Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения - Владимир Печенкин 4 стр.

Известно, что элемент уран состоит из двух основных изотопов:

235

238

235

В журнале «Science» в октябре 2004 года была опубликована статья американских геологов16, в которой приводились доказательства былого наличия плутония-244 (

244

Освобождавшиеся из кристаллической решетки атомы урана «выпархивали» на свободу и при благоприятных обстоятельствах готовы были образовывать свои устойчивые минеральные соединения.

Кроме циркона уран в виде изоморфных включений входит в состав апатита, монацита, пирохлора, колумбита и других минералов, правда, не в таких количествах.

Да, у геологов нет образцов первичных пород Земли, и все же, в их руках есть реальные «образцы» урана того времени. Правда, микроскопические. Ну, уж что сохранилось

Молодая земля.

Космическое вещество превращается в земное. Первая минералогическая революция

⠀

Из вихрей и противоборств возник

Мир осязаемых

И стойких равновесий.

И равновесье стало веществом.

Но этот мир разумный и жестокий

Был обречен природой на распад.

Максимилиан Волошин

⠀

Итак, Земля сформировалась. Что увидел бы геолог, попади он на новорожденную планету?

Во-первых, ему потребовался бы скафандр. Атмосферы на Земле не было  ни кислородной, ни бескислородной. Газы во время образования планет Солнечной системы унесло солнечным ветром далеко на периферию, где и образовались планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих летучих компонентов. Так что, если бы на юной Земле и образовалась какая-никакая атмосфера  ее бы тотчас сдуло. Гидросферы на планете тоже не было: ни рек, ни морей, ни облаков, ни подземных вод.

Во-вторых, ноги геолога проваливались бы в реголит, который покрывал поверхность планеты. Минералогический анализ отобранных проб показал бы, что вся планета состоит всего из 23 сотен минералов17, среди которых преобладали самородное (метеоритное) железо и его сплавы с никелем (камасит и тэнит), а также железисто-магнезиальные силикаты, обобщенную формулу которых можно представить в виде R

2

4

2+

Вулканов на поверхности планеты пока не было, зато в районе экватора вокруг Земли, словно кольцо вокруг современного Сатурна, еще вращался остаточный рой мелких планетезималей. Падая на Землю, они взрывались, перепахивая и размельчая реголит. Колоссальные температуры, возникающие при ударах, быстро гасились окружающим холодным космосом. Но и этот остаточный рой вскоре иссяк, и вблизи Земли осталось только одно космическое тело  Луна. Ее восходы и закаты представляли пугающе-завораживающую картину: низко нависающий лунный диск занимал добрую половину небосвода  его видимые размеры в 300350 раз превышали сегодняшние. И если бы наш геолог действительно оказался в это время на планете, он погиб бы от ежесуточных перепадов давления, создаваемого притяжением нашего спутника.

Новорожденная Земля представляла равновесную систему. И все-таки этот мир, по словам Максимилиана Волошина, «был обречен природой на распад». И космическое вещество неотвратимо стало переплавляться в земное. Процесс происходил крайне медленно, да и «раскачалась» Земля не сразу, а произошло это благодаря процессу, который запустила Луна.

Общеизвестно, наша спутница создает на Земле приливные волны, которые на побережье морей и океанов можно наблюдать воочию. Но Луна влияет и на земную твердь, правда, сегодня для глаза это не заметно, однако на самых ранних этапах развития Земли, когда лунный диск нависал над планетой на высоте всего 7000 км, высота приливов достигала 1,5 км! Причем, воздымалась сама Земля, океанов в то время еще не было. Впрочем, и сейчас вблизи подлунной точки твердая Земля поднимается на 46 сантиметров.

И вращалась планета в то время значительно быстрее  сутки составляли всего 6 часов: Солнцу хватало три часа, чтобы пересечь небосвод и через три часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом. Наша спутница не могла с такой же скоростью оборачиваться вокруг планеты, поэтому приливной «горб», возникающий на поверхности Земли, постоянно опережал Луну, убегая вперед. Луна же своим притяжением изо всех сил пыталась тормозить убегающую каменную приливную волну, в результате вращение Земли постепенно замедлялось. Но Луна с такой силой тянула этот «горб» на себя, что сама «отклонялась» в обратную сторону  то есть радиус лунной орбиты постоянно возрастал. С точки зрения физики, Луна отдалялась от Земли согласно действию кинетической энергии вращающегося тела (Рис. 3). Сегодня Луна уходит от Земли со скоростью 4 см в год и находится на расстоянии 384,4 тысячи км.

Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:

F  приливная сила, тормозящая вращение Земли; f  приливная сила,

ускоряющая орбитальное обращение Луны; δ  угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 200218].

Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли19. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.

Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.

Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см

3

3

Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы  пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно  со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов  был запущен процесс конвекции  своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин20.

Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа  СО

2

Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.

Черное поле  расплавы железа и его окислов; точки  формирующийся

астеносферный слой, обедненный железом; черточки  первичное земное

вещество; эллипсы со стрелками  конвекционные потоки; фонтаны  выбросы вулканов (H

2

2

2

2

4

с дополнениями.

Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.

Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов  может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит  особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.

Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.

Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см

3

3

Закончился догеологический этап развития Земли  катархей. Начался архей.

Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.

При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика  всего 2,82,9 г/см

3

Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов  в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода  (Mg, Fe)

2

2

6

3

8

2

2

8

Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов  алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.

С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась  космическое вещество превратилось в земное.

Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).

Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 46 км22.

Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.

Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).

Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное  расплавы железа и его окислов; белое  мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки  первичное земное вещество; радиальная штриховка  континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 200223].

Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим  над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.