Črna, rdeča, bela in zdaj zelena Zemlja

Prof. dr. Robert Miller Hazen, rojen leta 1948, ima vsaj dva dobra razloga za obisk Dunaja, svetovne prestolnice klasične glasbe. Je trobentač, ki igra na ravni poklicnega glasbenika, saj je nastopal z več slavnimi orkestri na različnih prizoriščih, od Metropolitanske opere do Bolšoj teatra. Predvsem pa je mednarodno znan mineralog in astrobiolog. Lani je prejel Roeblingovo medaljo, najpomembnejšo ameriško nagrado za mineralogijo.

Srečali smo ga pred kratkim v dunajskem prirodoslovnem muzeju. V prvi dvorani muzeja so pripravili novo trajno razstavo Evolucija mineralov . Prav prof. Hazen je avtor teorije o evoluciji mineralov, zato se je udeležil odprtja razstave.

Pred dobrimi desetimi leti je Hazena njegov kolega, zdaj že pokojni biofizik Harold J. Morowitz, ki je bil takrat prav tako profesor na univerzi Georgea Masona v Virginiji, vprašal: »Ali so v arhaiku obstajali glinasti minerali?«

Hazen je pomislil, da bi odgovor na to vprašanje, o katerem mineralogi dotlej niso razmišljali, pomembno vplival na znanstvene modele, ki opisujejo nastanek življenja. Ugotovil je, da se je mineraloška zgradba Zemlje med 4,5 milijarde leti precej spreminjala, sprememb pa še nismo podrobno raziskali. Leta 2008 je skupaj s sodelavci iz ZDA in Kanade objavil članek o evoluciji mineralov v reviji American Mineralogist . »Tako smo pravzaprav določili nov okvir mineralogije v zgodovinskem kontekstu,« pravi.

Diamant – najstarejši mineral

Ko je nastalo naše osončje, je obstajalo zelo malo mineralov. Na Zemlji so jih do zdaj odkrili več kot pet tisoč. Minerali so se nenehno prilagajali spreminjajočim se razmeram na planetu. Geološki procesi ter nastanek in razvoj življenja na Zemlji so omogočili nastanek zelo raznovrstnih mineralov. Tu so na prvem mestu živa bitja, zaradi katerih je nastala več kot polovica znanih mineralov.

Eden od njih je hazenit, poimenovan prav po Hazenu. Leta 2007 ga je odkril, opisal in poimenoval mineralog Hexiong Yang z univerze v Arizoni. Do zdaj so hazenit našli samo v kalifornijskem jezeru Mono, kjer ga ustvarjajo tamkajšnji mikroorganizmi. Našli so ga v posušenih ali razpadlih algah na podlagi iz poroznega kalcijevega karbonata, kalcita in aragonita. Hazen nam je v šali dejal, da je »dobil mineral, kakršnega si zasluži, nastal je namreč iz bioloških odpadkov«.

Zaradi obstoja življenja na našem planetu ima Zemlja precej več raznovrstnih mineralov kot katerikoli drug planet ali satelit v osončju. Po nekaterih ocenah je na Luni približno tristo mineralov, na Marsu pa kakšnih 420, vendar še vedno ni dokazov o vseh, za katere domnevamo, da tam obstajajo.

Ducat pramineralov

Minerali so začeli nastajati po velikem poku pred 13,8 milijarde leti. Takrat sta se najprej pojavila elementa vodik in helij. Zaradi jedrske fuzije v zvezdah in procesov med zvezdnimi eksplozijami so nastali drugi kemijski elementi. Plinski oblaki, ki so se tvorili med eksplozijami zvezd, so se hitro širili in prenašali kemijske elemente po vesolju. Ko se je plin ohladil, so nastali prvi minerali, sprva v zrncih. Najprej je bilo 12 pramineralov in vsi imajo zelo visoko tališče. Prvi vesoljski mineral je bil diamant.

Zgodnje osončje je pred 4,56 do 4,55 milijarde leti nastalo iz oblaka plinov in prahu. Velik del materije se je nakopičil v protosoncu, predhodniku Sonca, ki je bilo zavito v sončevo meglico. Z zgoščevanjem meglice je nastalo še približno 60 mineralov. Najprej so sestavljali majhne agregate in se med seboj združevali v večje kose materije. Tako so nazadnje nastali asteroidi in planeti.

Takrat je nastalo približno dvesto novih mineralov. Dokazi o njih so meteoriti, delci, ki padajo na Zemljo z asteroidov, ki se večinoma pomikajo med Marsom in Jupitrom. Meteoriti so sestavljeni iz mineralov zgodnjega osončja.

Od črnih do zelenih

Na Zemlji se razvoj ni ustavil. »Najprej je bila črna,« pravi Hazen, »saj je pred 4,55 do 3,88 milijarde leti iz ohlajene magme nastajal bazalt.« V mlado Zemljo so nenehno udarjala manjša in večja nebesna telesa. Med takšnim bombardiranjem se je sproščala velikanska energija, zaradi katere se je temperatura zviševala in materija talila. Nato je med ohlajanjem nastala zunanja trdna Zemljina skorja. Takrat so nastali najstarejši zemeljski minerali.

Najstarejši mineral na našem planetu je cirkon, star 4,4 milijarde let. Kristale cirkona so našli v mlajših kamninah, zato še vedno ne vemo, v kakšni kamnini je prvotno nastal. Dokazano najstarejša kamnina na Zemlji je gnajs Acasta, ki so ga našli ob istoimenski reki v Kanadi. Star je štiri milijarde let.

Na mladi Zemlji pred 4,5 do 4 milijarde leti so bili vulkani zelo dejavni. Iz bruhajoče lave je nastalo še tristo do petsto novih mineralov. Tudi Zemljina skorja se je zaradi toplote plašča pogosto topila in spet strjevala, zato so tudi tako nastajali številni novi minerali. Nekaj jih je, denimo, v granitih. Z ohlajanjem ogrete kamnine se nekatere njene sestavine hitro vgrajujejo v kristale, druge se nalagajo v ostankih staljenega materiala. Če se temperature dodatno znižajo, nastajajo pegmatiti, ki vsebujejo minerale z redkimi elementi.

Zemljino skorjo sestavljajo tektonske plošče, ki se premikajo druga proti drugi vse od obdobja pred približno 3,8 milijarde leti. Tektonika plošč prav tako močno vpliva na nastanek mineralov. Tako jih je nastalo še približno petsto. Na območjih subdukcije, kjer se ena litosferska plošča pomika pod drugo, se pojavljajo zelo visoki pritiski in temperature, zato se preobražajo tudi kamnine, preoblikujejo se minerali in nastajajo popolnoma novi. Ob kamninah pogosto krožijo vodne raztopine, ki vsebujejo minerale. Ko pade pritisk in se zniža temperatura teh raztopin, rudnine kristalizirajo. Tako so nastali hidrotermalni minerali.

Po »črni« je Zemlja postala rdeča zaradi rje, železovih oksidov. To je bilo pred 3,8 do milijardo leti. Življenje na Zemlji je nastalo na začetku tega obdobja, vendar dolgo ni bistveno vplivalo na nastanek mineralov. Ozračje je bilo pretežno brez kisika vse do pred 2,5 milijarde leti. To dokazujejo nekateri materiali, denimo pirit, oblika železovega sulfida. Pri stiku kamnin, ki vsebujejo karbonate, z vrelo magmo je nastala nova vrsta kamnin s silikatnimi minerali, ki so bogati s kalcijem.

Pomemben vpliv živih bitij

Živa bitja so začela močno vplivati na nastanek mineralov pred približno 3,5 milijarde leti. V plitvih morjih se je zaradi metabolizma bakterij in alg začel nalagati apnenec. Nastali so stromatoliti, karbonati s številnimi sloji. Hkrati so živa bitja v morju začela s fotosintezo ustvarjati kisik. Toda šele pred 2,5 milijarde leti se je nabralo dovolj kisika, da je začel bogatiti ozračje Zemlje.

Najprej ga je bilo samo za majhen delček sedanje količine, vendar je bilo to dovolj, da je planet začel »rjaveti«. Pred tem prevladujoče črne vulkanske kamnine so prepustile prevlado rdečim, saj so zaradi oksidacije železa nastajali različni novi rdeči minerali. Zaradi povečevanja količine kisika na Zemlji se je močno povečalo tudi število mineralov, in sicer s 1500 na štiri tisoč.

V naslednjem velikem obdobju, pred milijardo do 540 milijoni let, je bila Zemlja bela. Ekstremne spremembe podnebja s ponavljajočim se menjavanjem hladnih in toplih obdobij so precej spremenile planet. Zaradi vlažnejšega in hladnejšega podnebja so nastali ledeniki. Njihove bele površine niso vsrkavale toplote Sonca, ampak so odbijale sončne žarke. Zemlja se je tako ohlajala, dokler ni bila prekrita z enim samim mineralom – ledom. Pri tem so se usedale ledeniške usedline, denimo diamiktiti.

Pol tisočletja zelene Zemlje

Zemlja kljub temu ni ostala bela žoga. Pred 600 milijoni let se je hladno obdobje končalo. Vulkani so prenesli ogljikov dioksid v ozračje, zato se je po več milijonih let pojavil učinek tople grede: ledeniki so se stopili, v plitvih morjih so se naložili debeli sloji karbonatov. Pred 540 milijoni let je Zemlja postala zelena zaradi rastlinskega sveta. Življenje se je začelo zelo hitro razvijati.

Prve tri milijarde let so Zemljo naseljevali predvsem enocelični organizmi, šele nato so se razvili večcelični. Pred 540 milijoni let se je pojavila novost – trdni deli živih bitij. Oklepi, luske in zobje so nastali iz mineralov. Spiralne hišice amonitov, glavonožcev s škrgami, so bile iz aragonita. Hidroksiapatit je glavna sestavina zob in kosti vretenčarjev.

Toplo in vlažno podnebje z veliko kisika je povzročilo močnejšo erozijo kamnin. Tako so z oksidacijo nastali številni novi minerali, pogosto z zapleteno strukturo in bogatih barv. Hazen nam je nazadnje povedal, da se evolucija mineralov nadaljuje tudi zaradi sprememb, ki jih je na Zemlji povzročil človek. Med drugim velike količine smeti in drugega odpada, ki ga odlagamo, postajajo zibelka novih mineralov.