§ 3. Геохимия планет земной группы и космохимия.

1. Геохимия Луны и планет.

Долгое время единственным источником прямой информации о веществе планет были метеориты, к которым в последние десятилетия-добави­лись породы. Луны, сведения о составе литосферы и атмосферы Венеры, Марса и других планет.

а) Луна.

Ценная информация о геохимии Луны получена с помощью аппара­тов, совершавших посадку на поверхность Луны, они доставили на Землю лунные породы. 85% лунной поверхности составляют «материки» и 15% - «моря». Материковые породы формировались в сильно восста­новительных условиях, т. к. содержат самородное Fe. Характерен де­фицит летучих компонентов, в частности отсутствие минералов, со­держащих воду и CO₂. Возраст пород очень древний - 4,4 - 4,6 млрд. лет, хотя есть и более молодые - 3,9 - 4,1 млрд. лет. Лун­ные моря сложены базальтами, излияния которых проходили 3,8 - 3,1, возможно, 2 млрд. лет назад. Они отличаются от земных базальтов повышенным содержанием Fe, Ti и других тугоплавких металлов – Sc, Y, Cr, Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, W. Содержание Fe³⁺, Na и K, напротив, понижено.

У Луны нет гранитного слоя, осадочных пород,- атмосферы и ги­дросферы. На поверхности развит слой мелкозёма (реголит), образо­вавшийся, вероятно, за счёт контраста дневных и ночных температур – (150^сС) и ударов метеоритов. В реголите обнаружены изотопы ³Hе, ²⁰Ne, ²²Na, ²⁶Al, образование которых связывают с действием кос­мических лучей. Возможно, что этой же причиной объясняется присутствие в поверхностной части реголита следов Fe, Al, Si и Ti в элементарной форме. Учёные открыли неокисляемость этих ультрадисперсных форм элементов, т.е. их пассивность по отношению к газообразному кислороду.

В целом Луна значительно менее дифференцирована, чем Земля, её средняя плотность равна 3,34 г/см³, а плотность поверхностных пород - 3,1 - 3,2 г/см³. Это говорит о том, что Луна почти нацело сложена силикатным материалом, и, возможно, не имеет металличес­кого ядра.

Важную роль в истории Луны играла метеоритная бомбардировка поверхности, с которой связано образование многочисленных кольце­вых структур. Известно 300000 кратеров диаметром более 1 км. Наи­более интенсивны эти процессы были 4,2 - 3,8 млрд. лет назад. Ма­лые размеры Луны определили более быструю по сравнению с Землёй её эволюцию; полагают, что её тектоническая и магматическая ак­тивность также завершились около 3 млрд. лет назад.

б) Венера.

По размерам и плотности Венера похожа на Землю; на основе их аналогии-были--высказаны-различные гипотезы о природе планеты. Од­нако, как правило., они не подтвердились при. её изучении советски­ми автоматическими станциями. «Венера» и американскими- космически­ми аппаратами «Маринер». Радиолокация поверхности планеты уста­новила на ней высокие плато, горные хребты, разломы, вулканы, де­прессии. Венера имеет плотную атмосферу, состоящую из СO₂ (97%) и N₂ (около 3%). На остальные компоненты приходится около 0,1%. Это CO, SO₂, H₂O, HCl, HF, H₂S, COS, H₂, O₂, Ar, Ne, Kr, Xe.

Если бы карбонатные породы Земли были нагреты и отдали свой СO₂ в атмосферу, то Земля содержала бы столько же СO₂, как и ве- нерианская атмосфера. С высоким содержанием СO₂ в атмосфере Вене­ры связан парниковый эффект – высокая температура её поверхности (около 500⁰С). Сенсацией стало обнаружение облачного слоя на вы­соте 50 – 70 км, состоящего из капелек серной, а возможно, и соля­ной кислот (Cl и S - продукты вулканизма). Горячая поверхность планеты исключает существование жидкой воды, которая должна была бы превратиться в водяные пары. Но их в атмосфере мало (0,05%) и это одна из загадок Венеры. Предполагают, что H₂O уничтожена в хо­де фотодиссоциации под влиянием солнечного излучения. Необычным оказался изотопный состав Ar и Ne, не похожий на земной. Так, первичного (нерадиогенного) ³⁶Ar в атмосфере Венеры в 200 – 300 раз больше, чем в земной атмосфере.

На Венере отсутствуют времена года, однородный климат поверх­ности, на которой, как и на Луне, обнаружены древние «материки» с многочисленными кратерами (следами метеоритных бомбардировок); име­ются и депрессии, аналогичные лунным морям с базальтовым покровом.

По составу пород Венера, возможно, аналогична Земле. Это под­тверждается гаммаспектрометрическими определениями U, Th и K (близким к гранитоидам). На основе различных предположений созданы мо­дели строения. Венеры, включающие силикатные кору и мантию, метал­лическое ядро. Полагают, что в этом отношении Венера из всех пла­нет больше всего напоминает Землю.

в) Марс.

Данные по геологии и геохимии этой планеты также оказались далёкими от имевшихся гипотез относительно марсианских каналов, растительности и т. д. Космическими станциями «Викинг», «Марс» и другими заснята почти вся поверхность планеты, для которой харак­терны грандиозные вулканы высотой до 27 км, рифы, каньоны, извилис­тые долины, напоминающие речные. Поверхность покрыта кратерами, чем Марс напоминает Луну. Выделяется древняя кратерированная кора и базальтовые «моря» в депрессиях.

Атмосфера Марса сильно разрежена (0,01 земного давления) и на 95% состоит из CO₂, есть также Ar (1-2%), N (2-3%), доли про­центов H₂O и O. Установлены различия изотопных отношений Ar и N в атмосферах Марса и Земли и сходство этих отношений для С и О. Климат Марса суров, характерны белые полярные шапки, состоящие изo льда (CO₂, частично H₂O). Днём на экваторе температура поднима­ется до +30°С, ночью опускается до -100°С. На Марсе наблюдаются пыльные бури, характерны эоловые отложения. Предполагается много­летняя мерзлота,, а следовательно,, процессы криогенеза. Цвет поверх­ности Марса оранжевый, что объясняется плёнкой гидроксидов железа. Средняя плотность Марса 3,94 г/см³, т.е. много меньше, чем Земли и Венеры, но несколько больше, чем у Луны. Эти и другие данные по­зволили построите трёхслойную модель планеты с небольшим, металли­ческим ядром. Для спутников Марса Фобоса и Деймоса характерны мно­гочисленные кратеры ударного происхождения, что указывает на древ­ность их поверхности.

г) Меркурий.

Как показали телеснимки космического корабля «Маринер 10», эта самая близкая к Солнцу планета имеет лунный ланшафт (за счёт многочисленных кратеров). Обнаружены также узкие долины и хребты. Предполагают, что у Меркурия такая же кора, как и у Луны, возраст её также очень древний (3,9-4,4 млрд. лет).

Плотность Меркурия 5,45г/см³, что указывает на на высокое со­держание Fe, относительно большое ядро. Меркурий повёрнут к Солнцу одной стороной и на освещённой стороне температура около 430^oС, на неосвещённой - свыше 200^o мороза. Разреженная атмосфера Меркурия состоит из инертных газов.

д) Астероиды.

Пояс астероидов в основном расположен между орбитами Марса и Юпитера и насчитывает около 2000 твёрдых тел различных размеров от самой крупной Цереры диаметром 1003 км до небольших каменных глыб. Предполагают, что астероиды - главный источник метеоритов.

е) Внешние планеты и их спутники.

Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон резко отличаются от планет земной группы малой плотностью (0,7 - 1,7 г/см³), преобла­данием в атмосфере H и He. Менее велика роль NH₃, CH₄ и дру­гих газов. На основе астрофизических данных построены модели боль­ших планет, включающие газовую атмосферу и оболочки из молекуляр­ного и металлического водорода, водяного льда, каменного ядра.

Неожиданными оказались сведения, доставленные «Вояджером» о спутниках больших планет, особенно об Ио – крупном спутнике Юпите­ра (R ~ 1840 км). Это каменное тело красного, оранжевого и белого цвета. Для Ио характерен интенсивный современный вулканизм, причём лава представлена самородной серой. Источник энергии Ио неясен. Другой крупный спутник Юпитера - Европа (R ~1552 км/) - покрыт ле­дяным панцирем, под которым предполагается каменное ядро.

2. Космохимия.

Главными объектами космохимии служат - звёзды, в которых сосредо­точено более 95% массы вещества Вселенной. К другим объектам отно­сятся газовые и пылевые туманности, межзвёздный газ, рассеянная космическая пыль, кометы и др. В 1929 г. впервые на основе спект­рального анализа, количественно был определён состав, солнечной ат­мосферы. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов, среди которых абсолютно преобладают H(около 70% по массе) и He (28%). На долю остальных элементов приходится лишь 2%. Особенно мало тяжёлых элементов (после Fe).

Кларки солнечной атмосферы раcсчитывают на 10⁶ атомов Si или H. Для первых 13 элементов в 1976 г. получены следующие величины:

H - 10⁶ C - 4,2∙10² Mg - 40 S - 16

Не - 6,3∙10⁴ N - 87 Ne - 37 Ca - 2,2

O - 6,9∙10² Si - 45 Fe - 32 Ni - 1,9

Ar - 1,0

Кларки солнечной атмосферы принято рассматривать в качестве кларков космоса. В центральных частях звёзд высокие температуры соче­таются с высокими давлениями. Это определяет особые формы сущест­вования вещества. Так, в центре Солнца температура колеблется око­ло 10⁷ K, а давление достигает 10 Па. В этих условиях вещество состоит из свободных атомных ядер и электронов, т.е., представляет собой, полностью ионизированную плазму. В центре звёзд-гигантов тем­пература достигает 10⁸ К. В целом для звёзд характерно электронно-­ядерное состояние вещества - это водородно-гелиевая плазма. Воз­можно, и нейтронное состояние с ядерной плотностью. К нейтронным звёздам относят пульсары (источники мощного пульсирующего радиоиз­лучения). Астрофизиками установлены основные, процессы необратимой эволюции звёзд, конечными членами которой служат белые карлики, нейтронные звёзды и «чёрные дыры».

Нуклеосинтез и химическая эволюция звёзд.

В центральных частях звёзд при температурах в десятки и сотни миллионов градусов из протонов и нейтронов синтезируются ядра ато­мов. За счёт «сгорания» ядер H возникают ядра Не: 4¹H → ⁴He. Эта ре­акция - один из возможных источников солнечной энергии. Ядра тя­жёлых элементов возникают в результате различных ядерных реакций, в которых участвуют α-частицы (ядра He), протоны и нейтроны.

Так, например, при «r-процессе» происходит захват быстрых нейт­ронов с образованием ядер Cf. Это, возможно, имеет место при вспышках сверхновых звёзд, т.к. вспышка затухает в течение 60 дней - времени полураспада Cf.

Наиболее вероятно и энергетически выгодно образование ядер, состоящих из небольшого и чётного числа протонов и нейтронов. Лёг­кие и чётные ядра более устойчивы. Ядра с большим числом протонов и нейтронов часто неустойчивы. Так, U, Th, Ra и другие радио­активные элементы разлагаются с образованием Pb и He. U и Th ещё известны на Земле, другие радиоактивные элементы (например, Th) давно распались. Однако и среди лёгких элементов не все обладают высокими кларками. Например, Be имеет порядковый номер 4 (в яд­ре 4 протона), а его кларк в земной коре - лишь 3,8∙10^-4%.

Мало Li (3,2∙10^-3%), B (1,2∙10^-3%), C (2,3∙10^-2%). Полагают, что их ядра служат ядерным горючим и уничтожаются в ходе ядерных реакций. Ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 протонов или нейтронов, особенно устойчивы. Эти числа называются магически­ми. Наиболее устойчивы дважды магические ядра, содержащие магичес­кое число и протонов, и нейтронов (⁴Hе, ¹⁶O, ⁴⁰Ca, ²⁰⁸Pb). В земной коре элементы с магическими ядрами обладают относительно высокими кларками (за исключением He). Итак, в химическом отношении звёз­ды являются довольно простыми системами. Доступная для изучения часть Вселенной имеет в основном водородно-гелиевый состав. Ко - химия оказалась однообразнее и, пожалуй, проще геохимии. Сбы­лось предсказание английского астрофизика А. Эддингтона, который в начале XX в, писал, что легче будет разобраться в составе звёзд, чем в процессах, окружающих нас на Земле.