miniatura|La majoria dels minerals a la Terra es van formar després de la fotosíntesi per cianobacteris (a la foto) que van començar a afegir oxigen a l'atmosfera. Levolució mineral és una recent hipòtesi que proporciona un context històric a la mineralogia. Postula que la mineralogia en planetes i llunes es torna cada vegada més complexa com a resultat de canvis en els entorns físic, químic i biològic. En el sistema solar, el nombre d'espècies minerals ha augmentat des d'aproximadament una dotzena fins a gairebé 6.000 com a resultat de tres processos: la separació i concentració d'elements; uns majors rangs de temperatura i de pressió, juntament amb l'acció de volàtils; i l'aparició de noves vies químiques proporcionades pels organismes vius.
A la Terra, va haver-hi tres eres en l'evolució mineral:
Era de l'acreció planetària, amb el naixement del Sol i la formació d'asteroides i planetes, que va augmentar el nombre de minerals fins a aproximadament 250;
Era de la reestructuració de l'escorça i del mantell, la repetició de la reestructuració de l'escorça i del mantell a través de processos com la fusió parcial i la tectònica de plaques, que va augmentar el total fins a aproximadament uns 1.500;
Era de la mineralogia intervinguda biològicament, els canvis químics intervinguts per organismes vius, amb el major increment que es produeix després de la Gran Oxigenació, que van donar com a resultat els minerals restants, més de dos terços del total.
Història Durant la major part de la seva història, la mineralogia no va tenir cap component històric. S'ocupava de classificar els minerals segons les seves propietats químiques i físiques (com la fórmula química i l'estructura cristal·lina) i de fixar les condicions per a l'estabilitat d'un mineral o grup de minerals. No obstant això, va haver-hi excepcions en les publicacions que van examinar la distribució de les edats dels minerals o de les menes. El 1960, Russell Gordon Gastil va trobar alguns cicles en la distribució de les dates minerals. Charles Meyer, en trobar que els minerals d'alguns elements es distribuïen en un lapse de temps més ampli que uns altres, va atribuir aquesta diferència a l'efecte de la tectònica i de la biomassa en la superfície química, particularment de l'oxigen lliure i del carboni. El 1979, A. G. Zhabin va introduir el concepte d'etapes d'evolució mineral en la revista en llengua russa Doklady Akademii Nauk i el 1982, N. P. Yushkin va observar la creixent complexitat dels minerals en el temps prop de la superfície de la Terra. Després, el 2008, Hazen i els seus companys van introduir una visió molt més àmplia i detallada de l'evolució mineral. Això va ser seguit per una sèrie d'investigacions quantitatives de l'evolució de diversos grups minerals. I això va portar el 2015 al concepte d'ecologia mineral, l'estudi de les distribucions de minerals a l'espai i el temps.
A l'abril de 2017, el Museu d'Història Natural de Viena va inaugurar una nova exposició permanent sobre l'evolució dels minerals.
Ús del terme «evolució» En un article de 2008 que va introduir l'expressió «evolució mineral», Robert Hazen i els seus coautors van reconèixer que l'aplicació de la paraula «evolució» als minerals podria ser controvertida, encara que ja hi havia precedents des del llibre de 1928 The Evolution of the Igneous Rocks [L'evolució. de les roques ígnies] de Norman Bowen. Van utilitzar l'expressió en el sentit de designar una seqüència irreversible d'esdeveniments que condueixen a conjunts de minerals cada vegada més complexos i diversos. A diferència de l'evolució biològica, no implica la mutació, la competència o el pas d'informació a la progenie. Hazen et al. van explorar algunes altres analogies, inclosa la idea de l'extinció. Alguns processos de formació de minerals ja no ocorren, com els que produeixen certs minerals en condrites d'enstatita que són inestables a la Terra en el seu estat oxidat. A més, l'efecte hivernacle desbocat a Venus pogués haver portat a pèrdues permanents d'algunes espècies minerals. No obstant això, l'extinció d'aquests minerals no és veritablement irreversible, ja que un mineral perdut podria tornar a emergir si es restableixen les condicions ambientals adequades.
Minerals presolars miniatura|Els grans presolars ("stardust", 'pols d'estels') del meteorit Murchison proporcionen informació sobre els primers minerals
En l'Univers primerenc, no hi havia minerals perquè els únics elements disponibles eren hidrogen, heli i quantitats mínimes de liti. La formació de minerals es va fer possible després que se sintetitzessin en els estels els elements més pesats, com el carboni, l'oxigen, el silici i el nitrogen. En les atmosferes en expansió de les gegantes vermelles i de l'ejecció de les supernoves, es van formar els minerals microscòpics a temperatures superiors als 1.500 °C.
Evidències d'aquests minerals es poden trobar en els grans interestel·lars incorporats en meteorits primitius, anomenats condrites, que són essencialment roques sedimentàries còsmiques. El nombre d'espècies conegudes és d'aproximadament una dotzena, encara que s'han identificat diversos materials més, però que no han estat classificades com a minerals. A causa que el diamant té una alta temperatura de cristal·lització (al voltant de 4.400 °C), probablement va ser el primer mineral que es va formar. Va ser seguit pel grafit, alguns òxids (rútil, corindó, espinel·la, hibonita), carburs (moissanita), nitrurs (osbornita i nitrur de silici) i silicats (forsterita i perovskita (MgSiO₃)). Aquests "ur-minerals" van sembrar els núvols moleculars de les quals es va formar el sistema solar.
Processos Després de la formació del sistema solar, l'evolució mineral va ser impulsada per tres mecanismes principals: la separació i concentració d'elements; uns majors rangs de temperatura i pressió combinats amb l'acció química dels volàtils; i unes noves vies de reacció impulsades pels organismes vius.
Separació i concentració
miniatura|Vistes en tall d'alguns planetes terrestres, mostrant les capes
El nivell més alt en la classificació de minerals es basa en la composició química. No obstant això, els elements que defineixen molts dels grups minerals, com el bor en els borats i el fòsfor en els fosfats, al principi només estaven presents en concentracions de parts per milió o fins i tot menors. Això els va deixar poques o cap oportunitat perquè s'unissin i formessin minerals fins que van ser algunes influències externes la que els van concentrar. Els processos que van poder separar i concentrar-los elements inclouen la diferenciació planetària (per exemple, la separació en capes com el nucli i el mantell); la desgasificació; la cristal·lització fraccionada; i la fusió parcial.
Variables intensives i volàtils miniatura|Cristalls de guix formats quan l'aigua es va evaporar en el llac Lucero, Nou Mèxic
Les combinacions permeses als elements químics per formar minerals estan determinades per la termodinàmica; perquè un element s'agregui a un cristall en una ubicació determinada, ha de reduir l'energia. A molt altes temperatures, molts elements són intercanviables en minerals com l'olivina. Quan el planeta es refreda, els minerals s'exposen a un major rang de variables intensives com la temperatura i la pressió, permetent la formació de noves fases i combinacions més especialitzades d'elements com minerals argilencs i la zeolita. Els nous minerals es formen quan els compostos volàtils, com l'aigua, el diòxid de carboni o l'O₂, hi reaccionen. Alguns entorns, com els casquets de gel, els llacs secs o les roques metamòrfiques exhumades, tenen sèries de minerals distintives.
Influència biològica La vida ha provocat canvis dràstics en el medi ambient. El més dramàtic va ser la Gran Oxigenació, fa uns 2.400 milions d'anys, en el qual els organismes fotosintètics van inundar l'atmosfera amb oxigen. Els organismes vius també catalitzen reaccions, creant minerals com l'aragonita que no estan en equilibri amb el seu entorn.
Cronologia Abans de la formació del sistema solar, hi havia al voltant de 12 minerals. L'estimació del nombre actual de minerals ha canviat ràpidament. El 2008, era de 4.300, però al novembre de 2018 hi havia 5.413 espècies minerals oficialment reconegudes per l'Associació Mineralògica Internacional.
En la seva cronologia per a la Terra, Hazen et al. (2008) van separar els canvis en l'abundància de minerals en tres intervals amplis: l'acreció planetària, de fins a 4,55 Ga (fa mil milions d'anys); la reelaboració de l'escorça terrestre i del mantell, entre 4,55 Ga i 2,5 Ga; i les influències biològiques, després de 2,5 Ga. També van dividir les edats en 10 intervals, alguns dels quals se superposen. A més, algunes de les dates són incertes; per exemple, les estimacions de l'aparició de les plaques tectòniques modernes varien des dels 4,5 Ga a 1,0 Ga.
Eres i etapes de l'evolució mineral de la Terra Era/estadi Edat (Ga, mil milions d'anys) n.º acumulatiu d'espècies Prenebular "Ur-minerals" >4,6 12 Era de l'acreció planetària (>4.55 Ga) 1. El sol s'encén, escalfant la nebulosa >4,56 60 2. Forma planetesimals >4,56–4,55 250 Era de l'escorça i la reestructuració del mantell (4,55–2,5 Ga) 3. Evolució de la roca ígnia 4,55–4,0 350–420El 420 ve de "fases que podrien haver tingut un paper important en els processos geoquímics de l'Hadean"; també hi ha més de 100 minerals rars () 4. Formació de granitoide i pegmatita 4,0–3,5 1.000 5. Tectònica de plaques >3,0 1.500 Era de la mineralogia intervinguda biològicament (2,5 Ga – actualitat) 6. Món biològic anòxic 3,9–2,5 1.500 7. Gran esdeveniment d'oxidació 2,5–1,9 >4.000 8. Oceà intermedi 1,85–0,85 >4.000 9. Esdeveniments mons boles de neu 0,85–0,542 >4.000 10. Era fanerozoica de la biomineralització <0,542 >5.413
Acreció planetària miniatura|Secció transversal d'una condrita que conté condrículs rodons d'olivina i CAIs blancs irregulars miniatura|Mostra d'una pal·lasita amb cristalls d'olivina en una matriu de ferro-níquel
En la primera era, el Sol es va encendre, escalfant el núvol molecular circumdant. Es van produir 60 nous minerals i es van conservar com a inclusions en condrites. L'acreció de pols en asteroides i planetes, bombardeigs, escalfament i reaccions amb aigua va elevar el nombre fins als 250.
Etapa 1: el Sol s'encén Abans de 4,56 Ga, la nebulosa presolar era un dens núvol molecular que consistia en gas d'hidrogen i d'heli amb grans de pols dispersos. Quan el Sol es va encendre i va entrar en la seva fase T-Tauri, va fondre els grans de pols propers.
Algunes de les gotetes foses es van incorporar a les condrites com a petits objectes esfèrics denominats còndrules. Gairebé totes les condrites també contenen inclusions riques en calci-alumini (CAIs, de l'anglès, calcium–aluminium-rich inclusion), els primers materials formats en el sistema solar. A partir de l'examen de les condritas d'aquesta era, es poden identificar 60 nous minerals amb estructures cristal·lines de tots els sistemes cristal·lins. Aquests nous minerals comprenen les primeres aliatges de ferro i níquel, els sulfurs, els fosfurs i diversos silicats i òxids. Entre els més importants es troben els rics en magnesi, olivina, el piroxè i la plagioclasa. Alguns minerals rars, produïts en ambients pobres en oxigen que ja no es troben a la Terra, es poden trobar en les condritas enstatitas.
Etapa 2: forma planetesimal