В морской воде и на дне океанов

Морскую воду иногда называют жидкой рудой: в ней содержится около 80 элементов. Если извлечь все железо, растворенное в морской воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты. Много ли это? Судите сами: за все существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека.

Как ни велики минеральные ресурсы морской воды, наибольшее внимание ученых и инженеров привлекают сейчас минеральные богатства океанского дна. Об огромных скоплениях железомарганцевых конкреций на дне трех океанов мира известно еще со времен экспедиции английского корвета “Челленджер” в 1873–1876 годах. В последние годы после изучения возможностей промышленной добычи конкреций интерес к ним возрос.

Типы железомарганцевых отложений разнообразны, начиная с пятен и корок, распространенных повсеместно, включая осколки снарядов морских орудий, на которых слой толщиной в несколько миллиметров нарастает за десятки лет, и кончая гранулами и кусками размером с картофелину. Конкреции могут лежать на дне так близко одна к другой, что общая картина напоминает мостовую. Такая сплошная мостовая из кусков отложений на плато Блейк занимает площадь 5 тысяч квадратных километров.

Конкреции образуются в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях и даже озерах. В центре обычно какой‑либо предмет, например зуб акулы, а вокруг него образуется конкреция путем нарастания концентрированных колец осадков. Спорен вопрос о происхождении конкреций. До сих пор отсутствуют доказательства участия биологических процессов в образовании их. Химики надеются, что детальное изучение условий формирования конкреций позволит со временем научиться ускорять их рост и сделать процесс их образования управляемым.

Конкреции состоят главным образом из гидратированных окислов марганца и железа. Они обладают способностью концентрировать из морской воды такие микроэлементы, как кобальт, никель, цинк, свинец.

Считается, что в состав конкреций со дна Тихого океана входят 24,2% марганца, 14% железа, около 1% никеля, 0,5% меди, 0,35% кобальта; конкреции со дна Атлантического океана содержат в среднем 16,3% марганца, 17,5% железа, 0,45% никеля, 0,2% меди, 0,13% кобальта.

Конкреции, содержащие до 20% марганца, 15% железа, по 0,5% никеля, кобальта и меди, имеются в морях, омывающих советскую территорию: в Белом море, в северной части Баренцева моря, в Рижском и Финском заливах и в Аральском море.

Предлагаются самые различные проекты использования океанских запасов металлов. Так, японские судостроители создали оригинальную многоковшовую драгу для добычи полезных ископаемых с глубины 3 тысячи метров. Ее основа – прочный синтетический трос из пропилена длиной 8 тысяч метров. Он свободно свисает с судна и к нему прикреплены черпаки. Трос спускают с носа корабля, а поднимают у кормы. Обычно рассеянные на морском дне ископаемые добывали с помощью эрлифита – трубы, по которой поднимался воздух, закачиваемый с судна. Он увлекал воду, а вместе с ней добываемую руду, смешанную с водой в виде пульпы. Новый способ оказался вдвое эффективнее.

В Советском Союзе организована лаборатория технологии подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов при Московском горном институте. В 1966 году были проведены опытно‑разведочные работы и организовано первое опытное разведочно‑эксплуатационное предприятие по добыче со дна моря титансодержащих песков.

В нашей стране с успехом проведена пробная плавка на шихте из конкреций, собранных в Тихом и Индийском океанах исследовательским судном “Витязь”. Проведенные технологические испытания показали достаточную эффективность переработки конкреций, возможность полного извлечения марганца, никеля, кобальта, меди.

Академик Л.А. Зенкевич поддерживает гипотезу инженеров‑судостроителей А.Н. Дмитриева и М.Н. Диомидова, предложивших использовать давление воды на дне океана для проведения химических реакций в промышленных масштабах. Авторы проекта считают вполне осуществимым в будущем строительство на дне океана химических предприятий, сырьевой базой которых могут служить неисчерпаемые залежи океана. Они предлагают использовать для сбора конкреций ныряющие рудовозы‑автоматы.

Несомненно, минеральные подводные богатства станут основой океанской металлургии.

В земле

Относительно происхождения планеты Земля высказываются различные гипотезы, согласно которым первоначально химические элементы были распределены в массе Земли более или менее равномерно. В ходе длительного и постепенного развития, связанного с изменением температурных условий на Земле, произошло перераспределение химических элементов.

Химическим составом Земли, законами распространенности и распределения в ней химических элементов, способов сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов занимается геохимия. О строении, составе и свойствах Земли имеются лишь предположительные сведения, так как непосредственному наблюдателю доступна лишь самая верхняя часть земной коры.

Достижения науки еще в XVII–XVIII веках позволили с помощью сейсмических методов определить массу и среднюю плотность Земли: 5,5 г/см³. Однако плотность наиболее тяжелых пород на поверхности Земли не превышает 3,3 г/см³, поэтому возникло предположение, что плотность Земли повышается при увеличении глубины.

Находки железных метеоритов и популярные в прошлом теории о происхождении Земли из горячего вещества Солнца привели многих ученых к мысли о концентрации железа в центре Земли. Высказывания французского геолога Дебре (1866 год) о железном ядре Земли вскоре получили поддержку специалистов по изучению колебаний земной коры – сейсмологов.

Гипотеза о железном ядре Земли была развита в начале XX века в трудах немецкого сейсмолога Вихерта. По его мнению, существование железного ядра позволяет объяснить тот факт, что средняя плотность Земли 5,5 г/см³ больше средней плотности горных пород, встречающихся у земной поверхности (2,8 г/см³). Это представление подтверждается большим содержанием металлического железа в метеоритах. Из этой гипотезы следует, что внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего железа вследствие роста давления при сравнительно меньшем градиенте температуры в ядре.

Если предположить, что поверхность внутреннего ядра разделяет твердое и расплавленное железо, то современные данные о фазовой диаграмме железа при высоких давлениях позволяют узнать температуру внутри ядра, что очень важно для изучения распределения температур в недрах Земли. Эксперименты с ударным сжатием железоникелевого сплава подтвердили вывод теории конечных деформаций о том, что плотность чистого железа при давлениях, соответствующих земному ядру, приблизительно на 8% больше плотности ядра. Почти наверняка в ядре в качестве примеси присутствует металлический никель. Но его добавление не понижает плотность[1].

Австралийский исследователь в области физики твердой Земли Стейси считает, что средняя плотность Земли и внутреннее ее строение, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обладает жидким железным ядром с плотностью при нулевом давлении 7 г/см³, окруженным твердой мантией из силикатов с плотностью 3,3 г/см³.

Подтверждением этому может служить находка казахстанских геологов – обломков темной породы, найденных на земной поверхности. После комплексного исследования находки геологи пришли к выводу, что эти куски породы находились в очень давние времена глубоко в недрах планеты. Образцы резко отличаются от окружающих горных пород. В них, например, выявлено повышенное содержание железа, магния, кальция, хрома, титана.

Ученые Академии наук Казахской ССР полагают, что более 1 миллиарда лет назад эта порода являлась частью древних геологических образований. Она претерпела глубокие изменения под действием огромного давления, превышающего 1000 МПа, и высоких температур: 600–750°С.

Почему уникальные обломки оказались на земной поверхности? Ответ дает характер геологического строения районов, где они найдены. В тех местах расположены очень давние разломы земной коры, достигающие верхней мантии. В процессе бурного тектонического движения блоков земной коры и были вынесены к поверхности горные породы, залегавшие на глубине в десятки километров.

По современным представлениям, в 16‑километровой толще земной коры содержится 4,5% железа. В следующем слое, лежащем под земной корой, железа находится втрое больше; центр земного шара состоит из железа с примесью никеля и кобальта. В среднем же земной шар состоит на 34,6% из железа. В составе Земли железо преобладает как по массе, так и по числу атомов. Оно является важнейшей составляющей частью в строении нашей планеты.

Использовав поверхностные скопления минерального сырья, человек вынужден будет обратить внимание на сырье, более бедное по содержанию железа. Уже теперь приходится иметь дело с месторождениями, расположенными в тяжелых горно‑геологических условиях.

В наше время используются традиционные способы добычи руды – подземные или открытые. При такой добыче, по данным академика Н.В. Мельникова, теряется до 25% сырья.

В этих условиях особую практическую ценность имеют предлагаемые химиками способы прямого извлечения металлов из руд на месте их залегания под землей. Металлы и другие вещества, которые собираются извлечь из руд, переводятся под землей в химический раствор, в жидкое или газообразное состояние. Предлагается это делать с помощью выщелачивания, растворения, расплавления, возгонки. Образующиеся в результате этих процессов так называемые продуктивные растворы извлекаются на поверхность и перерабатываются.

Геотехнология, или бесшахтные методы добычи некоторых полезных ископаемых, уже используются в нескольких странах: химические, физико‑химические, биохимические, микробиологические методы добычи полезных ископаемых на месте их залегания. СССР является родиной технологии почти всех способов бесшахтной добычи минерального сырья.

Известно, что железо есть не только в руде. Окислы его – важнейшая составная часть многих минералов, образующих земную кору. Железо входит в состав не менее трехсот минералов. В перспективе по мере использования более бедных руд придется, очевидно, обратить внимание на такие горные породы, как базальт, гнейс, сиенит, диабаз, которые содержат до 12% железа. Когда развитие техники позволит осуществить комплексную переработку горных пород с полным извлечением всех или большинства металлов, тогда процессы полиметаллургии станут экономически выгодны.

Посмотрите, что содержится в базальте: 10–15% оксида и диоксида железа, 42–52% оксида кремния, 6–20% оксида магния, 10–12% оксида алюминия, 1–3% оксида титана. А если их извлечение сочетать с производством каменного литья и получение сталебазальта?

Академик Д.И. Щербаков считал, что, когда на Земле будут исчерпаны запасы железных руд, наступит век базальтовой металлургии.

В космосе

Немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф методом спектрального анализа с расстояния в несколько километров определили химический состав праздничного фейерверка. Этот метод был использован и для исследования космоса: в 1859–1860 годах по линиям спектра в атмосфере Солнца обнаружили содержание нескольких элементов – натрия, кальция, магния и других.

Уже в первые годы развития спектроскопии ученые сопоставили теоретические сведения о химическом составе небесных тел с анализом метеоритов – этих единственных в те времена образцов космического вещества на Земле. Исследование метеоритов значительно обогатило наши представления о телах космического происхождения.

Сейчас во всем мире зарегистрировано свыше 2 тысяч метеоритов, в коллекции АН СССР находится около 400 отечественных и зарубежных метеоритов.

Все метеориты подразделяются на три основных класса: железные, железокаменные и каменные. В среднем из 16 упавших метеоритов один железный. Железный метеорит содержит 91% железа, до 8,5% никеля и другие элементы. Метеориты двух следующих классов имеют от 1 до 50% железа. Масса метеоритов от долей граммов до десятков тонн.

От железного метеорита трудно отделить хотя бы небольшой кусок для лабораторных исследований. Однако люди еще в далекой древности пытались использовать метеоритное железо. Есть сведения, что в древности железо с упавших метеоритов использовали для изготовления оружия, орудий труда, а также ювелирных изделий. Этот материал трудно поддавался обработке. Как‑то бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска “небесного железа”. Но сколько они не старались, ничего у них не вышло. Нагретое железо не поддавалось ковке, и эмир казнил неудачников.

И все‑таки рассказывают, что у древнеримского царя Нумы Помпилия (VII век до н.э.) железный щит был сделан из камня, упавшего с неба. Для властелина одного индийского княжества Джехангира в 1621 году удалось изготовить две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Шпаги Александра I и Боливара, героя Южной Америки, были сделаны из космического железа.

Известны и другие факты. Полярная экспедиция Росса в 1818 году обнаружила, что эскимосы Баффиновой Земли делали в то время ножи и наконечники гарпунов из железа, отделяемого ими с большим трудом от крупного метеорита, лежащего на берегу бухты Мельвиль.

Один исследователь сообщал, что он видел в Аргентине большой метеорит, первоначальная масса которого составляла 15 тонн. В шести местах этот метеорит имел следы отделения больших кусков железа.

В Мексике найден крупный метеорит с щелью длиной 9 сантиметров, в котором сохранился застрявший сломанный конец медного лезвия. Он попал туда, очевидно, при попытке туземцев добыть кусок столь нужного металла.

Издавна метеориты были ценнейшим объектом для научных исследований. Сведения, получаемые при их изучении, оказались необходимыми астрономам, геологам, физикам, конструкторам космических кораблей.

Прежде всего состав метеоритов свидетельствует о единстве материального мира. По присутствующим радиоактивным элементам определяется возраст метеоритов – около 4,5 миллиарда лет, что примерно соответствует возрасту Земли и подтверждает предположение о том, что метеориты возникли в солнечной системе.

Как отмечал академик А.Е. Ферсман, “метеориты в своем составе как бы продолжают ряд изменений земных пород с глубиною и являются как бы дальнейшими, более глубинными породами, которые нам пока неизвестны”. На основании подобных заключений ученые считают, что каменные метеориты являются образцом вещества нижних зон каменной оболочки Земли толщиной 1200 километров. Предполагают, что оболочка толщиной 1700 километров состоит из вещества железокаменных метеоритов, а центральное ядро – из вещества железных метеоритов. В геохимической литературе приводится вероятный состав ядра Земли: 90,7% железа, 8,5% никеля, что вполне соответствует составу железных метеоритов.

Сколько же всего падает на Землю железа из космоса? Исследования ученых показали, что на поверхность Земли выпадает куда больше космического вещества, чем считалось раньше: свыше миллиона тонн в год. За миллиарды лет толщина выпавшего на Землю слоя космического вещества должна составлять минимум несколько километров. Теперь же этот слой мало заметен, ибо успел смешаться с веществом планеты.

Выпадение космического вещества еще не означает, что масса Земли сейчас увеличивается, хотя это не исключено. Выяснено, что скорость вращения нашей планеты вокруг оси замедляется на 0,001 секунды за миллиард лет. В то же время Земля постоянно теряет часть своего вещества в космическое пространство в виде газообразных элементов и различных химических соединений.

С доставкой на Землю образцов лунного грунта возможности исследования состава космических тел значительно возросли. Рассказывая о результатах исследования грунта, доставленного на Землю станцией “Луна‑20”, академик А.П. Виноградов сообщил, что “в частицах лунного грунта было обнаружено тонкораспыленное металлическое железо, сконцентрированное в поверхностных слоях. Это металлическое железо не окисляется на воздухе”. Исследователи занимаются изучением удивительных свойств лунного железа.

В отделе физических проблем материаловедения Уральского политехнического института было проведено комплексное исследование образцов лунного железа и железноникелевых сплавов, доставленных советскими автоматическими станциями “Луна‑16” и “Луна‑20”, а также американскими космическими кораблями “Аполлон” из разных районов Луны. Образцы – это в основном мелкие частицы.

Структуру лунного железа классифицировали, разделив их на первичные образцы и вторичные, подвергшиеся, так сказать, “обработке на Луне”, и установили, что среди образцов есть целый ряд уникальных структур, которые до сих пор не встречались в подобных сплавах земного состава. Среди первичных наиболее ярко выражены кристаллические структуры, среди вторичных – деформации, возникшие в результате метеоритной “бомбардировки”, изменения температуры в течение лунных суток от +120°С до ‑130°С и другие воздействия.

Мнений по поводу стойкости лунного железа высказывается много. Вот, какое объяснение дают уральские ученые: дело в строении, в структуре металлов, а структура в свою очередь объясняется условиями ее формирования в космосе.

Образование необычных форм неокисленных металлов на Луне связывают также с воздействием так называемого солнечного ветра на поверхность Луны. Солнечный ветер – это поток заряженных ионов большой энергии, посылаемый Солнцем, и падающих на поверхность планет, которые не защищены атмосферой. Такая бомбардировка при определенных условиях может увеличить коррозионную стойкость поверхности.

Член‑корреспондент АН СССР В.Л. Барсуков объясняет образование чистого металла на Луне тем, что ее поверхность интенсивно бомбардируется протонами и другими частицами солнечного ветра. При этом протоны, захватив кислород лунного вещества, уносят его в космическое пространство, восстанавливая таким образом окисленный металл.

Современная астрофизика установила относительную однородность химического состава известной части Вселенной. Изучение образования химических элементов имеет большое практическое значение: знание процесса синтеза химических элементов в природе позволит людям добиться их осуществления сначала в лаборатории, а потом и в производственных условиях.

Ученые установили закономерности первоначального образования многих элементов. Наибольшая вероятность и распространенность тех или иных ядерных реакций связана с изменением температуры звезд. На первой стадии наибольшее значение для энергетического баланса звезд имеет превращение водорода в гелий, на более поздних стадиях при других температурных условиях – превращение гелия в углерод и кислород, затем в наиболее устойчивое – железо. Химический состав Вселенной свидетельствует о том, что она находится в начале своего пути от водорода к железу.

По теории эволюции планет, предложенной Рингвудом, вещество планет земной группы находится на разных стадиях окисления, причем на Марсе практически все железо осталось в окисленном состоянии и поэтому не отделилось от силикатов. Большое содержание окислов железа в мантии Марса, по‑видимому, явилось причиной того, что поверхность “красной планеты” имеет ржавый оттенок.

Исходя из факта различной плотности планет земной группы (более близкие к Солнцу состоят из более плотного вещества), американский физико‑химик Юри предполагает, что в них содержание железа выше. Вероятное содержание железа (по Юри): на Луне около 10%, на Марсе около 26%, на Земле и Венере около 30%, на Меркурии около 57%.

Таким образом, железо занимает в природе особое место. Довольно сложное атомное ядро железа имеет большую прочность, чем и объясняется наибольшее количество в природе именно железа. Не только кора Земли, но и атмосфера Солнца и звезд состоят в основном из железа с примесью других элементов.

О СВОЙСТВАХ ЖЕЛЕЗА