книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

2)«сгорание» гелия с образованием О12, О16, Ne20;

3)образование Si28, S32, Ar40, Са40 при захвате альфа-частиц ядрами О16 и Ne20;

4)s-процесс — захват медленных нейтронов, приводящий к об­ разованию элементов до Ві209 включительно;

5)г-процесс — захват быстрых нейтронов (образование Cf254). Проведенные наблюдения подтверждают существование и со­

временных процессов нуклеосинтеза. К числу их относятся ката­ строфические события в космосе, приводящие к вспышкам Сверх­ новых, объясняемых ядерными явлениями.

Так, например, затухание вспышки Сверхновой происходит

втечение 60 дней — времени, совпадающего с периодом полурас­ пада Cf264. Выделяющаяся при этом энергия порядка ІО47 эрг может быть обусловлена 1029 г Cf254, возникшего при предшеству­ ющих этому событию явлениях ядерного синтеза в недрах сверх­ плотных туманностей.

Вспектрах некоторых гигантских звезд был обнаружен Тс" — радиоактивный изотоп с весьма коротким периодом полураспада (2,16 • 105 лет). Следовательно, можно полагать, что его появление

втаких звездах — сравнительно недавнее событие (менее 1 млн. лет назад).

О «недавнем» преобразовании трансуранов в космических телах можно судить и по аномальным концентрациям I129 и Хе 136, Хе 129

процесса, регионально протекающего и сейчас в различных районах мироздания и определяющего сложную эволюцию состава вещества Вселенной.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ

ВСОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ И ЕЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Внастоящее время известно 105 элементов периодической си­ стемы Д. И. Менделеева. Далеко не все из них встречаются в окру­ жающем нас мире. Радиоактивность элементов, начиная с № 93 — нептуния, столь велика, что лишь недавно были обнаружены нич­ тожные следы одного из таких трансурановых элементов — плуто­ ния. Другие получены искусственно. Слишком велика их радиоак­ тивность, слишком мало время жизни.

Согласно теории строения атома, его химические свойства оп­ ределяются характером электронного облака, удерживаемого вокруг ядра положительным зарядом последнего. По мере роста массы ядра и его положительного заряда растет соответственно и число элек­ тронов, последовательно занимающих орбиты различных энерге­ тических уровней на все возрастающем расстоянии от ядра.

Начало заполнения электронами нового уровня приводит к рез­ кому возрастанию атомного объема атома. Различный характер заполненности внешней орбиты электронами объясняет смену хи­ мических свойств атомов, их периодичность.

Именно эти свойства легли в основу классификации В. М. Гольд­ шмидта, отразив одновременно и характер распространенности элементов в различных сферах Земли (рис. 7).

На рассматриваемой кривой отчетливо выделяются четыре мак­ симума, соответствующие натрию, калию, рубидию, цезию — ще­ лочным элементам, образующим с элементами, находящимися на нисходящей части кривой, группу литофильных элементов, затем элементы, представленные в нижней части кривой, отличающиеся наименьшим удельным объемом, такие как железо, никель, кобальт, фосфор, платиноиды и др., составляющие группу сидерофильных элементов, затем элементы, расположенные на подъеме кривой: сера, селен, теллур, медь, цинк, свинец и др. — группа халькофильных элементов и, наконец, элементы, занимающие места около мак­

элементы.

Гольдшмидт полагал, что для ядра Земли характерна группа си­ дерофильных элементов, для земной коры — литофильных, для про­ межуточного слоя — мантии — группа халькофильных элементов и, наконец, атмосфера представлена группой атмофильных элементов.

Кроме подробных таблиц используются краткие данные распределения элементов по декадам (порядки распространенности).

Чем же определяется распространенность химических элементов в земной коре?

Рис. 8. Химический состав земной коры.

С одной стороны, она определяется свойствами ядра — устойчи­ востью, симметричностью его строения, а с другой — строением элек­ тронных оболочек, т. е. химическими свойствами.

Ранее мы уже говорили о правиле Г. Оддо и В. Гаркинса, о боль­ шей распространенности элементов с четным значением порядкового номера, о дефиците элементов с большим сечением захвата, о радио­

Спектральный анализ оказался применимым лишь для изучения атмосферы планет. Несмотря на трудности, связанные с поглощением частей спектра при прохождении солнечного света через атмосферу изучаемых планет и через земную атмосферу, удалось получить сведения не только о качественном составе атмосфер планет, но так­ же о преимущественном (количественном) распространении неко­ торых ее компонентов.

Существенный вклад в изучение состава атмосфер, а также и твер­ дой массы Луны, Марса и Венеры внесли ракетные станции, достиг­ шие их поверхности.

Планеты, окружающие Солнце (табл. 5), можно разделить на две группы: планеты земного типа, близкие по плотности слагаю­ щего их вещества и размерам и ближе расположенные к Солнцу, и планеты, более удаленные от Солнца, планеты-гиганты, отличаю­ щиеся в то же время малой плотностью.

Т а б л и ц а 5

Физические характеристики планет Солнечной системы

*1 а. е . = 149 500 000 км (астрономическая единица).

Планеты земного типа по химическому составу должны были бы напоминать Землю. Наиболее существенные различия в них мы мо­ жем уловить только по характеру их атмосфер.

Рассмотрим планеты земного типа в порядке их удаления от Солнца.

Меркурий. Около 60% планеты, вероятно, составляют сплавы железа. Высокая температура, объясняемая близостью к Солнцу, привела к потере планетной атмосферы, поскольку масса ее значи­ тельноменьше Земли и соответственно силы тяготения недостаточны для удержаний газовой оболочки.

Венера. Она весьма близка по размерам к Земле, однако отли­ чается слабым магнитным полем, окружена плотной атмосферой, под которой радиопросвечиванием удалось определить рельеф. М. В. Ломоносов в 1761 г. обнаружил облака, распространявшиеся на высоту до 50 км. В вышележащей ионосфере были обнаружены 0 2, Н2, HF, С02, ОН, СО и др. в количествах до 10~9%.

Обработка данных, полученных автоматическими межпланет­ ными станциями (АМС) «Венера-4», «Венера-5» и «Венера-б», пока­ зала, что в состав атмосферы Венеры входят:

рону Венеры, вблизи поверхности планеты была зарегистрирована

Необычность состава газовой оболочки Земли связана с интен­ сивным влиянием жизни, обусловившей присутствие в ней свобод­ ного кислорода и углекислоты.

Как мы уже знаем, доминирующими элементами в составе Зем­ ли являются кислород, кремний, алюминий, магний, кальций, железо, натрий, калий.

Марс. Будучи удален на большое расстояние от Солнца, Марс отличается низкими температурами поверхности (—24° С только на экваторе), присутствием полярных шапок на его полюсах, по­ крытых льдом из воды и углекислоты. Размеры этих полярных шапок в течение суток меняются.

По данным АМС «Маринер-4», у поверхности Марса давление составляет 20 мбар. Сама поверхность напоминает лунную (рис. 10);

Рис. 10. Поверхность Марса, снятая межпланетной автоматической станцией хМаринер-6» 30 июля 1969 г. во время максимального приближения к пла­ нете (диаметр большого кратера 24 к м ) .

она покрыта кратерами диаметром от 200 до 1 км\ в атмосфере Марса 0 2 и N2 нет.

Следовательно, можно сделать вывод о существовании на Марсе воды и углекислоты и незначительных количеств кислорода (в ре­ зультате неизбежной диссоциации 2СОа = 2СО + 0 2). Все это позволило предполагать вероятность существования на Марсе жиз­ ни, во всяком случае растительной. Однако отмеченные на Марсе гигантские пылевые бури со скоростью частиц 150 км/сек (рис. 11) заставляют усомниться в последнем.

В1972 г. американскими учеными были получены редкие сним­ ки планеты Марс при облете ее АМС. В результате математической обработки полученных телеизображений ими был установлен сильно расчлененный рельеф поверхности Марса, существование кратеров разных эпох, в том числе совсем недавнего происхождения, нахо­ дившихся на возвышенностях, с быстро меняющими свои очертания газовыми облаками над их жерлами.

Рис. 11. Пылевая буря на Марсе (снимок сделан с высоты 100 к м — «Мари- нер-6»).

Были зарегистрированы разные стадии отступания ледников на полюсах и получены снимки Фобуса — спутника Марса,— имею­ щего неправильную форму со следами кратеров. Один из кратеров подвергся разрушению, по-видимому, в момент образования са­ мого спутника.

Это наблюдение позволяет утверждать, что Фобус представляет собой осколок древнего космического тела с давно прекратившейся вулканической деятельностью, в то время как Марс является пла­ нетой, на которой до сих пор идут вулканические процессы.

Рассмотренные планеты объединяет не только пространственная близость их орбит вращения, но и размеры, а главное — плотность слагающего их вещества, что позволяет предполагать близость со­ става всех названных планет.

О некотором различии в составе планет могут говорить отличия их магнитных полей (они могут указывать также на относительные размеры металлического ядра планет либо па его отсутствие).

Так, например, отсутствие магнитного поля у Марса и меньшая его плотность по сравнению с землей указывает, по-видимому, на значительно меньшую роль в его составе тяжелых металлов, выра­ жающуюся в первую очередь в отсутствии у него металлического ядра. Г. Юри приводит другое правило, указывающее па ограничен­ ность ядра планеты, а вместе с тем и его магнитного поля. Коэффи­ циент, определяемый отношением центробежной силы на поверх­ ности планеты к ее гравитационной силе, является прямым пока­ зателем степени развития ядра планеты. Например, у Земли этот коэффициент равен 0,96, у Марса— 1,21 (рассчитано, что если бы Марс был однородной по составу и строению планетой, то этот коэф­ фициент был бы равен 1,25). В связи с этим весьма интересны данные о составе Луны, полученные в последние годы благодаря исследо­ ваниям, осуществленным как со спутников Луны («Луна-10», «Луна-12»), так и с аппаратов, совершивших мягкую посадку на ее поверхность («Луна-16, 20», «Аполлон-11, 12, 14, 17»).

Отсутствие на Луне атмосферы позволяет вести прямое изучение ее рельефа и коренных пород лунными станциями.

Многочисленные лунные кратеры, представляющие следы былой вулканической деятельности либо являющиеся результатом ударов метеоритов, создают характерный облик лунного рельефа (рис. 12). Первые же снимки, полученные с АМС, осуществивших мягкую по­ садку на Луну, опровергли укоренившееся мнение о значительном слое пыли космического происхождения, покрывавшей лунную по­ верхность.

Прямое исследование состава пород Луны в настоящий момент возможно двумя путями. Примером первого пути являются иссле­ дования, проведенные на советской станции «Луна-10». На ней были установлены многоканальные анализаторы, измерявшие спект­ ры различных энергий излучения радиоактивности. Сопоставление полученных спектров с ранее сделанными измерениями горных по­ род Земли показало, что в среднем состав пород поверхности Луны приближается к базальтам. По-видимому, лунное вещество не про­ шло сложной дифференциации земного вещества, поэтому трудно предполагать существование в недрах Луны более обогащенного металлами и более плотного ядра. Отсутствие у Луны магнитного поля подтверждает этот вывод.

Американская лунная станция «Аполлон-11» (1969 г.), осущест­ вившая впервые высадку человека на Луну, доставила на Землю образцы лунных пород. Проведенный анализ показал, что эти по­ роды по своему составу напоминали богатые кальцием ахондриты и базальты, что не противоречило ранее сделанному выводу на ос­ новании наблюдений, проведенных с помощью советских станций.

Дальнейшие тщательные исследования лунных пород («Аполлон12», «Аполлон-14», «Луна-16, 20») показали, что они представляют