矿物是指具有一定化学成分以及稳定的相界面和结晶习性的天然单质或化合物,作为地球系统的一种基本组成单元和环境要素,是人类生存和发展的重要物质基础。目前,自然界已发现的5975种矿物,要么形成于地球内部的地质作用,要么来自生物成因或地外样品(陨石或返回样品)。然而硅铈石超族矿物格外特殊,因为它们在地外、地球以及人体中均被发现,可谓是自然矿物中占据“天时、地利、人和”的三栖明星。

太平镇稀土矿石(注:红棕色颗粒为太平石)

什么是硅铈石超族?

1803年,瑞典矿物学家希辛格和瑞典化学家贝采利乌斯在世界著名的Bastnäs稀土矿床(稀土矿最主要的矿石矿物氟碳铈矿(Bastnäsite)的原产地)中发现了一种特殊的未知红色矿物。他们在随后的不断深入研究后最终发现了自然化学元素——铈(cerium),并将这种红色矿物命名为铈硅石(cerite),以纪念同时期发现的谷神星(Ceres)。

此后220年来,全世界的矿物学家在地球、地外(火星、小行星带、月球陨石和返回样品)以及人体中陆续发现了不同端元的硅铈石超族矿物。直至2020年,国际矿物学会新矿物分类与命名委员会(IMA-CNMNC)才正式批准,硅铈石超族化学通式为:A9XM[T7O24Ø4]Z3,其中A位可为REE(稀土元素)、Ca、Sr、Na或□(空位);X位可为□、Na、Ca或Fe2+; M位可为Mg、Mn、Fe2+、Fe3+或Al;T位可为Si或P;Ø位可为O或OH;Z位可为□、OH或F组成。截至目前,硅铈石超族共包含2个矿物族(硅铈石族、白磷钙矿族),4个矿物亚族(硅铈石亚族、太平石亚族、陨磷钙钠石亚族、白磷钙矿亚族),15个有效矿物种。

“天时”嫦娥石

2016年,台湾东华大学矿物学研究团队在采自阿根廷的一块钛辉无球粒陨石中发现新矿物“马廷英-雪峰石”。2022年,核工业北京地质研究院矿物学研究团队在嫦娥5号返回样品中发现月球新矿物“嫦娥石”。这两种新矿物同属于硅铈石超族的陨磷钙钠石亚族,该亚族矿物主要来自火星、小行星带以及月球陨石和返回样品,是含铁镁的钙钠磷酸盐矿物。马廷英-雪峰石是为纪念知名古生物学家马廷英教授而命名,其母体被认为可能是一颗直径约100公里且具有金属核的小行星,对于研究太阳系的早期演化具有非常重要的科学价值。而嫦娥石更是该矿物亚族中唯一富含稀土元素的端元矿物,因此其不仅有助于评价月球的稀土资源潜力,更可能蕴含着月球起源与岩浆演化的信息。

“地利”太平石

2019年,中国地质调查局天津地质调查中心矿物学研究团队在河南太平镇稀土矿中发现一种新矿物“太平石”,该种矿物属于硅铈石超族硅铈石族,是整个超族中发现的第一个F端元矿物。2023年,该研究团队受IMA-CNMNC邀请参与修订了硅铈石族分类命名方案,将太平石升级为硅铈石族中的一个新亚族,并将太平石定为矿物词根,代表F端元的硅铈石矿物,比如2023年国外科研团队在意大利发现的铝太平石,极大丰富了具中国文化特色的矿物命名方案。与陨磷钙钠石亚族不同,硅铈石族为稀土硅酸盐矿物,目前只在地球上被发现。硅铈石族共包含有效矿物5种,因其超高的稀土含量以及特殊的矿物成因,可为评价矿床经济价值以及稀土矿床成因研究提供新的参考。

嫦娥石理想结构假想图(注:引自中核集团微博视频号)

“人和”白磷钙矿

在较早的文献中,学者常将白磷钙矿(Whitlockite)与陨磷钙钠石(merrillite)混用,前者以在结构上具有一个羟基与后者相区分。直到本世纪初,科学家们发现以往关于陨石矿物文献里记录的白磷钙矿实则均为陨磷钙钠石,而真正的白磷钙矿目前在地球上仅有两处明确有效的产地,据此推断白磷钙矿和陨磷钙钠石的成因可能与母体行星的含水性有关。虽然白磷钙矿在地球岩石中极为罕见,但它却是人类骨骼中含量第二多的重要物质,因此其合成物在骨科和牙科的填料和涂料领域具有较大的应用前景。至于其在自然地质过程中为什么会如此罕见,依然是一个开放而有趣的科学问题。

硅铈石超族研究意义

作为自然界极为罕见的同时在地外、地球和生物体内发现的“三栖”矿物族,对其开展深入研究将有助于人类解开太阳系的早期演化、月球起源与岩浆演化、稀土资源开发与利用、生物矿化甚至生命起源等未解之谜。

(作者单位:中国地质调查局天津地质调查中心(华北地质科技创新中心))

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