08.09.2015

Полторы тысячи земных минералов еще ждут своего открытия

На пыльных тропинках далеких планет
Останутся наши следы...

Американские ученые воспользовались мировой базой данных по местонахождениям различных земных минералов, чтобы проанализировать их частотное распределение. Выяснилось, что оно подчиняется известному закону Ципфа: часто встречаются лишь немногие виды минералов, а подавляющее большинство видов редки, их можно встретить в одном-двух местах на нашей планете. Эта модель предсказывает, что ученым еще предстоит найти около полутора тысяч новых минералов вдобавок к уже известным почти пяти тысячам. Пока не найдено столь же разнообразных по своему минералогическому составу небесных тел, а вероятность существования минерального аналога Земли, как показали расчеты, порядка 10^-322, а это на 300 порядков меньше, чем вероятность существования планет земного типа. Так что наша планета в этом смысле точно уникальна.

Если отнестись к вынесенным в эпиграф словам популярной песни буквально, то в них найдется известная доля истины - планеты земного типа наверняка существуют. Но одновременно возникают и сомнения - что это за инопланетная пыль, и можно ли будет на чужом грунте протоптать тропинки? Тут требуются знания о минералах других планет земного типа: будут ли они похожи на земные?

Этим вопросом задались математики и геохимики из Аризонского университета и Университета Мэна под руководством Роберта Хейзена (Robert M. Hazen), представляющего Институт Карнеги в Вашингтоне. Группа Хейзена давно и плодотворно работает над проблемами эволюции земных минералов (а сам Роберт Хейзен - автор книги «История Земли. От звездной пыли - к живой планете»), и недавно опубликованная работа в журнале Earth and Planetary Science Letters - лишь один небольшой шаг на пути к пониманию того, как формировалось нынешнее минеральное разнообразие.

Хейзен с коллегами представляют эволюцию земных минералов как поэтапный процесс (рис. 1, см.: R. M. Hazen et al., 2008. Mineral evolution). В звездной пыли присутствуют около десятка устойчивых минералов, с них-то и начинается минеральная история планеты. В ходе формирования протопланетного диска и небесных тел материя разогревается, и образуются новые минералы - в частности, с алюмо-кальциевыми включениями. Так набирается около 60 новых минералов. Их разнообразие отражают хондритные метеориты. На втором этапе эти минералы испытывают превращения под действием температуры, во время трансформации и столкновений астероидных тел. В результате число видов минералов увеличивается примерно вчетверо. Представление о них дают ахондриты. Тут появляется кварц и некоторые глинистые минералы. Затем под воздействием вулканизма, дегазации, фракционирования и кристаллизации слагается минеральная земная кора, в которой формируется около 1500 минералов. Самыми распространенными являются группы гранитоидов и пегматитов.

Следующие этапы самые значимые для нашей планеты - дальнейшая эволюция минералов проходит при участии воды, кислорода и биологических сил. Число возможных геохимических обстановок, относительно стабильных в присутствии жизни, резко увеличивается, соответственно возрастает и число минеральных видов. На сегодня на Земле известно примерно 5000 минералов (см. базу данных Международной минералогической ассоциации). В этом отношении наша планета уникальна - такого разнообразия пока не известно ни для одного небесного тела.

Частота встречаемости этих минералов далеко не равномерна - она, как выяснилось, подчиняется закону Ципфа (который также называют правилом 80/20 и законом Парето). Чаще всего это эмпирическое правило формулируют на примере распределения богатства: 80% материальных ценностей принадлежат 20% людей. А вообще, обиходное выражение закона Ципфа примерно такое: 80% последствий обусловлены 20% событий (причин). Это очень распространенный закон распределений в биологической и экономико-социальной жизни, который охватывает все ее стороны, хотя однозначно объяснить его механизм пока не удалось.

Команда Хейзена доказала, что и частотное распределение минеральных видов тоже согласуется с этим законом. Около 65% видов минералов - редкие: каждый из них известен из одного-двух местонахождений. А самые частые минералы, которые находят в 50% случаев, попадают примерно в 20% всего минерального разнообразия (рис. 2). «Биологические» и «минеральные» законы распределения похожи, потому что минеральное разнообразие формируется под действием «минерального отбора», аналогичного естественному («биологическому»): в каждой конкретной обстановке больше и лучше образуются те минералы, которые в данных условиях более устойчивы и требуют наименьших затрат для синтеза. Кроме того, биологическая эволюция может быть взаимосвязана с минеральной более вещественными связями, хотя этот вопрос прояснят только будущие исследования.

Точные расчеты с применением модели Ципфа показали, что ученым еще предстоит найти около полутора тысяч новых минералов. Эти минералы теоретически должны существовать, но пока не известны: скорее всего, они светлые или белые, также плохо различимые по своей текстуре и форме кристаллов, легко растворимые в воде. Авторы публикации указывают, что среди них наверняка много таких, которые уже синтезированы искусственно.

Кроме этих многообещающих расчетов команда Хейзена предложила свой вариант оценки вероятности существования минерального двойника Земли. Они исходили из известных данных: число галактик должно быть порядка 10¹¹, и в каждой из них порядка 10¹¹ звезд. Если предположить наличие у звезды одной планеты (или спутника) земного типа, то получится 10²² таких возможных планет. Какова вероятность присутствия земного минерального разнообразия в этом неподдающемся воображению планетном ансамбле? Если учесть полученные цифры распределения минеральных видов, то ответ: 10^-322. Так что вероятность найти «минеральный» аналог Земли несравнимо (!) меньше вероятности нахождения планеты земного типа. Если на такой планете и получится «пыльная тропинка», то она вряд ли (и это совершенно колоссальное вряд ли) напомнит космонавтам родную планету.

Источник: G. Hystad, R. Towns, E. S. Grew, R. M. Hazen. Statistical analysis of mineral diversity and distribution: Earth’s mineralogy is unique // Earth and Planetary Science Letters. 2015. V. 426. P. 154–157.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru