Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Войткевич, Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

20.10.2023

Размер:

7.67 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 177 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

системы Fe—FeS значительно ниже, чем температура


плавления	железа		или силиката		мантии. Так , при да
влении 60	кбар	температура		п л а в л е н и я		системы		(эвтек
тики) Fe—FeS составит 990° С, в то время ка к							чистого
железа — 1610°,		а	пиролита	мантии — 1310°.			Поэтому
п р и повышении		температуры		в	недрах	первично		одно

родной Земли железный расплав, обогащенный серой, будет формироваться первым и ввиду своей низкой в я з кости и высокой плотности будет легко стекать в централь

ные части планеты, образуя		железистосернистое ядро.
Таким	образом, присутствие	серы	в железоникелевой
среде	действует в качестве флюса,		с н и ж а я температуру

ее плавления в целом. Гипотеза о присутствии в земном ядре значительных количеств серы является весьма при

влекательной и не противоречит всем известным									данным
геохимии	и космохимии.
В . Рама - Мурти и			Г. Х о л л (1970), которые					в	послед
нее время	наиболее		убедительно		аргументировали					идею
о присутствии серы в качестве легкого элемента									в	зем
ном ядре, приближенно оценили химический									состав
Земли и сравнили его с составом					хондритовых			метеори
тов разных типов. Состав Земли и метеоритов								(в	в е с . % ) ,
по их расчетам, представлен в табл. 9.
Состав Земли, представленный в таблице, основан на
содержании в ядре 15 вес . % серы и соотношении										масс
ядро : мантия = 31 : 69.				Учитывая	содержание			углерода
в металлической		фазе		метеоритов	( ~ 0 , 2	в е с . % ) ,			можно
т а к ж е допустить,		что		недостаток	его в	коре		и	мантии
Таблица 9
Химический состав Земли п некоторых метеоритов
Главные					Хондриты
Главные	Земля
компоненты	Земля			углистые	энстатитовые			обычные
компоненты

SiO,	31,53			32,48	39,36		38,84
MgO	26,16			21,90	21,41		24,28
FeO	5,89			14,52	1,72		12,12
А1гОз	2,47			2,49	1,91		2,76
CaO	2,15			2,12	1,43		1,93
Na,0	0,40			1,07	1,02		0,91
FeS	12,79			23,75	5,97		5,45
Fe	16,56			0,15	11,82		17,56
N1	1,65			0,03	1,36		1,61

ß0

компенсируется содержанием в ядре . Из сравнения дан

ных табл. 9 вытекает, что		валовой химический состав
Земли непохож на состав		любого класса		хондритовых
метеоритов.	Если предложенная		модель В .	Рама - Муртй
и Г. Х о л л а	п р а в и л ь н а я и	если	хондритовые метеориты

являются аналогами того материала, из которого воз


никла	З е м л я	путем а к к у м у л я ц и и ,		то	Земля состоит			из
смеси	метеоритов.		Ориентируясь	по данным			табл.	9,
смесь	может	состоять из 40%		углистых		хондритов,
50% обычных хондритов и 10% железных						метеоритов.
Что	касается		внутреннего ядра		Земли	на	глубине

5000 км и выше, то его природа и состав остаются наи

более	загадочными. Н е исключена возможность, что оно
имеет	тот ж е состав, что и внешнее ядро, но находится

в твердом состоянии. Возможно, что оно состоит из од ного никелистого железа без примесей серы.

Т а к и м образом, современные представления о природе недр нашей планеты соответствуют химически дифферен

цированному земному шару,		который	о к а з а л с я	разделен
ным на две разные	части:	мощную	твердую	силикатно -
окисную мантию и	жидкое	в основном металлическое

ядро. Земная кора представляет собой наиболее легкую верхнюю твердую оболочку, состоящую из алюмосили

катов и имеющую наиболее сложное строение.
Подводя		итог	сказанному,	можно	сделать	следую
щие	выводы.
1.	З е м л я	имеет	слоистое	зонарное	строение.		Она
состоит на две трети из твердой силикатно-окисной							обо
лочки — мантии и на одну треть из металлического							жид
кого	ядра .
2. Основные свойства Земли свидетельствуют о							том,
что ядро находится			в жидком состоянии		и только	железо

из наиболее распространенных металлов с примесью не которых легких элементов (скорее всего, серы) способно

обеспечить эти свойства.
3. В	верхних	своих горизонтах З е м л я	имеет асимме
тричное	строение,	охватывающее кору и	верхнюю ман

тию. Океаническое полушарие в пределах верхней ман

тии менее дифференцировано, чем противоположное			кон
тинентальное полушарие .
Задача	любой космогонической теории происхожде
ния Земли — объяснить		эти основные особенности	еѳ
внутренней	природы и	состава.

Р А Д И О А К Т И В Н О С Т Ь З Е М Л И В НАСТОЯЩЕМ И ПРОШЛОМ

Радиоактивность относится к важнейшим свойствам на шей планеты. П р и решении столь важной проблемы, как происхождение и химическая эволюция Земли, мы должны учитывать это свойство наряду с данными о ее составе, плотности и строении. Радиоактивность как самопроизвольный распад неустойчивых атомов отражает историю вещества Земли, отражает через многие сотни миллионов лет события той далекой космической эпохи, когда происходило образование различных атомов хими

ческих элементов, к а к				устойчивых,		так и	неустойчивых.
Современная радиоактивность Земли связана главным
образом		с присутствием			радиоактивных		изотопов	U 2 3 8 ,
U 2 3 5 ,	T h 2 3 2 ,		К 4 0 , распад		которых	совершается по		схеме:
U23S		>	РЬ206 ^ _ 8 а
П235		>	РЬ207 _\|_7а
Th232		>	РЬ208 - \| - 6 а
Км		> Ga«-f-ß
	- f	е ->•	АІІО
П р и радиоактивном распаде выделяется тепловая								энер
г и я .	Следовательно, в			системе вещества			с присутствием

радиоактивных элементов происходит непрерывное вы

деление	тепла,	повышающее температуру		данного	тела.
Т а к и м	телом и	я в л я е т с я наша	З е м л я к а к	в целом,	так
и в отдельных		своих частях.	Наиболее	радиоактивна

алюмосиликатная кора Земли, в значительно^меныпей степени — мантия .

Удельное количество тепла (в к а л / г - г о д ) , выделяемое к а ж д ы м радиоактивным элементом в определенное время, можно охарактеризовать следующими данными:

U238. . .	. 0,71	кал
U235. . . .	4,3
Th232. . .	о,20
U	0,73
К	0,27	Л0~*

Оценка радиоактивности Земли-планеты основана на различных, более или менее вероятных предположениях . При расчете радиоактивности Земли главным образом

исходят	из положения,	что средняя	ее величина		есть
средняя	радиоактивность	метеоритов.	Поэтому,	з н а я	со
держание	урана, тория	и к а л и я в	метеоритах	разных

классов, можно рассчитать среднюю радиоактивность земного материала и построить определенную модель радиоактивной Земли. Согласно расчетам разных иссле


дователей,		построивших такие			модели,	радиоактивная
Земля	выделяет		от	2 , 3 - Ю 2 0 до	1 0 , 4 - 1 0 2 0 к а л / г радиоген
ного	тепла.
c=t З е м л я		непрерывно теряет			свое тепло	т а к ж е путем
теплопроводности			и	излучения	в мировое	пространство.

В настоящее время геотермическими измерениями с раз

ной	густотой	охвачена вся поверхность	Земли, в к л ю ч а я
дно	океанов.	Оказалось, что величина тепловых потоков
па	единицу	поверхности одинакова на	материках и на

дне океанов. По современным данным, в результате тепло

проводности	З е м л я	ежегодно	теряет 1,9 + 1 , 0 - 1 0 2 0 к а л .
тепла, что	несколько	меньше	того количества, которое

производит радиоактивная модель Земли по самой мини

мальной оценке	( 2 , 3 - 1 0 2 0 к а л / г ) .	Отсюда	нетрудно прийти
к выводу, что	радиоактивность	играет	ведущую роль

в современном тепловом балансе нашей планеты и вы

ступает к а к мощный		энергетический		фактор, способный
повысить	температуру	ее	недр.
Такое	заключение	не	я в л я е т с я	неожиданным. Оно

естественно вытекало из первых определений радиоактив

ности земного		материала, проведенных Р .			Стреттом и Д ж .
Д ж о л и еще	в		начале X X в.,	и наиболее	я р к о выражено
в словах В .	И .		Вернадского:	«. . . количество создаваемой

радиоактивным процессом тепловой энергии не только

достаточно д л я того, чтобы объяснить потерю				Землею
тепла и все динамические и морфогеологические				воздей
ствия внутренней	энергии планеты	на ее поверхность —
земную кору, но	и д л я того, чтобы	поднять	ее	темпера
туру».
Однако в далеком геологическом прошлом			радиоактив

ность Земли была значительно выше, чем сейчас. Это сле

дует	из	самого	закона	радиоактивного	распада .	З н а я
скорость распада			каждого	радиоактивного	изотопа,	кото
р а я ,	в	частности,	в ы р а ж а е т с я периодом		полураспада Т

(период полураспада	равен	тому промежутку времени,
в течение которого	любое	количество радиоактивного

вещества распадается на половину), нетрудно подсчитать, какое количество данного изотопа было в прошлом по

отношению к его современному содержанию. Т а к ,	4,5
млрд. лет назад U 2 3 3 на Земле было в два раза больше,
чем сейчас, соответственно и энергии он выделял в	два
раза больше.

Общее количество выделяемого в прошлом радиоген ного тепла изображено на рис. 14. Отсюда следует не избежный вывод о том, что в прошлом радиоактивность играла значительно большую роль в тепловом режиме нашей планеты, чем в современную эпоху. Поскольку радиоактивность обнаружена во всех изученных телах солнечной системы, этот вывод можно расширить — ра диоактивность материала солнечной системы в эпоху ее образования была значительно большей, чем сейчас.

Р и с . 14.	Выделение	изотопами
радиогенного тепла в		прошлом
Земли. По осп ордпнат отложены
велнчшіы	радиогенного	тепла

X іО9 лет

Однако радиоактивность вещества далекого прошлого во время формирования солнечной системы не ограничи

валась	только повышенным против	современного содер
ж а н и е м	изотопов урана, тория и	к а л и я , к а к показано

на рис . 14. Сейчас мы располагаем данными о существо


вании	в то время		относительно	недолговечных		радиоак
тивных	изотопов с		периодом полураспада		порядка 106 —
108 лет. Они возникли в эпоху ядерного синтеза						т я ж е л ы х
элементов		и вошли	впоследствии в состав молодых тел
солнечной		системы.	Некоторые	свойства	радиоактивных
изотопов с периодом полураспада 10е лет и выше,						способ-

иые	определять	радиоактивность планетных тел солнеч
ной	системы на заре ее развития, представлены нише:
	Радпоактивпыіі	Период		Тип распада	Продукт
	Радпоактивпыіі	полураспада,		Тип распада	Продукт
	изотоп	лег			распада
	Рс1Ю7	7 •100		а	AgiOî
	J 12!)	17,2- 10«		із
	Sm»«	50. 10»		а
	Р 1)205	50. Юн		£-захват	Т1205
	U 230	23,9.• 10«		а	Th232
	Ptl244	82.> 10«	1	Осколочное	Хе^і-ізе
		16,4 •10«	• деление		н ДР.
		16,4 •10«	J	и а-распад	н ДР.

Кнаиболее долгоживущим изотопам трансурановых

элементов относятся P u 2 4 4 и G m 2 4 7 . Именно они могли просуществовать до начала образования Земли и эпохи дифференциации планетного материала. Так, в 1971 г. были обнаружены следы Pu2 '1 4 в докембрипском редко земельном минерале бастиезите.

В настоящее время мы можем высказать довольно обоснованное предположение о том, что на заре существо вания твердых тел солнечной системы, вероятно, присут ствовали т а к ж е сверхтяжелые трансурановые ядра, пока еще не полученные искусственно.


	Изучение известных трансурановых элементов пока
зало,		что их неустойчивость		довольно	резко	возрастает
с	увеличением		атомного номера Z. Согласно расчетам
американского			физика-теоретика С. Ііильссона,				боль
шинство изотопов в пределах Z от 106 до 116 с /V, близким
к	184,	обладает	неожиданно	большими	периодами		ка к
по отношению к спонтанному делению, так и к						а-распаду.

Е с л и тяжелые трансурановые элементы испытывают оско

лочное деление в твердых					телах (минералах), то они остав
ляют	треки — следы			полета		осколков	деления.				Ввиду
высокой энергии			деления		сверхтяжелых			трансурановых
элементов треки от их осколков имеют длину										большую,
чем длина треков от осколочного деления								P u 2 4 4 и			U 2 3 8 .
Так, если длина треков осколков от деления									P u 2 4 4		и U 2 3 8
находится в пределах 13—16 мк в силикатных									минералах,
то дл я	осколков		деления		сверхтяжелых			трансурановых
ядер с Z > 114 длина				треков		д о л ж н а находиться в пре
делах	18—25	мк.
Изучение		группой		индийских ученых					во	главе с
Н . Б а н д а р и (1971) ископаемых треков в							некоторых				метео-

5 Г. В. Воііткевич

ритах тт лушюіі пыли показало, что отдельные сверх тяжелые (Z -1.14, 2 — 126) трансурановые элементы при сутствовали в них, когда эти объекты затвердели. Ученые о б н а р у ж и л и свыше 300 троков, которые могли быть


вызваны		распадом		сверхтяжелых		трансурановых				ядер .
	Т а к и м образом, химическая история Земли и									других
тел	солнечной системы оказывается						связанной		не	только
с распадом ныне сохранившихся радиоактивных										изото
пов	U 2 3 S ,	Th' 2 3 2 ,	К'1 0 и других,			но	т а к ж е	с	вымершими
радиоактивными			изотопами.		Большинство			их	распалось
в эпоху		звездного		синтеза	атомных		ядер,	и	только ма
л а я часть дожила до эпохи формирования нашей системы.
	В связи с		изложенным		выше		важно	подчеркнуть,
что присутствие в составе молодой Земли								даже незначи
тельных		количеств		быстро	вымирающих			радиоактивных

изотопов могло быть важной причиной ее внутреннего радиоактивного нагрева н а р я д у с изотопами U , T h и К'1 0 .

Д л я иллюстрации сравним				количество		энергии (кал/год),
выделяемой		одним граммом		U 2 3 8	с энергией распада неко
торых	вымерших радиоактивных				изотопов:
U 2 3 8 . .		. 0,71	Cm2 4 7 . .		66,8
Pu2 4 4 . .		12,03	J'а» . . .		1,32
Приведенные величины позволяют говорить о том, что
если	бы в	молодой	Земле	концентрация			Pu 2 1 1 ,	Cm2 '1 7 ,
J 1 2 9 , вместе		взятых,	была бы на		два порядка ниже кон
центрации		урана, то и в этом			случае	атомная		энергия
их распада		соизмерялась бы с энергией					распада	самого

ур а н а .

Ксожалению, пока мы еще не можем количественно определить первоначальное содержание вымерших изо

топов в материале молодой Земли . Н е л ь з я игнорировать и возможность присутствия других радиоактивных изо топов, ка к Be 1 0 и A I 2 6 , возникших в результате солнечного протонного облучения того рассеянного вещества, из которого возникли первичные планеты.

Радиоактивность дает нам ценную информацию отно сительно возраста твердых тел солнечной системы и воз


раста	элементов.		Изучение		соотношений изотопов				свинца
Р Ь 2 0 6 ,	Р Ь 2 0 7 , Pb 2 0 S		в	земной	коре и метеоритах			позволило
рассчитать		возраст		Земли,	который	о к а з а л с я			равным
4,55 + 0,05 млрд.			лет. Кроме того, изучение					отношения
Р Ь 2 0 7 / Р Ь 2 0 6		как	функции		длительности		существования
изотопов		урана	U 2 3 5 / U 2 3 8		показало,	что	возраст		урана


в солнечной системе недалек от			5 млрд. лет!			Изучение
аномальных	содержаний	Х е 1 2 9	как	продукта		распада
вымершего	радиоактивного	иода	J 1 2 S	в	каменных метео
ритах дало возможность определить промежуток						времени
менаду окончанием естественного			синтеза		радиоактивных

ядер и образованием метеоритов — он составил не более 200 млп. лет. У ч и т ы в а я возраст метеорита 4,6 млрд. лет, возраст радиоактивных ядер в солнечной системе не выше 4,8 млрд. лет, что можно т а к ж е считать возрастом сол нечной системы, ибо в современных условиях в ее телах

невозможен	синтез	J 1 2 9	и U 2 3 8	. Иначе	говоря,	накануне
образования	Земли	и	других	планет	солнечной	системы

завершился естественный синтез т я ж е л ы х радиоактивных ядер, откуда логично заключить, что происхождение

солнечной системы было связано		с	происхождением хими
ческих элементов, ее	слагающих .		Образование	наиболее
т я ж е л ы х ядер тория,	урана,	трансурановых		элементов

произошло непосредственно перед образованием планет солнечной системы.

Данные по радиоактивности, рассмотренные нами очень кратко, позволяют прийти к определенным выво

дам,	имеющим важное	космогоническое и	геохимиче
ское	значение.
1.	Радиоактивность	Земли я в л я е т с я важным источни
ком	ее внутреннего тепла и может вызвать		плавление

вещества в недрах.

2.Относительно высокая радиоактивность ранней Земли способствовала повышению ее температуры, плав лению материала и была одним из ведущих факторов химической дифференциации планеты.

3.Изотопы наиболее долгоживущих радиоактивных

элементов, включая трансурановые - (Pu 2 ' 1 4 ,				C m 2 4 7 ,		Z = 1 1 4 ,
Z = 126), существовали некоторое			время в	ранней		истории
солнечной системы, и вещество, из которого она					возникла,
было	сильно	радиоактивным .
4.	Современная радиоактивность Земли и				всех изу
ченных тел		солнечной системы	я в л я е т с я	закономерным

следствием ядерной эволюции вещества в звездных косми ческих условиях . Процессы построения т я ж е л ы х атомных ядер завершились в основном незадолго до образования планет — в эпоху, непосредственно предшествующую дифференциации вещества на Солнце и околосолнечный протопланетный материал.

Р О Ж Д Е Н И Е АТОМОВ

ВКОСМОСЕ

Все о к р у ж а ю щ и е нас тела отмечены печатью измен чивости и сохраняют па себе следы тех процессов, в резуль тате которых они были созданы. Современное естество знание вскрыло ряд важнейших закономерностей в раз витии отдельных форм скопления вещества. Атом дает возможность установить прочную генетическую связь между формами скопления вещества с резко различными свойствами. Поэтому история возникновения и гибели любого тела является в то же время историей атомов,

его слагающих . В ы р а ж а я с ь языком атомистики,	рождение,
развитие и гибель любой формы существования	вещества

есть концентрация и рассеяние атомов, его составляющих . Н о пстория атомов химических элементов в природе не ограничивается исключительно процессами их соеди нения и рассеяния, образованием бесконечных их соче таний в виде различных простых и сложных химических соединений. Сам атом — изменчивая частица в необозри мой истории мироздания .

Атомы химических элементов имеют свою историю, которая носит двойственный характер . С одной стороны,

это история	у ж е готовых	атомов,	сочетающихся друг
с другом по	химическим	законам,	вечно д в и ж у щ и х с я

в различных частях Вселенной, создающих всю красоч

ность нашей земной природы.	С другой — это процессы
созидания и р а з р у ш е н и я самих	атомов в необычайно кон

трастных термодинамических условиях космоса и в его


электромагнитных полях . Если первая,		преимущественно
в н е ш н я я сторона истории	атомов изучена и в значитель
ной степени входит в круг интересов		геохимии, космо-
химии, биохимии и д р у г и х	наук, то вторая сторона исто
рии, затрагивающая более	глубокую сущность вещества
и с в я з а н н а я с эволюцией	атомных ядер в природе, изу -


чена	еще очень мало, и			положительные		успехи	в этой
области достигнуты			л и ш ь	в самые последние годы.
l i a	повестку дня		становится		новая проблема		— про
исхождение		и эволюция		химических элементов.			С к а ж
дым годом		исследования		в этой	области	расширяются .

Представление о вечности и неизменности атомов давно

уже отошло в область предания,		оставив в	наследство
лишь сам термин	(атом — неделимый). Те		или	другие
предположения о	происхождении	и эволюции		атомов

в природе в настоящее время рождаются при рассмотре

нии вопросов теории ядра, относительного	распростра
нения ядерных видов, изотопного состава	элементов,
а т а к ж е в астрофизических исследованиях,	касающихся
источников энергии и строения звезд.

Проблема естественной эволюции атомов стоит на грани ядерной физики и физики космоса. Она теснейшим обра зом связана с геохимией и космохимией. Ее успешное

разрешение		зависит	от	углубленного	изучения	вещества
нашей	планеты и		родственного вещества метеоритов.
В	своих	блестящих		обобщениях	в области	геохимии

и космохимии А. Е . Ферсман выделил три основные эпохи существования атомов Земли: первую — эпоху звездных условий существования; вторую — космическую — на чало формирования планеты; третью — стадию геологи ческого развития . В исторической последовательности эволюции вещества солнечной системы первой, по-види мому, была звездная стадия, в к л ю ч а ю щ а я процессы есте ственного синтеза атомных ядер. Некоторые основные

особенности этого		процесса мы можем			себе	представить
в общих	чертах,	исходя	из	состава	ядер .
Т а к , последовательное построение атомных ядер							с уве
личением	числа их составных			частиц — нуклонов			(Z и
/V) — может происходить либо путем с л и я н и я						з а р я ж е н н ы х
частиц (протонов,		а-частиц) друг с другом и вновь					обра
зованными	ядрами,	либо	путем последовательного				добав

ления нейтральных частиц — нейтронов. Условия, необ ходимые д л я протекания этих процессов, по современным данным, создаются в недрах массивных звезд различных

типов. В	этих звездах з а р я ж е н н ы е частицы приобретают
высокую	скорость, соответствующую температурам по

р я д к а десятков—сотен миллионов градусов. В верхних

разреженных	оболочках звезд з	а р я ж е н н ы е частицы могут
у с к о р я т ь с я	электромагнитными	полями, с последующей

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 177 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ