Занимательная геохимия. Химия земли: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

На высоте 10–15 км начинается второй слой, который мы называем тропосферой. Это наша воздушная стихия, привычный нам воздух с азотом, кислородом, гелием и другими благородными газами, пропитанный парами воды, углекислотой.

Камчатка. Авачинский вулкан

Далее идет зона мощностью примерно в 5 км, которую называют биосферой, — область жизни живого вещества. Она захватывает и верхние части земной коры и ее водной оболочки. Дальше следует зона водной оболочки, ее называют гидросферой. Водород, кислород, хлор, натрий, магний, кальций и сера — вот те элементы, которые определяют ее состав.

Затем начинается твердая оболочка — вначале кора выветривания, которую мы хорошо изучили, с кислыми солями и почвенным покровом, потом оболочка осадочных пород — осадков старых морей, — это глины, песчаники, известняки и угольные прослойки. Уже на глубинах 20–40 км мы встречаемся с новой прослойкой, названной метаморфической.

Еще глубже лежат граниты, богатые кислородом, кремнием, алюминием, калием, натрием, магнием, кальцием. Где-то на глубине примерно в 50–70 км они сменяются базальтами с магнием, железом, титаном и фосфором, которые идут на смену алюминия и калия. Резкий перелом наступает на глубине 1200 км. Здесь твердая толща сменяется своеобразным расплавом, и новая, перидотитовая, или оливиновая, оболочка состоит из кислорода, кремния, железа, магния с тяжелыми металлами — хромом, никелем и ванадием.

Существование оболочек различного состава в глубинах Земли отчетливо намечается на основании изучения волн землетрясения, воспринимаемых чувствительными приборами — сейсмографами. Изобретение академиком Б. Б. Голицыным очень чувствительных приборов дало возможность улавливать не только те волны, которые идут по кратчайшему пути, но и волны, огибающие весь земной шар, и волны, отражающиеся от границ слоев Земли разной плотности, например от земного ядра. Эти-то данные и служат вескими аргументами в пользу существования слоев литосферы. Некоторые ученые думают, что здесь до глубины 2450 км идет рудная оболочка со скоплениями титана, марганца и железа.

Еще более резкий скачок в плотностях наблюдается при глубинах в 2900 км, где, наконец, как предполагают, начинается центральное ядро, свойства которого для нас еще очень загадочны, но которое, по всей вероятности, состоит из железа и никеля, содержащего примеси кобальта, фосфора, углерода, хрома и серы. Так рисуют сейчас геофизики и геохимики строение нашей Земли, и каждая из этих оболочек характеризуется элементами, которые преобладают в ее составе. Для каждой характерны свои температуры и свои давления.

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].

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.

[60] Мы это знаем из жизни, когда говорим о космических мирах и косметике.