Происхождение химических элементов

Н.К. Чертко

ГЕОХИМИЯ

Учебное пособие

для студентов геологических специальностей вузов

Минск

Издательский центр БГУ

УДК 550.4 (075.8)

ББК 26. 30 я 73

Ч-50

Рецензенты:

кафедра географии Беларуси

Брестского государственного университета им. А. С. Пушкина

(зав. кафедрой профессор Е. Н. Мешечко);

доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик А. А. Махнач

Чертко Н.К.

Ч-50 Геохимия: учеб. пособие / Н. К. Чертко. Мн.: БГУ, 2008. – 170 с.

ISBN 978-985-485-

В учебном пособии рассматриваются закономерности миграции, концентрации и рассеивания химических элементов на Земле; геохимические факторы, процессы и условия формирования месторождений полезных ископаемых.

Для студентов высших учебных заведений геологических специальностей.

УДК 540.4 (075.8)

ББК 26. 30 я 73

ISBN

© Чертко Н.К., 2008

© БГУ , 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Важное значение в изучении закономерностей миграции химических элементов в геосферах Земли, природных и геохимических условий, которые приводят к концентрации их на геохимических барьерах (в геологическом времени на них обычно формируются некоторые месторождения полезных ископаемых), наддается курсу «Геохимия». Он читается студентам геологических специальностей университетов на четвертом курсе.

Основное внимание в данном учебном пособии уделено двум глобальным вопросам. Вначале детально рассматривается влияние внешних и внутренних факторов на миграцию химических элементов, затем проявление их влияния в геосферах Земли (геохимия литосферы, геохимия гидросферы, геохимия биосферы и геохимия атмосферы). Практические аспекты геохимии, а также геохимии и экологии химических элементов изданы автором (в соавторстве) в виде справочного пособия «Геохимия и экология химических элементов» (Минск, 2008).

Для успешного освоения программы при изучении курса «Геохимия» студент должен усвоить научную терминологию, а также обратить внимание на условия и процессы, которые приводят в движение атомы и молекулы. Необходимо уяснить конечный результат миграции – особенности концентрации химических элементов или их сочетаний, их роль в формировании месторождений различного генезиса. Полученные знания значительно облегчат практическое применение геохимических методов поисков полезных ископаемых.

Геолог в полевых условиях решает следующие основные задачи. Проводит геохимическое обследование территории в целях выявления геохимических, минералогических и петрографических особенностей. По составленным геохимическим картам устанавливаются ареалы концентрации отдельных химических элементов и определяется наличие месторождений полезных ископаемых.Геохимически некоторые элементы тесно связаны друг с другом и концентрируются совместно, например, полиметаллические руды. Существуют также элементы-индикаторы, или «наводчики» на залежи сырья: почвенный воздух обычно обогащен метаном над нефтяными и газовыми залежами.

При подготовке учебного пособия к изданию техническую помощь оказал А. А. Карпиченко, за что автор приносит ему искреннюю благодарность.

ВВЕДЕНИЕ

История миграции атомов на Земле и в космосе вызывает величайший интерес в XXI столетии. Перед естественнонаучными школами стоят немаловажные задачи в этой области. В настоящее время внедряются новые приборы, разрабатываются методы исследований микромира в целях реконструкции прошлой жизни природы и прогнозирования состояния микро- и макросистем при изменении условий и процессов. Атомы химических элементов создают невероятное множество соединений в гармоничной системе мироздания, в котором мы находим все, что необходимо живым организмам и человеку.

Среди разнообразных соединений природы геолог должен находить в концентрированном виде все химические элементы, имеющие широкое практическое применение в народном хозяйстве. Для этого необходимо знать природные и техногенные факторы и условия, геохимические процессы, которые приводят к концентрации, миграции и рассеянию химических элементов, а это возможно лишь при реализации теоретических проблем и практических задач такого научного направления, как геохимия.

Данное научное направление создано на базе знаний, систематизированных химией, и практических запросов геологии для поисков месторождений полезных ископаемых. Геохимия связана с десятками естественных дисциплин, которые обогащаются путем взаимного использования информации. Наиболее тесная связь существует между геохимией, минералогией и петрографией, поскольку в этих курсах в этих курсах ведущее место занимает изучение химического состава минералов и горных пород. Термин «геохимия» впервые употребил в 1838 г. швейцарский химик Х. Шёнбейн относительно содержания химических элементов на Земле.

В разные годы ученые каждый по-своему понимали и решали задачи геохимии. Напримар, Ф. Кларк в своей работе «Данные геохимии» (1924) определил предмет геохимии следующим образом: «Каждую породу … можно рассматривать как химическую систему, в которой под действием различных агентов могут происходить химические изменения. Каждое такое изменение означает нарушение равновесия с образованием в конце концов новой системы, которая, находясь в новых условиях, будет в свою очередь стабильной. Исследование этих изменений является предметом геохимии. Определить, какие изменения возможны, как и где они происходят, наблюдать явления, которые сопровождают их, и отметить их окончательный результат – вот задача геохимика».

В. М. Гольдшмидт (1954) считал, что основной задачей геохимии является количественное определение состава Земли и ее частей, установление законов, которые контролируют распределение определенных элементов.

В. И. Вернадский в «Очерках геохимии» (1954) писал: «Геохимия научно изучает химические элементы, т. е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения».

По мысли А. Е. Ферсмана (1956), «геохимия изучает историю химических элементов-атомов в земной коре и их поведение при различных термодинамических физико-химических условиях природы».

В современном учебнике А. И. Перельмана «Геохимия» (1989) дано определение дисциплины: «Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы».

Подводя итоги определения научного направления геохимии можно сказать: геохимия изучает миграцию, концентрацию и рассеяние химических элементов в геологических структурах под влиянием факторов и процессов при различных термодинамических физико-химических условиях.

Миграцию химических элементов изучают по проявлению биологического и геологического круговоротов, геохимическим циклам. Температура, давление, концентрация, климат, орография влияют на особенности перемещения химических элементов, а геохимические процессы приводят к их концентрации или рассеянию.

Термин «геохимический цикл» был введен А. Е. Ферсманом (1922) и изменен В. И. Вернадским (1926). Он означал совокупность процессов, в котором элемент после целого ряда миграций возвращается в старое состояние и соединения, чтобы снова начать процесс. Одни круговые процессы протекают в пределах одной геосферы, другие связаны с миграцией вещества в различных оболочках и разных термодинамических условиях. Однако цикл не всегда замыкается и поэтому часть атомов не возвращается в исходные состояния.

Следует вспомнить предложение А. Е. Ферсмана о выделении геохимических систем – такого природного сочетания элементов, которые вызываются основными геотектоническими циклами земной коры или климатическим режимом определенных широтных зон.

Исходя из определений геохимии, можно сформулировать следующие теоретические и практические вопросы, рассматриваемые данным научным направлением.

Прежде всего, необходимо представлять происхождение химических элементов во Вселенной. Широкое использование изотопов в геологии привело к развитию нового направления – изотопной геохимии. Изучение закономерностей в химическом составе Вселенной, Земли и ее геосферах позволяет оценивать и прогнозировать различные геологические, геохимические и экологические ситуации. Для оценки результатов миграции элементов широко используется кларк – среднее содержание химических элементов в земной коре (термин введен А. Е. Ферсманом в честь Ф. Кларка, который впервые рассчитал средние величины для пород земной коры).

Для того чтобы представить поведение элементов, геохимия изучает связь строения атомов с их свойствами и геохимической классификацией при учете воздействия факторов и процессов.

В геосферах Земли изменяется соотношение между термодинамическими показателями (Т – температура, Р – давление,С – концентрация), поэтому на миграцию и концентрацию элементов влияют различные геохимические процессы, которые в обобщенной форме выделены в зонах действия магматизма, метасоматоза, метаморфизма, гидротерм и гипергенеза.

Зона гипергенеза изучена лучше, поэтому самостоятельно рассматривается геохимия гидросферы, осадкообразования, глин, газовой оболочки, биосферы.

В геологии важны практические аспекты геохимии, которые рассматриваются в отдельном издании (Н. К. Чертко, Э. Н. Чертко, 2008). Это аналитические методы геохимии, особенности их применения, оценка их производительности и точности. Для поисков месторождений полезных ископаемых применяют геохимические методы. Проводится геохимическое картографирование и районирование как завершающая фаза исследований. На основе общих представлений в области геохимии необходимы обязательное изучение частных региональных вопросов (геохимия Беларуси), анализ условий миграции, концентрации и индикации каждого элемента, их экологии.

Методология, предмет и задачи геохимии.Геохимия является необходимым направлением в цикле геолого-минералогических наук и тесно связана с минералогией и петрографией. Методология геохимии базируется на общих законах диалектики и, в частности, на изучении закономерностей миграции химических элементов в геологических системах. Предметом изучения геохимии являются атомы химических элементов Земли и космоса, их распределение и миграция в магматических, метаморфических и гипергенных системах под воздействием физико-химических процессов.

Научные задачи геохимии:

1. Изучение форм нахождения элементов, их миграции и концентрации в геосферах Земли и космоса.

2. Выявление законов и закономерностей распространения и концентрации химических элементов в геологических системах.

3. Термодинамика и геохимия магматических, метаморфических и гипергенных процессов.

4. Разработка эффективных геохимических методов поисков полезных ископаемых, элементов-индикаторов генезиса горных пород и месторождений полезных ископаемых.

5. Региональная геохимия.

6. Геохимия изотопов и их применение в геологических исследованиях.

Практические задачи геохимии:

1. Использование методов геохимии для поисков полезных ископаемых.

2. Применение геохимической информации об элементах для индикации некоторых процессов, генезиса пород и минералов.

3. Решение экологических проблем, выявление техногенных геохимических аномалий.

История геохимии, ее состояние и пути развития.До появления в печати термина «геохимия» (Х. Шёнбейн, 1838) ее корни уходят во времена средневековья. Алхимики и их последователи в Европе пытались познать химический состав природных тел (Т. Парацельс, 1541; Г. Агрикола, 1555). Английский врач и химик Р. Бойль (1691) интересовался химией океана и атмосферы. В 1676 г. Х. Гюйгенс высказал идею о единстве химического состава космоса. Э. Галлею (1742) принадлежит первая попытка определения возраста океана по накоплению в нем солей, приносимых реками с поверхности суши. В 1757 г. русский ученый М. В. Ломоносов опубликовал «Слово о рождении металлов от трясения Земли». Он пытался химическими процессами объяснить происхождение горных пород и минералов, рудных жил, высказал мысль о последовательности выделения минералов. Указания на тесную связь минералогии с химией встречаются в работе шведского химика Я. Берцелиуса «Минералогия есть химия земной коры» (цит. по В. В. Щербина, 1972).

Дж. Пристли и А. Лавуазье в середине XVIII в. установили химический состав воздуха, В конце этого столетия Г. Дэви исследовал газы рудничные и вулканов. В 1802 г. В. Говардом в Англии и в 1804 г. Т. Е. Ловицем в России были выполнены первые химические анализы метеоритов. Они обнаружили их минералогическое отличие от горных пород Земли, хотя по химическим элементам отличий не отмечено.

Горный деятель и технолог академик И. Ф. Германн (1789) описал технологию отдельных химических элементов, основанную на изучении химических и физических свойств элементов и их нахождении в природе. В 1815 г. английский минеролог В. Филлипс сделал попытку выяснить средний химический состав земной коры, правильно определил порядок распространения десяти ведущих, указал преобладание O, Si, Al, Fe, а в живых организмах – O, H, C, N.

Польский химик и врач А. Снядецкий в 1804 г. высказал мысль о закономерном круговороте всех химических элементов земной коры. Немецкий ученый К. Бишоф в 1847 г. в монографии по химической и физической геологии доказал значение воды в химических процессах Земли, описал историю многих элементов и их круговорота. Французский геолог Ж. Б. Эли-де-Бомон в Х1Х в. связал историю химических элементов с магматическими и вулканическими процессами; ввел понятие о вулканических эманациях; развил идеи о связи элементов с геологическими процессами; впервые выяснил концентрацию элементов в породах; нарисовал картину химической эволюции Земли.

В 1838 г. Х. Шёнбейн писал: «Уже несколько лет тому назад я публично высказал свое убеждение, что мы должны иметь геохимию, прежде чем может идти речь о настоящей геологической науке, которая, ясно, должна обращать внимание на химическую природу масс, составляющих наш земной шар, и на их происхождение, по крайней мере, столько же, сколько и на относительную древность этих образований и в них погребенных остатков допотопных растений и животных» (цит. по Г. В. Войткевич, В. В. Закруткин, 1976).

И. Брейтгаупт (1849) выяснил закономерности ассоциации минералов в месторождениях, назвал их парагенными. Понятие о парагенезе минералов и химических элементов прочно вошло в геологическую науку и геохимию.

Фундамент для возникновения геохимии подготовили открытия двух выдающихся ученых во второй половине XIX в.: открытие в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом спектрального анализа и в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В это же время утвердилась атомно-молекулярная теория в физике и химии. Спектральный анализ, который и в настоящее время является ведущим методом, резко увеличил возможности познания химического состава Земли и космоса, включая редкие и рассеянные элементы. Периодический закон химических элементов, сформулированный русским ученым Д. И. Менделеевым, отразил естественную классификацию элементов и стал ключом к расшифровке строения атома, основой геохимии. Д. И. Менделеев занимался также исследованиями изоморфизма, химией силикатных минералов, вопросами генезиса нефти.

В конце Х1Х в. Я. Г. Вант-Гофф установил закономерности сло­жных солевых равновесий в период образования соляных месторождений. В 1873–1876 г. экспедиция на судне «Челленджер» собрала пробы морских грунтов и воды в Мировом океане, что позволило определить средний химический состав гидросферы, установить постоянство соотношений главных компонентов морской воды на всех географических широтах.

Первая сводная таблица среднего химического состава земной коры была издана Ф. Кларком в 1889 г. Капитальная сводка по геохимии «Data of Geochemistry» вышла в 1908 г. В ней суммированы результаты работ всех исследователей по составу горных пород, почв, вод, приведен баланс основных элементов в коре выветривания. В 1924 г. совместно с геологом Г. Вашингтоном он публикует последнюю уточненную таблицу средних величин распространения элементов в верхнем 16-километровом слое Земли. Эти величины мало изменились и используются в настоящее время. До этого геологи и химики скептически относились к возможности применения принципов и методов физики и химии к минералам.

В 1900 г. периодическая система Д. И. Менделеева была заполнена, за исключением некоторых редких элементов Eu, Lu, Hf, Re. Крупным вкладом явилось открытие Мозли (1914) корреляции между рентгеновскими спектрами и атомными номерами элементов.

К этому времени выросла новая геохимическая школа в Норвегии, возглавляемая Дж. Х. Фогтом и В. Брёггером. Она получила мировую известность, благодаря работам В. М. Гольдшмидта. Его докторская диссертация «Контактный метаморфизм в районе Христиании» стала основополагающей в геохимии. При анализе минеральных превращений в зоне контактного метаморфизма он использовал правило фаз, сформулированное Б. Розенбумом, и показал, что эти изменения можно интерпретировать с позиций принципов химических равновесий. Им были заложены основы экспериментальной геохимии.

Открытие М. Лауэ в 1912 г., заключающееся в том, что правильное расположение атомов в кристаллах приводит к служению кристаллов в качестве дифракционных решеток для рентгеновских лучей, позволяло определять атомную структуру твердых веществ, т. е. в твердых фазах.

На рубеже XIX–XX вв. возникает геохимическое направление в России. Его развитие связано с именем В. И. Вернадского (1863–1945). Согласно его точке зрения представление о геохимии как науке возникло на фоне новой атомистики, физики и химии в тесной связи с минералогией. Работы В. И. Вернадского охватывают практически все разделы геохимии, освещают важную роль живого вещества в миграции элементов и термодинамику процессов. С его представлениями в области геохимии связано начало дифференциации науки – создание радиогеологии, ядерной геологии, биогеохимии.

Многочисленные работы А. Е. Ферсмана (1883–1945), обобщенные в фундаментальном четырехтомном труде «Геохимия», посвящены изучению миграции химических элементов в зависимости от строения их атомов и физико-химических свойств. Он определил факторы миграции элементов, дал классификации геохимических процессов, выявил последовательность выделения минералов из растворов и расплавов при понижении температуры в зависимости от величины энергии кристаллической решетки, основал геохимические методы поисков полезных ископаемых, подготовил обширный круг своих учеников-геохимиков: В. В. Щербину, А. А. Саукова, К. Власова, Б. А. Гаврусевича, М. Н. Иванишина.

Основоположниками современной геохимии являются Ф. Кларк, В. М. Гольдшмидт, В. И. Вернадский и А. Е. Версман. В изучение хи­мических процессов на Земле в XX в. большой вклад внесли русские ученые Ф. Ю. Левинсон-Лессинг (автор химического направления в петрографии), А. П. Виноградов (работы по биогеохимии, редким и рассеянным элементам), Д. С. Коржинский (разработка теории мета­соматоза, изучение факторов минераль­ных равновесий), К. А. Власов (геохимия десилицированных пегматитов и редких рассеянных хими­ческих элементов), В. И. Лебедев (изоморфизм, геохимия силикатов), А. А. Сауков (геохимические поиски месторождений), В. С. Соболев (энергия решетки, петрологическая геохимия, физико-химическая ин­терпретация изоморфизма), А. Ф. Капустинский (второй принцип кристаллохимии), В. В. Щербина (миграция элементов и процессы минералообразования), Л. В. Пустовалов (осадочные геохимические фации), Н. М. Страхов (общая теория литогенеза), А. Н. Заварицкий (петрохимия) А. И. Тугаринов (изотопная геохимия, металлогениче­ские провинции), А. Г. Бетехтин (рудные месторождения гидротер­мального генезиса), В. А. Жариков (термодинамика гехимических процессов), Г. В. Войткевич (радиоактивная модель Земли, трансура­новые химические элементы), Д. П. Малюга и В. А. Алексеенко (ме­тоды поисков месторождений различных полезных ископаемых). Гео­химии зоны гипергенеза, почв и ландшафтов посвящены работы Б. Б. Полынова, В. А. Ковды, В. Б. Сочавы, А.И. Перельмана, М. А. Глазовской, Н. С. Касимова, В. А. Снытко, Ю. М. Семенова, Г. Б. Паулюкявичуса, В. В. Добровольского, Е. Г. Нечаевой, О .П. Добродеева, С. Л. Шварцева, Н. Ф. Глазовского, Ю. Е. Cает и др.

Из зарубежных ученых весомый вклад в развитие геохимии вне­сли Н. Боуэн (равновесия многокомпонентных силикатных систем), Э. Ингерсон (эксперименты, геологические термометры, геохимия ра­диоактивных изотопов), Б. Мейсон (исследования метеоритов), Р. Гаррелс (термодинамические расчеты геохимических процессов), П. Бартон (геохимия рудообразующих процессов на основе физико-химических констант) и др.

Таким образом, разрозненная информация по химическому со­ставу Земли послужила основой формирования геохимии – нового научного направления.

Геохимическая школа Беларуси.В истории развития геохимии в Беларуси, по обобщениям В. А. Кузнецова (1978), выделяются четыре периода, различающиеся научными направлениями. Первый период – становления геохимии как науки – относится к 1953–1956 гг. (с момента организации и работы кафедры геохимии и полезных ископаемых в БГУ под руководством академика К. И. Лукашева. Второй период (1957–1962 гг.) связан с организацией геохимических исследований в Академии наук Беларуси. В 1957 г. была создана лаборатория геохимических проблем. В третий период (1963–1970 гг.) были развернуты широкомасштабные исследования по геохимии с подключением ряда других организаций (БелНИГРИ, Институт почвоведения и др.). Четвертый этап новейших геохимических исследований начинается с 1971 г. Возросла роль глубинных геохимических исследований. Далее приводятся важнейшие их направления.

Отдельные сведения по геохимии кристаллических пород на базе выступа их фундамента у д. Глушковичи Лельчицкого района появились до 1945 г. С 1953 г. началось детальное комплексное исследование геохимии кристаллического фундамента, осадочного чехла и зоны гипергенеза.

Лаборатория литологии и геохимии под руководством академика А. С. Махнача изучала вещественный состав платформенного чехла и кор выветривания, геохимию месторождений полезных ископаемых, палегеохимическое ландшафтное районирование и эколого-геохими­ческое картографирование Беларуси. В. Е. Бордон обобщил исследования по геохимии кристаллического фундамента и осадочного чехла.

Под руководством геохимиков К. И. Лукашева, Г. В. Богомолова, В. А. Кузнецова, В. Е. Бордона, В. К. Лукашева, В. А. Ковалева и М. П. Оношко исследовались эволюция геохимической среды лито- и педогенеза в голоцене и ее роль в формировании геоэкологических условий; геохимические процессы перераспределения радионуклидов; геохимия зоны гипергенеза, биосферы, озерно-болотного литогенеза, геохимические методы поиска полезных ископаемых; искусственные сорбенты; геохимия отдельных элементов.

В лаборатории гидрогеологии под руководством А. В. Кудель­ского, М. Ф. Козлова проведены исследования по геохимии и подземных вод и рассолов, минеральных вод, радиационного состояния гидросферы, составлены первые гидрогеохимические карты.

Лаборатория литогидрогеохимии, организованная в 1991 г., под руководством А. А. Махнача исследует геохимию системы «порода–вода» в процессах формирования осадочных пород и полезных ископаемых; геохимию подземных рассолов и стабильных изотопов; радиоуглеродный мониторинг окружающей среды республики.

Геохимические анализы выполняются в лаборатории физико-химического анализа под руководством В. А. Кузнецова и В. П. Самодурова.

Геохимические исследования зоны гипергенеза проводятся в БГУ на кафедрах динамической геологии (О. В. Лукашев), почвоведения и геологии (Н. К. Чертко), в Гомельском государственном университете имени Ф. Скорины на кафедре геологии и разведки полезных ископанемых (В. В. Коцур).

Эволюция звезд

Современный научный взгляд на эволюцию звезд обобщен Б. С.Ишхановым, И. М. Капитоновым, И. А.Тутынь (1999). В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что элементы Солнечной системы образовались в ходе звездной эволюции (наша галактика – Млечный Путь – насчитывает около 200 млрд звезд). Хотя Вселенная образовалась приблизительно 15 млрд лет тому назад, но и в современную эпоху рождаются звезды. Они конденсируются под действием гравитационных сил из гигантских газовых молекулярных облаков, первичное вещество которых состоит преимущественно из ядер водорода с небольшой примесью ядер гелия. Последние образовались в результате первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер) в дозвездную эпоху. Большая туманность Орион – пример такого облака. Звезды образуются из отдельных неоднородностей в компактных зонах облаков. Сжатие их начинается с коллапса внутренней части, т. е. со свободного падения вещества в центре зоны. Гравитационные силы сближают атомы в меньшие и более плотные сгустки.

«Падая» на центр притяжения, молекулы приобретают энергию и при их взаимодействии (столкновении) разрушаются на отдельные атомы. Гравитационное сжатие увеличивает температуру сгустка. Когда соответствующая энергия превосходит энергию активизации атома водорода, в результате столкновений начинают возбуждаться его атомы. Постепенно область коллапса перемещается к периферии, охватывая всю зону. Начинается процесс звездообразования. Пере­ходя в основное состояние, атомы водорода начинают излучать свет с характерными для него спектральными линиями. Объект становится светящимся. Дальнейшее сжатие вещества повышает температуру и оно переходит в ионизированное состояние. Излучение увеличивается на несколько порядков. Образовавшийся сгусток в центре коллап­сирующего облака называют протозвездой. Падающий на повер­хность протозвезды газ (это явление носит название аккреции) обра­зует ударный фронт, что приводит к разогреву газа до 10⁶ °С. Затем газ в результате излучения быстро охлаждается до 10⁴ °С, образуя последовательные слои вещества протозвезды. Когда масса вещества звезды в результате аккреции достигает 0,1 массы Солнца, температура в центре звезды достигает 10⁵ °С, и в жизни звезды начинается новый этап реакции термоядерного синтеза. При такой температуре протекает реакция слияния дейтерия (D = ²H): ²H + ²H → ³He + n + Q (3,26 МэВ). Горящий дейтерий перемещается к периферии, разогревает вне­шнюю непрозрачную оболочку протозвезды, что приводит к ее увеличению. Лишняя масса удаляется «звездным ветром». Обнажается пло­тная светящаяся часть – звезда.

Сжатие звезды за счет гравитационных сил повышает ее температуру в центре до 10–15 млн °С и создает условия для начала ядерной реакции горения водорода. Выделяемое тепло создает давление, противодействующее сжатию. Звезда приобретает стабильные размеры и светимость. Если масса ее близка к массе Солнца, то жизнь звезды продолжается миллиарды лет, пока идет горение водорода. Это самая длительная стадия в эволюции звезды. Когда запасы водорода истощаются, образовавшийся гелий формирует гелиевое ядро, которое нагревается сильнее водородного. Горение гелия приводит к образованию ядер углерода, который продолжает гореть при более высокой температуре. По мере горения элементов с большим порядковым номером температура и давление в центре звезды увеличиваются с возрастающей скоростью. При массе звезды, равной 25 массам Солнца, реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, гелия в 10 раз быстрее, кислорода – примерно 6 месяцев, кремния – сутки. На завершающем этапе горения кремния образуются ядра железа – конечный этап термоядерного синтеза и жизни звезды (рис. 1).

Рис. 1. Основные этапы эволюции массивной звезды (М > 25 М_○)

Масса звезды определяет величину гравитационных сил сжатия, что определяет максимально достижимую температуру и плотность в центре звезды. Поэтому полная последовательность ядерных реакций синтеза возможна лишь в массивных звездах (табл. 1).

Таблица 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ

Планеты солнечной системы

Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций. Рассмотрим особенности химического состава планет, за исключением Земли, о которой информация будет изложена в последующих главах.

Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам. Они делятся на две группы: внут­ренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см³), а внешние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см³). Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не, СН₄, NH₃ и др.). Планеты имеют по одному и более спутнику, за исключением Меркурия и Венеры. Химический состав планет приведен по Д. Ротери (2005).

Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца. Меркурий повернут одной стороной к нему.

Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хребты. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий. Исследовал планету аппарат «Маринер-10».

Венера вращается в противоположную сторону, по сравнению с Землей. Сила тяжести почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. По размерам, плотности, а также давлению и температуре на высоте 50 км она сходна с Землей, а солнечной энергии получает в два раза больше.

Атмосфера состоит из СО₂ (96,5 %), N₂ (3,4) вулканического происхождения, около 0,1 % приходится на H₂, O₂, H₂O, CO, COS, SO₂, S₂, H₂S, SF₆, HCl, HF, Ne, Ar, Kr, Xe. Предположительно облака состоят из паров и капелек серной кислоты. Процесс образования сернокислого тумана замедленный. За день образуется 25 капель на 1 см³ с диаметром 1,5 мкм. В нижних слоях атмосферы из-за высокой температуры кислота разрушается. Оксид углерода реагирует с серным ангидридом и образует углекислый и сернистый газ. У поверхности планеты оксид углерода отнимает у сернистого газа кислород с образованием газообразной серы. В наэлектризованной атмосфере зарегистрировано 50 молний в секунду в одном месте, а на всей Земле для сравнения – 100. Атмосферное давление в 100 раз выше земного. На высоте облаков атмосфера планеты вращается со скоростью 100 км/с, ниже 10 км – 1 м/с, на поверхности – не более 1 м/с, но эта скорость валит с ног из-за высокой плотности. Господствует западное направление ветра. Дневное освещение аналогично пасмурному дню.

Поверхностный грунт состоит на 50 % из SiO₂. В нем отождествлены элементы Al, Mg, Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U. Породы близкие к гранитоидам. Горы занимают 8 % всей поверхности, максимальная высота до 11 км (г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с множеством кратеров диаметром до 280 км, плоскогорья на высотах примерно 3500 м.

Луна – спутник Земли. Поворот вокруг оси совпадает с поворотом вокруг Земли (27,3 суток). Атмосфера отсутствует. На поверхности реголит (пыль) мощностью до нескольких метров. Реголит состоит из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы, спекшихся друг с другом и образовавших губчатую массу. «Материки» занимают 85 %, «моря» (пониженные места) 15 % и представлены базальтовой породой. Химический состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные породы изверженные, они кристаллизовались при температуре 1210–1060 ^°С с силикатного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин. Малоизвестные для земных условий минералы: пироксенманганит (обогащен Mn), ферапсевдобрукит (Fe, Mo, Ti), транквилитит (TiZrO₄) и др. В породах среди O, Si, Fe, Ca, Mg, Al, Ti повышенное количество Fe, Ti, Zr и редких земель. Выделяются элементы группы железа (V, Cr, Mn, Co, Ni), молибдена (Y, Zr, Nb, Ta).

Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780 дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55 млн км, на максимальном 102 млн км. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 65 ^°.

Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли. У полюсов облака голубые и состоят из СО₂, небо тускло-розового цвета. Атмосфера состоит из СО₂на 95 %, по другим источникам – на 75 и 50 %, N₂ (2,5), Ar (1,6), O₂(0,1–0,4), CO (0,06), Н₂О (0,03 %), очень мало Ne, Kr, Xe. Имеются пары воды, аэрозоли образуются за счет пылевых бурь. Скорость ветра около 100 м/с. Лед состоит из СО₂ и частично Н₂О. Ядро малое (5–9 % массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые «моря» в депрессиях. Высота гор до 27 км, они занимают 2 / 3 поверхности планеты. В грунте Марса содержится Fe – 12–14 %, Si – до 20, Ca – 4, Al – 2–4, Mg – 5, S – 3 %, а также другие элементы.

Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде, имеет низкую плотность. Совершает оборот вокруг своей оси за 10 часов. Имеет 16 спутников. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии.

Атмосфера на 90 % состоит из Н₂и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Магнитное поле в 50 раз сильнее земного, поэтому вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное. Внутреннее излучение планеты на 60 % больше, чем приток энергии от Солнца. При высокой температуре и давлении атом водорода разрушается и ведет себя как металл, создавая магнитное поле.

Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см³) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н₂ и Не. Ядро расплавленное силикатно-металлическое.

Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Уран движется в Солнечной системе лежа на боку, и ось вращения лежит почти в плоскости его орбиты. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15–18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н₂, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава.

Строение и состав Земли

Земля делится на несколько оболочек (слоев), имеющих близкие особенности условий существования химических элементов и характерных геохимических процессов: ядро (твердое и жидко