassingen in petto.

Dit is een bewerkt artikel van mindat.org

In combinatie met het artikel:

mineral evolution, the great oxidation event, and the rise of colorful minerals. Mineralogical record, Vol. 46 Nr. 4 Blz. 805-812.

Beide geïnspireerd op het werk van Dr. Robert M. Hazen.

Meer informatie vindt u op de site van het Carnegie Science Institute:

https://hazen.carnegiescience.edu/research/mineral-evolution