Es gibt mehr als 5.000 bekannte Mineralienarten auf der Erde, vom allgegenwärtigen Quarz bis zum äußerst seltenen Fingerit, der nur auf dem Gipfel des Vulkans Izalco in El Salvador vorkommt. Mineralogisten haben lange untersucht, wie und warum Mineralien dort vorkommen, wo sie vorkommen. Jetzt wenden sie Big Data auf die Frage an.
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Die Forscher verwenden die Netzwerktheorie, um die komplexe Art und Weise zu verstehen, in der verschiedene chemische, biologische, physikalische und geografische Parameter bestimmen, wo Mineralien vorkommen. Die Netzwerktheorie - die Idee, dass die Beziehungen zwischen den Dingen von einem Satz mathematischer Regeln bestimmt werden - wird häufig verwendet, um die Ausbreitung von Infektionskrankheiten zu untersuchen oder um zu verstehen, wie menschliche Gruppen (z. B. Terrororganisationen) interagieren. Die Forscher hoffen, dass es ihnen helfen wird, neue Arten von Mineralien zu entdecken, wertvolle Ressourcen wie Gold und Kupfer zu finden und die Entstehung der Erde besser zu verstehen. Ein Bericht über die Arbeit wurde gerade in der Zeitschrift American Mineralogist veröffentlicht .
„Wir betrachten Mineralsysteme auf ganzheitliche Weise“, sagt Shaunna Morrison, die gemeinsam mit Robert Hazen, Executive Director des Deep Carbon Observatory, einem Netzwerk von Wissenschaftlern, die sich für ein besseres Verständnis des Kohlenstoffs auf der Erde einsetzen, die Forschung leitete. „Wir können die Beziehung und das Feedback zwischen vielen verschiedenen Parametern untersuchen und uns ein Bild davon machen, woraus unser Planet besteht und warum. Wenn Sie sich einmal ansehen, wie Mineralien auf der Erdoberfläche vorkommen, stellen Sie fest, dass sie aus ganz bestimmten Gründen zusammen vorkommen. Das sieht man sehr deutlich in den Netzwerken. “
Beispielsweise kommen Quarz und verschiedene Feldspatarten häufig zusammen vor (sie sind zwei der Hauptbestandteile von Granit), da sie an verschiedenen Stellen im selben Prozess, der Kristallisation von Magma, erzeugt wurden. Eine mineralische 'Art' ist einfach ein Mineral, das mit den derzeitigen Methoden von jedem anderen Mineral unterschieden werden kann.
Die Forscher nutzen Datenbanken mit Millionen von Mineralproben aus Hunderttausenden von Orten auf der ganzen Welt. Diese Datenbanken enthalten Informationen über Mineralien wie chemische Zusammensetzung, Härte, Alter, Größe der Lagerstätte und Ort, an dem das Mineral gefunden wurde. Sie haben dies mit Daten über die umgebende Geographie und die geologische Lage kombiniert. Das Ergebnis ist eine Reihe von Modellen, die möglicherweise Muster erkennen lassen, die ansonsten schwer zu erkennen wären. Diese Muster könnten ein Bild davon geben, welche Mineralien zusammen vorkommen und welche geologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften existieren, wenn bestimmte Mineralien gefunden werden.
Ein Netzwerkdiagramm für 403 Kohlenstoffmineralien. Jeder farbige Kreis steht für ein anderes Kohlenstoffmineral. Die Größe und Farbe der Kreise zeigt, wie häufig sie sind. (Morrison et al. Mit freundlicher Genehmigung des amerikanischen Mineralogisten). Dies könnte Mineralogen, die diese Art von Arbeit in der Vergangenheit durch langsame, harte Arbeit geleistet haben, das Leben erheblich erleichtern.
"In Arizona gibt es zum Beispiel diese Kupferminen, und [Mineralogisten] untersuchen sehr ausführlich die Entstehung dieser Kupfermineralien, machen Kartierungen und chemische Analysen und verbringen Tausende von Stunden damit, diese Ablagerungen zu untersuchen, um zu verstehen, wie sie entstanden sind." sagt Morrison, ein Postdoktorand an der Carnegie Institution for Science. „Wenn du endlich verstehst, wie sie entstanden sind, kannst du sagen:‚ OK, wo sonst auf der Welt hätte das passieren können? ' Das heißt, Sie müssen ein gutes Verständnis für die geologische Geschichte der Erde haben. Dann gehst du graben. "
Ein Netzwerk aus 664 Kupfermineralien, wobei jeder farbige Kreis ein anderes kupferhaltiges Mineral darstellt. Die Verteilung zeigt bisher nicht erkannte Verteilungsmuster (Morrison et al., Mit freundlicher Genehmigung von American Mineralogist). Die Netzwerktheorie könnte es viel schneller und einfacher machen, die geschätzten 1.500 unentdeckten Mineralienarten auf der Erde zu finden, ohne dabei so viel Schuhlederforschung zu betreiben. Durch die Untersuchung der Netzwerke zwischen bekannten Mineralien können Wissenschaftler möglicherweise Lücken schließen.
"Wir können möglicherweise sagen:" OK, das nächste Kupfermineral wird wahrscheinlich diese Zusammensetzung haben und an diesem Ort auf der Erde gefunden werden ", sagt Morrison.
Die Forscher haben die Datenanalyse bereits genutzt, um 145 „fehlende“ kohlenstoffhaltige (dh kohlenstoffhaltige) Mineralien vorherzusagen, die laut statistischen Modellen existieren sollten, aber noch nicht entdeckt wurden. Dies führte zur Schaffung eines Citizen Science-Projekts, der Carbon Mineral Challenge, bei der professionelle und Amateur-Mineraliensammler gebeten werden, bei der Suche nach diesen vorhergesagten Mineralien zu helfen. Die Teilnehmer können Exemplare in freier Wildbahn finden und werden gebeten, ihre Sammlungen nach potenziellen Neuentdeckungen abzusuchen. Bisher wurden zehn neue kohlenstoffhaltige Mineralien gefunden.
Das gleiche Prinzip könnte Mineralogen helfen, neue Quellen für wertvolle Ressourcen wie Gold und seltene Mineralien zu finden, die möglicherweise nur an ein oder zwei Orten auf der Erde vorhanden sind. Die meisten Orte haben nur wenige Mineralien, während einige Orte - zum Beispiel die russische Kola-Halbinsel - äußerst reichlich vorhanden sind. Die Daten könnten Aufschluss darüber geben, warum Orte wie die Kola-Halbinsel über eine so große Anzahl von Mineralien verfügen, und andere Orte auf der Erde vorhersagen, die möglicherweise ebenfalls reich an verschiedenen wertvollen Mineralien sind.
"Ich denke, das ist großartig", sagt Allen Glazner, Professor für Geowissenschaften an der Universität von North Carolina in Chapel Hill, der nicht an der Forschung beteiligt war. "Es erinnert mich daran, wie Chemiker das Periodensystem ausgefüllt haben, als sie angefangen haben, die Muster zu sehen. Obwohl sie nicht wussten, wie die Muster durch die atomare Struktur gesteuert werden, waren sie in der Lage, Muster zu erkennen."
Es ist schwer, die Bedeutung von Mineralien für den Menschen zu überschätzen, sagt Morrison.
„Mineralien machen im Wesentlichen alles aus, was wir in unserer Gesellschaft verwenden und was nicht aus dem Boden gewachsen oder gepumpt ist, wie Wasser oder Öl“, sagt sie. "Unsere Gebäude, unsere Autos, im Grunde alles, was wir täglich benutzen, sogar unsere Knochen bestehen aus Mineralien."
Die Muster, wie Mineralien vorkommen, könnten auch dazu beitragen, etwas über das Pflanzen- und Tierleben auf der Erde und darüber hinaus zu lernen. Die charakteristischen Muster der Mineralverteilung auf der Erde, die durch die Datenanalyse erzeugt werden, könnten eine "Biosignatur" sein, sagt Morrison. Dies bedeutet, dass das Muster, wie Mineralien vorkommen und sich zusammenballen, durch den Anstieg des Pflanzen- und Tierlebens beeinflusst werden kann, da angenommen wird, dass biologisches Leben (wie das Vorhandensein von Mikroorganismen) Mineralien beeinflusst. Eine vorläufige Analyse der Mineralverteilung auf dem Mond und dem Mars zeigt diese charakteristischen Muster nicht, sagt Morrison, der Mitglied des Mars Curiosity Rover-Teams der NASA ist und Marsmineralien anhand von Röntgenbeugungsdaten identifiziert, die zur Erde zurückgesandt wurden. Aber zukünftige Analyse könnte. Und Daten von anderen Planeten könnten genauso gut sein.
"Wenn wir das sagen, könnte das uns sagen, dass es irgendwann Leben gab", sagt sie. „Das könnte uns bei der Planung der Weltraumforschung helfen. Wenn wir feststellen, dass es einen Planeten mit dieser großen mineralischen Vielfalt gibt, müssen wir vielleicht dorthin. “
