未知碳矿物的发现之旅

2022年9月9日，就在我国传统节日中秋佳节前夕，中国科学家首次在月球上发现的新矿物，被命名为“嫦娥石”。

图/China National Space Administration

“嫦娥石”是一种磷酸盐矿物，呈柱状晶体，存在于月球玄武岩颗粒中。是科学家利用X射线衍射等一系列高新技术手段，在十四万个月球样品颗粒中，分离出一颗方圆约10微米大小的单晶颗粒，并成功解译其晶体结构。该矿物的发现使我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家，也是人类在月球上发现的第六种新矿物，这是我国在空间科学领域取得的一项重大科学成果。

发现新矿物不仅在月球上是一件很困难的事情，即使是在地球上也实属不易。尽管人类的足迹已经遍布全球各地，但我们仍然不知道，地球上究竟还有多少矿物未被发现。

地球还有多少种矿物？

目前，由国际矿物学协会（IMA）所汇编的矿物种类高达5829种，这些矿物主要发现于地壳浅部和地球表层。

在如此庞大的矿物种类中，矿物学家发现了一种有趣的分布。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，有一半以上都只有五个产地。

而在所有的矿物中，碳矿物的多样性和分布尤其受到关注。这是因为碳不仅是地球生命最关键的元素，也为人类社会提供了大部分的能源。同时，大气中的二氧化碳也影响着地球的气候。因此，碳矿物的种类、赋存状态等问题也成为地质学家所关心的课题。

未知的碳矿物清单

2008年，国际深碳循环研讨会成功地向Alfred P. Sloan基金会提出：自2009年到2019年，建立一个为期十年的深部碳科学研究项目，即深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）。在该项目的实施过程中，还专门设置了“寻找所有未知碳矿物”课题，由亚利桑那大学的应用数学讲师盖责•希斯塔德（Grethe Hystad）领导。

2015年，基于矿物的分布规律，希斯塔德借助大数据思维，利用当时已发现的403多种碳矿物（截止今天已发现的碳矿物为486种）的详细研究资料，包括Mindat.org上提供的近83000种不同碳矿物性质及其位置等数据，通过建立模型，对地球上所谓的“缺失的矿物”进行了预测。

希斯塔德的模型显示至少还有1500种矿物有待发现，其中至少还有145种碳矿物、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。这些未知的碳矿物可能存在于地表或近地表地区；而且在这145种未知碳矿物中，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。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。通过大数据建模，矿物学家可以很好地预测未知的矿物，以及这些稀有矿物的性质和位置。

碳矿物挑战赛

为推动这项新的矿物学事业的发展，2016年，深碳天文台基于希斯塔德的碳矿物预测清单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，而且多种碳矿物都位列预测清单中。

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）是第一个被发现的新矿物，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。

第一个被发现的新矿物：阿贝拉石（Abellaite）。（图/DCO）

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。第六个和第七个新发现的碳矿物非常相似，它们都拥有可爱的金丝雀黄色的尤因石（Ewingite）和布劳纳石（Braunerite），来自捷克共和国加其木矿区的两种新的碳酸铀，该地区以盛产稀有碳矿物而闻名。第八个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。

碳矿物挑战赛一直持续到2019年，在这期间有31种碳矿物被发现，这是一项了不起的工作。

目前，自然界中绝大多数含碳矿物都是在地表或地壳浅部被发现的。但其实在地球深部还隐藏着大量的矿物学秘密，这些矿物我们看不见摸不着，它们在地幔和地核形成于极端的温度和压力条件下，期待未来更多的碳矿物被发现。

参考来源：

董汉文, 曾令森. 译. 2022. 《碳如何玩转地球—从万物起源到现代文明》. 江苏凤凰科学技术出版社：1-276.

Robert M. Hazen. 2019. Symphony in C：Carbon and the Evolution of (Almost) Everything. W. W. NORTON & COMPANY. 1-268.

Robert M. Hazen, Daniel R. Hummer, Grethe Hystad, Robert T. Downs, Joshua J. Golden; Carbon mineral ecology: Predicting the undiscovered minerals of carbon. American Mineralogist 2016;; 101 (4): 889–906. doi: https://doi.org/10.2138/am-2016-5546