GEOLOGIJA

Prof. dr Draženko Nenadić
Prof. dr Katarina Bogićević

Zašto je Zemlja bogata mineralima?

Put dug više milijardi godina

Minerali su prirodna jedinjenja nastala različitim prirodnim (geološkim) procesima, pri čemu su određenog hemijskog sastava, imaju strogo uređenu atomsku strukturu i karakteristične fizičke osobine. Osnovne karakteristike minerala ne čini samo njihov hemijski sastav već i njihova struktura - kristalna rešetka. Na taj način dva minerala mogu biti ista po hemijskom sastavu, ali imaju različitu kristalnu rešetku, što im daje potpuno drugačije fizičke osobine, kao što su, na primer, grafit i dijamant. Smatra se da postoji preko 5300 poznatih mineralnih vrsta, od kojih je preko 5230 odobrila Međunarodna mineraloška asocijacija.

Mnogi od nekoliko hiljada minerala koje danas poznajemo „koevoluirali“ su u biosferi Zemlje tokom dugog geološkog vremena, pri čemu više od 90% pripada grupi silikatnih minerala (feldspati, na prvom mestu), dok je kvarc sledeći po zastupljenosti. Zemljina kora je izgrađena 90% od silikatnih minerala, 8% nesilikatnih (oksidi, sulfidi, karbonati…) i 2% metala, pri čemu Zemljina kora obuhvata samo 1% zapremine Zemlje. Središnji Zemljin omotač (mantl) obiluje silikatima bogatim magnezijumom i gvožđem (npr. olivinom), dok je Zemljino jezgro uglavnom izgrađeno od gvožđa i nikla. Ovakav mineralni sastav naše planete predstavlja proizvod njene dugotrajne evolucije od oko 4,5 milijardi godina.
Na samom početku formiranja univerzuma, pre oko 13,7 milijardi godina (trenutak “Velikog praska”), nije bilo formiranih minerala. Procenjuje se da su tek oko 380.000 godina, posle tog grandioznog događaja, počeli da se stvaraju prvi atomi vodonika i helijuma (i nešto litijuma). Nešto kasnije, kao posledica eksplozija zvezda tipa “supernovih”, nastali su i neki od prvih mikroskopskih kristala u koje spadaju dijamant, grafit i nekoliko vrsta raznih silikata.
Ovih nekoliko primordijalnih tzv. “Ur-minerala” dobili su naziv prema drevnom sumerskom gradu Uru, jednom od prvih mesta na kome se razvila složena ljudska civilizacija, uključujući i pismenost. Prvobitni minerali su tokom vremena međusobno reagovali, kombinovali se i mešali da bi formirali veći deo složenog sveta koji poznajemo danas.

Uticaj toplote naše protozvezde

Da bi se na pravi način razumela evolucija minerala na Zemlji, potrebno je da se napravi vremenski skok od oko devet milijardi godina nakon Velikog praska, do perioda od pre 4,6 milijardi godina. Tada je na mestu današnjeg Sunčevog sistema postojao samo protoplanetarni disk sačinjen od ogromnog oblaka vodonika, helijuma i prašine, pri čemu je verovatno sadržavao i neke od rano-formiranih Ur-minerala. Kako se pod dejstvom sopstvene gravitacije ovaj oblak gasa i prašine skupljao (ali i obrtao), formirala se značajna koncentracija materije u njegovom centru. Ova etapa je poznata kao “T-tauri faza” razvoja našeg Sunca, koje još nije bilo u stanju da nuklearnom fuzijom spaja atome vodonika u atome helijuma, ali je već bilo svetlo i izuzetno toplo kao posledica urušavanja materije pod dejstvom snažne gravitacije.
Naša protozvezda je u ovoj fazi snažno i energično zagrevala disk materije koji je okružuje, od kojeg su se na kraju formirale poznate nam planete i drugi objekti solarnog sistema. Smatra se da je pod dejstvom ovog zagrevanja stvoreno nekoliko desetina mineralnih vrsta, što se tretira kao posebna faza razvoja Sunčevog sistema.
Neka kosmička tela sačuvana iz tih “ranih mineralnih faza” su još uvek prisutna u međuplanetarnom prostoru, te povremeno padaju na Zemlju u vidu meteorita poznatih kao “primitivni hondriti”. Njihov postanak je posledica spajanja kosmičke prašine i prvih minerala formiranih pod dejstvom Sunčeve energije. U početku je uzrok tog vezivanja bila elektrostatička privlačnost (kao što se npr. formiraju grudvice prašine ispod kreveta), a kasnije su se formirala sve veća nebeska tela pod dejstvom njihove sopstvene gravitacione sile.
Zanimljiva karakteristika ovih meteorita je prisustvo malih, oko jednog milimetra u prečniku, sfernih hondrula. Smatra se da one verovatno predstavljaju rastopljene kapljice koje su nastale snažnim izlivima energije mladog Sunca koje je topilo materiju u protoplanetarnom disku koji ga je okruživao.
Tokom vremena ovi mali, ali mnogobrojni hondriti su se međusobno sudarali, spajali i formirali sve veća nebeska tela. U trenutku kada bi dostigli veličinu od oko 200 km u prečniku, njihova unutrašnja toplota oslobođena usled raspada radioaktivnih izotopa i toplota nastala međusobnim sudarima ovih tela, prouzrokovala je da se unutrašnjost ovih, sada već prilično velikih nebeskih tela, bar delimično rastopi - što je i dovelo do formiranja novih vrsta minerala.
Pod dejstvom gravitacije u ovim tzv. “planetezimalima” se vršila diferencijacija materijala, gde su teže komponente, kao što su npr. nikl i gvožđe, tonule u centar mase. Tako su se postepeno stvarale “protoplanete” sa bazaltnom, relativno laganom korom nalik na lavu, koja je obavijala gusto metalno jezgro. Smatra se da meteoriti poznati kao “ahondriti” predstavljaju razbijene fragmente kore nekih od ovih protoplaneta, dok su “gvožđeviti meteoriti” verovatno sačinjeni od njihovih raspadnutih metalnih jezgara.

Prvih šezdesetak minerala

Solarni system, u ovoj fazi razvoja, predstavljao je mesto velikih i katastrofalnih događaja, sa mnogobrojnim spajanjima, ali i titanskim sudarima koji su razarali neka od tek formiranih planetarnih tela. Do kraja ove faze razvoja Sunčevog sistema, kumulativni broj minerala koji se formirao nije prelazio broj 60.
Nakon što se naša Zemlja formirala izvršila se diferencijacija materijala; lakši minerali koji su ostali blizu površine su se postepeno ohladili i formirali tamnu bazaltnu koru (slično današnjem izgledu površine terena na Havajima), koja se potom više puta reciklirala, učestvujući u važnom procesu poznatom pod nazivom frakciona kristalizacija.
Kako se magma hladila, tako se i njen sastav menjao. Razlog ove promene je to što različiti minerali koje magma sadrži kristališu u različito vreme, u zavisnosti od njihovih tačaka topljenja. Tako npr. olivin, koji ima najvišu tačku topljenja, spada među prve minerale koji su kristalizovali. Kako se magma i dalje hladila, minerali su nastavili da kristališu po redosledu njihovih tačaka topljenja, neprestano menjajući sastav preostale magme i sastav minerala koji se stvaraju. Pretpostavlja se da faza u kojoj je vršena diferencijacija magme verovatno predstavlja maksimalni nivo u evoluciji minerala koji su dostigla nebeska tela poput Meseca i Merkura.
Za formiranje novih mineralnih vrsta i njihovu dalju evoluciju bila je neophodna voda. Naša planeta je, verovatno veoma rano u svom razvoju, bila dovoljno hladna da bi se ona formirala i na njenoj površini. Samom interakcijom minerala sa vodom, pod dejstvom hidralize i hidratacije, omogućeno je da se njihov broj poveća sa 60 na oko 500. Na taj način, od anhidrita formiran je gips, od hematita - limonit, od feldspata - kaolini, od olivina - serpentini, od amfibola - talk itd. Pretpostavlja se da je etapa interakcije minerala sa vodom bila krajnja faza u njihovom razvoju na nekada vlažnom i vodom bogatom Marsu.

Sledeća etapa u stvaranju minerala na našoj planeti vezana je za formiranje lakših granitnih stena koje sadrže mnogo kvarca i feldspata, a čiji se nastanak datira na oko pre četiri milijarde godina. Naime, kako se magma neprestano ubrizgavala u tek formiranu mladu koru, delimično je topila njene okolne stene, ali uglavnom one sa manjom gustinom, jer upravo one imaju najnižu tačke topljenja. Kao rezultat navedenog procesa, ova magma se sve više odlikovala prisustvom lakših minerala, za razliku od matičnih stena koje su bile rastopljene. Na taj način se formirala granitna magma koja se podigla u više nivoe Zemljine kore, a koja se postepeno ohladila, kristalizovala i formirala granitne stene. Lakši minerali su se sve više koncentrisali u ovim stenskim masama, tako da se smatra da je, kroz ovaj process, broj prisutnih mineralnih vrsta dostigao oko 1000. Pored Zemlje, pretpostavlja se da je u Sunčevom sistemu samo Venera mogla na sličan način da dostigne ovu fazu mineralnog razvoja.
Naša planeta je, međutim, svakako jedinstvena, jer je, za razliku od drugih objekta Sunčevog sistema, postojalo još nekoliko etapa kroz koje je prošla pre nego što se postigao njen konačni mineralni sastav.

Prodor okeanskih voda

Sledeća faza u formiranju novih minerala uključivala je proces za koji se pretpostavlja da je u okviru Sunčevog sistema prisutan samo na našoj planeti - aktivna tektonika ploča. Velike temperature i pritisci koji su pratili ova kretanja nesumnjivo su uticali na formiranje novih vrsta minerala.
Sudarom tektonskih ploča, kao na primer Indijske tektonske ploče sa Evroazijom, formirali su se visoki planinski sistemi, izlažući novoformirane minerale procesu trošenja pod dejstvom egzogenih procesa i stvarajući pri tome još više minerala.
Pored toga, okeanska voda koja prodire kroz koru u sistemima srednje- okeanskih grebena (mesta razmicanja ploča) i ona koja se spušta u zonu mantla u zonama subdukcije (mesta gde se ploče podvlače jedna pod drugu) izmenila je prethodno postojeće stene, stvarajući takođe nove minerale. Ovaj proces se i danas odvija u sistemima “hidrotermalnih ventila” koji se nalaze na području srednjeokeanskih grebena. Upravo na ovim ventilacionim sistemima metali kao što su npr. bakar i cink, u kombinaciji sa sumporom, stvarali su masivne naslage sulfidne rude.
Aktivnosti vezane za tektoniku ploča dovele su do toga da se ukupan broj mineralnih vrsta na Zemlji uvećao na oko 1500.

Uloga živog sveta u formiranju minerala

Tek prisustvo i uticaj mnogobrojnog i veoma raznovrsnog živog sveta objašnjava ogromnu većinu od nekoliko hiljada minerala koji su danas prisutni na našoj planeti. Paleontološki dokazi o prvim pojavama života vezani su za period od pre 3,4 milijarde godina. Život je tada  bio na nivou primitivnih jednoćelijskih organizama - bakterija koje su za svoj metabolizam koristile jedinjenja na bazi sumpora. Pretpostavlja se da je njegova pojava u početku imala vrlo malo uticaja na povećanje mineraloške raznolikosti naše planete.
To se dramatično promenilo pre oko 2,5 milijardi godina, kada se značajan broj određenih mikroskopskih organizama raširio preko cele planete. To su bili mikrobi koji su razvili fotohemijski trik poznat kao fotosinteza. Paleomorfološki oblici koje su za sobom ostavili ovi organizmi poznati su kao stromatoliti.

Najraniji oblik fotosinteze koristio je vodonik-sulfid kao izvor vodonika za pokretanje hemijske reakcije organizma, ali kasniji oblici fotosinteze su za tu potrebu koristili vodu. Kao posledica ovoga procesa oslobođene su ogromne količine slobodnog kiseonika. Ovaj period “velike oksidacije” u geološkoj istoriji verovatno predstavlja najvažniji događaj u stvaranju raznovrsnosti mineralnih vrsta na Zemlji.
Od nekoliko hiljada mineralnih vrsta koje danas postoje, više od polovine su oksidisani i hidratisani proizvodi drugih minerala. Procesi oksidacije i hidratacije mogli su se odigravati samo na planeti bogatoj slobodnim kiseonikom. Tako su, na primer, nastali prelepi oksidi minerala bakra, kao što su malahit i azurit. Smatra se da je ova faza bila ona prelomna tačka gde se vidi raznovrsnost i složenost minerala koji nadmašuju sve drugo u našem solarnom sistemu.

“Uvođenje” kiseonika i trakaste gvožđevite formacije

Jedna od značajnih posledica pojave slobodnog kiseonika bila je dramatična promena u hemiji okeana. Pre događaja “velike oksidacije”, okeani su bili uglavnom anoksični - sadržavali su malo ili nimalo rastvorenog kiseonika. Kao posledica takvog stanja, neoksidovano gvožđe je uobičajeno bilo rastvoreno u morskoj vodi.
Sa uvođenjem kiseonika u ovaj sistem, gvožđe je oksidovano u nerastvorljive minerale kao što su magnetit i hematit, koji su efikasno formirali rđu koja se taložila u slojevima na dnu okeana, ali naizmenično sa slojevima koji su imali manji sadržaj gvožđa - rožnaca. Ove tzv. “trakaste gvožđevite formacije” predstavljaju danas najbogatija ležišta gvožđa na Zemlji i rezultat su značajne promene u ekosistemima pre oko 2,3 milijarde godina.

Pre oko 1,85 milijardi godina taloženje trakastih formacija gvožđa naglo je prestalo, a umesto njih su se stvarale velike naslage nikla, koje danas predstavljaju najveća ležišta ovog metala na svetu. Smatra se da je formiranje ovih naslaga posledica pada velikog nebeskog tela, prečnika oko 10 km, što je dovelo do prodora velike količine magme na kopnu i u vodenim prostranstvima. Na taj način tvorevine gvožđevite formacije bile su prekrivene potpuno drugačijim tipom naslaga. Kiseonik koji više nije bio “zarobljen” u okeanima, da bi formirao okside gvožđa, odlazio je u atmosferu i počeo da vrši oksidaciju minerala na kopnu, bojeći mnoge delove njegove površine u crveno i vršeći njegovu značajnu transformaciju.
Period od pre 1,8 pa do jedne milijarde godina unazad, poznat je kao “dosadna milijarda” geološke istorije, kada se nisu mogle uočiti bilo kakve veće promene u razvoju života i u formiranju novih minerala.

Eksplozija višećelijskih oblika života

U periodu između jedne milijarde i 542 miliona godina, Zemlja je pretrpela niz “superglacijacija”, sa ekstremnom hladnoćom i veoma toplim međuperiodima. Tadašnji kontinenti su bili međusobno povezani negde na području ekvatora u superkontinent poznat pod imenom Rodinija. Raspadanjem ovog superkontineta pre oko 800 miliona godina na manje celine, uz pojačane padavine na području ekvatora i značajnu eroziju, u novoformirane plitkovodne sredine odnošene su velike količine raspadnutog materijala. Kisele kiše koje su sadržavale velike količine ugljen-dioksida iz atmosfere pretvarale su silikatne minerale u glinovite minerale koji su odnošeni sa kopna u okeanska prostranstva. Ugljen-dioksid je, pored toga, u vodenim sredinama učestvovao u formiranju velike količine kalcijum-karbonata, što je dodatno uticalo na smanjenje njegove količine u atmosferi. Posledica značajnog smanjenja ovog gasa, koji je odgovoran za “efekat staklene bašte”, bila je pojava ekstremno hladnog ledenog doba. Smatra se da je kraj svake faze superglacijacije bio povezan sa izuzetno toplom interglacijacijom koja se odlikovala ekstremnim vremenskim prilikama - snažnim uraganima i obilnim padavinama koji su temeljno “promešali okeane”, preplavili ih hranljivim materijama i na taj način potpomogli cvetanje cijanobakterija koje su proizvodile značajne količine kiseonika.

Povećano prisustvo kiseonika u atmosferi, ali i u vodi omogućilo je živim organizmima da evoluiraju u veće i složenije forme. Ova pojava je predstavljala sledeću prekretnicu u geološkoj istoriji Zemlje - pojavu i eksploziju višećelijskih oblika života. Do tog perioda, od pre 542 miliona godina, jednoćelijski fotosintetski organizmi su činili glavnu pokretačku snagu u formiranju novih minerala. Posle ovog perioda, biološka raznovrsnost je imala glavnu ulogu u njihovom formiranju, stvarajući organizme sa kalcitskim, silikatnim, fosfatnim i apatitskim skeletom.

Kolonizacija cele planete višećelijskim organizmima, posebno pojavom biljaka na kopnu, dovela je do ogromnog povećanja količine glinovitih minerala koji su proizvod biološkog uticaja. Naročito snažan uticaj biljke su imale na razvoj novih tipova zemljišta bogatih organskim materijama, te su na taj način omogućile stvaranje veće količine novih minerala - prostranih naslaga bogatih ugljenikom organskog porekla kao što su ugalj, uljni škriljci, prirodni gas i sl.

Tako se, tek pod uticajem živog sveta, povećao ukupan broj mineralnih vrsta na sadašnji nivo, što predstavlja proizvod duge i složene evolucije naše planete i jedinstvenog razvoja njene biosfere.

Sagledavajući mineralnu raznovrsnost na Zemlji kao posledicu razvoja živog sveta, može se postaviti logično pitanje: da li se prisustvo kompleksne mineralogije može koristiti i u potrazi za životom na drugim planetama?

Prof. dr Draženko Nenadić
Prof. dr Katarina Bogićević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"