——硅鈰石超族

◎  曲凱 張航 任軍平

礦物是指具有一定化學成分以及穩(wěn)定的相界面和結晶習性的天然單質或化合物，作為地球系統(tǒng)的一種基本組成單元和環(huán)境要素，是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎。目前，自然界已發(fā)現(xiàn)的5975種礦物，要么形成于地球內部的地質作用，要么來自生物成因或地外樣品（隕石或返回樣品）。然而硅鈰石超族礦物格外特殊，因為它們在地外、地球以及人體中均被發(fā)現(xiàn)，可謂是自然礦物中占據(jù)“天時、地利、人和”的三棲明星。

太平鎮(zhèn)稀土礦石（注：紅棕色顆粒為太平石）

什么是硅鈰石超族？

1803年，瑞典礦物學家希辛格和瑞典化學家貝采利烏斯在世界著名的Bastn?s稀土礦床（稀土礦最主要的礦石礦物氟碳鈰礦（Bastn?site）的原產(chǎn)地）中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的未知紅色礦物。他們在隨后的不斷深入研究后最終發(fā)現(xiàn)了自然化學元素——鈰（cerium），并將這種紅色礦物命名為鈰硅石（cerite），以紀念同時期發(fā)現(xiàn)的谷神星（Ceres）。

此后220年來，全世界的礦物學家在地球、地外（火星、小行星帶、月球隕石和返回樣品）以及人體中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不同端元的硅鈰石超族礦物。直至2020年，國際礦物學會新礦物分類與命名委員會（IMA-CNMNC）才正式批準，硅鈰石超族化學通式為：A9XM[T7O24?4]Z3，其中A位可為REE(稀土元素)、Ca、Sr、Na或□（空位）；X位可為□、Na、Ca或Fe2+; M位可為Mg、Mn、Fe2+、Fe3+或Al；T位可為Si或P；?位可為O或OH；Z位可為□、OH或F組成。截至目前，硅鈰石超族共包含2個礦物族（硅鈰石族、白磷鈣礦族），4個礦物亞族（硅鈰石亞族、太平石亞族、隕磷鈣鈉石亞族、白磷鈣礦亞族），15個有效礦物種。

“天時”嫦娥石

2016年，臺灣東華大學礦物學研究團隊在采自阿根廷的一塊鈦輝無球粒隕石中發(fā)現(xiàn)新礦物“馬廷英-雪峰石”。2022年，核工業(yè)北京地質研究院礦物學研究團隊在嫦娥5號返回樣品中發(fā)現(xiàn)月球新礦物“嫦娥石”。這兩種新礦物同屬于硅鈰石超族的隕磷鈣鈉石亞族，該亞族礦物主要來自火星、小行星帶以及月球隕石和返回樣品，是含鐵鎂的鈣鈉磷酸鹽礦物。馬廷英-雪峰石是為紀念知名古生物學家馬廷英教授而命名，其母體被認為可能是一顆直徑約100公里且具有金屬核的小行星，對于研究太陽系的早期演化具有非常重要的科學價值。而嫦娥石更是該礦物亞族中唯一富含稀土元素的端元礦物，因此其不僅有助于評價月球的稀土資源潛力，更可能蘊含著月球起源與巖漿演化的信息。

“地利”太平石

2019年，中國地質調查局天津地質調查中心礦物學研究團隊在河南太平鎮(zhèn)稀土礦中發(fā)現(xiàn)一種新礦物“太平石”，該種礦物屬于硅鈰石超族硅鈰石族，是整個超族中發(fā)現(xiàn)的第一個F端元礦物。2023年，該研究團隊受IMA-CNMNC邀請參與修訂了硅鈰石族分類命名方案，將太平石升級為硅鈰石族中的一個新亞族，并將太平石定為礦物詞根，代表F端元的硅鈰石礦物，比如2023年國外科研團隊在意大利發(fā)現(xiàn)的鋁太平石，極大豐富了具中國文化特色的礦物命名方案。與隕磷鈣鈉石亞族不同，硅鈰石族為稀土硅酸鹽礦物，目前只在地球上被發(fā)現(xiàn)。硅鈰石族共包含有效礦物5種，因其超高的稀土含量以及特殊的礦物成因，可為評價礦床經(jīng)濟價值以及稀土礦床成因研究提供新的參考。

嫦娥石理想結構假想圖（注：引自中核集團微博視頻號）

“人和”白磷鈣礦

在較早的文獻中，學者常將白磷鈣礦（Whitlockite）與隕磷鈣鈉石（merrillite）混用，前者以在結構上具有一個羥基與后者相區(qū)分。直到本世紀初，科學家們發(fā)現(xiàn)以往關于隕石礦物文獻里記錄的白磷鈣礦實則均為隕磷鈣鈉石，而真正的白磷鈣礦目前在地球上僅有兩處明確有效的產(chǎn)地，據(jù)此推斷白磷鈣礦和隕磷鈣鈉石的成因可能與母體行星的含水性有關。雖然白磷鈣礦在地球巖石中極為罕見，但它卻是人類骨骼中含量第二多的重要物質，因此其合成物在骨科和牙科的填料和涂料領域具有較大的應用前景。至于其在自然地質過程中為什么會如此罕見，依然是一個開放而有趣的科學問題。

硅鈰石超族研究意義

作為自然界極為罕見的同時在地外、地球和生物體內發(fā)現(xiàn)的“三棲”礦物族，對其開展深入研究將有助于人類解開太陽系的早期演化、月球起源與巖漿演化、稀土資源開發(fā)與利用、生物礦化甚至生命起源等未解之謎。

（作者單位：中國地質調查局天津地質調查中心（華北地質科技創(chuàng)新中心））(源于：中國礦業(yè)報）