Текст книги "Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения"

К исходу Второй мировой войны человечество открыло ящик Пандоры, освободив титаническую энергию урана. Согласно греческой мифологии, бог Уран – порождение Хаоса. Мы подошли к черте, когда накопленный на оружейных складах уран способен уничтожить жизнь на планете и опрокинуть ее в Хаос.

Космическая круговерть. Небо в алмазах

Мир распахнулся в центильоны раз.

Соотношенья дико изменились,

Разверзлись бездны звездных Галактей,

И только Богу не хватило места.

Максимилиан Волошин

Зададимся такими вопросами: как вообще появился уран на Земле? Откуда взялись минералы урана? Они всегда были на Земле? Но ведь когда-то и Земли не существовало! Значит, весь уран из космоса? А разве в космосе барражируют минералы урана? Про железные метеориты слышал каждый, а вот про урановые…

Давайте разбираться. И начнем издалека. Из такого далека, в котором ничего не было. Вообще ничего. Даже света. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет…» – и далее по тексту. Если посмотреть с позиций креационизма, все давным-давно описано и разъяснено в книге Бытия: Земля, и все, что на ней и в недрах, было создано в ходе акта Творения, причем ударными темпами.

Если же встать на путь эволюционизма, то процесс формирования нашего мира выглядит несколько дольше недели. Но, что примечательно, космология, как и Библия, утверждает: в Начале Начал произошло отделение Света от Тьмы: примерно 13,8 млрд лет назад случился Большой взрыв, когда Пространство, Энергия и Материя возникли из непостижимой Пустоты. Проверить опытным путем это невозможно, и выводы ученых, как и утверждения теологов, остается принимать на веру.

Собственно, Большой взрыв не привел к образованию минералов. Никакие кристаллические соединения не могли образоваться и тем более сохраниться в бешеном вихре, явившемся из Ниоткуда. По расчетам физиков, понадобилось около полумиллиарда лет, чтобы в остывающем котле Большого взрыва образовались первые атомы – атомы водорода и гелия.

Спустя еще каких-то 300 миллионов лет под действием гравитации возникли первые звезды, в недрах которых начались термоядерные реакции и образование более тяжелых элементов – вплоть до железа. Сегодня принято считать, что все элементы тяжелее железа, в том числе уран, возникли в результате взрывов сверхновых.

Но недавние изыскания специалистов в этой области предполагают более экзотические процессы. Ученые считают, что здесь замешаны так называемые примордиальные черные дыры – небольшие аналоги «обычных» черных дыр звездной массы, возникавшие в первые мгновения жизни Вселенной из особо плотных скоплений темной материи. Они обладали множеством необычных свойств, в том числе способностью проникать внутрь более крупных объектов, не разрывая их на части, как это делают обычные черные дыры77
  Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.


[Закрыть].

При столкновении с пульсаром примордиальная черная дыра буквально «выедает» его изнутри. В соответствии с законами физики, уменьшение радиуса приводит к резкому возрастанию скорости вращения пульсара, да так, что от него начинают отлетать «ошметки».

Материя нейтронной звезды, обладающая сверхвысокой плотностью и полностью состоящая из нейтронов, после подобного «катапультирования» становится нестабильной и превращается в «обычную» материю, при этом рождаются атомы тяжелых элементов.

Именно тогда в космосе появился и уран. Пока только элемент уран, а не его минералы. По оценкам ученых это случилось около 6,6 млрд лет назад. В это же время во Вселенной образовались и первые минералы, это были кристаллы чистого углерода – графит и алмаз. Да-да, небо расцветилось алмазами, правда, чрезвычайно мелкими – размерами с наночастицы. Постепенно к первым углеродистым образованиям начали добавляться и другие высокотемпературные твердые вещества, сложенные из соединений кальция, магния, азота и кислорода.

Перенесемся вперед во времени – примерно на 9 миллиардов лет от Большого взрыва.

На задворках Галактики, где-то на полпути от центра Млечного пути в это время существовало гигантское облако, состоящее из газа и ледяной пыли. Такие межзвездные облака существуют многие миллионы лет без видимых изменений, но иногда какое-нибудь событие может привести к нарушению равновесия, например, ударная волна от взрыва ближайшей звезды. Вероятно, похожий спусковой механизм 4,7 млрд лет назад послужил началом формирования Солнечной системы. Получив импульс начального сжатия и вращения и пополнившись новым веществом, «наше» облако начало сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Сначала очень неторопливо вихревые потоки, состоящие из газа и пыли, стали втягиваться внутрь, образуя спираль, сходящуюся в центре формирующегося газового сгустка. По мере нарастающей гравитации облако крутилось все быстрее и быстрее, сжимаясь и ускоряя вращение, оно уплотнялось и расплющивалось в форме диска, в центре которого росло новое небесное тело – наше будущее Светило. Постепенно давление и температура внутри шара поднялись до точки ядерного синтеза, и… Солнце зажглось.

Подробности процессов, сформировавших Землю и другие тела Солнечной системы, частично сохранились в метеоритах. Самые распространенные из них – хондриты, возраст которых определен учеными в 4,65 млрд лет. Они образовались, когда ядерный реактор Солнца пришел в действие и колоссальный выброс энергии воспламенил окружающее пространство. Вспыхнувший огненный смерч сплавил частицы межзвездной пыли в крохотные вязкие капли – хондры (от др.-греч. χόνδρος – зерно, гранула). В результате пульсирующего излучения молодого Солнца хондры переплавлялись и цементировались (спекались) микроскопическими частичками космической пыли – образовывались хондриты. Это происходило в короткий промежуток времени между рождением Солнца и формированием планет.

Вращение газово-пылевого облака продолжалось несколько миллионов лет. В космической центрифуге хондриты сталкивались и спаивались в более крупные тела – планетезимали. Энергия, возникающая при их столкновении, не уступала ядерной, а запредельные температуры и давление приводили к переплавлению хондр и возникновению новых минералов. Наиболее тяжелые из них «стекали» к центру планетезималей, образуя плотное железо-никелевое ядро, которое обрамлялось вязкой оболочкой из минералов кремния.

Столкновение планетезималей не всегда приводило к их слиянию, иногда, соударяясь, они вновь рассыпались на мелкие «брызги», образуя другой тип метеоритов – ахондриты, в которых хондры уже были переплавлены с образованием новых минералов. Из железо-никелевых ядер, разрушенных планетезималей, образовывались железные метеориты, а из краевых «корок» – «каменные».

По оценке американского ученого Роберта Хейзена, минеральная история Вселенной началась с образования всего двух минералов – графита и алмаза, через несколько миллионов лет в звездной пыли присутствовало уже около десятка новых минеральных образований. В хондритах их количество достигает шести десятков, а в ахондритах – порядка 25088
  Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.


[Закрыть].

А что уран? Химические анализы показывают, что в метеоритах он уже содержится. В углеродистых хондритах его содержание достигает 0,0074 ppm (в процентах это составляет – 0,00000074%), в ахондритах – немного больше – 0,07—0,15 ppm (или 0,000007—0,000015%). Но собственно минералы урана в метеоритах пока отсутствуют, в микроскопических количествах он прячется в межзерновом пространстве метеоритов или входит в состав других минералов.

Но не все планетезимали соударяясь вновь рассыпались метеоритами, некоторые достигли очень больших размеров и известны как астероиды, другие и вовсе превратились в планеты, как в малые, так и в полновесные, которые сегодня известны как Марс, Венера, Земля…

Итак, Земля сформировалась. И на ней появился уран. Все-таки из космоса (откуда ж ему еще взяться). Но минералов урана на планете все еще нет. Молодая Земля слеплена из мешанины хондритов, ахондритов, обломков мелких планетезималей, протопланет, и на ней царит первозданный хаос.

Одни исследователи, как, например, Р. Хейзен или В. Е. Хаин, считают, что Земля формировалась как раскаленный шар и первые земные минералы начали формироваться на поверхности остывающей планеты на границе с холодным космосом. Другие, как О. Ю. Шмидт или Дж. Койпер, полагают, что Земля никогда не была полностью расплавленным космическим телом. Изначально она была холодной, и падающие планетезимали только обжигали Землю, но при отсутствии атмосферы место удара быстро остывало.

Новорожденная Земля, «роды» которой продолжались порядка 10 миллионов лет, имела достаточно однородный состав – не существовало еще ни земного ядра, ни коры, ни атмосферы, ни гидросферы. Первичное вещество планеты по усредненному составу представляло резко выраженную ультраосновную породу. Планета представляла собой суровую холодную пустыню с черным небом, яркими немигающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем, светимость которого была на 25—30% ниже современной, и непомерно большим диском Луны. Рельеф напоминал испещренную кратерами поверхность Луны, недра были сложены темно-серым первичным веществом. Других пород на Земле пока не существовало.

Изначально холодной была наша юная планета или представляла раскаленный шар, можно было бы с уверенностью сказать, имея в руках неопровержимые доказательства в виде сохранившегося каменного материала первичного вещества. Сегодня можно делать самые различные предположения о том, чем была изначально сложена поверхность Земли, но пикантность ситуации в том, что первоначальные породы, покрывавшие тогда планету, не сохранились, они… утонули. В этом сходятся апологеты как «холодной», так и «горячей» теории происхождения Земли. Правда, они предлагают различные варианты течения событий, но сходятся в одном: в ходе развития планеты первичное вещество оказалось тяжелее и опустилось в раскаленную магму, где переплавилось с образованием новых минералов и горных пород.

Несмотря на колоссальные усилия геологов всего мира найти самые древние породы Земли, достоверно определенный возраст наиболее древних образований не превышает 3,75—3,8 млрд лет, в то время как возраст планеты определяется в 4,6 млрд лет. То есть никаких материальных свидетельств о составе земли за первые 800 миллионов лет не сохранилось? Почти не сохранилось!

В начале века появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных зерен минерала циркона, с возрастом… 4,2—4,3 и даже 4,4 млрд лет. О них стоит рассказать подробнее. Тем более что уран имеет к ним прямое отношение.

Уран очень долго не мог обзавестись собственными минералами – более полутора миллиардов лет он находил себе убежища на поверхностях и в микротрещинах пород, входил в состав расплавов, растворов, в общем, крутился как мог. Значительное количество атомов урана приютилось в кристаллических решетках чужих минералов, где они и расположились с комфортом, словно кукушата в неродном гнезде.

Процесс этот в минеральном царстве не так уж и редок и называется изоморфизмом – когда атомы одного химического элемента замещают в кристаллической решетке атомы другого, сходного по размерам. Чаще всего «для проживания» атомы урана выбирали именно минерал циркон (Рис. 1). Надо сказать, что и выбор минералов первые полтора миллиарда лет был не слишком богат. Циркон оказался очень гостеприимным: его кристаллы помимо урана часто вмещают атомы гафния, редких земель, ниобия, тантала, тория; содержания урана в цирконе достигают 1,5%, а иногда и больше!

Рис. 1. Зерно циркона под микроскопом. Увеличение 320 раз.

По [Таусон, 196199
  Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.


[Закрыть]]. а – микрофотография зерна; б – микрорадиография того же зерна. Темные полоски – треки от распадающихся радиоактивных элементов

Химический элемент цирконий обзавелся собственным кристаллическим «домом» одним из первых на Земле, при этом получившийся минерал циркон оказался на редкость прочным. Хотя он и уступает по твердости алмазу, но в отличие от последнего стойко переносит ударные нагрузки.

Изучая архейские конгломераты и песчаники возрастом 3,5 млрд лет, австралийские ученые выделили из них небольшие кристаллики цирконов, возраст которых оказался равным почти 4,4 млрд лет1010
  Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.


[Закрыть]. Как такое может быть – породы одного возраста, а минералы в ней намного старше? Объяснение простое: цирконы были вымыты из более древних, первозданных пород.

В неблагоприятных химических условиях кристаллы циркона начинают растворяться, но только лишь обстановка наладится, они снова приступают к самосборке, словно птица Феникс. Процесс этот исследован еще недостаточно. Как отмечает Т. В. Каулина (доктор геолого-минералогических наук, сотрудник Кольского научного центра РАН): «Практически нет работ, посвященных выявлению общих закономерностей образования и преобразования циркона в природе». Кроме того, нам почти ничего не известно о том, какова была химическая среда на протопланетной поверхности1111
  Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.


[Закрыть]. Среди архидревних кристаллов циркона попадаются экземпляры с «луковичным» строением, сердцевина которых окружена рядом более молодых слоев. При этом прослеживается закономерность – чем ближе к центру минерала, тем богаче концентрация урана: кристаллы циркона частично растворялись, выпуская в «свободный полет» своих урановых и прочих «кукушат», входящих в кристаллическую решетку, а затем обрастали новыми, уже «очищенными» слоями (Рис. 2).

На разрушение цирконового «убежища» влияли не только внешние факторы среды, но и некоторые «квартиранты». Радиоактивные частицы, образующиеся в ходе распада урана, разрушали структуру циркона изнутри, в результате чего он становился метамиктным1212
  Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.


[Закрыть]. Конечным продуктом радиоактивного превращения урана является радиогенный свинец, размер атомов которого больше, чем у элементов, входящих в минерал циркон. Атомы свинца втискиваются в кристаллическую решетку циркона, словно медведь в теремок, и кристалл как бы «распирает». Его правильная форма нарушается. Такой циркон называют уже иначе – циртолитом1313
  От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).


[Закрыть].

Рис. 2. Фотография зонального циркона, полученная катодолюминисцентным методом. Для наглядности зоны окрашены. Возраст кристалла около 4,4 млрд лет. [Изображение с сайта livescience.com1414
  Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).


[Закрыть]].

Радиусы атомов, составляющих минерал циркон (ZrSiO₄) следующие:

цирконий Zr – 160 пм, кремний Si – 132 пм, кислород О – 60 пм,

уран U – 138 пм, а свинец Pb – 175 пм.

Пикометр (пм) – единица измерения длины, равная одной триллионной (то есть 1/1.000.000.000.000) части метра. Пикометр меньше нанометра в тысячу раз.

Известно, что элемент уран состоит из двух основных изотопов: ²³⁵U и ²³⁸U, – причем ²³⁵U распадается быстрее, а значит миллиарды лет назад его было больше. Поэтому процесс разрушения кристаллической решетки циркона протекал тогда быстрее1515
  В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (²³⁸U) и уран-235 (²³⁵U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного ²³⁵U была в десятки раз выше.


[Закрыть]. Но существовал в то время еще один, еще более короткоживущий радиоактивный изотоп – плутоний-244.

В журнале «Science» в октябре 2004 года была опубликована статья американских геологов1616
  Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.


[Закрыть], в которой приводились доказательства былого наличия плутония-244 (²⁴⁴Pu) в исследованных цирконах. Этот ныне потухший изотоп имел период полураспада всего 82 миллиона лет и «вымер» в течение первых 600 миллионов лет после образования Земли. Но его присутствие еще более ускоряло процесс разрушения древних цирконов.

Освобождавшиеся из кристаллической решетки атомы урана «выпархивали» на свободу и при благоприятных обстоятельствах готовы были образовывать свои устойчивые минеральные соединения.

Кроме циркона уран в виде изоморфных включений входит в состав апатита, монацита, пирохлора, колумбита и других минералов, правда, не в таких количествах.

Да, у геологов нет образцов первичных пород Земли, и все же, в их руках есть реальные «образцы» урана того времени. Правда, микроскопические. Ну, уж что сохранилось…

Молодая земля.
Космическое вещество превращается в земное. Первая минералогическая революция

⠀

Из вихрей и противоборств возник

Мир осязаемых

И стойких равновесий.

И равновесье стало веществом.

Но этот мир разумный и жестокий

Был обречен природой на распад.

Максимилиан Волошин

⠀

Итак, Земля сформировалась. Что увидел бы геолог, попади он на новорожденную планету?

Во-первых, ему потребовался бы скафандр. Атмосферы на Земле не было – ни кислородной, ни бескислородной. Газы во время образования планет Солнечной системы унесло солнечным ветром далеко на периферию, где и образовались планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих летучих компонентов. Так что, если бы на юной Земле и образовалась какая-никакая атмосфера – ее бы тотчас сдуло. Гидросферы на планете тоже не было: ни рек, ни морей, ни облаков, ни подземных вод.

Во-вторых, ноги геолога проваливались бы в реголит, который покрывал поверхность планеты. Минералогический анализ отобранных проб показал бы, что вся планета состоит всего из 2—3 сотен минералов1717
  Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.


[Закрыть], среди которых преобладали самородное (метеоритное) железо и его сплавы с никелем (камасит и тэнит), а также железисто-магнезиальные силикаты, обобщенную формулу которых можно представить в виде R₂ [SiO₄], где «R» это Mg, Fe²⁺, Mn и Ca в разных пропорциях. Изредка можно было встретить оливин, пироксены, плагиоклаз, графит, циркон, хромит, магнетит, апатит и микроскопические кристаллы алмаза. А если бы была возможность пробурить скважину хоть до центра планеты – образцы пород и минералов с глубины оставались бы те же. Ведь Земля на первых порах представляла хаотическое скопление спрессованных гравитацией однородных обломков планетезималей и метеоритов.

Вулканов на поверхности планеты пока не было, зато в районе экватора вокруг Земли, словно кольцо вокруг современного Сатурна, еще вращался остаточный рой мелких планетезималей. Падая на Землю, они взрывались, перепахивая и размельчая реголит. Колоссальные температуры, возникающие при ударах, быстро гасились окружающим холодным космосом. Но и этот остаточный рой вскоре иссяк, и вблизи Земли осталось только одно космическое тело – Луна. Ее восходы и закаты представляли пугающе-завораживающую картину: низко нависающий лунный диск занимал добрую половину небосвода – его видимые размеры в 300—350 раз превышали сегодняшние. И если бы наш геолог действительно оказался в это время на планете, он погиб бы от ежесуточных перепадов давления, создаваемого притяжением нашего спутника.

Новорожденная Земля представляла равновесную систему. И все-таки этот мир, по словам Максимилиана Волошина, «был обречен природой на распад». И космическое вещество неотвратимо стало переплавляться в земное. Процесс происходил крайне медленно, да и «раскачалась» Земля не сразу, а произошло это благодаря процессу, который запустила… Луна.

Общеизвестно, наша спутница создает на Земле приливные волны, которые на побережье морей и океанов можно наблюдать воочию. Но Луна влияет и на земную твердь, правда, сегодня для глаза это не заметно, однако на самых ранних этапах развития Земли, когда лунный диск нависал над планетой на высоте всего 7000 км, высота приливов достигала 1,5 км! Причем, воздымалась сама Земля, океанов в то время еще не было. Впрочем, и сейчас вблизи подлунной точки твердая Земля поднимается на 46 сантиметров.

И вращалась планета в то время значительно быстрее – сутки составляли всего 6 часов: Солнцу хватало три часа, чтобы пересечь небосвод и через три часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом. Наша спутница не могла с такой же скоростью оборачиваться вокруг планеты, поэтому приливной «горб», возникающий на поверхности Земли, постоянно опережал Луну, убегая вперед. Луна же своим притяжением изо всех сил пыталась тормозить убегающую каменную приливную волну, в результате вращение Земли постепенно замедлялось. Но Луна с такой силой тянула этот «горб» на себя, что сама «отклонялась» в обратную сторону – то есть радиус лунной орбиты постоянно возрастал. С точки зрения физики, Луна отдалялась от Земли согласно действию кинетической энергии вращающегося тела (Рис. 3). Сегодня Луна уходит от Земли со скоростью 4 см в год и находится на расстоянии 384,4 тысячи км.

Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:

F – приливная сила, тормозящая вращение Земли; f – приливная сила,

ускоряющая орбитальное обращение Луны; δ – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 20021818
  Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.


[Закрыть]].

Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли1919
  Там же.


[Закрыть]. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.

Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.

Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см³, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см³. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.

Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы – пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно – со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов – был запущен процесс конвекции – своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин2020
  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.


[Закрыть].

Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х10³⁰ кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.

Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа – СО₂ (15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.

Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.

Черное поле – расплавы железа и его окислов; точки – формирующийся

астеносферный слой, обедненный железом; черточки – первичное земное

вещество; эллипсы со стрелками – конвекционные потоки; фонтаны – выбросы вулканов (H₂O, CO₂, CO, SO₂, H₂S, CH₄ и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 20022121
  Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.


[Закрыть]]

с дополнениями.

Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.

Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов – может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит – особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.

Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.

Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см³, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см³, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.

Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.

Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.

При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см³, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.

Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe) ₂Si₂O₆. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi₃O₈ – CaAl₂Si₂O₈, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.

Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.

С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.

Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi₃O₈) до анортита (CaAl₂Si₂O₈). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.

C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.

В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K₂O (до нескольких процентов) и другие окислы.

Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).

Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км2222
  Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.


[Закрыть].

Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.

Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).