Півтори тисячі земних мінералів ще чекають свого відкриття

На пилових стежках далеких планетЗалишаться

наші сліди…

Красиві голчасті кристали рідкісного мінералу римкорольгіту, відомого тільки з єдиного місця — копальні Ковдор на Кольському півострові. Подібні рідкісні види становлять більшу частину різноманітності земних мінералів. Фото з сайту mindat.org

Американські вчені скористалися світовою базою даних за місцезнаходженням різних земних мінералів, щоб проаналізувати їх частотний розподіл. З’ясувалося, що воно підпорядковується відомому закону Ципфа: часто зустрічаються лише деякі види мінералів, а переважна більшість видів рідкісні, їх можна зустріти в одному-двох місцях на нашій планеті. Ця модель пророкує, що вченим ще належить знайти близько півтори тисячі нових мінералів на додачу до вже відомих майже п’яти тисяч. Поки не знайдено настільки ж різноманітних за своїм мінералогічним складом небесних тіл, а ймовірність існування мінерального аналога Землі, як показали розрахунки, порядку 10 ^{‑ 3}22, а це на 300 порядків менше, ніж ймовірність існування планет земного типу. Так що наша планета в цьому сенсі точно унікальна.

Якщо поставитися до винесених в епіграф слів популярної пісні буквально, то в них знайдеться відома частка істини — планети земного типу напевно існують. Але одночасно виникають і сумніви — що це за інопланетний пил, і чи можна буде на чужому ґрунті протоптати стежки? Тут потрібні знання про мінерали інших планет земного типу: чи будуть вони схожі на земні?

Цим питанням задалися математики та геохіміки з Арізонського університету та Університету Мена під керівництвом Роберта Хейзена (Robert M. Hazen), що представляє Інститут Карнегі у Вашингтоні. Група Хейзена давно і плідно працює над проблемами еволюції земних мінералів (а сам Роберт Хейзен — автор книги «Історія Землі. Від зоряного пилу — до живої планети «), і нещодавно опублікована робота в журналі Earth and Planetary Science Letters — лише один невеликий крок на шляху до розуміння того, як формувалося нинішнє мінеральне розмаїття.

Хейзен з колегами представляють еволюцію земних мінералів як поетапний процес (рис. 1, див.: R. M. Hazen et al., 2008. Mineral evolution). У зоряному пилу присутні близько десятка стійких мінералів, з них і починається мінеральна історія планети. Під час формування протопланетного диска і небесних тіл матерія розігрівається, і утворюються нові мінерали — зокрема, з алюмо-кальцієвими включеннями. Так набирається близько 60 нових мінералів. Їх різноманітність відображають хондритні метеорити. На другому етапі ці мінерали відчувають перетворення під дією температури, під час трансформації і зіткнень астероїдних тел. В результаті число видів мінералів збільшується приблизно вчетверо. Уявлення про них дають ахондрити. Тут з’являється кварц і деякі глинисті мінерали. Потім під впливом вулканізму, дегазації, фракціонування і кристалізації складає мінеральна земна кора, в якій формується близько 1500 мінералів. Найпоширенішими є групи гранітоїдів і пегматитів.

Ріс. 1. Динаміка різноманітності мінералів на Землі: число їх збільшується від декількох десятків до приблизно 5000, різке зростання пов’язане з формуванням кисневої атмосфери. По горизонтальній осі відкладено час у млрд років до наших днів. Малюнок з сайту hazen.carnegiescience.edu; там же детально описані всі 10 етапів мінеральної еволюції, позначені в гуртках

Наступні етапи найбільш значущі для нашої планети — подальша еволюція мінералів проходить за участю води, кисню та біологічних сил. Кількість можливих геохімічних обстановок, відносно стабільних у присутності життя, різко збільшується, відповідно зростає і кількість мінеральних видів. На сьогодні на Землі відомо приблизно 5000 мінералів (див. базу даних Міжнародної мінералогічної асоціації). У цьому відношенні наша планета унікальна — такого розмаїття поки не відомо ні для одного небесного тіла.

Частота зустрічності цих мінералів далеко не рівномірна — вона, як з’ясувалося, підпорядковується закону Ципфа (який також називають правилом 80/20 і законом Парето). Найчастіше це емпіричне правило формулюють на прикладі розподілу багатства: 80% матеріальних цінностей належать 20% людей. А взагалі, ужиткове вираження закону Ципфа приблизно таке: 80% наслідків обумовлені 20% подій (причин). Це дуже поширений закон розподілів у біологічному та економіко-соціальному житті, який охоплює всі її сторони, хоча однозначно пояснити його механізм поки не вдалося.

Команда Хейзена довела, що і частотний розподіл мінеральних видів теж узгоджується з цим законом. Близько 65% видів мінералів — рідкісні: кожен з них відомий з одного-двох місцезнаходження. А найчастіші мінерали, які знаходять в 50% випадків, потрапляють приблизно в 20% всього мінерального розмаїття (рис. 2). «Біологічні» і «мінеральні» закони розподілу схожі, тому що мінеральне розмаїття формується під дією «мінерального відбору», аналогічного природному («біологічному»): в кожній конкретній обстановці більше і краще утворюються ті мінерали, які в даних умовах більш стійкі і вимагають найменших витрат для синтезу. Крім того, біологічна еволюція може бути взаємопов’язана з мінеральною більш речовими зв’язками, хоча це питання прояснять тільки майбутні дослідження.

Ріс. 2. Розподіл мінералів берилію залежно від кількості місцезнаходження: за даними світової бази даних (сірий колір) і розрахункове за моделлю Ципфа (синій колір). Приблизно такий же розподіл характерний і для інших елементів. Модель показує, що до відомих 112 мінералів берилія потрібно додати 91, які поки ще не знайдені. Графік з обговорюваної статті в Earth and Planetary Science Letters

Точні розрахунки із застосуванням моделі Ципфа показали, що вченим ще належить знайти близько півтори тисячі нових мінералів. Ці мінерали теоретично повинні існувати, але поки не відомі: швидше за все, вони світлі або білі, також погано розрізняються за своєю текстурою і формою кристалів, легко розчинні у воді. Автори публікації вказують, що серед них напевно багато таких, які вже синтезовані штучно.

Крім цих багатообіцяючих розрахунків команда Хейзена запропонувала свій варіант оцінки ймовірності існування мінерального двійника Землі. Вони виходили з відомих даних: число галактик має бути близько 10¹¹, і в кожній з них близько 10¹¹ зірок. Якщо припустити наявність у зірки однієї планети (або супутника) земного типу, то вийде 10²² таких можливих планет. Яка ймовірність присутності земної мінеральної різноманітності в цій непіддається уяві планетному ансамблі? Якщо врахувати отримані цифри розподілу мінеральних видів, то відповідь: 10⁻³²². Так що ймовірність знайти «мінеральний» аналог Землі незрівнянно (!) менше ймовірності знаходження планети земного типу. Якщо на такій планеті і вийде «пилова стежка», то вона навряд чи (і це абсолютно колосальне навряд чи) нагадає космонавтам рідну планету.

Джерело: 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.

Олена Наймарк