Лекция 7 -

Лекция 7. Космохимия и геохимия
Происхождение и распространенность химических элементов
в природе
1.
Современная наука утверждает, что химические элементы образуются в
результате
ядерных реакций: термоядерного синтеза (ядерные реакции
Фреда Хойла) и ядерного распада. Синтез элементов и сейчас происходит в
недрах звезд, одной из которых является наше Солнце, которое вместе со
всей свитой - планетами и прочими малыми телами, располагаясь где-то
ближе к периферии Галактики - Млечный Путь, обращается вокруг общего
центра этой огромной звездной системы. Весь этот бесконечный мир
материи и энергии в настоящее время находится в состоянии расширения,
звездные системы разбегаются друг от друга с момента так называемого
Большого Взрыва, который произошел около 12 млр. лет назад, породив тем
самым первичные нуклоны, из которых и собирались элементы по мере
снижения температуры, как реакция противодействия данному процессу. Это
явление
показывает
так
называемое
доплероское
смещение
линий
спектрального анализа и остаточная температура.
В природе любые структуры или системы любого уровня и масштаба
образуются при стремлении
сохранить в себе энергию, препятствуя
увеличению энтропии или по другому ее рассеиванию в пространстве. Что
есть материя - это лишь форма существования энергии, которая сохраняется
в связях этих самых структур. Чем больше материи в объеме пространства,
тем больше ее масса, а следовательно и энергия, которая может проявляться
в форме гравитации.
Поэтому и гравитация у больших тел больше чем
малых. На Луне каждый из нас весил бы в шесть раз легче, никаких диет не
надо. Правда масса осталась бы прежней, тут без диеты не обойтись.
В природе всегда действуют две разнонаправленные силы: притяжения и
отталкивания.
Это,
по-видимому,
связано
именно
со
свойствами
элементарных частиц. Эти силы стремятся уравновесить друг друга, но
1
равновесие долгим не бывает и
один процесс может, где то получить
преимущество над обратным и тогда - или коллапс или взрыв. Вот по Хойлу
наша вселенная пульсирующая: одно состояние периодически сменяется
другим. Ну да это область большой науки, нам бы понять более конкретные
вещи, например как устроена Земля, по которой мы ходим. Удивительно, но
о строении и химическом составе недр Земли на самом деле мы знаем не
больше, чем о строении других планет нашей солнечной системы.
Источники информации и их достоверность.
В первую очередь это
спектральный анализ, который позволяет нам судить о составе раскаленных
тел, т. е. составе звезд и нашего Солнца. О составе холодных тел планет мы
можем судить из математических расчетов их орбит, метеоры и метеориты
сами валятся к нам с неба, а теперь есть и космические аппараты и даже
космические экспедиции. А Земля? Самые глубокие скважины и выработки
это гораздо меньше, чем комариный укус на теле слона. Но извержения
глубинного вещества кое о чем нам говорят. Однако очаги магм в целом не
так уж и глубоки, чтобы глубоко судить о глубинных зонах. Кое-что, дает
геофизика. Но есть проблемы понимания увеличения плотности с глубиной.
С чем это связано: или с изменением химического состава - с увеличением
доли более тяжелых элементов, или при неизменном
химическом
элементном составе изменяется лишь минеральный состав в пользу более
плотных минералов. Например, при высоком давлении кварц превращается в
более плотную разновидность - стишовит, а гранат в шпинель Или имеет
место и то и другое., но тогда вопрос, а в каком соотношении? И все это
очень важно для понимания процессов геотектоники и того, что нас ожидает
на этой планете. Земля прекрасна, много на ней удивительных уголков, но
местами
жить
просто
бесконечными цунами,
невозможно.
Например,
Филлипины
с
их
да ив других местах: вулканы, землетрясения,
ураганы и торнадо, беспокойная нам досталась мать Земля, но родителей не
выбирают, остается изучить, понять и приспособиться к ее характеру это
можно. Главное не паниковать и набраться терпения.
2
Итак, благодаря Кларку и Вашингтону химический состав земной коры
нам
хорошо известен. Восемь элементов и ведущие из них кислород и
кремний, магний и алюминий, железо и кальций, натрий и калий, поменьше
других: титана, марганца, цветных и благородных металлов. А есть и вообще,
которых так мало, что зовутся они редкими и рассеянными: тантал, ниобий,
цирконий, гафний, литий и т.д. Облик твердого тела планеты определяют
горные породы, представляющих собой агрегатные соединения из тех или
иных минералов, состоящих в основном из наиболее распространенных
элементов. Более редкие элементы могут находиться в них в качестве лишь
изоморфных примесей, это как у людей - мигранты среди коренного
населения. Но редкие элементы бывают очень ценными. Говорят - мал
золотник да дорог.
О составе
глубинных зон Земли можно судить по характеру
сменяемости ее оболочек. Очевидно, что внешние оболочки сложены более
легкими элементами, поэтому само собой представляется, что более глубокие
зоны будут сложены более тяжелыми элементами, но не какими попало, а
лишь теми которых много на планете вообще. Из тяжелых металлов,
которого больше всего? Конечно железа. Следовательно, по логике в самом
центре Земли в ее ядре железо с не большой примесью других металлов,
например никеля, как это наблюдается в железных метеоритах. Геологи так
и порешили. Правда астрофизики и геофизики сказали им позже - что вы
ребята, железо при высоком давлении имело бы плотность гораздо большую,
чем на поверхности и масса планеты была бы иной процентов на 25, но
геологи всегда найдут выход из любого сложного положения. Не нравиться
вам железное ядро - пусть будет железо с серой и порядок. На том и
порешили - все сходится. В железных метеоритах сера присутствует в форме
сульфидов. Вот так вам!
А есть еще и каменные метеориты. А что такое каменные метеориты?
Это оксиды разных металлов и, прежде всего кремния, и магния, т.е в них
вместо серы кислород. И действительно с глубиной восстановленность
3
возрастает, а вместе с тем и доля магния. В основных породах его больше
чем в кислых, а в ультраосновных больше чем в основных. Например,
спутниками глубинного минерала углерода - алмаза являются ильменит и
гранат, но не какие попало, а пикроильменит и пироп, разности с
повышенными содержаниями магния.
Итак, Землю можно уподобить слоеному пирогу с разной начинкой,
атмосфера, гидросфера, литосфера, причем слои с глубиной становятся все
более плотными, это и сейсмика показывает, при этом плотность меняется
скачками, что возможно связано с изменением минерального состава или как
говорят петрологии - с фазовыми переходами Главных твердых слоя три:
кора, мантия, ядро. Правда, они также неоднородны и в свою очередь состоят
из отдельных слоев, но с менее резкими переходами по свойствам. Два слоя
в коре, два в мантии и два в ядре. При этом внешнее ядро жидкое, чему
Земля обязана своим магнитным полем.
Итак, налицо вертикальная или глубинная зональность, возможно, она и
геохимическая, а не только физическая. При этом большинство ученых
склонно считать, что с глубиной меняется не только плотность минералов,
но и химический состав отдельных зон.А в целом большая часть массы
сосредоточена в мантии, наиболее толстом ее каменном слое. А камень это
что? По большей части кислород, так показывают расчеты исходя из общей
массы Земли и мощности отдельных ее оболочек. И все
хорошо и все
ясненько для человека разумного, замечательно и прекрасненько от
удовлетворения своей
глубинной проницательностью
интеллекта аж до
самых основ. Самое интересное, что подобная геохимическая зональность
вещь в природе универсальная. Если рассмотреть к примеру строение всей
нашей планетной системы, легко в этом убедиться. Самая ближняя к центру
тяготения Солнцу планета Меркурий хоть и небольшая, но по большей части
состоит из металлического ядра, средние три планеты Венера, Земля, Марс в
основном каменные, а вот внешние планеты хоть и гиганты по размеру, но
газовые пузыри. Как же получается такая зональность, ведь в безвоздушном
4
космическом пространстве сила тяжести одинаково действует на все тела не
зависимо от их плотности. Это было доказано давно.
И еще один парадокс, связанный с космическим кларком химических
элементов, Почему кислорода на Земле оказалось так много, хотя
космический кларк его ничтожно мал в сравнении с такими гигантами по
численности как атомы гелия и особенно водорода. Ведь дело до чего дошло,
гелий впервые обнаружили на Солнце, а уж потом на Земле. Вот эти вопросы
не давали покоя тогда еще молодому и еще не известному в семидесятые
годы ученому-геологу Владимиру Ларину. Космос в основном состоит из
водорода и это, в общем понятно. Что такое водород? Фактически протон,
обремененный лишь одной малявкой - электроном, т.е самый примитивный
из всех элементов, таких в термоядерном горниле настругать всего проще.
Гелий чуть посложнее и в звездном горниле в первую очередь он и
образуется за счет водорода с выделением огромной энергии, чем и живет
солнце до тех пор, пока не закончится водородное горючее. Сейчас уже на
Солнце гелия больше чем водорода, следовательно. свою большую половину
жизни солнце уже прожило.
По представлениям астрофизиков планеты
и Солнце представляют
собой часть общего выброшенного 5 млрд лет тому назад вещества газовопылевой туманности от взрыва сверхновой звезды (обычное явление), это
вещество получило определенный импульс и момент количества движения,
в том числе и углового вращения. Первичная неоднородность и слабая
плотность и связь вещества при вращении благодаря силам Кориолиса дает
спирали (видели фотографии галактик?) и сгущение массы в центре
вращения. и отдельных периферийных сгущений, ставшими зародышами
будущих планет, Но каков механизм образования той геохимической
зональности, которую универсальная ? Эффект центрифуги или что-то
другое? Почему тогда многие тяжелые элементы в большем количестве на
периферии системы а не в системе Земля-Солнце.
Например, ртути в
метеоритах в1000 раз больше, а золота, платины в 100. Кстати там в среднем
5
больше
и
легкого
углерода
(углистые
хондриты)
Кстати
ртуть
концентрируется и на периферии обычных ореолов рассеивания в земной
коре. Следовательно, одной центрифугой не объяснить такого соотношения
элементов в Солнечной системе, где 98 % атомного количества приходится
на водород и
гелий, а
всего лишь 2% на все остальные. Логично
предположить, что в целом первичное соотношение элементов в веществе
планет было таким же с малыми вариациями.
Сжимаясь благодаря гравитации, туманность ускоряла свое движение
до установления равновесия центробежных сил и гравитации, и в какой то
момент сжатие остановилось. Центр за счет сгущения газа был нагрет до 4-5
тысяч град, радиоактивный распад способствовал ионизации атомов и
образованию
вращающейся
плазмы,
являющейся
проводником.
Образовались в разогретом протосолнце и конвекционные течения, а вместе
с ним и магнитное поле и вся система стала работать по типу соленоида,
генерирующего силовые магнитные линии, которые в конце концов спаяли
все в единое целое, заставив отдельные части небулы вращаться с
одинаковой скоростью подобно твердому телу. При этом возрос угловой
момент вращения, который в основном смещается к периферии, заставив
небулу в один прекрасный момент для установления равновесия сбросить
часть периферийной массы. Вращение замедлилось и снова стало расти
гравитационное сжатие. Солнце стало разогреваться. А сброшенный газ стал
жить своей жизнью. Сброшенная масса ионизированного газа подобно
кольцам Сатурна вращалось в одном направлении в виде разрозненных
струй, а из физики известно, что проводники с током одного направления
притягиваются друг к другу, увеличивая массу отдельных струй, в них стал
проявляться
пинч-эффект
в
виде
кольцевых
магнитных
линий,
пережимающих струи, превращая их в подобие связок-сосик, из которых
потоми и образовались планеты. Еще в 80 гг эта модель была просчитана на
ЭВМ двумя советскими физиками Энеевым и Козловым. Получили точную
копию солнечной системы со всеми ее параметрами- массами, расстояниями
6
между планетами и даже обратным вращением Венеры.. И больше того - она
показала еще один пояс астероидов за Нептуном, который позже и
был
обнаружен в самом деле. Вот что значит эксперимент, построенный на
основе правильной модели!
А как же распределились химические элементы в этой системе? Фрейд
Хойл показал что именно магнитное поле небулы виновато в образовании
планет, заставив небулу вращаться как единое целое и тем самым увеличив
угловой момент вращения сместивщийся к периферии М=mwr2
вместо
М=mwr поэтому и момент движения планет 98 % хотя масса солнца в 700
раз их больше. Но распределение элементов великий английский астрофизик
Хойл рассмотреть не догадался. А вот геологу Ларину это было интересно..
Он построил графики распространенности химических элементов в нашей
планетной системе, которые оказались строго увязаны с их потенциалом
ионизации. Чем он меньше, тем труднее иону оторваться от источника
магнитных силовых линий (тормозят). Это дало возможность Ларину
определиться с исходным составом Земли. Он мало отличается от состава
Солнца.
В ат %
Кремний 19,5
Магний 15,5
Железо 2,5
Кальций 0,9
Алюминий 1
Натрий 0,7
Кислород 0,5
Углерод 0,03
Сера 0,01
Азот 0,01
Водород 59
Железа на ядро мало, а на мантию кислорода надо не мене 30вес%
7
8