книги / Основы геохимии

Вместе с железом в его расплаве концентрировались геохимически бли­ зкие ему сидерофильные элементы. При полном погружении «капли», по оценке Ф. Берча, выделилась энергия порядка 2512 Дж на грамм земного вещества, что эквивалентно понятию температуры на 2000°С. Таким образом процесс дифференциации вещества Земли в планетар­ ном масштабе привел к сильному нагреву всего тела планеты. Все это произошло геологически довольно быстро, поскольку огромные массы расплавленного железа не могли находиться долго в неустойчивом состоянии в верхних частях Земли. В конце концов все жидкое желе­ зо односторонне и асимметрично стеклов центральные области Земли, образовав металлическое ядро. Внутренняя часть ядра под влиянием высокого давления перешла в твердую плотную фазу, образовав на глубине более 5000 км внутреннее маленькое ядро.

При таком способе образования ядра Земли неизбежно начался асимметричный процесс дифференциации материала планеты с далеко идущими следствиями в виде появлений континентального и океаниче­ ского полушарий (сегментов). Вероятно, полушарие современного Тихо­ го океана было тем сегментом, где массы железа погружались к центру, а противоположное полушарие явилось местом поднятия силикатного материала с последующим выплавлением более легких алюмосили­ катных масс и летучих компонентов. Поскольку силикатные массы могли плавиться не по всему объему Земли, а только в ее верхних горизонтах, то при планетарной дифференциации Земли в ее будущем континентальном сегменте силикатный материал при поднятии под­ вергался зонной плавке. Механизм зонной плавки хорошо был изучен экспериментально А. П. Виноградовым и его сотрудниками на ма­ териале хондритовых метеоритов. В легкоплавких фракциях материа­ ла мантии сосредотачиваются наиболее типичные литофильные эле­ менты, поступившие совместно с газами и парами воды на поверхность Земли. Большая часть силикатов при завершении планетарной диф­ ференциации образовала мощную мантию планеты, а продукты ее выплавления дали начало алюмосиликатной коре, первичному океа­ ну и первичной атмосфере, насыщенной С 02.

Другой путь формирования зонарного строения и состава Земли мог быть связан с самим способом аккумуляции вещества нашей плане­ ты, в ходе которой имело место изменение состава главных компонен­ тов, образующих основную массу земного шара. Так в процессе ох­ лаждения и конденсации первичной газовой туманности солнечного состава наиболее важные компоненты внутренних планет и метеори­

Таким образом, в интервале температур 1470— 1347 К в условиях химического равновесия из солнечного газа происходила конденсация наиболее распространенной части высокотемпературной фракции

301

(Дж. Лаример, 1967). Следовательно, не исключена возможность, что аккумуляция Земли началась в тот период, когда в остывающей га­ зовой туманности завершилось формирование железоникелевых ка­ пель, а конденсация силикатных капель только начиналась. Можно предположить, что аккумуляция Земли и планет земного типа про­ исходила одновременно с конденсацией силикатов из протопланетного вещества. Первоначально возникали из металла ядра планет, а затем вокруг них происходило оседание силикатных частиц, образовавших первичные мантии.

А. П. Виноградов в своем выступлении на первом международном геохимическом конгрессе в Москве в июле 1971 г. на основании ана­ лиза металлических фаз метеоритного вещества привел дополнитель­ ные физико-химические аргументы в пользу того, что твердый железо­ никелевый сплав возник независимо и непосредственно из паровой фазы протопланетного облака и конденсировался при 1500° С. Он считает, что железоникелевый сплав метеоритов имеет первичный характер и соответствующим образом характеризует металлическую фазу земных планет. По А. П. Виноградову, железоникелевые сплавы, обладающие более высокой плотностью, чем другие фазы, спекались благодаря своей большой теплопроводности в отдельные куски и па­ дали к центру газово-пылевого облака, продолжая конденсационный рост. Таким образом масса железоникелевого сплава, независимо конденсировавшаяся из протопланетного облака, могла образовать ядра планет земного типа.

Однако нам неизвестны температуры, при которых в крупном мас­ штабе началась аккумуляция планет. Если сгущение происходило при температурах ниже 1000 К, то условия роста первичных планет были существенно иными. При аккумуляции первичных планет из твердых частиц действовали еще и некоторые дополнительные факто­ ры, способствовавшие избирательному накоплению вещества разного свойства и разного состава. К таким факторам относятся магнитные силы.

Высокая активность первичного Солнца создавала в окружающем пространстве магнитное поле, которое способствовало намагничива­ нию ферромагнитных веществ: металлического железа, кобальта, ни­ келя, отчасти сернистого железа. Точки Кюри — температура, ниже которой вещества приобретают магнитные свойства, равна для железа 1043 К, для кобальта 1393, для никеля 630 и для сернистого железа (пирротина, близкого к троилиту) 598 К. Поскольку магнитные силы для мелких частиц на много порядков превосходят гравитационные си­ лы притяжения, зависящие от масс, аккумуляция могла начаться при температурах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и быть во много раз более эффективной, чем аккумуляция силикатных час­ тиц при прочих равных условиях. Сернистое железо ниже 580 К так­ же могло аккумулироваться под влиянием магнитных сил вслед за металлическим железом й никелем. Поэтому можно предположить, что основной мотив зонарного строения нашей планеты был связан главным образом с ходом последовательной аккумуляции частиц разного состава: сначала сильно ферромагнитных, затем слабо фер­

302

ромагнитных и в конце силикатных и других частиц, накопление ко­

торых уже диктовалось преимущественно силами гравитации вырос­ ших металлических масс.

Какой из рассмотренных выше процессов привел к зонарному стро­ ению и составу Зе^ли, мы сейчас точно сказать не можем. В обоих случаях начался быстрый радиогенный нагрев молодой Земли, опре­ деливший повышение ее температуры и способствовавший в дальней­ шем локальному плавлению материала и химической дифференциа­ ции. Если учесть последние данные по физике высоких давлений, указывающие, что при сверхвысоких давлениях температура Плавле­ ния железа понижается, то становится понятной его текучесть и кон­ центрация в центральных областях планеты. Еще более низкую тем­ пературу плавления имеет железо с примесью серы. Следовательно, появление жидкой расплавленной фазы металла с примесью серы должно происходить более облегченно в глубоких недрах планеты, чем возникновение жидких силикатных масс.

В заключение мы можем отметить, что зонарное строение и состав Земли, а также асимметричный характер ее верхней части в отноше­ нии строения и состава могли быть результатом комбинации первого и второго возможных процессов.

Так, основная масса ядра (возможно, одного лишь внутреннего) могла возникнуть в период формирования Земли за счет аккумуляции металлических частиц, а последующее выплавление железисто-сер­ нистых масс в верхних частях Земли и удаление их из первичной ман­ тии было дополнительным процессом, хорошо объясняющим на совре­ менном уровне знаний асимметричный лик нашей планеты, установ­ ленный давно географическими, геологическими и геофизическими исследованиями.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ВЕРХНИХ ОБОЛОЧЕК ЗЕМЛИ

Жизнь на Земле возникла в процессе эволюции вещества по край­ ней мере свыше 3,5 млрд, лет тому назад. Она стала мощным геохими­ ческим фактором на поверхности нашей планеты, изменила до неуз­ наваемости состав первичной атмосферы. С энергетической точки зре­ ния появление и развитие биосферы на Земле с ее живым веществом нужно рассматривать как возникновение мощного процесса посте­ пенного накопления превратимой энергии в поверхностных обо­ лочках Земли.

Сложные органические соединения могли возникать еще в косми­ ческих условиях после завершения конденсации вещества Земли. Об этом свидетельствует органическое вещество, обнаруженное в весьма древних углистых хондритах, обстоятельно изученное Г. П. Вдовыкиным (1967) и другими исследователями. Органические соедине­ ния в углистых хондритах весьма сложные, представлены углеводо­ родами, аминокислотами, многоядерными ароматическими соединения­ ми и другими веществами. По мнению А. П. Виноградова и Г. П. Вдовыкина, эти соединения возникли в метеоритном веществе из простых

303

неорганических соединений в результате преимущественно радиохими­ ческих реакций, связанных с облучением ультрафиолетовыми лучами и космической радиацией (протонами, электронами, нейтронами и др.). Дополнительным фактором могло быть радиоактивное излучение ма­ териала метеоритов, которые на ранних этапах существования сол­ нечной системы были также более радиоактивными. Сложные органи­ ческие соединения явились материальной предпосылкой для возник­ новения жизни на Земле.

Следует обратить внимание на то важное обстоятельство, что жи­ вое вещество нашей планеты по своему атомарному составу (если исключить Не) несравненно ближе к химическому составу космоса, чем все остальные ее части. При охлаждении первичной газовой ту­ манности возникновение первичных соединений из ее главных компо­ нентов Н, С, О, N было совершенно неизбежным процессом.

При температуре свыше 1000 К в первичной солнечной туманности преобладающим соединением углерода была его окись СО, а при даль­ нейшем охлаждении графит. При понижении температур значитель­ ные количества СО превращаются в углеводороды, преимущественно в метан. Однако реакции этого типа протекают очень медленно. Поэ­ тому Дж. Лаример и Э. Андерс предполагают, что ранее сконденси­ ровавшиеся частицы железа и никеля явились катализаторами, уско­ рившими реакции типа Фишера — Тропша:

20 СО + 41На -► С20Н4а + 20Н2О /гСО + (2п + 1) Н2 С„Н2п+г + пН 20

Таким образом в охлаждающейся солнечной туманности возникли сложные углеводороды.

Поверхность первичной Земли также была ареной очень важных событий, которые привели к образованию многочисленных органи­ ческих соединений.

Выделившиеся на поверхность Земли летучие вещества в связи с ее радиоактивным разогревом образовали первичный океан и пер­ вичную атмосферу. По всем данным состав первичной атмосферы был близок к составу вулканических газов. Как показал А. П. Виногра­ дов, в результате плавления и дегазации мантии по принципу зонной плавки на поверхность Земли поступали в основном три фракции ман­ тийного вещества: 1) базальтовая магма; 2) растворенная в ней вода;

3)растворенные в ней газы.

Излияния базальтов неизбежно привносили в результате дегазации

на поверхность Земли в среднем до 7% (от излившейся массы) юве­ нильной воды в виде водяного пара или жидкой воды. Таким образом, по А. П. Виноградову, между количеством излившихся базальтов и количеством поступившей на поверхность Земли ювенильной воды существовала тесная взаимосвязь. На поверхность первичной Земли поступали газы СН4, СО, С 02, NH3, S, H 2S, H 3B 0 3, НС1, HF, НВг, Н 2 и, вероятно, Se, Те, As. Газы составили первоначальную атмосферу нашей планеты. Количественное их соотношение едва ли может быть выяснено достаточно точно. На первом месте, вероятно, была С о2.

304

Между газами согласно законам термодинамического равновесия про­

исходили химические реакции, которые и привели к образованию органических соединений.

М. Дайгофф, Э. Липпинкотт и Р. Эк (1964) при многих комбина­ циях температуры и элементарного состава(Н, С, О) вычислили кон­ центрации большого количества соединений, представляющих биоло­ гический интерес и находившихся в первичной атмосфере Земли в состоянии термодинамического равновесия. Вычисления были про­ ведены по уравнениям химической термодинамики на электронно-вы-

Рис. 65. Термодинамическое равновесие при различных пропор­ циях элементов. Тройная диаграмма показывает все составы системы С—Н—О. Вершины треугольника соответствуют 100% -ному содержанию компонента. Места, отмеченные звездочками отвечают составам, для которых были выполнены полные термо­ динамические расчеты. Жирная линия соответствует стабильности графита при 101, 325 Па и 500 К. Выше линии СН4—СО2 равно­ весие определяет формирование значительных количеств полици­ клических ароматических соединений и родственных им соедине­

ний

числительной машине. Они показали возможность абиогенного синтеза сложных органических соединений. Проведенные расчеты позволили заключить, что в состоянии термодинамического равновесия образу­ ются в достаточном количестве органические вещества, имеющие важ­ ное значение в возникновении жизни. В малых количествах образу­ ются муравьиная, уксусная, молочная кислоты, пиридин, глицин

и различные спирты. Кроме того, возникают также и такие необходи­ мые для жизни соединения, как аденин,цитозин, гликоглицин и, веро­ ятно, другие, более сложные вещества.

Следовательно, в первичной безжизненной атмосфере Земли для возникновения вышеуказанных соединений далеко не обязательным было создание особых специфических условий и особых редких про­ цессов. Предполагается, что достаточно было, чтобы условия соответ­ ствовали установлению частичного или полного термодинамического равновесия в системе Н—С—О. Поля устойчивости некоторых органи­ ческих соединений в зависимости от соотношений Н—С—О показаны на треугольной диаграмме (рис. 65).

На поверхности первичной Земли в водной среде возникли условия для абиогенного синтеза высокомолекулярных соединений углерода, в которых проявлялись его особые специфические свойства, отличаю­ щиеся от свойств других химических элементов.

К отличительным свойствам атома углерода относится способность образовывать цепи, которая у других химических элементов встречается редко и только при особых условиях синтеза. Другой важной особен­ ностью соединений углерода является существование в одной молекуле атомов углерода разной степени окисления, что создает потенциальную возможность для различных внутренних превращений органических веществ. Наличие атомов углерода различной степени окисления созда­ ет внутреннюю неустойчивость многочисленных органических соеди­ нений, приводящую к реакциям диспропорционирования, сопровож­ дающимся выделением энергии. Выделившаяся энергия может либо рассеиваться в пространстве, либо вызывать другие реакции эндотер­ мического характера. Как отмечает Ю. А. Жданов (1968), «органи­ ческое вещество, возникшее абиогенным путем, оказывается в состоя­ нии быть источником энергии для своего внутреннего саморазвития». Очевидно, что это положение остается справедливым как для органи­ ческих соединений, возникших в метеоритном веществе, так и для ор­ ганических соединений, возникших на поверхности первичной Земли.

В свойствах атомов углерода была, таким образом, заложена по­ тенциальная возможность образования сложных соединений и впос­ ледствии саморегулирующихся природных систем, как основы жизни.

306

тельности роль поверхности океана в продукции свободного кислоро­ да несколько снизилась, не уступив, однако, первого места.

Химическая эволюция земной коры проходила под влиянием веко­ вого геохимического круговорота, связанного с формированием оса­ дочных, метаморфических, магматических горных пород, как физико­ химических систем с их непрерывными взаимными переходами. По об­ разному выражению Ч. Лайеля, материал земной коры неоднократно ■был перемыт на мельнице Нептуна и переплавлен в кузнице Плутона.

Особенно интенсивно геохимический круговорот протекал в кон­ тинентальном полушарии Земливгеосинклинальныхорогенных зонах. Это привело к образованию гранитной оболочки планеты, морфоло­ гически выразившемуся в росте континентов. По удачному выражению В. Г. Бондарчука, геосинклинали были теми местами, где формирова­ лись граниты. Подавляющая часть гранитов континентального полу­ шария возникла за счет гранитизации древних осадочных формаций при ультраметаморфизме и палингенезисе. Древнейшие гранитные породы фиксируются датами 3 — 3,5 млрд. лет. Возраст самых древ­ них плутонических пород кислого состава в Гренландии 3,7 млрд. лет. Таким образом, континентальная часть литосферы эволюционировала от основного состава к кислому. Нам еще не ясны все особенности и детали этой эволюции. Однако статистическое определение среднего химического состава крупных докембрийских геологических провин­ ций на континенте Северной Америки, выполненное А. Энгелем (1963), показало, что ареалы с возрастом 2,5 млрд, лет, названные в свое вре­ мя А. Холмсом зеленокаменными ядрами материков, обнаруживают базальтовый состав в целом, и только провинции моложе 2,5 млрд, лет отличаются типичным составом континентальной коры, близким к гранодиориту.

В связи с ходом гипергенных процессов менялся состав осадочных горных пород. Как отмечает А. Б. Ронов, осадочную оболочку, океан и атмосферу необходимо представлять себе как сложную и взаимосвя­ занную систему, изменение которой во времени определялось эволю­ цией поверхностных равновесий и динамикой обмена веществом между отдельными оболочками системы и системой в целом и глубинными зо­ нами планеты.

Ниже мы рассмотрим поведение главных породообразующих ком­ понентов в осадочном слое земной коры (стратисфере) на примере севе­ роамериканского континента. Химический состав осадочных пород крупнейших стратиграфических подразделений этого континента был подсчитан А. Энгелем и представлен в табл. 89.

По данным таблицы, наиболее существенные изменения относятся к Fe, Са, Na, К. В течение вековой истории под влиянием кислорода биосферы в осадочных толщах непрерывно увеличивалась доля окнсных соединений железа и уменьшалась доля его закисных форм. В то же время происходило увеличение пропорции Са главным образом в форме биогенных карбонатных пород, и мы видим почти двойное его увеличение в осадочном разрезе фанерозоя. Натрий непрерывно вымы­ вался в океан и количество его в стратисфере уменьшалось, в то же время количество калия в осадочных породах непрерывно возрастало

308

Т аб л и ц а 89

Средний химический состав осадочных толщ крупных возрастных

главным образом за счет массовой его адсорбции глинистыми отложе­ ниями.

Осадконакопление в биосфере все более подвергалось влиянию жизни. Это привело к резким концентрациям новых веществ в оса­ дочной оболочке, в ее отдельных частях. Вовлеченные впоследствии в процессы ультраметаморфизма древние толщи осадочных пород ста­ новятся потенциально рудоносными. В этом кроется одна из причин возникновения металлогенических провинций в земной коре (Тугари­ нов, Войткевич, 1963, 1966, Сердюченко, 1968).

Несомненно, что решение принципиальных вопросов металлоге­ нии различных тектонических зон неизбежно требует геохимического подхода к изучению миграции элементов в разных термодинамических зонах земной коры и учета эволюции живого вещества в биосфере нашей планеты.

Литература

В д о в ы к и н Г. П. Углистое вещество метеоритов. М., «Наука», 1967.

Ви н о г р а д о в А. П. Химическая эволюция Земли. М., Изд-во АН СССР,

1959.

Ви н о г р а д о в А. П. Геохимические проблемы эволюции океана. — Сб. «Основные проблемы океанологии». М., «Наука», 1968.

В и н о г р а д о в А. П. Высокотемпературные протопланетные процессы. «Геохимия», 1971, N° 11.

Во й т к е в и ч Г. В. Вековое изменение химического состава Земли. «Природа», 1951, N° 4.

Во й т к е в и ч Г. В. Основы теории происхождения Земли. Ростов-на-Дону,

Изд-во РГУ, 1975.

ука», 1973.

Ро н о в А. Б. Эволюция состава пород и геохимических процессов в осадочной оболочке Земли. — «Геохимия», 1972, № 2.

Се р д ю ч е н к о Д. П. О геохимической наследственности в ряде осадочных — метаморфических — палингенных пород. — В Сб. «Геохимия осадочных по­

род и руд». М., «Наука», 1968.

D а у h о f f М. О., L i р р i п с о t t Е. R., Е с k R. V. Thermodynamic equi­ libria in prebiological atmospheres. Science, 146, 1461, 1964.

309

E l s a s s e r W. M. Early history of the Eearth. «Earth Science and Meteorites», p. 1—30 (dedicated to F. G. Houtermans). North Holland, Amsterdam, 1963.

L a r i m e r J. W. and A n d e r s E. Chemical fractionation in meteorites. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 37, N 8, 1967.

S u e s s H. E. Chemical evidende bearing on the origin о the solar system. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 3, 217—234, 1965.

U re y H. C. The Planets their origin and development. Yaly University, 1952.

Г л а в а X I I I ГЕОХИМИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

КРЕМНИЙ

Четырехвалентный ион кремния — главный катион литосферы. В сочетании с анионом кислорода он дает целый ряд кристаллохими­ ческих структур, которые являются основой едва лине всех породо­ образующих минералов.

Природный кремний состоит из трех стабильных изотопов: 28Si (92,27%), 28Si(4,68%) и S0Si (3,05%). В процессе геохимического круговорота наблюдается небольшое смещение изотопных отношений кремния. Отношение изотопов 28S i/30Si колеблется в природных об­ разованиях от 29, 37 до 30,10. Среди магматических пород изотоп 30Si накапливается преимущественно в кислых породах, меньше его в ос­ новных.

Кремний относится к главным химическим элементам космоса. Его средняя галактическая распространенность по сравнению с водо­ родом оценивается отношением H/Si = 35 000 : 1. В солнечной атмо­ сфере Si занимает восьмое место. Относительно высокая космическая распространенность кремния связана с ведущим значением изотопа 28Si как изотопа четного, возникающего, по данным астрофизики, в условиях звездной эволюции в процессе Не-«сгорания» в термоядер­ ных реакциях в красных гигантах. Для образования изотопа 28Si необходимо объединение семи ядер гелия 7Не -»- 28Si, что, вероятно, достигается путем последовательного присоединения гелионов к изо­ топу 12С* по схеме

24Mg 4- 4Не -у 28Si

Для оценки относительного распространения кремния в различ­ ных природных телах В. Гольдшмидт предложил сравнивать его с распространенностью железа как мало летучего элемента и занимаю­ щего одно из ведущих мест в геохимии и космохимии. По современ­ ным данным, распространенность кремния по сравнению с железом представляется в следующем виде (табл. 90).

310