自然界中的碳氧（还有多少种碳矿物待发现）

茶楼女子 2023-02-21 12:41:16

◎ 董汉文

地球上到底有多少种矿物？没有人能给出答案，不过可以确定的是，目前在国际矿物学协会 (IMA, International Mineralogical Association) 汇编的矿物高达5865种。

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▲国际矿物学协会(IMA, International Mineralogical Association)官方网站（https://rruff.info/ima/）

如此庞大的矿物信息里蕴藏着什么秘密呢？矿物学家通过系统分析，发现地球上的矿物具有偏斜分布特点（偏斜分布是生态系统中一种常见的分布模式）。具体来说，就是几十种矿物出产于几千个不同的地点，而其中大多数矿物都极为罕见。据统计，5种常见的长石矿物群构成了地壳体积的60%，而其它几十种常见矿物构成了剩余的体积。相比之下，在全世界范围内，有超过1200种矿物产自同一个地区，有600多种矿物种来自两个产区，还有近400种矿物种产自三个产区。更让人吃惊的是，根据Mindat.org网站（是目前世界上覆盖范围最广的矿物产地数据资源网站）对矿产位置的全面检索显示，所有记录在案的矿物中，有一半以上都来自五个产地。由此可见，大多数矿物种类其实都非常稀有。

这种同时具备少量常见元素和大量稀有元素的模式被称为“大量稀有事件”（或简称LNRE）分布。2015年，亚利桑那大学的应用数学讲师盖责•希斯塔德（Grethe Hystad）将成熟的数学形式应用到一个新的自然系统：地球上矿物的分布，证明了地球上矿物的自然分布与两种熟知的LNRE分布类型，“有限 Zipf-曼德尔布罗特”（f ZM ) 和“广义逆高斯泊松”(GIGP) 分布函数，几乎完全吻合，即LNRE分布适用于各种矿物，特别是那些含有特定化学元素的矿物，例如硼、钴、铜和铬。通过对碳的深入研究进一步揭示了含有碳氧、碳氢和碳钙化合物的较小矿物群的 LNRE 分布。

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▲LNRE矿物分布模型图

LNRE矿物分布模型有意思的点在于，它提出了一个经验法则，这个法则与我们从矿物大数据库中得出的，大多数矿物是稀有的这个结论几乎一致。从这种方法中获得的信息还远不止这些。数学模型的宝贵之处不仅仅在于它们将我们已知的知识系统化，而且这些数学关系也常常脱离对自然的单纯描述，超越我们的认知范畴，对我们未知的事物做出预测。盖责•希斯塔德表示，LNRE模型不仅量化了已知矿物的分布，还预测了尚未发现的未知矿物的分布。通过LNRE模型，我们可以预测地球上所谓的“缺失的矿物”。

原理很容易理解，举例来说明一下：假如你是一名航天员，登上一个尚未被探索的类地行星，在那里你的任务是制作一份这个星球上尽可能完整的矿物清单。当你捡到第一块岩石后，将这块岩石里的几个新矿种记录在你的列表清单中，之后一块又一块地捡起其它不同的石头，在这个寻找新矿种的过程中，清单会迅速扩大。但是几周后，当数千个样本和数百种不同种类的矿物进行编目后，你会发现新矿种的出现将不那么频繁，最终只是偶尔发现一些奇怪的、稀有的矿物种，将这些数据制成一张图，横轴代表检测到的所有矿物数量，纵轴代表不同矿种数量，你将看到一条典型的“积累曲线”：该曲线的左侧呈急剧上升趋势，但右侧渐趋于平缓。通过该曲线，可以向右外推，来估计矿物种总量，其中包含许多尚未被发现和认识的矿种。毫无疑问，即便是接近这个预测数字，仍需多年的探索，更别提要达到这个数字了。不过可以肯定的是，还有许多未知的矿物等待着敏锐的矿物学家去探索发现。

LNRE计算累积曲线的方法十分巧妙，这个方法是盖责•希斯塔德运用数学技巧从LNRE统计数据中得到的。2015年，已知矿物大约有4900种，当时预测至少还有 1500 种矿物有待发现，其中还有大约100多种硼矿物、30种铬矿物和15 种稀有元素钴矿物还未被人类发现。

在深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）实施过程中，科学家将400多种碳矿物的详细研究资料和Mindat.org上提供的近83000种不同碳矿物性质及其位置的数据都收集起来。结果发现，LNRE分布曲线与真实数据完美契合，有100多种已知的碳矿物来自同一产地，有40种来自两个产地。由此产生的累积曲线表明，有近150种含碳矿物尚未被发现，这些未知的碳矿物可能存在于地表或近地表地区。进一步研究发现，在这 150 种未知矿物中，有近90%可能含有氧元素和氢元素，有数十种矿物可能含有钙元素和钠元素。在矿物学史上这是第一次，科学家几乎预测了所有的未知碳矿物。

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▲IMA官网数据显示目前已发现的碳矿物有470种

通过与已知碳矿物的化学性质相同的物质来推测其它未知矿物。最终，DCO公布了碳矿物预测清单，同时给出了明确的探索方向和内容。几个世纪以来，矿物学一直是一门观察性的科学，每一种新矿物都是在偶然间发现的。稀有的钠钾云母是研究人员在分析普通黑云母的过程中偶然发现的，纤维状矿物镁川石一直被误认为是角闪石类矿物。常言道，世上并不缺少金子，而是缺少发现金子的眼睛。尽管存在一些规律，但不可否认的是在自然界5000 多种矿物当中，只有极少一部分是在发现之前就被预测过的。

对于矿物生态学，这种传统正在发生变化。通过这种方法可以很好的预测未知矿物，包括这些稀有矿物的性质和位置。众所周知，在坦桑尼亚的纳特龙湖找到了新的碳酸钠和碳酸钾矿物。同样，在魁北克著名的泊著特采石场找到了许多碳酸锶矿物。

若你想找新的碳酸锶矿物的话，完全没有必要亲身到加拿大的采石场（尽管这样的探险对于任何一位矿物学家来说都是一种享受）。只需去博物馆，打开装满来自泊著特采石场标本的抽屉，仔细观察这些标本上是否存在未被人发现过的微小矿物晶粒。煤和油页岩中肯定也有新的碳矿物，DCO的科学家已经发现了十几种罕见的晶体，这些晶体由微小的含碳“有机”分子组成，它们来自富含晶体的煤层或富含油的页岩层中。当然，肯定还有很多有机矿物未被发现，要找到它们，需要仔细观察和分析这些已经发现过特殊矿物煤和油页岩样品。

为推动这项新的矿物学事业的发展，深碳天文台于2016年发起了全球碳矿物挑战赛。这项挑战赛非常有意思，来自世界各地的一大批矿物爱好者及矿物学专家都踊跃加入了这项工作，新的发现如雨后春笋般涌现。在这个挑战开始的第一年里，就有九种新的含碳矿物获得IMA批准。阿贝拉石(Abellaite)是我们发现的第一个新矿物，它是一种含钠和铅元素的碳酸岩矿物（NaPb2(CO3)2(OH)），产自西班牙加泰罗尼亚，呈淡绿色，喷雾状的细小针状体。可喜的是，阿贝拉石正是DCO公布的预测名单当中的一种矿物。接着第二个新矿物被发现了，它叫丁努库鲁斯石（Tinnunculus），是红隼（学名：Falco tinnunculus，这也是该矿物名称的由来）的粪便与燃烧的俄罗斯煤矿燃烧所产生的热气相互反应而形成的。之后产自德国的蓝色碳矿马克利特石（Marklite）、澳大利亚的绿色碳矿（Middlebackite）和犹他州呈淡黄色的利奥西拉丁酯石（Leószilárdite）被发现了。第六个新发现的碳矿物是拥有可爱的金丝雀黄色的（Ewingite），它是来自捷克共和国加其木矿区的一种新的碳酸铀，该地区以盛产稀有碳矿物而闻名。第八种新的碳矿物为氟菱钙铈矿（Parisite），这是一种含有稀有元素镧（La）的碳酸盐矿物，它也在预测清单当中。

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