На Земле существует более 5000 известных минеральных видов, от вездесущего кварца до чрезвычайно редкого фингерита, который существует только на вершине вулкана Изалько в Сальвадоре. Минералоги долго изучали, как и почему минералы встречаются там, где они есть. Теперь они применяют большие данные к вопросу.
Связанный контент
- Нам не хватает 145 углеродосодержащих минералов, и вы можете помочь найти их
Исследователи используют теорию сетей, чтобы понять, каким образом различные химические, биологические, физические и географические параметры определяют, где находятся минералы. Теория сетей - идея о том, что отношения между вещами регулируются набором математических правил - часто используется, чтобы посмотреть на распространение инфекционных заболеваний или понять, как взаимодействуют человеческие группы (например, террористические организации). Исследователи надеются, что это поможет им открыть новые виды минералов, найти клады ценных ресурсов, таких как золото и медь, и лучше понять, как сформировалась земля. Отчет о работе был только что опубликован в журнале American Mineralogist .
«Мы смотрим на минеральные системы целостным образом», - говорит Шонна Моррисон, которая возглавляла исследование вместе с Робертом Хейзеном, исполнительным директором Глубокой углеродной обсерватории, сети ученых, посвященных лучшему пониманию углерода на Земле. «Мы можем исследовать отношения и обратную связь между многими различными параметрами, и мы можем получить представление о том, из чего состоит наша планета и почему. Как только вы начинаете смотреть на то, как минералы встречаются на поверхности земли, вы видите, что они встречаются вместе по очень конкретным причинам. Вы можете видеть это в сетях очень отчетливо ».
Например, кварц и различные виды полевого шпата обычно встречаются вместе (они являются двумя основными ингредиентами в граните), потому что они были созданы в разных точках одного и того же процесса, кристаллизации магмы. Минеральный «вид» - это просто минерал, который можно отличить от любого другого минерала существующими методами.
Исследователи используют базы данных миллионов образцов минералов из сотен тысяч мест по всему миру. Эти базы данных содержат информацию о минералах, таких как химический состав, твердость, возраст, размер месторождения и место, где был найден минерал. Они объединили это с данными об окружающей географии и геологической обстановке. Результатом является ряд моделей, которые потенциально могут выявить закономерности, которые в противном случае было бы трудно увидеть. Эти модели могут дать представление о том, какие минералы имеют тенденцию встречаться вместе, и могут показать, какие геологические, химические и физические свойства существуют там, где обнаружены конкретные минералы.
Схема сети для 403 углеродных минералов. Каждый цветной круг представляет различный углеродный минерал. Размер и цвет кружков показывают, насколько они распространены. (Моррисон и др., Любезно предоставлено американским минералогистом). Это могло бы значительно облегчить жизнь минералогам, которые исторически выполняли эту работу медленным тяжелым трудом.
«Например, в Аризоне есть эти медные рудники, и [минералогисты] изучают способы, которыми эти медные минералы образуются очень исчерпывающим образом, проводя картирование и химический анализ, и тратя тысячи часов на изучение этих месторождений, чтобы понять, как они образовались», говорит Моррисон, постдокторский исследователь в Институте науки Карнеги. «Когда вы, наконец, поймете, как они образовались, вы можете сказать:« Хорошо, где еще на земле это могло произойти? » Это означает, что вам нужно иметь глубокое понимание геологической истории Земли. Тогда ты пойдешь копать.
Сеть из 664 минералов меди, причем каждый цветной круг представляет отдельный медьсодержащий минерал. Распределение показывает ранее непризнанные образцы распределения (Morrison et al., Любезно предоставлено American Mineralogist). Теория сетей может значительно ускорить и упростить поиск примерно 1500 нераскрытых видов минералов на земле, не проводя почти столько исследований кожи обуви. Глядя на сети между известными минералами, ученые могут заполнить пробелы.
«Мы можем потенциально сказать:« Хорошо, следующий минерал меди, вероятно, будет иметь такой состав и будет найден в этом месте на земле », - говорит Моррисон.
Исследователи уже использовали анализ данных для прогнозирования 145 «недостающих» углеродсодержащих (то есть содержащих углерод) минералов, которые должны существовать в соответствии со статистическими моделями, но еще не были обнаружены. Это привело к созданию гражданского научного проекта Carbon Mineral Challenge, который просит профессиональных и любительских сборщиков минералов помочь найти эти прогнозируемые минералы. Участники могут найти образцы в дикой природе, а также просят обыскать свои коллекции для потенциальных новых открытий. К настоящему времени найдено десять новых углеродсодержащих минералов.
Тот же принцип может помочь минералогам найти новые источники ценных ресурсов, таких как золото, а также редкие минералы, которые могут существовать только в одном или двух местах на земле. В большинстве мест есть только несколько полезных ископаемых, в то время как в некоторых местах - например, на Кольском полуострове - очень много. Эти данные могут помочь понять, почему такие места, как Кольский полуостров, имеют такое чрезмерное количество минералов, и могут предсказать другие места на земле, которые могут быть столь же богатыми источниками различных ценных минералов.
«Я думаю, что это отличная штука», - говорит Аллен Глазнер, профессор геологических наук в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл, который не принимал участия в исследованиях. «Это напоминает мне о том, как химики заполняли периодическую таблицу, когда они начали видеть шаблоны. Хотя они и не знали, как модели управляются атомной структурой, они смогли распознать шаблоны».
Моррисон говорит, что трудно переоценить важность минералов для человека.
«Минералы, по сути, составляют все, что мы используем в нашем обществе, а не выращиваемые или выкачиваемые из земли, например воду или нефть», - говорит она. «Наши здания, наши машины, в основном все, что мы используем ежедневно, даже наши кости сделаны из минералов».
Образцы того, как происходят минералы, могут также помочь научить использовать что-то о жизни растений и животных на земле и за ее пределами. Моррисон говорит, что отличительные особенности распределения минералов на земле, полученные в результате анализа данных, могут быть «биосигнатурой». Это означает, что закономерности того, как минералы встречаются и собираются вместе, могут зависеть от роста жизни растений и животных, так как считается, что биологическая жизнь (например, присутствие микроорганизмов) влияет на минералы. Предварительный анализ распределения минералов на Луне и Марсе не показывает этих отличительных закономерностей, говорит Моррисон, член команды НАСА Mars Curiosity Rover, идентифицирующий марсианские минералы по данным рентгеновской дифракции, отправленным обратно на Землю. Но будущий анализ мог бы. И данные с других планет тоже могут.
«Если мы скажем это, это может означать, что в какой-то момент была жизнь», - говорит она. «Это может помочь нам в планировании освоения космоса. Если мы обнаружим, что есть планета с таким большим минеральным разнообразием, чем, возможно, именно туда нам нужно идти ».
