0 引言

矿物是地球和地外天体中天然产出的具有确定的化学组成和结晶学性质的固体物质，是特定地质作用的产物，其蕴含着丰富的原始信息源，有助于解析地球和地外天体的起源和发展以及矿产资源的形成与演化；此外矿物特有的属性使其在环境的变迁与修复、材料的利用和研制等诸多领域也有广泛应用（蔡剑辉，2021；胡朋等，2023）。因此，矿物是我们解译地质地球化学过程、认识地球的形成与演化，乃至生命起源等重要过程与重大事件的关键信息载体（何宏平等，2020；刘中戎等，2024）。

已有研究表明，地球的演化过程也是矿物多样性不断丰富的过程，由原始地球的12种组成矿物逐步演化为目前已知的 6000 多种矿物（Hazen et al.， 2008，2022）。随着研究技术的进步，每年都有数十种乃至上百种新矿物被发现。新矿物的研究和发现，也成了矿物学的重要基础研究方向之一，一直备受重视，其成果具有国际性，在一定程度上反映了国家在该领域以及整体科技水平和对科学发现的贡献（李国武，2020），例如中国近几十年来新矿物发现的进展（王濮等，2014；蔡剑辉，2021）和最近探月工程中嫦娥石的发现（Yang and Du，2024）。此外，新矿物的发现也可促进新材料的革新，进而促进科学技术的进步，具有重要的现实意义。

随着新矿物的不断发现和大数据时代的到来，矿物学界也建立了相关的矿物学数据库，矿物大数据分析为认识地球演化开辟了全新的途径（李胜荣等，2021）。以往很多研究地壳演化的数据是以某一类矿物（如锆石）为主，但这样可能存在采样数量上的差异，导致某些时期和地区的频数或权重出现偏差，需要进行校正（Puetz and Condie，2019；Puetz and Condie，2022）。矿物数据库则不同，每一种矿物的权重是一样的，也就更能反映地球演化的趋势。目前已有不少研究利用全球矿物数据库从矿物的成因、特定矿物类群、特定时期矿物演化特征等角度开展了深入的研究（Rosing，2008；Hazen， 2019a；Hazen et al.，2019b；Tang et al.，2021）。但其中仍有不少信息值得挖掘。例如新矿物发现的空间差异，以及矿物多样性在各大陆的时空差异。

本文利用最新的矿物学数据库，对新矿物的发现进行空间分析，对比各大陆在新矿物发现领域的异同点；并对所发现矿物进行时间序列分析，与现有锆石、变质岩、大火成岩省等地质记录进行对比，挖掘矿物多样性的长期演化特征及其与地球超大陆旋回的耦合关系，为认识地球演化、量化超大陆旋回提供新的思路。

1 方法

1.1 数据来源

本文矿物多样性数据来自由 RRUFF 项目和国际矿物学协会（IMA：International Mineralogical Association）合作创建和维护的IMA矿物属性数据库，数据库网址为 https://rruff.info/ima/。在 2006 年神户国际矿物协会大会上，理事会同意开发一个互动网站，提供“官方”国际矿物协会矿物清单。基本上，这个清单包含了被认为具有充分特征的矿物名称，可以通过各种方法进行鉴定。在剑桥 2007 年的理事会会议上，IMA 认可这个网站作为“官方”IMA 矿物列表在网络上的代表。

数据库一共收录矿物6237种，得到IMA确认的一共 5997 种（2025 年 1 月 6 日检索，2024 年及之后的矿物未检索到，不参与统计）。本文主要分析得到 IMA 确认的 5997 种矿物。IMA 数据库记录了每种矿物的多种属性，包括名称、代号、数据库编号、元素、化学式、首次发表时间（Year First Published）、矿物首发地所在国家（“Country of Type Locality”）、晶系、已知的最早年龄（The Oldest Known Age）、成因模式，参考文献等。这些属性可以作为网页上检索的选项，也可以在导出矿物清单时勾选用于后续分析。

1.2 处理方法

本文侧重在矿物的时空分布特征，故聚焦在矿物的首发地和形成年龄，据此对其进行空间分析和时间序列分析。

1.2.1 空间分析

在IMA认定的5997种矿物中，5929种矿物有明确的首发地点/国家信息，只有 68 种矿物的首次发现地未知。在已知首发地的矿物中，有81种矿物首发地有两处或三处，这些矿物有来自陨石，或来自跨国的合作研究，或不同国家的研究成果同年发表。在统计各国/各大洲发现矿物种数时，这类情况给相应国家各记一次。然后将各个国家按大洲进行分类，最终，统计出各国和各大洲发现矿物的种数和比例。将所得数据与 ArcGIS 中的世界地图底图以国家名称进行关联，在 ArcGIS 中呈现，以体现其空间差异。

1.2.2 时间序列分析

目前的研究普遍将矿物已知的最早年龄（The Oldest Known Age）视为该种矿物的形成年龄，据此可以编制矿物年龄谱。IMA 数据库收录的 5997 种矿物中，有确切形成年龄的 4816 种，1181 种无确切年龄信息。4816种矿物中，不少矿物具有同一形成年龄。在 Excel 中对矿物的年龄数据进行分类汇总、计数，得到每个年龄所形成的矿物种数。然后利用求和函数将各时代所形成矿物的数量累加，可得到矿物种类的累积曲线。通过对矿物年谱和矿物种类累积曲线进行时间序列分析，探究矿物多样性演化的长期特征。

2 结果

2.1 各大洲发现新矿物的空间差异

研究者在全球各大洲都发现了新的矿物种类，但所占比例差别巨大。由图1 可知，在欧洲发现的矿物种类最多，占据了最大的份额，达到了 48.4%，几乎占据了饼状图的一半。紧随其后的是北美洲，其比例为21.9%。亚洲的比例为11.0%，约为北美洲的一半。非洲、南美洲和大洋洲的比例较为接近，分别为 8.0%、6.2% 和 4.4%。南极洲所占比例仅为 0.2%，且主要为陨石中发现的地外矿物。

由此可见，在新矿物发现的领域中，欧洲占据了主导地位，北美洲次之，两者呈断崖式领先于亚洲及其余大洲。而非洲、南极洲和南美洲的份额则相对较小。值得注意的是，这一差异并不代表各大洲所赋含矿物种类的差异，因为各大洲矿物学研究的历史长短、范围大小和程度深浅本身就存在巨大差异。欧洲为现代地质学的发源地，最早对矿物开展系统研究；而随着部分欧洲人迁移至北美洲，也开始进行地质勘察、矿产资源开发和地质基础研究，在这个过程中也可发现较多新矿物。亚洲、非洲、南美洲等虽然面积辽阔，但地质学研究普遍起步较晚；大洋洲的地质学研究也起步较晚，虽有澳大利亚地质学研究程度较深，但总体面积比其他大洲要小得多，所发现的矿物种类也仅占较少份额。由于研究程度低，目前在南极洲发现的矿物种类非常少，但是，其中有不少是来自陨石的地外矿物。

各大洲发现矿物种类数量的差异，最直接体现在各个国家（地区）之上。欧美各国中，美国（906） 和俄罗斯（895）遥遥领先，德国（380）、意大利 （388）、加拿大（244）、瑞典（195）、英国（130）、法国 （124）等也有突出的贡献。而在亚洲国家中，中国 （179）数量最多，日本次之（158），随后为哈萨克斯坦、阿富汗、印度等。南美诸国，以智利、巴西、阿根廷和玻利维亚为主。非洲则在刚果共和国（103）、纳米比亚（108）和南非（86）为主。大洋洲则主要在澳大利亚（185）。

排名前十的国家及其占比依次为：美国 （14.99%）、俄罗斯（14.81%）、意大利（6.42%）、德国 （6.29%）、加拿大（4.04%）、瑞典（3.23%）、澳大利亚 （3.06%）、中国（2.96%）、日本（2.61%）和捷克 （2.48%）（图2）。其中美国和俄罗斯非常接近，是其他国家的 2 倍多，说明他们在新矿物发现方面处于绝对领先地位；意大利和德国与之后的国家也有 2% 的差距，说明他们在这一领域的研究程度也比较高；但第五名之后各国发现矿物数量和占比就呈缓和递减趋势，排名相邻的国家之间的差距就较小。总的来说，这十个国家所发现矿物种类数量占总数的60%以上。但值得注意的是，也有不少国家目前在新矿物发现这一领域仍处于空白，例如在非洲、东南亚、中欧和拉丁美洲等地。

需要指出的是，数据库中有68种矿物的归属地为“unknown（未知）”或“？”，这些矿物基本是19世纪之前发现的矿物，包括金、银、铜、铁等金属矿物，人类较早对这些矿物进行开发利用，但其具体时间或地点，目前仍缺乏可靠的考古证据或文献记载。

2.2 矿物多样性的时空分布特征

根据矿物年龄构建出的矿物年龄谱（图3），可以发现以下几点特征：

目前约有 121种矿物形成于 45亿年之前，可能比地球本身更早，其中不少仅从陨石中得知。地球形成之后，在 4.3 Ga，4.0 Ga 和 3.6 Ga 前后这 3 个时间有 153 种矿物形成。冥古宙时期的矿物总量较少，但时间非常集中，主要原因之一是古老岩石圈物质的保存或出露有限，多种矿物首次发现于同一岩石露头。

目前所发现的地球上大部分矿物是在3.5 Ga才开始陆续形成。此后，矿物陆续形成，在 2.7 Ga 和 2.5 Ga 达到第一个高峰期，但逐渐回落，在 2.4~2.1 Ga期间出现第一个低谷期（对应休伦大冰期）后，又开始逐渐增加，在 1.8 Ga 期间达到第二波高峰。此后，在约 1.7~0.7 Ga 是元古宙以来矿物形成的一个相对低潮的时期，尤其是在新元古代中期（0.8~0.65 Ga），总共形成矿物不到 100 种。即使在 Rodinia 聚合时期（1.30~0.96 Ga），形成新矿物的种类也远比其他3个超大陆形成的时期少得多。

进入显生宙，矿物的形成开始了新的阶段。基本每50 Ma可形成100种矿物以上，最高可达550种以上。显生宙新矿物的形成速率普遍比前寒武纪大多数时期要高，普遍在 50 种/10 Ma 左右；值得注意的是，出现了几个突出的高峰，分别在 420~410 Ma（约 250 种），360~350 Ma（约 200 种）和 10~0 Ma （约 360 种），而在 260~250 Ma，150~140 Ma，130~120 Ma 和 30~20 Ma 也有 3 个小高峰，各自形成 80~100 种矿物。这些高峰期，与地球重大的构造运动如加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜山运动等时间基本同步（Li et al.，2018）。

新生代期间，新矿物的形成速率基本集中在 40~100 种每 10 Ma 左右，但在最近 1 Ma 内，形成了近 280 种新矿物。而根据最新的研究，目前已知的有 600 多种矿物来自人类活动（部分未收录进 IMA数据库），包括500多种由采矿引起的矿物，其中234 种是由煤矿火灾形成的。最近 1 Ma 的矿物数量剧增，被称为“ 人类世矿物大爆发 ”（Hazen et al.， 2017）。

在各大洲发现的矿物所形成的时间也各有特点（图4）。最大的相似之处在于，七大洲基本可见约 2.75~2.50 Ga，1.9~1.7 Ga，1.0~0.9 Ga，0.45~0.35 Ga共 4个时期的高峰，表明全球各大洲的矿物多样性演化具有相似的节律。但各大洲之间也各有特点：（1）南极洲发现的矿物形成时间比较零散，主要与露头出露有限、研究程度低有关，而其他大陆矿物形成时间相对较为连续。（2）南极大陆、非洲大陆、南美洲和大洋洲在 0.6~0.5 Ga 有一个明显的高峰，可能与冈瓦纳大陆聚合时期的“泛非运动”等事件的影响有关（Kemp et al.，2006）。虽然印度也参与了冈瓦纳大陆的聚合，但整体面积在亚洲中占比不大，这时期的峰值就不明显。（3）显生宙期间，亚洲、欧洲形成的矿物种类最多，可能反映了加里东运动、华力西运动以及特提斯构造域的演化（Zhao et al.，2018）。（4）而非洲大陆自中生代以来，所形成的矿物类型明显减少，此时非洲周边均处于离散背景，除红海—亚丁湾—东非大裂谷的扩展之外，无大规模的地壳运动，不利于矿物多样性的增加。（5） 而在新生代以来，在欧亚大陆和美洲大陆都有大量矿物类型形成，可能反映了喜马拉雅运动和太平洋运动的影响。

以100 Ma为窗口，对不同时期形成矿物种类数量进行归一化处理，可以得到各大洲不同时期发现矿物种数占该时期总数的比例，进而反映各大洲对地质历史时期矿物多样性的贡献（图4h）。结果表明，欧洲所发现矿物类型数量在所有时期基本占最多数，北美次之，这与两者的地质记录丰富和研究程度较深有关。大洋洲则在冥古宙和太古宙时期的矿物占比较多，主要得益于澳大利亚保留了典型的古老地壳，也是早期地球演化研究的焦点地区。南美和非洲在太古宙形成的矿物种类也较多，但更突出的是格林威尔期至泛非期（1.1~0.5 Ga），而显生宙之后占比剧减。

a—全部；b—显生宙；c—新生代

3 讨论

3.1 矿物多样性与地壳长期演化

地壳的长期演化一直是地球科学研究的重要科学问题。不少学者根据岩石、同位素等证据提出地壳生长的过程，并计算或模拟出地壳生长的曲线 （图5）（Condie and Aster，2010；Dhuime et al.，2012； Spencer et al.，2017）。地壳演化过程中，经历了多阶段的张裂、俯冲、碰撞等过程，以及与地幔的相互作用。这种过程，也为矿物的形成提供了重要的地质背景（Huston et al.，2023）。

为了探究地壳长期演化和矿物多样性之间的关系，本文将学者提出的不同情景下得到的地壳生长曲线和矿物多样性演化曲线进行对比，发现矿物多样性演化曲线与 Condie and Aster（2010）提出的新生陆壳生长曲线更吻合（图5）。两者均在2.75 Ga 之后呈现阶段性增长的特征。地球在约 2.75~2.5 Ga形成了大量的新生地壳，此时也促进了大量的新生矿物形成。而在 2.1~1.7 Ga，0.6 Ga 至今，两者都有快速的增长；在 2.5~2.1 Ga，1.7~1.1 Ga 以及 0.9~0.7 Ga这 3个阶段，两者都进入到相对稳定的时期，没有大幅度的增长。由此可见，新生地壳的长期生长趋势和矿物多样性演化具有较为一致的趋势。

3.2 矿物多样性演化与超大陆旋回

根据地球历史时期矿物多样性的时间分布可以发现，矿物多样性的演化具有一定的周期，主要集中在 3.2~2.4 Ga，2.25~1.6 Ga，1.35~0.8 Ga，0.65~0.1 Ga 这 4 个周期（图6），每个周期时长约 550~800 Ma。已有研究表明，大多数地质记录都有明显的周期性特征（Broussolle，2024）。例如锆石年代学数据显示约800 Ma的长周期（Wu et al.，2022），大火成岩省和锆石铪同位素显示约 600 Ma 的周期（Li et al.，2019；Mitchell et al.，2019），铅锌矿、造山带和被动大陆边缘的形成也有 600~700 Ma 的周期（Li et al.，2019）。这些长周期，都可能对应着地球全球性的板块构造运动，或者称超大陆旋回。

地球板块构造的启动时间一直存在争议，但基本认为在新太古代已有板块运动。最近来自北美怀俄明地块和苏必利尔地块的古地磁证据表明，最晚在2.6 Ga时地球已有板块运动（Ding et al.，2024），但当时的地球可能是在一个不同于现今板块构造的地球动力学机制下运行的，其特征是存在多个超级克拉通，而不是一个单一的超级大陆（Palin et al.， 2020）。在新太古代至古元古代存在一个由多个陆块拼合而成的超级克拉通苏必利尔（Superia），其存续时间约 2.75~2.3 Ga，不过这一超级克拉通的具体拼合方式和存续时间仍需要更多研究。但目前大多数证据均表明，地球约在 2.0 Ga 开始了超大陆旋回，相继出现努那/哥伦比亚（Nuna/Columbia）、罗迪尼亚（Rodinia）、潘吉亚（Pangea）共3个超大陆，每个超大陆演化的周期约 600 Ma（Li et al.，2019），这一周期与矿物多样性演化的周期基本一致。矿物的种类、成分、结构、性能与产出不断演变，其多样性和分布模式与其不断演变的形成环境密切相关。在超大陆旋回的不同阶段，地壳的改组导致了不同的构造环境和岩石组合，进而影响了矿物的形成和演化。因此，可以推断，地球3.2~2.4 Ga的矿物多样性高峰可能与普遍的克拉通化或者苏必利尔超级克拉通的形成有关，而古元古代以来的矿物多样性演化主要由超大陆旋回主导。

关于这 3 个超大陆旋回的演化，最近的综述研究综合了古地磁、大火成岩省、造山带、沉积相等多方面数据，重新厘定了三者的聚散过程（Merdith et al.，2021；Li et al.，2023）。努那/哥伦比亚超大陆约在 1.6 Ga 聚合完成，在 1.3 Ga 后逐渐裂解，至 1.15 Ga 裂解完全。此后罗迪尼亚超大陆开始聚合，至 0.96 Ga 基本聚合完成，而后在 0.72 Ga 逐渐裂解。而到了埃迪卡拉纪，当罗迪尼亚超大陆逐步裂解时，冈瓦纳大陆也在南边开始聚合并在0.54 Ga聚合完成，最终与北边的劳亚大陆约在0.32 Ga聚合成潘吉亚超大陆；潘吉亚超大陆在0.18 Ga前后随着大西洋的打开，逐步开始裂解。

超大陆演化的不同阶段，矿物多样性也有差别。矿物多样性的高峰期出现在 2.75~2.5 Ga，1.9~1.7 Ga，1.0~0.9 Ga，0.45~0.35 Ga，基本对应超级克拉通苏必利尔和努那/哥伦比亚、罗迪尼亚及潘吉亚这 3个超大陆的聚合期（图6）。而在超大陆裂解期，形成矿物的种类比聚合期较少，但比超大陆存续时期 （聚合完成至裂解开始之间）略多。这一规律很可能指示板块汇聚是产生新矿物的主要动力学背景，超大陆裂解也为新矿物形成提供了一定条件。

a—矿物年龄谱（IMA数据库）；b—锆石年龄分布（据Condie and Puetz，2019）；c—变质作用记录；d—大陆大火成岩省（Stephenson et al.，2023）；e— 被动大陆边缘（Bradley，2011）；f—矿物多样性累积曲线（IMA数据库）；g—锆石 δ¹⁸O分布及 LEOSE拟合曲线（Spencer et al.，2017）；h—地球大气氧气浓度变化曲线（Chen et al.，2022）。灰色色带表示未确定的超级克拉通，蓝色色带表示超大陆的存续阶段，渐变色表示其聚合和裂解阶段。绿色色带指两次氧化事件：GOE，great oxidation event，大氧化事件；NOE，Neoproterozoic oxidation event，新元古代氧化事件。

在超大陆聚合期间，壳幔相互作用非常强烈和频繁，地壳受到强烈的挤压和变形，形成了大量的变质岩和岩浆岩。这些岩石为矿物的形成提供了丰富的物质来源，包括金属元素和非金属元素等。同时，强烈的构造活动也促进了岩浆活动和热液循环，为矿物的形成和富集提供了有利的条件。通过与其他记录对比可以发现，超大陆聚合阶段，是矿物多样性和变质作用的高峰（Palin et al.，2020），也是地球锆石主要形成的阶段（Condie et al.，2021）。而锆石主要形成于大陆弧等环境下的酸性岩浆活动，与板块汇聚作用关系密切（Macdonald et al.， 2019）。全球锆石氧同位素（δ ¹⁸O）的拐点分析表明， 3个超大陆的组合阶段与地壳改造的增加有关。而在每一个超大陆旋回的分裂阶段，锆石δ ¹⁸O值减小，趋向于更像地幔的值（+5‰），这与超大陆分裂过程中地幔柱和/或板块回退导致更多的幔源岩浆活动的模型相一致（Mitchell et al.，2021）。

这表明，板块汇聚背景下的变质作用和岩浆活动更利于矿物多样性的形成。此外，板块汇聚导致地表起伏加大，加速地表风化、剥蚀，诸多表生过程也可导致大量矿物形成，但这一规律需要结合矿物的成因进行深入分析。

在超大陆分裂期间，全球尺度的地壳拉伸和张裂，形成了大量的裂谷、盆地和被动大陆边缘。这些裂谷、盆地和被动陆缘成为沉积岩的主要发育区，同时也为某些特定类型的矿物（如沉积矿物）的形成提供了场所。同时，地壳伸展也伴随着大量地幔物质上涌，促进矿物的形成。相比于聚合期，分裂期形成的矿物类型偏少，这一点，矿物多样性与大火成岩省以及被动大陆边缘的演化节律的差异也能体现出来（图6a，d，e）。

而在超大陆聚合后至裂解前这段时期，地壳活动相对稳定，构造、岩浆活动都较为微弱，总体以地表的风化-沉积作用为主，所形成的矿物类型不多。这一特征在努那/哥伦比亚和罗迪尼亚两个超大陆期间最为明显，也基本对应所谓的“Boring Billion” 或者地球的中年（Cawood and Hawkesworth，2014），这时期地球的造山运动也相对微弱（Tang et al.， 2021）。即使期间有罗迪尼亚超大陆的聚合，但其聚合方式可能比较独特（Liu et al.，2017），未能如潘吉亚和努那/哥伦比亚一样形成丰富的矿物类型。

值得注意的是，地球的矿物有一大部分是在表层系统中形成的，而水、大气成分、温度等地表因素都可能对矿物形成产生重要的影响（Hazen and Mor‐ rison，2022）。矿物多样性演化曾有两个明显的低谷期，分别在2.4~2.1 Ga 和0.8~0.6 Ga（图6a）。这两个时期是地球两次大规模冰期，或者称“雪球地球”发生的时期，地表温度低，表层地球过程微弱，直接削弱了表层成矿作用。但是，两个时期与大氧化事件和新元古代氧化事件的时间也大体重合（Eguchi et al.，2020；Gumsley et al.，2017）。两次氧化事件是地球大气圈演化的重大转折期，氧气含量的增加对生命演化、大气环境和矿物的氧化都会产生重大的影响。因此，即使地球因为大冰期的影响削弱了表层地质过程，导致了较低的矿物多样性，但随着冰期消退和大气氧气含量增加，此后却迎来了矿物多样性的爆发。这两个时期体现了地表温度和大气环境对矿物多样性演化的共同作用。

4 结论

本文对矿物数据库进行了初步的时空分析，揭示了各国和各大洲在新矿物发现领域的差异。将矿物多样性演化数据与锆石、变质岩、大火成岩省等地质数据库进行对比，发现矿物多样性的演化与地壳生长步调基本一致。同时，矿物多样性演化具有一定的周期，主要集中在 3.2~2.4 Ga，2.25~1.65 Ga，1.35~0.8 Ga，0.65~0.1 Ga 这 4 个周期，每个周期时长 550~800 Ma，这些周期与地球板块运动过程，尤其是与古元古代以来的超大陆旋回具有较高的匹配度。超大陆聚合时，矿物多样性增加；而超大陆稳定期合理裂解期，矿物多样性增加相对较缓。地球表层气候和大气氧含量对矿物的形成也起到重要作用。各大洲在矿物多样性演化过程中具有相似的节律，但也因自身演化特征而呈现出独特性。

参考文献