Текст книги "Занимательная геохимия. Химия земли"

Но все же в этой сложной, во многом еще, может быть, неточной картине есть одна область, которая неизменно привлекает наше внимание. Это область, в которой мы живем и которая выделяется из всех геосфер своими особыми свойствами. Это пояс в 100 км – пояс химической жизни, область земных химических процессов, область бурных пароксизмов, колебаний температур и давлений, область землетрясений, вулканических извержений, область разрушения в одних местах и возрождения в других, область охлаждения расплавов глубинных очагов, горячих источников, рудных жил, наконец, область жизни самого человека, с его бурными исканиями, постоянной борьбой с природой и за природу, область, населяемая миллионами видов живых существ, область новых своеобразных и сложных сочетаний химических молекул, область жизни, борьбы, искания, область новых процессов и новых превращений!

Озеро в кратере вулкана Санторин образовалось около 3500 лет назад. Греческий архипелаг

Эта область жизни недаром называется геологами тропосферой, то есть поясом движения. Этот пояс живет своей сложной химической жизнью, и процессы стройки и сочетаний химических элементов в нем определяют все судьбы нашей Земли в отдельные геологические эпохи нашей планеты. Это пояс чисто земных реакций, и замечательно, что хотя тысячи и тысячи небесных камней, метеоритов, залетают к нам на Землю и тысячи обломков космических тел попадают в руки ученых, но ни один из них не дал нам хотя бы одного кусочка, который напоминал бы этот бурный пояс жизни и смерти нашей планеты. Так слагаются химические представления о глубинах нашей Земли у человечества, физическое существование которого ограничено только маленькой пленкой толщиной в несколько километров. Но в медленной и упорной борьбе человеческого гения раздвигаются рамки познания мира.

Мы твердо убеждены, что как глубины Земли, так и заоблачные высоты будут завоеваны не только отвлеченной мыслью ученого, но и техникой.

Мы видим, как волны наших крупных геофизических установок по нашей воле проникают в глубины Земли и, отражаясь там, приносят нам ответ о строении земных оболочек. Огромные взрывы, произведенные на Урале и на юге нашей страны, открывают совершенно новые страницы в этих представлениях. Целый ряд точных станков, огнеупорные трубы и штанги с насаженными на них резцами из сверхтвердых сплавов, с алмазными коронками свободно, со сказочной скоростью в сотни метров за смену будут врезаться в твердый гранит, – и мы уверены, что пройдет немного лет, и московские буровые скважины, казавшиеся пределом достижения техники, отойдут в далекое прошлое. Человек завоюет глубины в десятки километров и не только в прекрасных романах, но и в действительной жизни одержит техническую победу над Землей. Нет границ познанию мира, нет границ победам человеческого ума!

История атомов в истории Земли

Более ста лет тому назад в Берлинском университете известный натуралист Александр Гумбольдт (1769–1859), вернувшись из путешествия по неведомым тогда странам Америки, прочел серию лекций, в которых пытался нарисовать перед слушателями необычайные картины мироздания.

Идеи этих своих лекций он позднее изложил в сочинении, которое назвал «Космос». Слово «космос» взято из греческого языка, оно выражает не только понятие мира, но и понятие порядка и красоты, так как в греческом языке это слово одинаково обозначает и мироздание и красоту человека[60]60
  Мы это знаем из жизни, когда говорим о космических мирах и косметике.


[Закрыть].

В изложении Гумбольдта космос представлялся как совокупность разнородных фактов.

Основываясь на достижениях науки XIX века, он пытался объяснить порядок единством законов природы и хотел в картине настоящего видеть нечто большее, чем один из моментов в сложном процессе развития мира. Но это ему не удалось, мир все же в его представлении разбивался на отдельные царства природы. В каждом из них были свои отдельные представители, между которыми не существовало никакой общей связи.

Старая классификация разбивала весь мир на отдельные клеточки и непроходимыми границами отделяла друг от друга «царства» минералов, растений и животных.

Еще звучали старые взгляды XVII и XVIII веков, еще весь мир казался незыблемым, составленным, по воле бога, из огромного количества независимых «царств», и хотя Александр Гумбольдт как раз хотел показать, что все явления природы связаны между собой, он этого сделать не смог, так как не было фактов, не было тех доказательств, тех единиц, которые можно было бы поставить в основу взаимоотношений окружающей нас природы.

Такими единицами явились атомы, и в наше время картина космоса строится совершенно на другой основе. Неумолимые законы физики и химии управляют сложной и длинной историей странствований отдельных атомов природы. Мы уже видели, как в центре космических тел отдельные атомные ядра лишены своих электронов, мы видели, как потом постепенно создается сложный клубок элемента с вращающимися вокруг центра электронами-планетами.

Мы видели, как, сплетаясь и обволакиваясь кольцами этих планет, в пустынном мире охлаждающихся звезд рождаются молекулы, то есть химические сочетания. Дальше возникают все более и более сложные постройки; ионы, атомы, молекулы образуют целые кристаллы – эти новые замечательные элементы мира, элементы высшего порядка, математически завершенные и физически прекрасные. Примером может служить прозрачный чистый кристалл кварца, еще древними греками названный кристаллос, то есть окаменевший лед.

Мы видели с вами, как на самой поверхности Земли растут и разрушаются прекрасные постройки кристаллов, как из их обломков создается новая механическая система – мир коллоидов, мельчайших групп атомов и молекул. И в этой среде оказывается устойчивым новый тип сложных и крупных молекул, содержащих углерод, тип, который мы называем живой клеткой.

Новые законы развития живого вещества все больше и больше усложняют судьбы атомов на их историческом пути, создавая сложные сгустки мицеллий – мельчайшие, едва видимые в ультрамикроскопы полуживотные, полурастения, полуколлоиды, которые мы называем вирусами, и, наконец, те первые одноклеточные организмы, которые мы уже хорошо различаем в нашем микроскопе, – бактерии и инфузории.

По этим этапам истории проходят атомы различных элементов окружающего нас мира, и для каждого из них можно построить историю жизни, начиная с момента охлаждения первого земного клубка и кончая их странствованиями в живой клетке.

Когда-то почти так, как рассказывается в сказке, в мировом хаосе возник клубок атомов, которые излучают электромагнитные волны; постепенно падает тепловое движение, как говорят астрономы, и система охлаждается.

Для нас даже неважно, когда, кто первый среди разнообразных астрономов и философов пытался разгадать механику этого процесса. Важно для нас только то, что образуется клубок, где соприкасаются атомы отдельных элементов.

Мы знаем состав этого клубка: блестящие работы геохимиков нашего времени говорят нам о том, что он состоит примерно на 40 % из железа, на 30 % – из кислорода, на 15 % – из атомов кремния, на 10 % – из магния, на 2–3 % – из никеля, кальция, серы и алюминия. Далее следуют элементы, входящие в меньших количествах: натрий, кобальт, хром, калий, фосфор, марганец, углерод и другие.

Из этого списка мы видим, что главные химические элементы, составляющие мироздание, – это все устойчивые, прочные атомы, построенные по тем законам, о четности которых мы уже говорили.

Этот запутанный клубок состоит почти из ста типов атомов, причем одни встречаются в громадных количествах, другие же – только в миллиардных долях процента.

Мало-помалу при дальнейшем охлаждении свободные атомы-газы образуют жидкости, и, сблизившись в виде отдельных расплавленных огненно-жидких капель, они подвергаются всем тем процессам, через которые проходят расплавленные руды в доменной печи.

И разгадку строения нашей планеты неожиданно дали не теоретики, не геофизики, а металлурги, – те люди, которые привыкли выплавлять металл, расправляться со шлаками и которые научились управлять судьбой отдельных атомов в пекле доменной печи. Согласно законам физики и химии, атомы при этом отталкиваются друг от друга, и первоначальный расплав разделяется на отдельные части. Все химические элементы при этом располагаются в определенном порядке. Легкие, подвижные части устремляются кверху, к поверхности, а тяжелые – к центру.

Таким образом накапливается металлическое ядро. Над ним нередко создается оболочка сернистых металлов; наконец, еще выше, как окалина или шлак, отлагается кора кремневых соединений. Геофизики говорят нам, что все отдельные оболочки, или геосферы, из которых состоит наша Земля, как раз и отвечают отдельным зонам, отдельным продуктам плавки большой доменной печи.

В самых глубинах, на глубине примерно до 2900 км, находится железное ядро. Здесь накоплены те металлы, которые и в доменной печи идут вместе с железом; это прежде всего само железо и его ближайшие друзья и аналоги – никель и кобальт.

Здесь же и элементы, которые химики называют сидерофилами, «любящими железо», повторяя почти точно слова алхимиков, над которыми так насмехались схоласты XVIII века. К сидерофилам принадлежат платина, молибден, тантал, фосфор и сера, которые, несомненно, имеют сходство с железом. Вот как рисуется нам состав самых глубоких частей нашей Земли.

Над ядром, вероятно на глубине 1200–1300 км, идет другая зона; много было споров, как разгадать ее химический состав, но несомненно, что это та зона, которую мы хорошо знаем при выплавке меди или никеля; на заводах цветной металлургии ее называют «штейн». Это сернистые металлы. И недаром огромную зону земной коры в 1700 км нередко называют рудной оболочкой.

Здесь должны накапливаться сернистые соединения меди, цинка, свинца, олова, сурьмы, мышьяка и висмута. Большая их часть, однако, входит в состав сернистых минералов, которые мы встречаем и в более поверхностных зонах земной коры.

Далее идет сама «окалина», или окисная зона. Она также разделяется на отдельные зоны. В глубинах мы имеем огромные скопления пород, богатых кремнием, магнием и железом. Это зона, о которой мы стали догадываться только после того, как были изучены громадные алмазные трубки Южной Африки, заполненные вынесенными из глубин наиболее плотными и тяжелыми минералами – продуктами кристаллизации глубинных расплавов.

Над ней, примерно с глубины 1200 км, начинается та кремневая окалина (каменная метосфера, или каменная оболочка), на которой протекает наша жизнь. Мы представляем ее себе как довольно сложную систему различных горных пород и минералов, хотя фактически знаем ее только до глубины 20 км.

Ее состав резко отличен от среднего состава Земли и может быть выражен в следующих цифрах: половину занимает кислород, на долю кремния приходится около 25 %, алюминия – 7 %, железа – 4 %, кальция – 3 %, натрия, калия и магния – по 2 %; далее следуют водород, титан, хлор, фтор, марганец, сера и все остальные элементы.

Мы уже видели, что эти цифры установлены тысячами отдельных подсчетов и анализов. На каждом шагу мы убеждаемся, что наша твердая земная кора неоднородна, что распределение атомов необычайно сложно и что очень трудно точно представить себе картину строения земной коры, состоящей то из розового сверкающего гранита, то из тяжелых темных базальтов, то из совсем белых известняков и песчаников или из цветистых сланцев. Мы знаем, что на этой пестрой, запутанной основе в столь же беспорядочном хаосе рассеяны сернистые металлы, соли и полезные ископаемые. Можно ли найти какие-нибудь законы распределения атомов в этой сложной картине или же нет возможности открыть закон строения этого пестрого ковра?

Исследования геохимиков за последние годы показали, что в этом кажущемся мире случайностей существуют свои необычайно четкие и неумолимые законы.

Геохимики не только выделили из огненного жидкого клубка атомов кремневую окалину, земную кору, они разделили ее на отдельные атомы и в строгом порядке изучают поведение каждого из них.

Мы представляем себе расплавленную массу и окалину подобной вылитому из домны шлаку, который начал постепенно остывать. Последовательно, один за другим, стали из него выкристаллизовываться отдельные минералы. Первыми отделились вещества более тяжелые и стали падать на дно; более легкие составные части, газы, летучие вещества стали устремляться кверху. Так, из расплава базальтов опускались вниз минералы, богатые железом и магнием; в них мы встречаем соединения хрома и никеля, находим источники драгоценных камней алмаза и дорогих платиновых руд; с другой стороны, кверху, в верхнее поле поступали другие вещества, и из них образовывались те породы, которые мы называем гранитами. Они явились как бы последовательными выжимками охлаждающегося массива; именно они образовали основу наших материков, которые как бы плавают на тяжелом базальтовом слое, выстилающем большую часть дна океанов.

Строгие законы физической химии руководили этим новым распределением атомов в мировых пространствах, и в науке зажглась заря новых идей с того момента, как в геохимии стали применять законы физической химии.

Сложно идет охлаждение гранитных очагов: из них выделяются перегретые пары, летучие газы, которые проникают через окружающие породы, образуя горячие водные растворы, хорошо известные нам по минеральным источникам. Как ореолом окружен гранитный очаг этим горячим дыханием; газы и пары с различным содержанием летучих веществ прорываются в трещины и разломы охлаждающихся гранитных пород; текут как бы горячие подземные реки, которые, постепенно охлаждаясь, образуют на стенках кристаллические корки минералов и превращаются на поверхности в холодные источники.

В этом ореоле охлаждающегося гранита мы видим прежде всего остаточные расплавы; это те знаменитые пегматитовые жилы, которые являются носителями тяжелых атомов радиоактивных руд. Они несут с собой драгоценные камни, сверкающие кристаллы берилла и топаза; в них намечаются соединения олова, вольфрама, циркония и редких металлов.

В сложном процессе постепенного расслоения тянутся дальше жилы кварца с оловом, вольфрамитом, еще дальше протягиваются ветвистые кварцевые жилы с золотом, потом начинаются отложения цинка, свинца и серебра, образующие полиметаллические жилы, а далеко от раскаленных очагов, за несколько километров от кипящих глубин гранитных расплавов мы встречаем соединения сурьмы, красные кристаллы сернистой ртути и огненно-желтые или красные соединения мышьяка.

Эти рудные массы распределяются по законам все той же физической химии. Когда же они застывают по длинным расколам Земли, то скопления атомов вытягиваются в длинные кольца или пояса, закономерно следующие один за другим вокруг раскаленных массивов. Перед нами на поверхности Земли раскрываются грандиозные картины этих рудных поясов: одни протягиваются через оба американских материка, начинаясь на севере, где-то в районе Калифорнии; они несут с собой свинец, цинк и серебро. Другие по меридиану прорезают всю Африку. Третьи в виде гирлянд опоясывают устойчивые окаменевшие щиты Азии, создавая пояс, богатый рудами и цветными камнями, прослеженный на много сотен километров.

Непонятная картина, казалось бы, беспорядочно разбросанных точек рудных месторождений превращается таким образом для геохимика в четкую закономерную картину распределения атомов. И крупнейшие практические задачи и достижения решаются на основе этой новой идеи естественных законов распределения атомов в земной коре в зависимости от их свойств и поведения.

На смену старым наблюдениям горняков Средних веков и старого опыта рудокопного дела появляются настоящие законы, о которых так мечтал еще в XVI веке Агрикола, говоря о таинственной любви отдельных металлов друг к другу.

Говорил об этом и профессор минералогии горной Академии во Фрейберге Брейтгаупт, когда он полтораста лет назад призывал химиков объединиться с металлургами, чтобы отыскать равновесие и причины совместного нахождения руд и ответить на вопросы: почему цинк и свинец встречаются вместе, почему так часто кобальт следует за серебром, почему металлы этих враждебных горному делу гномов – Никеля и Кобальта[61]61
  В древней германской мифологии Никель и Кобальт – злые гномы, приносящие горнякам лишь неприятности. – Науч. ред.


[Закрыть] – находятся со странным элементом ураном?

Что же заставляет отдельные атомы так закономерно распределяться в гранитных породах? Здесь на арену выступают новые силы природных процессов; и если там, в глубинах, когда расплавленный клубок делился на ядро, окалину и шлак, основные законы деления обусловливались природой самих атомов, то здесь на смену этим законам пришли новые.

Атомы и их части стали соединяться вместе, не только образуя систему нагроможденных свободных атомов и молекул, которую мы называем жидкостью или стеклом, но и постройки, которых нет в глубинах Земли и которые носятся в мировом пространстве лишь там, где холод межпланетных пространств охлаждает бурно движущиеся атомы ниже 2000°.

Эта замечательная гармоническая постройка, определяющая всю стройность нашего мира, названа кристаллом. Мы говорили уже о том, что 1 см³ кристалла состоит из триллиона триллионов атомов, которые расположены в определенных точках пространства на определенных расстояниях один от другого, образуя как бы решетки и сетки[62]62
  Точнее будет сказать, что атомы все время колеблются около точек, образующих идеальную решетку. – Науч. ред.


[Закрыть]. Из кристаллов и построена вся верхняя пленка земной коры, так же как и подавляющая часть окружающего нас мира.

Кристалл и его законы определяют распространение элементов, которые могут часто заменять друг друга в этих постройках: появляется возможность одним из них странствовать внутри кристалла, другим связываться вместе электрическими силами сказочной мощности, создавая прочность кристалла, его механическую выносливость, его способность бороться против всех враждебных ему сил мироздания.

Там, в глубинах космических тел, беспорядочный хаос атомов; здесь, на Земле, нет больше этого хаоса, есть бесконечный ряд точек и сеток, расположенных столь же правильно, как клетки паркета на полу, как лампы в большом зале.

Так подошли мы к земной поверхности. Здесь недра Земли перестают влиять на жизнь атомов и уступают свое влияние Солнцу и излучениям космоса; и под влиянием новых видов энергии атом снова начинает свои странствования на земной поверхности согласно законам физической химии и кристаллохимии.

Полвека тому назад в Петербургском университете в своих блестящих лекциях В. В. Докучаев развивал идеи о законах образования почв на земной поверхности. Он говорил, что климат, растения и животные обусловливают образование отдельных почвенных зон, а вместе с тем и различное распределение атомов вещества в почвенном покрове. Таким образом, почвенный покров в его обобщениях воскресал как новый, своеобразный мир атомов.

Докучаев любил повторять: «Почвы – это четвертое царство природы».

Законам этого мира В. В. Докучаев подчинял не только плодородие почвы, но и жизнь человека.

Но именно здесь, на этой тонкой пленке земной поверхности поведение атомов необычайно усложнилось. Простые и ясные схемы спокойного роста кристаллов в глубинах оказались здесь недостаточными.

Сложный географический ландшафт подчинил себе сами атомы, а частные смены климата, времен года, дня и ночи и жизненных процессов – все это стало налагать свои отпечатки и требовать новых форм равновесия и новых условий устойчивости.

В глубинах Земли – спокойствие, спокойный ход пространственного распределения кристаллов; а на поверхности – бурное царство изменчивых, противоречивых влияний, борьба сил, смена температур и господство процессов уничтожения. Здесь вместо наших точных кристаллических построек приобретают преобладающее значение их обломки как новая динамическая система. Эти обломки мы называем коллоидами.

Возникает противоречие между миром порядка в глубинах и хаотическим миром студнеобразных коллоидов на поверхности. В быстро меняющейся обстановке окружающей нас природы химические реакции не могут идти так спокойно и планомерно, как в глубинах. Только что начатая постройка кристалла вдруг распадается, заменяется новой. Иногда обломки кристаллов сливаются вместе, и из этих крупных частиц, построенных иногда из сотен и тысяч атомов, вырастает новая форма вещества, неустойчивая система коллоида, того студня и клея, который мы так хорошо знаем в органическом мире.

Но не только эта сила разрушения характеризует систему минералов земной поверхности, в ней заложены громадные активные силы, в ней содержится большая энергия, чем в мертвой, устойчивой системе кристаллов.

В окружающих нас глинах, различного рода бурых железных, марганцевых потеках, во всем многообразии различных атомных сочетаний железа, алюминия, марганца, в шарах и стяжениях фосфорных соединений – всюду вступают в действие новые силы, вызванные соприкосновением различных сред между собой, всюду проявляются эти новые силы хаоса, где наравне с гибелью идет постройка, где возникают новые закономерности, которые определяют природу почв, облегчая странствования отдельных металлов, вызывая их взаимный обмен в почвенном покрове.

Так постепенно подходим мы к последнему этапу истории атома – к процессам жизни. Коллоид уже подготовил почву для создания новой системы: в нем, в этом сложном сцеплении целеустремленных молекул, с заложенными в них громадными поверхностными силами, создаются зародыши нового вещества. Это живая клетка.

Здесь, в своеобразной и гибкой постройке, где атомы то связаны, то свободны, родилась жизнь как естественное развитие, как логическое завершение все усложнявшейся системы атомов. Эта жизнь, проходя по сложным путям эволюции, лишь продолжала те картины, которые мы нарисовали выше. Подчиняясь новой форме группировки, она начала усложнять атомную постройку и сделалась господствующим явлением на земной поверхности, начиная с мельчайшего одноклеточного организма и кончая человеком.

Мы ничего не можем вычеркнуть из окружающей нас обстановки. Жизнь вместе с мертвой природой, воздухом и водой слилась в единое целое, создала окружающие нас многочисленные географические ландшафты. Это высшая форма системы атомов, сложившаяся в результате законов эволюции и развития организма. Появился мыслящий человек, сумевший познать те могущественные законы, которые заложены в основу этой новой, еще более неустойчивой, но и еще более могучей, активной системы.

Размытые осадочные породы причудливых форм. Новая Зеландия

Так по истории странствования атома мы видим, как постепенно усложнялась его судьба.

Вначале это был электрически заряженный свободный протон, далее образовались ядра атомов.

Потом началось усложнение, и, по мере перехода к более холодной системе космоса, к атому вернулась его электронная оболочка. Постепенно в закономерной и жесткой геометрической форме сливались эти атомы в то, что мы назвали химическим соединением.

Кристалл был формой выражения этих законов, формой наибольшего порядка, наибольшей гармонии, наименьших запасов энергии и потому наиболее мертвой формой вещества, лишенной свободной силы. Но тут же началось осложнение, родилась коллоидальная система атомов, молекул.

Создалась живая клетка; сложные молекулы стали строиться из сотен и тысяч отдельных атомов; и как высшая форма еще не разгаданной химической системы появились белковые вещества, создавшие все многообразие, всю сложность и загадочность окружающего нас органического мира.

Но в истории нашей природы атом всегда мечется в поисках новых форм. Мы не можем еще сказать, нет ли новых, других форм равновесия, более устойчивых, чем кристалл, или более активно заряженных энергией, чем живое вещество. Все наши представления об окружающей нас природе наталкиваются на недостаточность наших знаний новых путей атома, и никто не решится сказать, что мы уже постигли все пути его странствований и что человек уже овладел теми могучими силами, которые он мог бы развязать в атомном клубке[63]63
  За годы, прошедшие с момента написания этих строк, наука сделала в области познания строения атома громадные успехи, и сейчас использование атомной энергии идет быстрыми, все нарастающими темпами.


[Закрыть].