——硅鈰石超族

◎  曲凱 張航 任軍平

礦物是指具有一定化學(xué)成分以及穩(wěn)定的相界面和結(jié)晶習(xí)性的天然單質(zhì)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(zhì)基礎(chǔ)。目前，自然界已發(fā)現(xiàn)的5975種礦物，要么形成于地球內(nèi)部的地質(zhì)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(xué)家希辛格和瑞典化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)礦物學(xué)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(zhì)研究院礦物學(xué)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(xué)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(xué)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(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心礦物學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué)者常將白磷鈣礦（Whitlockite）與隕磷鈣鈉石（merrillite）混用，前者以在結(jié)構(gòu)上具有一個羥基與后者相區(qū)分。直到本世紀初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)以往關(guān)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(guān)。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(zhì)，因此其合成物在骨科和牙科的填料和涂料領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。至于其在自然地質(zhì)過程中為什么會如此罕見，依然是一個開放而有趣的科學(xué)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(nèi)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(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心））(源于：中國礦業(yè)報）