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随着现代科技的进步,地球上可能再过半个世纪就再也找不到新矿物了

一、简介

矿物学是科学最古老的分支之一。然而,直到 IMA 于 1958 年成立之前,关于矿物的命名方式并没有独特且严格的规则。IMA 现在由 38 个国家矿物学协会或团体组成,隶属于国际地质科学联盟 (IUGS)。IMA的CNMNC是接受新矿产提案并经过严格审查后批准新矿产名称的组织。然而,CNMNC 是由新矿物和矿物名称委员会 (CNMMN) 与矿物分类委员会 (CCM) 于 2006 年 7 月合并而成。

在 IMA 之前的时代,地球上已知存在数千种矿物(5000 - 6000 种);有些带有矿物名称,有些则没有。矿物以其发现地点或根据其主要化学成分命名的情况相当常见。不可避免的是,同一种矿物可能有许多名称,因为它很可能在不同的地方和不同的文化下被发现,或者同一个名称可能适用于几种不同的矿物甚至岩石。然而,二战后,出现了以人名来命名新矿物的趋势。

CNMNC采用的标准是,只有第一个在自然界中发现新矿物的人才能提出并申请新矿物名称,如果一个人的名字要用于新矿物,则该人必须提出并申请新矿物名称。自然界中首先发现的新矿物必须排除。此外,如果新矿物的名字还活着,则必须由该人接受。

在矿物中,有一类特殊的矿物,称为高压矿物。它们在高压(例如,超过几十千巴)、有或没有高温的情况下是热力学稳定的。然而,它们能够在地球的环境条件下亚稳定地存在。这组矿物中最引人注目的例子是钻石和硬玉。

20世纪初,哈佛先驱PW布里奇曼对各种元素、合金和化合物进行了最广泛的高压研究,是1946年二战以来第一位美国诺贝尔物理学奖获得者。T.霍尔成功地在高压下合成了金刚石1954 年的高温和 1954 年的高温。1971 年整个夏天,我在犹他州普罗沃市杨百翰大学化学系的霍尔高压实验室工作。硬玉首次在哈佛实验室通过实验证明是一种高压矿物(伯奇和勒孔特,1960)。

2. 探索未知

除了合成金刚石等已知的高压矿物外,高压研究还扩展到探索当时人类未知的新材料。1952年,哈佛大学著名地球物理学家F. Birch预测,地球表面最常见的矿物之一石英(SiO 2)在地球下地幔的高压和高温下可能会呈现金红石型晶体结构(Birch, 1952)。L. Coes以SiO 2作为起始材料,于1953年合成了一种高压材料。然而,这种新材料不具有金红石型结构。相反,它拥有任何其他现有晶体材料所不知道的独特晶体结构(Coes Jr.,1953)。尽管当时在自然界中尚未发现柯石英,但第二年,新材料被赋予了新的矿物名称柯石英(Coesite),以其合成者的姓氏命名(Sosman,1954)。后来确定了柯石英的详细晶体结构(Ramsdell,1955; Zoltai & Buerger,1959),并且在美国亚利桑那州的流星陨石坑发现了柯石英的自然产状(Chao 等人,1960)。

Birch 预测金红石型 SiO 2是在莫斯科高压物理研究所在更高压力下合成的(Stishov & Popova,1961)。在美国亚利桑那州流星陨石坑中发现了金红石型SiO 2的自然产状,并将其命名为stishovite (Chao等,1962)。

众所周知,传统的 SiO 2多晶型物和地球表面存在的所有硅酸盐矿物都具有 二氧化硅4+​4
四面体构型。Stishovite 是第一个已知的含有六重配位硅的化合物。

3. 大英百科全书

就此,我们可以引用《大英百科全书》a中的一篇文章来开始我们的琉特故事。在对人类在高压研究领域的动机、历史、活动和详细实验技术进行了长时间的讨论之后,本文总结了在该领域取得的应用。它只列出了两项应用成果:钻石制造和地球科学。

金刚石制造是指在高压和/或高温下制造的一般新材料。对地球科学具有特殊意义的是两种新型硅酸盐的高压合成。根据《大不列颠尼克号》的一篇文章,先前阐明的斯石英的合成是地球科学的第一个重大事件。然后,“ 1974 年,第二个高压发现彻底改变了地质学家对地球深部矿物学的理解,澳大利亚国立大学的 Lin-gun Liu 使用金刚石砧池合成了硅酸盐钙钛矿,这是一种常见矿物顽辉石的致密形式, MgSiO 3 (刘, 1974, 1975a)。刘随后的研究表明,许多被认为构成地球内部深处的矿物在下地幔条件下转变为钙钛矿结构——这一观察使他提出硅酸盐钙钛矿是地球上最丰富的矿物 (Liu,1982),也许占地球体积的一半以上。”(斜体来自大英百科全书。)

从《大英百科全书》的记载中可以明显看出,硅酸盐钙钛矿是地球和其他行星的极其重要的组成部分。换句话说,硅酸盐钙钛矿可能是构成地球的最丰富的矿物。

4. 柳斯特 vs 柳斯特

由于硅酸盐钙钛矿对地球的重要性,作为一名中国地球科学家,有必要向中国社会介绍这种新材料。为了翻译出硅酸盐钙钛矿在中文中的真正含义,台北中央研究院地球科学研究所的E. Huang发现,除了为硅酸盐钙钛矿创造一个新的矿物名称之外,确实没有简单的出路。由于所有高压矿物之前都是以第一个合成/识别该新材料(例如柯石英、斯石英……)的人的姓氏命名的,黄建议将硅酸盐钙钛矿命名为锂铁矿。然而,直接将“刘石”翻译成中文会变得极其混乱,因为肯定有成千上万的中国男性同名。经过充分讨论后,3 -钙钛矿,并在《科学月刊》 (Huang,1991)上发表了一篇简短的中文笔记,阐述了他的建议。将“刘氏石”直接翻译成中文就变得更加清晰和有意义。当然,六锰矿并没有得到IMA的认可,只是因为当时自然界中尚未发现它。

5. 秋本伊特 vs 柳伊特

1997年7月,美国科学家夏普等人。在著名的《科学》杂志上发表了一篇论文,描述了他们在冲击 L 球粒陨石中发现了一种钛铁矿型 (Mg, Fe)SiO 3新矿物(Sharp 等人,1997)。一个月后,两位日本科学家也在同一期刊上发表了一篇论文,描述他们在 Tenham 陨石中发现了一种钛铁矿型 (Mg, Fe)SiO 3新矿物(Tomioka & Fujino, 1997)。

1997年9月,Tom Sharp给我写了一封信,表示他准备向CNMMN申请将钛铁矿型(Mg,Fe)SiO 3新矿物命名为liuite,以纪念我首次合成/鉴定出MgSiO 3 -钛铁矿(刘,1976,1977)。我接受了汤姆的邀请。然而事实上,我在 1976 年的论文中指出,在 500 kbar 下合成的六方 MgSiO 3 (Kawai 等人,1974)实际上可能与我在 1976 年合成的 MgSiO 3钛铁矿相同,但是我首先确定了 MgSiO 3 -钛铁矿的结构,并且我的合成是在 200 kbar 的低得多的压力下进行的。

在我听到有关 Tom 为钛铁矿型 (Mg, Fe)SiO 3申请矿物名称“liuite”的消息之前,这种新矿物已于 1997 年末被 IMA 以东京大学地球物理学家 S. Akimoto 的名字命名为 akimotoite。显然,这一定是富冈和藤野向 IMA 提出新矿物名称秋元石动议的结果。我从未向汤姆询问过他将这种新矿物命名为锂铁矿的建议背后的故事,汤姆也从未告诉过我这个故事。我可以理解钛铁矿型 (Mg, Fe)SiO 3是否应命名为 kawaiite,或者以其他合著者 1974 年论文中的名字命名。S. Akimoto是一位著名的高压研究员,但他与MgSiO 3 -钛铁矿绝对没有任何关系。

读完本文的早期版本后,N. Tomioka 于 2021 年 12 月给我写了一封信。他指出,将 MgSiO 3 -钛铁矿命名为秋本石的提议是由 1997 年美日高压地球物理会议推荐并批准的同年通过IMA。这可能就是汤姆·夏普从未告诉我这个故事的原因。

到了 20 世纪末,地球科学界有一种趋势,即用一个与新矿物没有太多关系的人来命名一种新矿物,只是这个人很有名和/或有影响力。通常,指定的人是与第一个在自然界中发现这种矿物的人相关的组织的负责人。

6. Lingunite vs Liuite

2000 年,吉列等人。在《Science》杂志上发表论文,声称在震动的四象口陨石中首次发现了锰铝榴石型(Na,Ca)AlSi 3 O 8 (Gillet et al., 2000)。同年,富冈和藤野还发表了一篇论文,描述了他们在特纳姆陨石中发现了一种锰铝榴石型(Na,Ca)AlSi 3 O 8新矿物。2000年以后,各种文献都报道了各种陨石中出现了相同的新矿物。然而,实际上,镁锰矿型 (Na, Ca)AlSi 3 O 81990年,日本科学家森首次在陨石中发现了它。不幸的是,森的发现在日本矿物学协会年会上以日文形式发表了简短摘要,但并未被广泛阅读,甚至包括日本科学家。

2003 年,德国科学家 El Gorsey(Gillet 等人发表的论文的最后一位作者)给我写了一封信,表示他将敦促第一作者 Gillet 向 IMA 申请一个新的矿物名称,以纪念我的名字。首次合成/鉴定NaAlSi 3 O 8 -锰铝石(Liu,1978)。我接受了他的盛情邀请。然而一年多过去了,什么事情也没有发生。

2004 年 6 月至 7 月,我在神户每 3 至 4 年举行一次的 IMA 大会上见到了 N. Tomioka(这不是第一次)。在不知道 El Gorsey 的提议的情况下,富冈亲自向我提议向 IMA 申请一种新的锂铁矿,以纪念我的工作。我谢绝了富冈的好意,因为我已经接受了埃尔·戈西的提议。如果我接受富冈的邀请,就不会有lingunite(见下文)。

由于一年多后,吉列没有对新矿物的申请采取任何行动,埃尔戈西决定亲自行动。在我们2004年8月至9月的一封信中,El Gorsey表示,他不会按照传统采用我的姓氏,因此提议将新矿物命名为柳铁矿,因为中国的柳族太多了。相反,如果我可以接受,他会建议使用我的名字“Lin-gun”,将新矿物命名为“lingunite”。我接受了他的建议,2004年底IMA将(Na,Ca)AlSi 3 O 8 -菱锰矿命名为菱锰矿。

7. 布里奇曼尼特 vs 柳特

如前所述,硅酸盐钙钛矿是地球上最重要的矿物,因为它们在地球下地幔中含量丰富。1974-76 年期间,我在澳大利亚国立大学合成/鉴定了各种硅酸盐钙钛矿,然后其他人才接触到这些新的高压材料。Sharp 等人首先声称发现了天然硅酸盐钙钛矿。Tomioka 和 Fujino 在他们 1997 年的论文中发现了与他们之前发现的天然 (Mg, Fe)SiO 3 -钛铁矿(或现在的秋元石)相同的陨石。不幸的是,他们研究中的天然硅酸盐钙钛矿样品在研究后被损坏。

然而,2014 年,加州理工学院的科学家使用了 Tomioka 和 Fujino 之前使用的相同陨石 (Tenham),并证实了天然 (Mg, Fe)SiO 3 -钙钛矿的存在(Tschauner et al., 2014)。当加州理工学院的这些作者决定向 IMA 申请 (Mg, Fe)SiO 3的新矿物名称时-钙钛矿,使用锂榴石是一种选择,原因很明显,这些材料是刘在1974年和1982年首次合成并首次提出是地球上最丰富的矿物,正如大英百科全书所说。然而,将这种新矿物命名为 liuite 的建议遭到了一些美国同事的拒绝,因为 lingunite 已经以 Lin-gun Liu 的名字命名。相反,如前所述,这些同事强烈建议将这种新矿物命名为 Bridgmanite,以纪念哈佛高压研究先驱 PW Bridgman。2014年,IMA批准桥锰矿的名称为(Mg, Fe)SiO 3 -钙钛矿。

我一直想知道 PW Bridgman 是否会因为用他的名字命名这种新矿物而感到荣幸。人们甚至可能会好奇,为什么当代美国科学家没有对这个矿物名称提出异议?据我了解,这样的候选人不少。不幸的是,他们似乎也不想看到其他同事盗用这个矿物名称。另外,以防万一,即使他们中的一个赢得了比赛,仍然要面对当代世界科学界的批评。一个死人不会说什么。

8.柳伊特

2017 年 4 月,加州理工学院的 C. Ma 告诉我,他在一块钠钙石陨石中发现了钙钛矿型 FeTiO 3,并邀请我接受他的提议,将这种新矿物命名为 liuite,因为我首先合成/鉴定出钙钛矿型(Fe, Mg)TiO 3 (Liu, 1975b)。随后,IMA 于 2018 年 11 月批准了新矿物名称 liuite (Ma et al., 2021),尽管 lingunite 已经以我的名字命名。后一个事件表明, 2014年使用liuite(尽管我更喜欢liusite或刘氏石)来命名(Mg, Fe)SiO 3 -钙钛矿的建议确实没有任何问题。

自从 C. Ma 开始在加州理工学院电子显微镜实验室工作以来,他的团队已经在各种陨石中发现了大约 40 种新的高压矿物。加州理工学院实验室发现的新矿物为美国高压研究领域的一些杰出人物提供了获得新矿物名称的机会,尽管这些杰出人物实际上对新矿物没有做出任何贡献。自从1954年第一个以L. Coes命名的高压矿物柯石英(当时并未得到IMA认可)以来,直到21世纪初加州理工学院实验室的发现,再没有以美国科学家命名的高压矿物。

由于锂铁矿的化学成分,根据中国矿物学命名法,锂铁矿的等效中文名称应为刘钛铁矿。

在我的研究生涯中,我已经制造了 50 多种新型高压材料。迄今为止,其中五种已在自然界中被发现并被IMA批准为新矿物;1997 年的 akimotoite、2004 年的 lingunite、2014 年的 Bridgmanite、2017 年的 liuite 和 2020 年的 davemaoite。无论哪种情况,我制作的新材料总数或 IMA 认可的新矿物名称数量都可能创纪录。这是非常罕见的例子之一,如果不是第一个和/或唯一一个,一个人的姓氏和名字都得到 IMA 新矿物的认可。

在汤姆·夏普(Tom Sharp)、A·埃尔·戈尔西(A. El Goresy)和奇·马(Chi Ma)写信给我邀请接受他们为新矿物命名的建议之前,我并不认识也不认识他们。

发布日期:2024-04-07