Un meraviglioso esemplare di un biominerale da Alberta, Canada – un’intersezione di minerali e vita. Crediti: Arkenstone/Rob Lavinsky
Uno studio durato 15 anni e condotto dal Carnegie Institution for Science descrive in dettaglio le origini e la diversità di ogni minerale conosciuto sulla Terra, in un importante corpus di articoli che aiuterà a ricostruire la storia della vita sulla Terra, guiderà la ricerca di nuovi minerali e giacimenti, predirà le possibili caratteristiche della vita futura e aiuterà la ricerca di pianeti abitabili e vita extraterrestre.
Nei due articoli gemelli pubblicati da American Mineralogist, Robert Hazen e Shaunna Morrison descrivono un nuovo approccio per raggruppare specie affini di minerali o separare nuove specie, in base a come e quando hanno avuto origine. Una volta presa in considerazione la genesi del minerale, il numero di “tipi di minerali” – un termine di nuova concezione – ammonta a più di 10.500, circa il 75 per cento superiore alle circa 6mila specie riconosciute dall’International Mineralogical Association (Ima) sulla base della struttura cristallina e della sola composizione chimica.
«Questo lavoro cambia radicalmente la nostra visione della diversità dei minerali sul pianeta», afferma Hazen. «Ad esempio, oltre l’80 per cento dei minerali della Terra è stato mediato dall’acqua che è, quindi, di fondamentale importanza per la diversità minerale su questo pianeta. Per estensione, questo spiega una delle ragioni principali per cui la Luna, Mercurio e persino Marte hanno molte meno specie minerali della Terra».
«Il lavoro ci dice anche qualcosa di molto profondo sul ruolo della biologia», aggiunge. «Un terzo dei minerali della Terra non si sarebbe formato senza la biologia: gusci, ossa e denti, o microbi, per esempio, o il ruolo indiretto vitale della biologia, ad esempio creando un’atmosfera ricca di ossigeno che ha portato a 2mila minerali che non si sarebbero formati diversamente. Ogni esemplare di minerale ha una storia. Ognuno racconta una storia. Ciascuno è una capsula del tempo che rivela il passato della Terra come nient’altro».
Secondo gli autori, la natura ha creato il 40 per cento delle specie minerali della Terra in più di un modo, ad esempio sia abioticamente che con l’aiuto di cellule, e in diversi casi ha utilizzato più di 15 diverse ricette per produrre la stessa struttura cristallina e composizione chimica.
Delle 5.659 specie minerali riconosciute esaminate da Hazen e colleghi, nove sono nate attraverso 15 o più diversi processi fisici, chimici e/o biologici, dalla formazione quasi istantanea di fulmini o meteoriti, ai cambiamenti causati dalle interazioni acqua-roccia o trasformazioni ad alte pressioni e temperature nell’arco di centinaia di milioni di anni.
Come per dimostrare che ha un certo senso dell’umorismo, la Natura ha usato 21 modi diversi negli ultimi 4,5 miliardi di anni per creare la pirite (detta Fool’s Gold, l’oro degli stolti), la campionessa mondiale dei minerali con diverse origini. La pirite si forma ad alta e bassa temperatura, con e senza acqua, con l’aiuto di microbi e in ambienti ostili dove la vita non ha alcun ruolo. Composta da una parte di ferro e due parti di solfuro di ferro, la pirite può derivare da meteoriti, vulcani, depositi idrotermali, si forma per pressione tra strati di roccia, alterazione delle rocce vicino alla superficie, depositi microbici, diversi processi associati all’estrazione, tra cui incendi nelle miniere di carbone e molti altri mezzi.
Per giungere alle loro conclusioni, Hazen e Morrison hanno costruito un database di ogni processo noto di formazione di ogni minerale conosciuto. Basandosi su database open access di grandi dimensioni (mindat.org e rruff.ima/info), e su migliaia di articoli di ricerca sulla geologia delle località minerarie in tutto il mondo, hanno identificato 10.556 diverse combinazioni di minerali e modalità di formazione.
Il berillo, il minerale più comune contenente l’elemento berillio, è disponibile in molti bei colori come smeraldo, il suo nome comune. L’approccio innovativo alla classificazione include il raggruppamento di diverse specie con la struttura del berillo in un unico “tipo minerale radice” mentre si separano diversi singoli “generi naturali” in base ai loro ambienti formativi unici, che creano distinti “tipi” rossi, rosa, blu e verdi. Crediti: Arkenstone/Rob Lavinsky
Secondo i due articoli pubblicati contemporaneamente dalla stessa rivista, in tutto i minerali sono nati in uno o più di 57 modi diversi. L’obiettivo dei loro sforzi è stato capire come la diversità e la distribuzione dei minerali sono cambiate nel tempo e proporre un sistema di classificazione dei minerali che rifletta le origini minerali nel contesto dei mondi terrestri in evoluzione.
In studi precedenti di oltre un secolo, migliaia di mineralogisti in tutto il mondo hanno accuratamente documentato quasi 6mila diverse “specie minerali” in base alle loro combinazioni uniche di composizione chimica e struttura cristallina. Hazen e colleghi hanno adottato un approccio diverso, sottolineando come e quando ogni tipo di minerale è apparso in oltre 4,5 miliardi di anni di storia della Terra. «Nessuno ha mai intrapreso prima questo compito enorme», afferma Hazen. «In questi articoli gemelli stiamo facendo del nostro meglio per gettare le basi per un nuovo approccio al riconoscimento di diversi tipi di minerali. Accogliamo con favore le intuizioni, le aggiunte e le versioni future della comunità mineralogica».
Per punti, ecco i risultati fondamentali esposti nei due articoli:
- l’acqua ha svolto un ruolo dominante nella diversità minerale della Terra, coinvolta nella formazione di oltre l’80 per cento delle specie minerali. La vita ha svolto un ruolo diretto o indiretto nella formazione di quasi la metà delle specie minerali conosciute, mentre un terzo dei minerali conosciuti – più di 1.900 specie – si è formato esclusivamente come conseguenza di attività biologiche;
- solo 41 elementi – che insieme costituiscono meno di 5 parti per milione di crosta terrestre – sono costituenti essenziali in circa 2.400 (oltre il 42 per cento) dei minerali della Terra. I 41 elementi includono arsenico, cadmio, oro, mercurio, argento, titanio, stagno, uranio e tungsteno;
- gran parte della diversità minerale presente sulla Terra è stata stabilita nei primi 250 milioni di anni del pianeta;
- circa 296 minerali conosciuti sono anteriori alla Terra stessa, di cui 97 sono conosciuti solo dalle meteoriti (con l’età di alcuni singoli grani minerali stimata in 7 miliardi di anni, prima dell’origine del Sistema solare);
- i minerali più antichi conosciuti sono minuscoli cristalli di zircone durevoli, risalenti a quasi 4,4 miliardi di anni.
- più di 600 minerali sono derivati dalle attività umane, inclusi oltre 500 minerali causati dall’attività mineraria, 234 dei quali formati da incendi di miniere di carbone.
Secondo la ricerca, è noto che 3.349 (il 59 per cento) delle specie minerali approvate dall’Ima derivano da un solo processo (modalità paragenetica), 1.372 specie (24 per cento) da due processi, 458 (8 per cento) da tre processi e il resto – 480 (8 per cento) – da quattro o più processi.
I diamanti, ad esempio, composti di carbonio, si sono originati in almeno nove modi, inclusa la condensazione nelle atmosfere di raffreddamento delle vecchie stelle, durante l’impatto di un meteorite, e in condizioni di pressione molto alta nelle profondità della Terra. Questi processi hanno portato a diverse varietà di diamante: stellare, da impatto, dal mantello e ad altissima pressione, che gli autori designano come diversi “tipi naturali”.
Gli autori propongono che, a complemento dell’elenco dei minerali approvati dall’Ima, vengano create nuove categorie e raggruppamenti sulla base della genesi di un minerale (modalità paragenetica). Ad esempio, la scienza può raggruppare 400 minerali formati dal passaggio diretto da gas a solido in corrispondenza di fumarole vulcaniche, aperture sulla superficie terrestre che emettono vapore e gas vulcanici.
Gli articoli descrivono in dettaglio altre considerazioni sul raggruppamento e la classificazione dei minerali, come l’eone in cui si sono formati. Ad esempio, il Grande evento di ossidazione della Terra, avvenuto circa 2,3 miliardi di anni fa, ha portato alla formazione di nuovi minerali. E circa 4,45 miliardi di anni fa, quando l’acqua apparve per la prima volta, le prime interazioni acqua-roccia potrebbero aver prodotto fino a 350 minerali in ambienti marini e terrestri vicino alla superficie.
Sembra inoltre che centinaia di minerali diversi possano essersi formati sulla Terra prima del gigantesco impatto che ha vaporizzato gran parte della crosta e del mantello del nostro pianeta e ha portato alla formazione della Luna circa 4,5 miliardi di anni fa. Se è così, quei minerali sono stati cancellati, per poi riformarsi quando la Terra si è raffreddata e solidificata.
Oltre alle creazioni minerali accidentali in incendi minerari, l’umanità ha prodotto innumerevoli migliaia di composti minerali che non si qualificano per il riconoscimento da parte dell’Ima: materiali da costruzione, semiconduttori, cristalli laser, leghe speciali, pietre preziose sintetiche, detriti di plastica e simili. Tutti, tuttavia, è probabile che persistano per milioni di anni nella documentazione geologica, fornendo così un chiaro orizzonte sedimentario che segna la cosiddetta Epoca Antropocene.
Nel frattempo, secondo gli autori, ci sono 77 biominerali formati da una varietà di processi metabolici: dai coralli, conchiglie e ortiche, ai minerali nelle ossa, nei denti e nei calcoli renali. Altri 72 minerali derivano direttamente o indirettamente dal guano e dalle urine di uccelli e pipistrelli. Tale elenco include il raro minerale sfeniscidite, che si forma quando l’urina dei pinguini (ordine Sphenisciformes, da cui il nome del minerale) reagisce con minerali argillosi sulla Elephant Island, nel territorio antartico britannico.
Negli ultimi 4,5 miliardi di anni, la natura ha utilizzato 21 modi diversi per creare la pirite. La pirite si forma ad alta e bassa temperatura, con e senza acqua, con l’aiuto di microbi e in ambienti ostili, dove la vita non ha alcun ruolo. Crediti: Arkenstone/Rob Lavinsky
Gli autori notano che la formazione degli oceani, l’esteso sviluppo della crosta continentale e forse anche l’inizio di qualche prima forma di subduzione nel primo Eone dell’Ade da 4,0 a 4,5 miliardi di anni fa, comporta molti importanti processi di formazione dei minerali – e fino a 3.534 specie minerali – verificatisi nei primi 250 milioni di anni della Terra. «Se è così, la maggior parte degli ambienti geochimici e mineralogici invocati nei modelli delle origini della vita sarebbero stati presenti 4,3 miliardi di anni fa”, affermano.
Se la vita è «un imperativo cosmico che emerge in qualsiasi mondo ricco di minerali e acqua», affermano gli autori, «questi risultati supportano l’ipotesi che la vita sulla Terra sia emersa rapidamente, di concerto con un regno minerale vibrante e diversificato, nelle prime fasi dell’evoluzione planetaria».
Il lavoro indica anche la via da seguire per futuri ricercatori ed esploratori: «Quali ambienti di formazione dei minerali si verificano sulla Luna, su Marte e su altri mondi terrestri? L’enumerazione delle modalità paragenetiche e l’inserimento di ciascuna specie minerale in una o più di queste categorie offre l’opportunità di valutare la mineralogia extraterrestre con una nuova prospettiva. Se Marte avesse avuto (o ha ancora) un ciclo idrologico, quali manifestazioni mineralogiche possiamo aspettarci? Ad esempio, ci sono depositi di solfuro idrotermale marziano e, se sì, sono stati mobilitati vari metalli? D’altra parte, se la Luna è veramente secca, allora quali processi paragenetici sono esclusi? E i corpi extraterrestri mostrano processi paragenetici non visti sulla Terra, come il crio-vulcanismo su Titano?».
Per saperne di più:
- Leggi su American Mineralogist l’articolo “On the paragenetic modes of minerals: A mineral evolution perspective” di Robert M. Hazen and Shaunna M. Morrison
- Leggi su American Mineralogist l’articolo “Lumping and splitting: Toward a classification of mineral natural kinds” di Robert M. Hazen, Shaunna M. Morrison, Sergey V. Krivovichev, and Robert T. Downs