Лекция 13

Поток космических лучей за пределами атмосферы оценивается примерно в 10 частиц на 1 см²/мин. Относя всю их массу к протонам, можно подсчитать, что в течение года их масса составит всего лишь около 40 г, т.е. она ничтожно мала по сравнению с массой Земли. Таким образом, количество вещества, поступающего в настоящее время на Землю вместе с метеоритами и космическими лучами, в общем невелико.

Однако идут и прямо противоположные процессы – потеря Землей некоторых наиболее легких газов (водорода и гелия), которые, высвобождаясь при некоторых процессах, происходящих на Земле, поднимаются в высокие слои атмосферы и оттуда под давлением солнечных лучей могут рассеиваться в мировом пространстве. Для гелия этот процесс имеет очень большое значение: являясь инертным легким газом, он не фиксируется на Земле в форме тех или иных минералов и постепенно теряется в мировом пространстве. Этим объясняется ничтожное распространение гелия на нашей планете, несмотря на то, что он постоянно генерируется, являясь устойчивым продуктом многих внутриядерных реакций; подсчитано, что имеющееся на Земле в настоящее время количество гелия составляет примерно лишь около одной тысячной части от того его количества, которое образовалось за время существования Земли в результате одних лишь радиогенных процессов. Свободный водород, нередко являющийся одним из компонентов подземных газовых атмосфер, попадая в надземную атмосферу, быстро поднимается в верхние ее горизонты, откуда может мигрировать в космос.

Что касается других, более тяжелых газообразных элементов и их соединений, то в гравитационном поле Земли они удерживаются гораздо прочнее, чем водород и гелий, а потому уход их в космос маловероятен. Но в древнейшие времена, когда масса Земли была значительно меньше, а температура выше, чем сейчас, потеря ею газообразных компонентов могла проходить гораздо интенсивнее.

Другой путь изменения состава Земли связан с превращением элементов. Особенно ярко это проявляется в радиоактивности. Природные радиоактивные элементы можно разделить на две группы: в первую группу – сильнорадиоактивных элементов – входят ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th с продуктами их распада, а также ⁴⁰К. Ко второй гркппе – слаборадиоактивных элементов – относятся ⁴⁸Ca, ⁸⁷Rb, ⁹⁶Zr, ¹¹³In, ¹¹⁵In, ¹²⁴Sn, ¹³⁰Te, ¹³⁸La, ¹⁴⁷Sm, ¹⁷⁶Lu, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁷Re, ²⁰⁹Bi.

Периоды полураспада радиоактивных элементов первой группы лежат в пределах от 1.410¹⁰ лет для Th до 7.110⁸ лет для ²³⁵U, т.е за время существования Земли эти элементы успели существенно распасться и перейти в другие стабильные изотопы. За 3 млрд. лет количество ²³⁸U уменьшилось примерно на одну четвертую часть, а количество Th – на несколько процентов.

Что касается элементов второй группы, то периоды их полураспада очень велики (до 1.410²¹лет для Те, поэтому изменения количеств этих элементов за время существования Земли было, очевидно, совершенно незначительным.

Таким образом, как абсолютные, так и относительные количества химических элементов на Земле, их кларки в ходе геологической истории, безусловно, менялись. Но, что также очень важно, существенно менялось само распределение элементов в массе Земли – от первоначально равномерного, гомогенного до современного, весьма неравномерного как в вертикальном, так и в горизонтальном разрезе.

Эволюция энергетики Земли. Еще более значительными в ходе эволюции Земли были изменения в ее энергетическом балансе. Источники энергии всех земных процессов делятся на две группы: к первой относятся космические источники, главным образом Солнце, ко второй – тепло земных глубин.

Подавляющее количество энергии поступает на Землю от Солнца – 4.210¹⁶кал/сек. Это очень большая величина; для сравнения скажу, что величина теплового потока, идущего из глубин Земли к ее поверхности, составляет лишь около 910¹²кал/сек, т.е. равна примерно одной пятитысячной части энергии, поступающей от Солнца.

Что касается энергии Солнца, то есть основания думать, что за время существования Земли она заметным образом не изменилась. Солнечная энергия, как известно, играет существенную роль в гипергенных процессах. Также осуществляется передача ее в глубины Земли в разных формах: аккумулированной организмами, пошедшей на дезинтеграцию вещества горных пород и минералов и, вероятно, захваченной некоторыми кристаллическими решетками в процессе их гипергенной перестройки. Аккумулированная на поверхности Земли энергия Солнца впоследствии при соответствующих геологических процессах может поступить вместе со своим материальным носителем в глубины Земли и там частично освободиться.

В недрах Земли существуют и другие, значительно более мощные источники энергии. Наиболее важным из них оказывается энергия радиоактивного распада. Радиоактивные элементы выделяют 1.3510¹³кал/сек. Эта цифра близка к величине теплового потока, составляющей 910¹²кал/сек, и, таким образом, практически все количество тепла, теряемое глубинами Земли, мы можем отнести за счет выделения тепла радиоактивными элементами.

Но тепло глубин может частично объясняться и другими причинами. Так, определенные количества тепла выделяются в результате дифференциации вещества Земли, следствием чего является погружение на глубину более тяжелых элементов и всплывание вверх более легких. В год при этом выделяется около 1.510²⁰кал, что составляет около 30% энергии радиоактивных процессов.

Другим источником энергии глубин является тепло приливного трения, генерируемое Землей при ее вращении в полях притяжения Луны и Солнца, в результате чего вещество Земли претерпевает приливы и отливы, несколько перемещаясь при вращении Земли. Считают, что за время существования Земли под действием этого фактора скорость вращения Земли уменьшилась примерно в 6 раз, что соответствовало выделению суммарного количества тепла в среднем около 410²⁰кал/год. Однако основная масса этой энергии связана с приливами и отливами в гидросфере и атмосфере и рассеялась в космическом пространстве, не оказав влияния на тепловой режим глубин Земли. Что касается перемещения твердых масс Земли, то они, по-видимому, тоже выделяли энергию в глубинах Земли, но ее количество, как считают, уступало величине радиогенного тепла.

В глубинах Земли можно предполагать также наличие ряда химических реакций, сопровождающихся выделением тепла, но наряду с ними, вероятно, более широко идут эндотермические реакции, при которых тепло поглощается; можно думать, что при этом приход и расход тепла примерно уравновешиваются. Таким образом, мы приходим к выводу, что важнейшим источником глубинного тепла Земли в настоящее время являются радиогенные процессы.

Этот вывод будет еще более справедлив по отношению к прошлым геологическим эпохам, когда количество радиоактивных элементов на Земле было больше, чем сейчас. Соответственно больше выделялось и энергии радиогенного происхождения.

Изменение климатических условий. Среди факторов, меняющихся в ходе геологической истории нашей планеты, важную роль играет климат. Исключительное влияние его на ход поверхностных геохимических процессов впервые было открыто Докучаевым в его теории почвенно-климатической зональности. Выяснено, что процессы выветривания горных пород и миграция химических элементов в значительной мере определяются количеством тепла, температурой воздуха и массой осадков, характерных для данной местности. Эти климатические факторы оказывают как непосредственное, прямое влияние на гипергенные процессы, ускоряя или замедляя миграцию элементов, так и косвенное – через организмы, которые очень тонко реагируют даже на небольшие изменения количества тепла и влаги.

Климат оказывает также существенное влияние на состав элювия, делювия и аллювия. Так, в степных и особенно в пустынных условиях при малом количестве влаги все эти образования богаты СаСО₃, характеризуются слабощелочной реакцией растворов, поэтому в них мала подвижность многих элементов, в том числе таких, как железо, цинк, медь, никель, кобальт и др. В понижениях рельефа континентальные отложения часто загипсованы, засолены.

Другая геохимическая обстановка наблюдается в районах с влажным климатом. Здесь континентальные отложения характеризуются, как правило, нейтральной или даже слабокислой реакцией, что способствует выносу многих элементов, таких как кальций, медь, цинк, уран, молибден, иногда также железо, марганец, кобальт. В понижениях рельефа в этих условиях происходит накопление органического вещества в форме торфа, и создаются благоприятные для миграции железа, марганца и некоторых других элементов восстановительные условия. Аккумулируются эти элементы в участках с окислительной обстановкой ; так образуются, например, озерные и болотные железные руды.

Весьма своеобразны геохимические условия в областях развития вечной мерзлоты, в тропиках и субтропиках, в аридных и гумидных зонах. Это своеобразие налагает свой отпечаток на миграцию химических элементов, усиливая или, наоборот, замедляя ее, перераспределяя элементы по профилю почв, рыхлых отложений и подстилающих их осадочных и магматогенных пород. Со всем этим приходится считаться, например, при проведении металлометрических и гидрогеохимических поисковых работ.

Учитывая значение климата как важной причины миграции химических элементов, следует при рассмотрении геохимических условий в историческом разрезе принимать во внимание, что климат на Земле в разные ее периоды жизни существенно менялся. Этому вопросу посвящена большая литература. Обобщение имеющихся данных сделано в известной книге М.Шварцбаха «Климаты прошлого».

Согласно имеющимся данным, климат на Земле неоднократно менялся как на отдельных территориях, так и на Земле в целом. Доказано, что теплые периоды были гораздо более частыми и продолжительными, чем холодные. Удалось установить три ледниковых эпохи: на границе альгонка и кембрия, карбона и перми и в четвертичный период. Особенно теплым на всей Земле был, по-видимому, меловой период; пермь и триас характеризовались особой аридностью, а верхний карбон и нижняя юра – повышенной влажностью. Шварцбах на основании изучения перемещения экваториального пояса рифов пришел к выводу, что экватор в прошлые времена был расположен в нашем полушарии значительно севернее, чем сейчас, и постепенно, начиная с кембрия, перемещался к югу, к своему современному положению. К аналогичным выводам пришел Н.М.Страхов, анализируя распространение на Земле в прошлые геологические эпохи аридных и гумидных зон. Согласно его данным, в карбоне экватор проходил несколько южнее линии Бельгия – Донбасс, где в то время была расположена жаркая гумидная зона и шло образование каменных углей Англии, Бельгии, Франции, Украины. С течением времени экватор переместился к югу. Такие изменения положения экватора Страхов связывает с перемещением полюсов, что произошло, по его мнению, в результате смещения земных масс.

Человечество как геохимический фактор. На позднейшем этапе длительной эволюции органического мира появился человек, и на сцену вышел новый мощный геохимический фактор, принципиально отличный от всех других природных факторов, - воздействие людей на природу путем разносторонней общественной производительной деятельности.

Вначале воздействие человека на природу было совершенно незначительным и разносторонним; с течением времени оно все более усложнялось и возрастало в соответствии с развитием производительных сил общества, и его характер и масштабы являлись функцией способов производства.

В результате разносторонней деятельности людей меняется органический мир, география растений и животных, а также распределение химических элементов на Земле, нарушаются естественные их ассоциации и создаются новые; меняется ход природных химических реакций, создаются новые химические соединения, не известные нам в природе, более того, получаются новые химические элементы и изотопы.

Вернадский в 1916 г. подсчитал, что до 18 века человек использовал 19 химических элементов, в 18 – 28, в 19 – 50 и в начале 20 – 59 элементов. В настоящее время, как мы знаем, этот список пополнился еще большим числом элементов, в том числе трансурановых.

До сих пор человечество покрывало свои потребности в различных химических элементах по преимуществу путем добычи и переработки соответствующих руд. Одни руды добываются уже тысячи лет (таковы руды золота, ртути, меди, олова и т.д.), другие – значительно меньший срок.

Запасы всех известных сейчас месторождений полезных ископаемых ограниченны и довольно быстро истощаются, поскольку добыча руд систематически, год от года все более возрастает, а запасы месторождений не возобновляются. Все это ставит перед практической геологией ряд проблем, сущность которых сводится к тому, чтобы обеспечить человечество необходимыми ему химическими элементами в достаточных количествах.

Труднооткрываемые месторождения, не выходящие на земную поверхность, не вскрытые эрозионным срезом, перекрытые молодыми рыхлыми отложениями, а также расположенные на дне морей, находить обычными визуальными геологическими методами практически невозможно. Здесь огромную роль приобретают геофизические и геохимические методы.

Комплексное использование добываемого минерального сырья – также чрезвычайно важный путь обеспечения многими химическими элементами. Хорошо известно, что почти все рудные и нерудные полезные ископаемые обычно представляют собой ассоциации многих химических элементов. При последующей технологической или металлургической переработке этого сырья, как правило, извлекаются одни-два химических элемента, остальные идут в хвосты, шлаки, отвалы и дымовые отходы, а следовательно, не используются. Так, например, из свинцово-цинковых руд нередко извлекают лишь свинец и цинк, а более редкие, весьма ценные примеси – кадмий, индий, галлий, серебро, таллий и др., как правило, полностью теряют.

Человечество – это особенно изменчивый внешний фактор геохимической миграции. Подчиняется он особым законам – законам развития общества. Этот фактор очень сильно воздействует на равновесие элементов в земной коре, и в ближайшем будущем благодаря быстрой изменяемости и приспособлению его роль в миграции химических элементов окажется одним из главных.