Mineralenes egen evolusjonshistorie

Vi forbinder ordet evolusjon med biologisk evolusjon. Men livets utvikling har også bidratt til en form for mineralogisk evolusjon.

Dannelsen av mange mineraler og bergarter ble allerede tidlig i Jordas historie influert av både uorganiske og organiske prosesser. Faktisk ville mange av mineralene aldri ha oppstått om ikke livet hadde utviklet seg slik det har gjort. På den annen side hadde heller ikke livet utviklet seg slik det har gjort uten de geologiske prosessene.

Utviklingen av livet og mineralene er en parallell evolusjonshistorie som har vekselvirket gjennom det meste av Jordas historie. Vitenskapsmenn som Robert Hazen (forsker ved Carnegie Institution of Washington’s Geophysical Laboratory) med flere (2008) antar at minst to tredjedeler av verdens mer enn 4800 kjente mineraler så langt er direkte eller indirekte relatert til biologiske prosesser.

Dette perspektivet tilfører mineralogien en ny dimensjon. Mineralsk evolusjon er imidlertid helt klart forskjellig fra den seleksjonsmekanismen som Charles Darwin påpekte er sentral for biologisk evolusjon. Mineraler muterer ikke, de reproduserer eller konkurrerer heller ikke slik som levende organismer. Det er heller ikke naturlig for mineraler å være utdødd, slik det er for alle artene. Til gjengjeld har dannelsen og mangfoldet av mineralene forandret seg drastisk gjennom Jordas 4,567 milliarder år.

Vi kan dele den mineralogiske evolusjonen i tre hovedfaser:

1. urtidens mineralogi, da solsystemet ble dannet (>4,5 milliarder år)
2. skorpe- og manteldiffraksjon, samt platetektonikk (4,5-2.5 milliarder år)
3. biologisk påvirkede mineraldannelser (<2,5 milliarder år ).

Urtidens mineralogi (1)

Alle de kjemiske grunnstoffene var til stede som støv da solsystemet vårt ble dannet, men det ble skapt få mineraler. Bare store masser som solen og planetene skapte muligheten for større variasjon i mineralriket, etter som ekstreme temperaturer og trykk er nødvendige betingelser. Svært mange elementer var også for ”sjeldne” – eller uttynnet – til å danne mineraler når de befant seg i verdensrommets støvskyer.

Vi regner med at solsystemet utviklet seg gjennom “gravitasjonsklumping” av små udifferensierte masser. Fragmenter samlet seg til ”skyer”, som gradvis fortettet seg videre til mer eller mindre faste himmellegemer.

Det er funnet 60-80 forskjellige mineraler i de mest primitive meteorittene. I mindre primitive meteoritter er det til nå påvist 250 forskjellige mineraler.

Store planeter, spesielt de med vulkansk aktivitet og muligheter for fritt vann, kan gi grunnlag for dannelse av et enda større kjemisk-mineralogisk mangfold. En antar for eksempel at Mars og Venus kan ha så mange som 500 forskjellige mineraler i overflatebergartene.

Men det er bare vår egen klode som har en mineralogisk evolusjon som har gått til et høyere stadium når det gjelder mineraldannelser. En viktig forutsetning var trolig dannelsen av en planetkjerne, samt platetektonikken på overflaten, med sine langsomme forandringer av kontinenter og havbunn over tid. Platetektonikken medførte helt nye kjemiske og fysiske miljøer hvor nye mineraler kunne dannes.

Det som likevel i størst grad skulle komme til å fremme det mineralogiske mangfoldet var dannelsen av liv for ca. fire milliarder år siden. Mange mineraler er et resultat av en økning av oksygeninnholdet i havene og atmosfæren. Tidlige stadier av dette har resultert i jern-, mangan-, kopper- og andre malmer, og oksygenet stammer, etter hva vi vet, kun fra fotosyntetiserende bakterier og alger.

Da solsystemet tok form skjedde det gjennom svermer av asteroider hvor ”ur-mineralene”, som for eksempel pyroksen og olivin, ble dannet. I denne første fasen var det høy vulkansk aktivitet både på Jorda og flere andre planeter, og det ble også dannet vann og flytende væsker.

Etter den tidlige størkningen av skorpen oppsto nye mineraler i jordskorpen ved gjentatt oppsmelting, separasjon, krystallisasjon og re-krystallisasjon. Dermed økte antallet mineraler til om lag 250. Blant disse mineralene finner vi olivin, titanitt og zirkon. De andre planetene i solsystemet som er mineraliserte på lignende måte som jordkloden – Merkur, Venus og Mars – har blitt til i denne tilstanden, og mineralene som har blitt funnet i meteoritter indikerer også at universet for øvrig i all hovedsak består av disse 250 mineralene.

Heller ikke på månen foregår det geologiske prosesser som på noe vis ligner dem vi har på Jorda. Månen er på sett og vis et nærmest dødt geologisk objekt.

Det ”kosmiske mineralsamfunnet” som Jorda hadde felles med de øvrige planetene er imidlertid ganske ulikt det vi finner her i dag. Kvarts, feltspat og glimmer, som er svært utbredt på Jorda, er sjeldne i meteoritter og sannsynligvis i solsystemet for øvrig.

Differensiering og platetektonikk (2)

Den videre utviklingen av jordskorpen kjennetegnes av det vi kaller ”differensiering”, med stadig økende variasjon i geologi, kjemi og mineralogi. Markerte temperaturforskjeller mellom overflaten og Jordas indre forsterket separasjonen av grunnstoffer og forbindelser som har ulikt smeltepunkt, eller som får ulike fysiske egenskaper når de varmes opp. På den måten kom det til ytterligere separasjon av forbindelser med ulike fysiske-kjemiske egenskaper, og over tid fikk hvert sted en mer og mer særegen geokjemisk historie.

Differensieringen gjorde at det ytterste laget, litosfæren, fikk en svært annerledes kjemi enn Jordas indre. På overflaten akkumulerte elementer som silisium og aluminium, som fortsatt dominerer de øverste lagene av jordskorpen. De dypere delene ble anriket med tyngre stoffer, særlig jern og nikkel.

Overflaten tok form av et antall platelignende legemer, som var bevegelige, omtrent som store isflak på en innsjø. Disse platene har stadig skiftet størrelse og form, og gjør det fortsatt. Fra tid til annen samlet alle kontinentene seg til et såkalt superkontinent, før platene igjen drev fra hverandre. Dette har skjedd minst 6-8 ganger gjennom Jordas historie, kanskje med et visst rytmisk preg, der superkontinenter har oppstått med en regularitet i intervaller på om lag 500 millioner år (for 2600, 2100, 1700, 1100 650 og 250 millioner år siden).

Platetektonikken er en særdeles viktig faktor i Jordas utvikling siden prosessen medfører dannelsen av fjellkjeder og dyphavsgrøfter.

Platekollisjonene førte til dannelsen av høye fjellkjeder, som så ble eksponert for forsterket forvitring, og som i sin tur førte til lokal akkumulering av sedimenter og kjemiske løsninger i havområdene rundt. Fjellkjedene ble også viktige for regionale klimaforskjeller, noe som i sin tur fremmet regionale forskjeller mellom organismesamfunnene som var under utvikling.

I dyphavsgrøfter ble andre forvitringsprodukter og stoffer oppkonsentrert. Når disse gjennom subduksjon ble trukket ned i jordskorpen, gjerne også sammen med havvann som var anriket med ulike salter, resulterte dette i lokal oppsmelting og vulkanisme som i sin tur førte til lokale forskjeller i magmaets kjemiske og fysiske egenskaper. Disse prosessene førte til videre lokal differensiering, og ledet til en rekke nye mineraler og bergarter.

For organismene som utviklet seg under disse skiftende forholdene, betydde dette at det stadig ble dannet nye potensielle habitater, mens andre gikk til grunne. Denne omskifteligheten har helt frem til i dag vært en motor for biologisk differensiering og dannelse av nye arter og økt biologisk mangfold, både i vann og på land.

Viktige bergarter, blant annet granitt, tok form i den samme perioden. Granitt oppfattes vel av mange som selve ”urbergarten”, og som symbolet på urtid og varighet, men granitt har så langt faktisk ikke vært påvist i universet for øvrig.

Granitt er derfor et ektefødt barn av Jorda og de forholdene som utviklet seg her. Med granitten oppsto også pegmatitter, der vi finner mange av de ”edle” og harde mineralene som turmalin, kvarts, beryll og topas. Andre mineraler som oppsto i den samme perioden var forbindelser mellom metaller og sulfider som pyritt, galenitt og sfaleritt.

Økende biologisk påvirkning (3)

Fossile spor etter bakterier viser at det var liv på Jorda allerede for 3,5 milliarder år siden, kanskje også enda tidligere. Det er uklart hvor og hvordan livet oppsto, men mulige spor etter primitive bakterier er kjent fra de aller eldste bergartene på kloden. Det betyr også at temperaturforholdene på overflaten allerede ganske tidlig har vært mer like dem vi har i dag. Også en del mineraler som oppsto på denne tiden avhenger av ganske lave temperaturer, og peker i samme retning.

For mellom tre og to og en halv milliarder år siden begynte imidlertid livet på Jorda å påvirke den videre utviklingen og differensieringen av mineralriket. Stoffskiftet og metabolismen til kolonier av bakterier på havbunnen forskjøv den geokjemiske balansen i havvannet og i sedimentene. Lokal oppkonsentrering av bestemte forbindelser som oksygen og karbondioksid førte til ytterligere lokal biogeokjemisk differensiering, og nye lokale bergarts- og mineraldannelser. Den bakterielle aktiviteten på havbunnen førte til utfellinger av mangan- og jernoksider, som ga lagdelte sedimenter, som magnetitt, manganitt og pyritt.

Slike sedimenter, blant annet såkalt ”banded iron formations”, utgjør noen av de viktigste forekomstene av jern- og manganmalm, slik man for eksempel har i Australia, eller i de store jernforekomstene i Varanger. Slike svære jernforekomster er altså av indirekte biogen opprinnelse. Også mange andre malmforekomster, assosiert med både gull, kobber, bly, tinn og sink, har sin rot i bakterielle prosesser.

Gjennom disse biogeokjemiske endringene økte antallet mineraler i jordskorpen til anslagsvis 1500 stabile forbindelser.

Også planteriket var under full utvikling, i form av ulike encellete alger: ”For to milliarder år siden var ikke landet dekket av skoger, myrer, enger og kratt. Grunne havområder derimot var dekket av det skimrende blågrønne og fiolette skummet av fotosyntetiserende bakterier, som dekket over lag på lag av gule, brune og mørke sjikt med anaerobe bakterier, uten klorofyll. Bakterielle legemer og nett av sopplignende tråder grodde mellom steinene. I havet fløt og svømte de, i luften drev deres sporer med vinden”, skriver Lynn Margulis, amerikanske biolog, som forsket på prekambrisk liv. Fotosyntesen førte til økende forskyvninger i sammensetningen av gasser i atmosfæren.

Gradvis oppsto den atmosfæren som vi kjenner, med svært lave innhold av karbondioksid, men med høye konsentrasjoner av den svært reaktive gassen oksygen. Deler av dette ble ledet inn i det hydrologiske kretsløp og bundet opp i sedimenter på havbunnen.

Store kolonier av encellede organismer som for eksempel blågrønnalger – såkalte stromatolitter – hadde verdensherredømme på Jorda. Kalkutfellinger og lignende utfellinger med magnesium, barium og strontium førte til dannelse av kalsitt, magnesitt, dolomitt, barytt og strontianitt, eller der svovel var til stede, til sulfatutfellinger med gips, og i den forbindelse oppsto også pyritt, markasitt og andre sulfider. Også ulike salter, blant annet halitt (steinsalt), oppsto i slike sammenhenger i grunne havområder.

Mikroorganismer og planter forårsaker også økt nedbryting av bergarter med påfølgende produksjon av leirmineraler. Utviklingen med skjell og mineraliserte skjeletter genererte også tykke avsetninger av karbonater, noe som vil være umulig på en livløs planet.

I løpet av i alle fall de siste 2,5 milliarder år så har Jordas liv og mineralogi utviklet seg parallelt. En indikasjon på dette er observasjonene av en begrenset variasjon i andre planeters og måners mineralogi. Dette styrker inntrykket av at biologiske faktorer har vært medbestemmende for dannelsen av det store mangfoldet av mineraler vi i dag har på Jorda.

Oksidasjon og hydratasjon la grunnen for en siste bølge av mineralske forbindelser, blant annet forbindelser av metalliske oksider og hydroksider, som jern, bly, kobber og mangan. Videre oppsto nå en lang rekke såkalte ”sekundærmineraler”, som azuritt, malakitt, rodokrositt (Argentinas nasjonalstein) og cerrussitt. Dette er sulfater, karbonater og fosfater som fortsatt dannes i stort omfang der jordskorpen får kontakt med atmosfæren, særlig i fuktig-tropisk klima, hvor CO₂-anriket jordvann kan trenge ned gjennom sprekker og angripe de primære sulfidene som hadde blitt dannet tidligere. Noen av de mest berømte mineralforekomstene på kloden, blant annet Tsumeb i Namibia, Lavrion i Hellas og Bou Azzer i Marokko, har oppstått slik.

Gjennom denne siste dannelsesbølgen, som er nært knyttet til klimatiske forhold og dermed i stor grad bestemt av biologiske prosesser, økte antallet mineraler ytterligere, til dagens antall, som er over 4800.

Sjeldne mineraler − Freaks of nature?

Det har altså foregått en rik differensiering og evolusjon av hele mineralriket, der Jorda har gått fra en relativ homogen situasjon, som opprinnelig var fysisk og kjemisk lik den vi finner i kosmos for øvrig, til en stadig tiltagende differensiering og lokalisering, der hvert sted fikk sine spesifikke geologiske miljøer, med sine særegne mineraldannelser.

Alle de 4800 mineralene er derfor med på å fortelle noe om Jordas utvikling, og dens spesielle og unike miljøer som kanskje ikke eksisterer på andre planeter i vårt solsystem.

Nye mineraler kan være en nøkkel til løsning av enkelte av naturens gåter. "Små" ubetydelige mineraler blir ofte neglisjert av geologer som mener at sjeldne mineraler bare er kuriosa. Selv de mest uanselige mineraler med uvanlig kjemi og struktur gjenspeiler imidlertid forholdene for dannelse av et mineral ved uvanlige fysiske eller kjemiske parametere. Disse mineralene er også en del av mineralenes evolusjon.

I tillegg kan enkelte av disse mineralene ha kjemiske, fysiske og strukturelle egenskaper som kan anvendes innen ny teknologi. Enkelte sjeldne mineraler er definitivt ikke unyttige i det lange perspektivet.

Flere forskere har antydet at vi kan ha så mange som 12-15 000 mineraler her på Jorda (Hazen med flere, 2008), så det er fortsatt fullt mulig å gjøre interessante oppdagelser for de nysgjerrige.

Referanse

Hazen, R.M. Papineau, D. Bleeker, W. Downs, R. Ferry, J.M. McCoy, T.J. Sverjensky, D.A. & Yang, H., 2008. Mineral evolution. American Mineralogist 93, 1693-1720.

Denne saken har også vært publisert på geo365.no