thumb|250px|La mayoría de los minerales en la Tierra se formaron después de la fotosíntesis por cianobacterias (en la foto) que comenzaron a agregar oxígeno a la atmósfera. La evolución mineral es una reciente hipótesis que proporciona un contexto histórico a la mineralogía. Postula que la mineralogía en planetas y lunas se vuelve cada vez más compleja como resultado de cambios en los entornos físico, químico y biológico. En el sistema solar, el número de especies minerales ha aumentado desde aproximadamente una docena hasta más de 5400 como resultado de tres procesos: la separación y concentración de elementos; unos mayores rangos de temperatura y de presión, junto con la acción de volátiles; y la aparición de nuevas vías químicas proporcionadas por los organismos vivos.
En la Tierra, hubo tres eras en la evolución mineral:
Era de la acreción planetaria, con el nacimiento del Sol y la formación de asteroides y planetas, que aumentó el número de minerales hasta aproximadamente 250;
Era del el retrabajo de la corteza y del manto, la repetición del trabajo de la corteza y del manto a través de procesos como la fusión parcial y la tectónica de placas, que aumentó el total hasta unos 1500;
Era de la mineralogía mediada biológicamente, los cambios químicos mediados por organismos vivos, con el mayor incremento que se produce después de la Gran Oxidación, que dieron como resultado los minerales restantes, más de dos tercios del total.
Historia Durante la mayor parte de su historia, la mineralogía no tuvo ningún componente histórico. Se ocupaba de clasificar los minerales según sus propiedades químicas y físicas (como la fórmula química y la estructura cristalina) y de fijar las condiciones para la estabilidad de un mineral o grupo de minerales. Sin embargo, hubo excepciones en las publicaciones que examinaron la distribución de las edades de los minerales o de las menas. En 1960, Russell Gordon Gastil encontró algunos ciclos en la distribución de las fechas minerales. Charles Meyer, al encontrar que los minerales de algunos elementos se distribuían en un lapso de tiempo más amplio que otros, atribuyó esa diferencia a los efectos de la tectónica y de la biomasa en la superficie química, particularmente del oxígeno libre y del carbono. En 1979, A. G. Zhabin introdujo el concepto de etapas de evolución mineral en la revista en lengua rusa Doklady Akademii Nauk y en 1982, N. P. Yushkin observó la creciente complejidad de los minerales en el tiempo cerca de la superficie de La Tierra. Luego, en 2008, Hazen y sus colegas introdujeron una visión mucho más amplia y detallada de la evolución mineral. Esto fue seguido por una serie de investigaciones cuantitativas de la evolución de varios grupos minerales. Y esto llevó en 2015 al concepto de ecología mineral, el estudio de las distribuciones de minerales en el espacio y el tiempo.
En abril de 2017, el Museo de Historia Natural de Viena inauguró una nueva exposición permanente sobre la evolución de los minerales.
Uso del término «evolución»
En un artículo de 2008 que introdujo la expresión «evolución mineral», Robert Hazen y sus coautores reconocieron que la aplicación de la palabra «evolución» a los minerales podría ser controvertida, aunque ya había precedentes desde el libro de 1928 The Evolution of the Igneous Rocks [La evolución. de las rocas ígneas] de Norman Bowen. Utilizaron la expresión en el sentido de designar una secuencia irreversible de eventos que conducen a conjuntos de minerales cada vez más complejos y diversos. A diferencia de la evolución biológica, no implica la mutación, la competencia o el paso de información a la progenie. Hazen et al. exploraron algunas otras analogías, incluida la idea de extinción. Algunos procesos de formación de minerales ya no ocurren, como los que producen ciertos minerales en condritas de enstatita que son inestables en la Tierra en su estado oxidado. Además, el efecto invernadero desbocado en Venus puede haber llevado a pérdidas permanentes de algunas especies minerales. Sin embargo, la extinción de esos minerales no es verdaderamente irreversible, ya que un mineral perdido podría volver a emerger si se reestablecieran las condiciones ambientales adecuadas.
Minerales presolares thumb|Los granos presolares ("stardust", 'polvo de estrellas') del meteorito Murchison proporcionan información sobre los primeros minerales
En el Universo temprano, no había minerales porque los únicos elementos disponibles eran hidrógeno, helio y cantidades mínimas de litio. La formación de minerales se hizo posible después de que se sintetizaran en las estrellas los elementos más pesados, como el carbono, el oxígeno, el silicio y el nitrógeno. En las atmósferas en expansión de las gigantes rojas y de la eyección de las supernovas, se formaron los minerales microscópicos a temperaturas superiores a los .
Evidencias de esos minerales se pueden encontrar en los granos interestelares incorporados en meteoritos primitivos, llamados condritas, que son esencialmente rocas sedimentarias cósmicas. El número de especies conocidas es de aproximadamente una docena, aunque se han identificado varios materiales más, pero que no han sido clasificadas como minerales. Debido a que el diamante tiene una alta temperatura de cristalización (de alrededor de ), probablemente fue el primer mineral que se formó. Fue seguido por el grafito, algunos óxidos (rutilo, corindón, espinela, hibonita), carburos (moissanita), nitruros (osbornita y nitruro de silicio) y silicatos (forsterita y silicato perovskita (MgSiO3)). Estos "ur-minerales" sembraron las nubes moleculares de las que se formó el sistema solar.
Procesos Después de la formación del sistema solar, la evolución mineral fue impulsada por tres mecanismos principales: la separación y concentración de elementos; unos mayores rangos de temperatura y presión combinados con la acción química de los volátiles; y unas nuevas vías de reacción impulsadas por los organismos vivos.
Separación y concentración
thumb|Vistas en corte de algunos planetas terrestres, mostrando las capas
El nivel más alto en la clasificación de minerales se basa en la composición química. Sin embargo, los elementos que definen muchos de los grupos minerales, como el boro en los boratos y el fósforo en los fosfatos, al principio solo estaban presentes en concentraciones de partes por millón o incluso menores. Eso les dejó pocas o ninguna oportunidad para que se unieran y formaran minerales hasta que fueron algunas influencias externas la que los concentraron. Los procesos que pudieron separar y concentrarlos elementos incluyen la diferenciación planetaria (por ejemplo, la separación en capas como el núcleo y el manto); la desgasificación; la cristalización fraccionada; y la fusión parcial.
Variables intensivas y volátiles thumb|Cristales de yeso formados cuando el agua se evaporó en el lago Lucero, Nuevo México
Las combinaciones permitidas a los elementos químicos para formar minerales están determinadas por la termodinámica; para que un elemento se agregue a un cristal en una ubicación determinada, debe reducir la energía. A muy altas temperaturas, muchos elementos son intercambiables en minerales como el olivino. Cuando el planeta se enfría, los minerales se exponen a un mayor rango de variables intensivas como la temperatura y la presión, permitiendo la formación de nuevas fases y combinaciones más especializadas de elementos tales como minerales arcillosos y zeolitas. Los nuevos minerales se forman cuando los compuestos volátiles, como el agua, el dióxido de carbono o el O2, reaccionan con ellos. Algunos entornos, como los casquetes de hielo, los lagos secos o las rocas metamórficas exhumadas, tienen series de minerales distintivas.
Influencia biológica La vida ha provocado cambios drásticos en el medio ambiente. El más dramático fue el Gran Evento de Oxigenación, hace unos 2.400 millones de años, en el que los organismos fotosintéticos inundaron la atmósfera con oxígeno. Los organismos vivos también catalizan reacciones, creando minerales como el aragonito que no están en equilibrio con su entorno.
Cronología
Antes de la formación del sistema solar, había alrededor de 12 minerales. La estimación del número actual de minerales ha cambiado rápidamente. En 2008, era de 4300, pero en noviembre de 2018 había 5413 especies minerales oficialmente reconocidas por la Asociación Internacional de Mineralogía.
En su cronología para la Tierra, Hazen et al. (2008) separaron los cambios en la abundancia de minerales en tres intervalos amplios: la acreción planetaria, de hasta 4.55 Ga (hace mil millones de años); la reelaboración de la corteza terrestre y del manto, entre 4.55 Ga y 2.5 Ga; y las influencias biológicas, después de 2.5 Ga. También dividieron las edades en 10 intervalos, algunos de los cuales se superponen. Además, algunas de las fechas son inciertas; por ejemplo, las estimaciones de la aparición de las placas tectónicas modernas varían desde los 4.5 Ga a 1.0 Ga.
Eras y etapas de la evolución mineral de la Tierra Era/estadio Edad (Ga, mil millones de años) n.º acumulativo de especies Prenebular "Ur-minerales" >4.6 12 Era de la acreción planetaria (>4.55 Ga) 1. El sol se enciende, calentando la nebulosa >4.56 60 2. Forma planetesimales >4.56–4.55 250 Era de la corteza y el retrabajo del manto (4.55–2.5 Ga) 3. Evolución de la roca ígnea 4.55–4.0 350–420The 420 is for "phases that might have played a significant role in Hadean geochemical processes"; there are also more than 100 rare minerals () 4. Formación de granitoide y pegmatita 4.0–3.5 1000 5. Tectónica de placas >3.0 1500 Era de la mineralogía mediada biológicamente (2.5 Ga – presente) 6. Mundo biológico anóxico 3.9–2.5 1500 7. Gran evento de oxidación 2.5–1.9 >4000 8. Océano intermedio 1.85–0.85 >4000 9. Eventos mundos bolas de nieve 0.85–0.542 >4000 10. Era fanerozoica de la biomineralización <0.542 >5413
Acreción planetaria thumb|Sección transversal de una condrita que contiene condrículos redondos de olivino y CAIs blancos irregulares thumb|Muestra de una pallasita con cristales de olivino en una matriz de hierro-níquel
En la primera era, el Sol se encendió, calentando la nube molecular circundante. Se produjeron 60 nuevos minerales y se conservaron como inclusiones en condritas. La acreción de polvo en asteroides y planetas, bombardeos, calentamiento y reacciones con agua elevó el número hasta los 250.
Etapa 1: el Sol se enciende
Antes de 4.56 Ga, la nebulosa presolar era una densa nube molecular que consistía en gas de hidrógeno y de helio con granos de polvo dispersos. Cuando el Sol se encendió y entró en su fase T-Tauri, derritió los granos de polvo cercanos.
Algunas de las gotitas fundidas se incorporaron a las condritas como pequeños objetos esféricos denominados cóndrulos. Casi todas las condritas también contienen inclusiones ricas en calcio-aluminio (CAIs, del inglés, calcium–aluminium-rich inclusion), los primeros materiales formados en el sistema solar. A partir del examen de las condritas de esa era, se pueden identificar 60 nuevos minerales con estructuras cristalinas de todos los sistemas cristalinos. Esos nuevos minerales comprenden las primeras aleaciones de hierro y níquel, los sulfuros, los fosfuros y varios silicatos y óxidos. Entre los más importantes se encuentran los ricos en magnesio, olivino, el piroxeno y la plagioclasa. Algunos minerales raros, producidos en ambientes pobres en oxígeno que ya no se encuentran en la Tierra, se pueden encontrar en las condritas enstatitas.
Etapa 2: forma planetesimal