Распространенность и круговороты химических элементов на Земле

Наблюдения небесных тел ведутся уже несколько тысяч лет. Но только сочетание телескопов с методами спектрального анализа, фотографии и методов регистрации излучений в разных областях спектра позволили получить сведения о строении и химическом составе космических тел. История химических элементов, в течение которой сложились определенные пропорции количественных соотношений атомов, определила развитие планет Солнечной системы и нашей Земли. По своему составу (по плотности почти вдвое) внутренние планеты сильно отличаются от внешних. Основными источниками сведений о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца, полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры, метеоритов, пород поверхности Луны и планет. Свойства химических элементов, как известно, упорядочены в Периодическую таблицу элементов, и место элемента в таблице Менделеева определяется зарядом его ядра. Известные элементы характеризуются набором изотопов — атомов и тем же зарядом ядра, но с разными массами. Масса изотопа определяется суммой числа протонов и нейтронов в ядре и называется массовым числом. Вещество Земли и планет состоит из 300 изотопов, из которых 273 стабильны. Еще В.И.Вернадский подчеркивал, что в космических телах «распределение атомов зависит от строения их атомов».

Распространенность элементов с ростом порядкового номера убывает неравномерно, причем элементы с четным порядковым номером более распространены, чем с нечетным (в геологии этому соответствует правило Гаркинса—Оддо), особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например Не, С, О, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. На долю таких изотопов в земной коре приходится 86,81 % массы земной коры. Содержание элементов с четными порядковыми номерами составляет 60 % от числа всех

Рис. 10.2. Относительная распространенность химических элементов в Солнечной системе в зависимости от порядкового номера

стабильных изотопов (рис. 10.2). Особенно резко эта закономерность проявляется в группе редкоземельных элементов. Эти элементы, имея одинаковое строение наружных электронных оболочек, обладают также близкими химическими свойствами. Ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82, 126. Этим «магическим» числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра.

Изотопы железа обладают относительно большой энергией связи на нуклон, и они энергетически устойчивы. Один из самых устойчивых изотопов железа — Fe-56 — наиболее распространен в космических телах. Академик А. Е. Ферсман отметил (1935), что в земной коре железо занимает четвертое место по массе и восьмое — по числу атомов, а в метеоритах — второе место по массе и четвертое — по числу атомов. Как отметили космохимики Г. Юри и Э. Зюсс, распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано.

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) составляют Н, Не, СН₄, СО, О, N, NH₃, CO₂ и все инертные газы. Основная часть внутренних планет и метеоритов состоит из

нелетучих элементов солнечного вещества — Si, Fe, Vg, Ca, Al, Ni, Na. Сравнивая их, советский геохимик А. П. Виноградов показал (1962), что эти породообразующие элементы планет и метеоритов выброшены Солнцем, а не захвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и с тем, что элементы входят в разные соединения, находясь в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и каменных метеоритов — хондритов. Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т > 0 °С, при низких температурах затвердевает, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь газами и при низких температурах. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, в какой они проявляли свою активность, и инертные газы в них редки. Изотопный состав элементов С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Co, Ba, К, Си одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но соотношение изотопов ¹²С/¹³С такое же, как и на Земле, и равно 0,011. Исследования инертных газов показали идентичность изотопного состава в Солнечной системе, тогда как на других звездах он другой. По свидетельству советского астронома Г.А.Шайна, для некоторых углеродных звезд он меняется от 1 до 50, а для межзвездного газа — 0,2. Эти различия важны для определения происхождения химических элементов, их синтеза в звездах и последующей эволюции.

Итак, все тела Солнечной системы построены из небольшого числа элементов (с 28-го номера распространенность резко падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел Солнечной системы. По оценкам, основанным на законе радиоактивного распада урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5 — 4,6 млрд лет, т.е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, когда и планеты земной группы.

По геохимическим свойствам все элементы разделены на четыре группы. Это разделение связано с определенной электронной структурой атомов, проявляющейся в смеси веществ при охлаждении и нагревании. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах (это — все инертные газы, кислород, азот, водород); литофильные образуют твердые оболочки планет; халъкофильные создают соединения с серой, подобные ионам меди (от греч. «халькос» — медь); сидерофильные способны растворяться в сплавах железа (от греч. «сидерос» — железо).

Химический состав земной коры, общая масса которой составляет только 0,5 % массы всей Земли, исследовали крупнейшие геохимики: Ф.Кларк, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман,

А. П. Виноградов, супруги И. и В. Ноддак и др. Чтобы доказать наличие элемента рения в земной коре и определить его среднее содержание, супруги Ноддак провели 1600 анализов разнообразных минералов и пород. В литосфере наибольшее распространение сейчас получил кислород — 50 % массы всей литосферы; 26 % составляет кремний, 7 —8% — алюминий, 4% — железо; суммарное содержание магния, калия, кальция и натрия — порядка 10 %, а на долю оставшихся (более 80) элементов приходится несколько процентов.

Существенно, что кремний расположен в таблице Менделеева в том же столбце, что и важнейший элемент для живого вещества — углерод. Это подобие свойств отразилось и в истории биосферы. По одной из гипотез, первые формы живого вещества создавались на мокрых глинах. На основе окиси кремния образованы многие минералы, в том числе содержащие алюминий. По подсчетам Вернадского, земная кора (до глубин 16 км) состоит на 85 % из силикатов. Если в сложных алюминиево-кремниевых кислотах водород замещается металлами, то соли этих кислот — алюмосиликаты — становятся основой довольно сложных по составу минералов. Кристаллическую основу алюмосиликатов составляет замкнутая система атомов, содержащая алюмокислородные и крем-некислородные группы — комплексы. В зонах выветривания под действием внешних факторов (воды, солнечного излучения, газов) из них выносятся металлы и остается каолин (состав: кремний, алюминий, водород, вода или группа ОН). Эту конструкцию Вернадский назвал каолиновым ядром. Кольцевая структура ядра обеспечивает ему высокую устойчивость.

В составе атмосферы сейчас преобладают азот и кислород (98,6 % массы всей атмосферы), это соотношение практически неизменно до высот 150 км. Водорода почти в миллион раз меньше, чем кислорода. На высоте 160 км и выше состав атмосферы меняется и, как показали данные, полученные со спутников, водород становится преобладающим на высотах 1500 км.

В морской воде на долю кислорода, водорода, хлора и натрия приходится 99,5 %. Переход к гидросфере — это резкое изменение организации геосфер, вызванное переходом от плотных внутренних геосфер к значительно более подвижным внешним геосферам Земли.

Внутри Земли, по данным А.Е.Ферсмана, доля железа — 37 %, затем следуют кислород и кремний; более тяжелые элементы (около 0,5 % массы Земли) и элементы легче железа. Сравнение химического состава Земли и Солнца показывает, что относительное содержание элементов тяжелее натрия почти одинаково в атмосферах Земли и Солнца, содержание кислорода, углерода, азота, гелия в солнечной атмосфере в десятки раз больше, чем на Земле, а водорода — даже в 100000 раз (рис. 10.3).

Радиоактивность — важнейшее свойство Земли, определяющее ее происхождение и химическую эволюцию. Первичные планеты были сильно радиоактивны, и, подвергаясь радиоактивному нагреву, они испытывали химическую дифференциацию, в результате которой у планет земной группы сформировались внутренние металлические ядра. Остатки металлической и сульфидно-металлической фаз, сохранившиеся в первичных мантиях, постепенно стекали к центру и формировали четкие границы ядер. Ли-тофильные элементы переходили вверх, дегазация мантий при выплавлении легкоплавких фракций приводила к базальтовым расплавам, которые изливались на поверхности планет. Газовые компоненты, вырывавшиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только крупные планеты. Наиболее массивная среди внутренних планет, Земля, прошла сложнейший путь химической эволюции. На последних стадиях остывания солнечной туманности возникли сложные органические соединения, обнаруженные в метеоритном веществе, которые были усвоены нашей планетой и привели к развитию жизни.

Самопроизвольный распад неустойчивых атомов отражает эволюцию вещества Земли и события эпохи рождения химических элементов, как устойчивых, так и неустойчивых. При распадах выделяется теплота Q. Для Земли сейчас важны радиоактивные изотопы урана, тория и калия, которые распадаются с выделением теплоты:

Тепловой баланс Земли определяется в основном теплотой, выделяемой при распаде этих изотопов. Для объяснения теплового режима земной коры достаточно имеющегося количества радиоактивных элементов в ее толще до глубин 0,9 м (по расчетам (1937) радиохимика академика В.Г.Хлопина). Алюмосили-катная кора Земли более радиоактивна, чем мантия. Считая равными в среднем радиоактивности планеты и метеоритов, можно оценить выделяемую Землей радиогенную теплоту от 9,66 10²⁷ до 43,68 • 10²⁷ Дж/год. Земля теряет теплоту в окружающее пространство путем излучения и теплопроводности. Геотермические

измерения показали, что величина тепловых потоков одинакова и на дне океанов, и на материках: за год около 7,98 • 10²⁷ Дж, что меньше количества радиогенной теплоты. По словам Вернадского, «количество создаваемой радиоактивным процессом тепловой энергии не только достаточно для того, чтобы объяснить потерю Землею тепла и все динамические и морфологические воздействия внутренней энергии планеты на ее поверхность — земную кору, но и для того, чтобы поднять ее температуру». В конце 50-х гг. обнаружили, что верхние слои атмосферы излучают избыточную энергию в инфракрасном диапазоне. Это связано с взаимодействием атмосферных газов с коротковолновым излучением Солнца, существенно влияющими на погоду.

Сверхглубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове, позволила проникнуть в недра Земли на глубину 12 км и получить непосредственные данные о составе и условиях внутри Земли. Давление в земных недрах растет с глубиной, причем при глубине 3 км — резко растет, а при глубине 8 км — резко падает. Температура из-за приближения к мантии тоже растет, сначала на 1 °С каждые 100 м (до глубины 3 км), затем по 2,5 °С, а на глубине 10 км достигает 180 °С. Пробуренные толщи Земли показывают, что в этих областях идут активные процессы рудооб-разования, на глубине 4—11 км обнаружены крупные зоны раздробленных пород, образованных при относительно низких температурах и сцементированных сульфидами Fe, Ni, Co, Си. К настоящему времени определены горизонты, на которых преимущественно находятся те или иные важные для жизни полезные ископаемые. Так, благородные металлы чаще всего находятся на глубинах 300 — 800 м, цветные металлы — 600—1200 м, железные руды — 300 — 2000 м, каменный уголь — 700 — 1500 м, нефть и газ — 2500 — 6000 м. Процесс формирования полезных ископаемых тесно связан с историей планеты.

Из законов радиоактивного распада следует, что в прошлом радиоактивность была выше. Так, 4,5 млрд лет назад урана-238 на Земле было вдвое больше, чем сейчас, и энергии он выделял больше. Высокая радиоактивность ранней Земли повышала ее температуру, способствовала плавлению веществ и была ведущим фактором химической дифференциации. По данным геохимика Г. В.Войткевича, свыше 5 млрд лет назад этой теплоты было так много, что вся масса Земли могла находиться даже в газообразном состоянии. Кроме тория, урана и калия существовали радиоактивные изотопы с периодом полураспада менее 10⁸ лет. Они возникли в эпоху ядерного синтеза тяжелых элементов и вошли в состав молодых тел Солнечной системы. Примером может служить йод-129 с периодом полураспада 17,2 млн лет, превращающийся в ксенон-129.

В докембрийском редкоземельном минерале бастиезите обнаружены (1971) долгоживущие радиоактивные элементы плутоний-244 и кюрий-247, имеющие своим конечным продуктом рас-

пад ксенон-131 —136. Значит, при «варке» тяжелых элементов бьии и сверхтяжелые трансурановые ядра, пока не полученные в лаборатории (так как с ростом номера элемента неустойчивость трансурановых ядер резко растет). Группа индийских ученых во главе с С. Бандари обнаружила в некоторых метеоритах и лунной пыли следы более 300 треков, которые могли быть вызваны такими трансурановыми элементами, присутствовавшими при затвердевании породы. Большинство «вымерших» радиоактивных изотопов при распаде вьщеляли много больше энергии. Так, если при распаде урана выделяется 2,98 Дж/год, то плутония-244 — 50,5 Дж, кюрия-247 — 160,3 Дж и йода-129 — 5,54 Дж/год.

Все земные геосферы связаны между собой кругооборотами вещества, глобальными потоками энергии и момента импульса. В результате образуется сложная система, состояние которой, во многом похожее на состояние динамического равновесия, создает условия для динамической эволюции планеты. Для всех геосфер характерны многочисленные и закономерные отклонения от однородного (симметричного) состояния, наличие градиентов температур, давлений, потенциалов и т.д., которые и направляют потоки вещества, энергии и информации. Хотя каждая из геосфер имеет свою специфику динамики, обменов, систем обратных связей, многие особенности регулируются взаимодействиями между этими огромными подсистемами. В. И. Вернадский описал минералы и их жизнь, природные геологические тела, в которые соединяются минералы, а также сферы Земли, составленные из этих сфер. Эти знания необходимы в поиске месторождений полезных ископаемых. Совместное рождение минералов, образующих природные тела, называют парагенезисом. Парагенезис минералов мало менялся на обозримых промежутках времени, но глобальные изменения условий на нем отразились. Например, оловянный камень (каситерит) накапливался в наибольших количествах в древнем архее и в третичный период. Вернадский, изучавший геологическую историю, насчитывающую многие миллионы лет и огромные пространственные области Земли, писал: «Все реакции земной коры, насколько их можно проследить до сих пор, представляют собой определенные циклы, определенные круговые системы химических изменений, которые постоянно вновь повторяются».