Файл: Войткевич, Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 51

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Серия «Настоящее н будущее Земли п человечества»

Г. В . В О Й Т К Е В И Ч

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»

Москва 1973

к о н т р о n ь и ы й в ! : г с- г-;-. ;

Книга профессора Г. В. Войткевпча посвящена одной из важнейших проблем современной науки — происхождению Земли п образованию ее оболочек. В ней представлены п кратко охарактеризованы совре­

менные данные о химическом составе метеоритов, пла­ нет и других тел солнечной системы. Автор рассматри­ вает наиболее вероятные процессы, определившие хи­ мический состав Землп.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

© Издательство «Наука», 1973

Наша

планета

два

миллиарда

лет

раньше

или позоісе —

химически

раз­

ные тела.

 

 

 

 

 

 

В.

И.

Вернадский

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в проблеме образования нашей пла­ неты еще много неясного. Однако быстрое развитие со­ временной науки, накопление и открытие новых данных в области космохимии, геохимии, геофизики и астро­ физики позволяют каждый раз по-новому взглянуть на загадочную и волнующую многие поколения людей про­ блему происхождения Земли и других тел солнечной системы.

С тех пор как усилиями многих исследователей был изучен химический состав различных тел природы — Солнца и звезд, планет и метеоритов, минералов и гор ­

ных пород, а т а к ж е природных вод

и растений, почв

и атмосферного воздуха, перед нами

открылась с л о ж н а я

картина истории атомов химических

элементов.

С того времени, когда о строении атомов и поведении их соединений при различных термодинамических усло­ виях нам стало известно очень многое, а о составе косми­ ческих тел — метеоритов, некоторых планет, Л у н ы и Солнца — были получены совершенно достоверные и точ­ ные данные, решение проблемы происхождения нашей планеты было поставлено на прочную основу, которой были лишены прежние космогонические построения. Х и ­ мические элементы солнечной системы, их изотопные соотношения и радиоактивность представляются нам все

3


более отчетливо как исторические документы, позволяю­ щие реставрировать доплаиетную стадию развития ве­

щества

солнечной

системы.

 

 

В книге автор пытается изложить в общедоступной

форме некоторые

спорные вопросы происхождения Земли

и ее химических изменении в ходе длительной

геологи­

ческой истории на основе космохимических,

геохимиче­

ских

и

геофизических

данных, полученных

за

послед­

ние

годы. В связи с

этим в книге более

обстоятельно

рассмотрены вопросы распространения элементов, хими­ ческого состава Земли, а также других планет и метео­ ритов. Изложены геохимические свойства элементов, по которым можно судить о химической эволюции планет, показано значение радиоактивности в термической исто­ рии Земли. Эти данные с л у ж а т фундаментом д л я выясне­ ния физико-химических равновесий в процессе формиро­ вания самой Земли и планет солнечной системы.

РА С П Р О С Т Р А Н Е Н ИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ВС О Л Н Е Ч Н О Й СИСТЕМЕ

ИИХ Г Е О Х И М И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА

Происхождение и развитие Земли есть часть космической истории атомов химических элементов, истории, начало

которой еще не

расшифровано с

достаточной полнотой

и представляет

собой важнейшую

проблему астрофизики

и космохимии. Химический состав нашей планеты сфор­ мировался в результате космической эволюции вещества

солнечной системы, в ходе которой возникли

определен­

ные пропорции количественных соотношений

атомов.

В связи с этим нас в первую очередь должен интере­

совать вопрос о современных количественных

соотноше­

ниях атомов химических элементов в пределах нашей солнечной системы, поскольку именно количественные соотношения я в л я ю т с я одной из существенных причин, определивших природу данного конкретного тела сол­ нечной системы, и фактором дальнейшего его развития . Между распространенностью элементов и формами на­ хождения их в природе существует глубокая и тесная связь. Космическое обилие водорода и кислорода конк­ ретно выразилось в возникновении воды на нашей пла ­

нете

и многочисленных

окислов.

Относительно

повышен­

н а я

распространенность

углерода

была одной из

причин,

определивших большую вероятность возникновения жизни в прошлых природных системах. Обилие кремния, маг­

ния и железа способствовало образованию

в земной коре

и в метеоритах необычайно распространенных

силикатов.

Наконец, обилие железа как ведущего металла

солнечной

системы наложило глубокий отпечаток

на

свойства,

среднюю плотность и химический состав в целом планет земного типа, железных и железокаменных метеоритов.

Основными источниками сведений о распростране­ нии химических элементов в солнечной системе с л у ж а т

данные о

составе Солнца, полученные с помощью спект­

рального

анализа, данные химических анализов, п р о в е .

5


денных в лабораториях по материалу земной коры, мете­ оритов и пород поверхности Л у н ы .

Распространенность элементов может быть представ­ лена в виде таблицы или графика . В настоящее время космическую распространенность элементов в природной

системе принято

выражать в атомных соотношениях.

Т а к , количество

атомов данного химического элемента

в определенной природной системе выражается по отно­ шению к кремнию. Кремний выбран потому, что он п р и ­ надлежит к труднолетучим и в то же время обильным эле­ ментам.

Графическое изображение атомного распространения элементов в солнечной системе представлено на рис. 1 (данные относятся к 10° атомам кремния). Относительное

распространение

отложено на

вертикальной

координате

и выражается в

логарифмах

числа атомов.

Н а рисунке

можно видеть четкие закономерности в космическом рас ­ пространении элементов. Так, совершенно очевидно, что

распространенность элементов характеризуется

резкими

контрастами.

Например, атомов

бериллия

в

миллион

раз меньше,

чем атомов кислорода.

В то ж е

время общий

характер распространенности имеет глубокую связь с ве­ дущим атомным параметром — порядковым номером или зарядом . В данном случае совершенно очевидно высту­ пают следующие закономерности.

1. Распространенность элементов неравномерно убы­ вает с увеличением порядкового номера.

2.Четные элементы (с четным Z) более распростра­ нены, чем соседние нечетные. Эта закономерность в гео­ химии и космохимии получила название правила Г а р - кинса—Оддо.

3.Повышенным распространением характеризуются элементы, состоящие в основном из изотопов с массовым числом (А), которое делится на 4, т. е. кратным 4.

Вспомнив, что порядковый номер элемента равен

числу протонов в его ядре, и учитывая, что наиболее устой­

чивые ядерные постройки образуются

п р и четном

соче­

тании нуклонов (протонов и нейтропов), нетрудно

прийти

к выводу, что общее распространение

элементов

в

при­

роде

определяется

ядерными свойствами их

атомов.

К а к

видно из рис.

1, к р и в а я распространения

элементов

после максимума в области железа падает вниз, а после молибдена (Z=42) приобретает положение, близкое к го-

6


ö

i:> 2 0 2 5 :w .45 40 .",5 50 5 5 GO G5 7 0 7 5 80 z

P и c. 1. Относительная атомная распространенность химических элементов в солнечной системе в зависимости от порядкового номера (Z);

Черными кружками обозначены четные элементы, светлыми — нечетные

ризонтальному. Значительная часть максимумов на кри ­ вой приходится на элементы, у которых ведущий изотоп обладает массовым числом, кратным 4, как это имеет место у следующих элементов:

Ah

8

12

16

20

24

28

32

36

40

Не

С

О

Ne

Mg

Si

S

Ar

Ca

Д р у г а я

часть

максимумов

на кривой

распространения

связана с ядрами, у которых число нейтронов или про­ тонов равно

2, 8, 20, 50, 82 и 126 Эти числа, получившие у физиков название «магических»,

характеризуют заполненные ядерные оболочки, которые типичны д л я наиболее устойчивых атомных ядер .

Изложенные выше факты определенно свидетельствуют о зависимости распространения атомов в солнечной си­

стеме от состава

и свойств их ядер. Это положение весьма

я р к о выражено

видными американскими космохимиками

7

Г. Ю р и и Г. Зюссом: «Представляется, что распростра­ ненность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано».

Водород и гелий представляют собой наиболее рас­ пространенные и наиболее легкие элементы солнечной

системы. Они

легко

теряются

планетами

малой массы

п р и

любом способе

и х

образования .

 

 

Если мы подойдем к оценке состава вещества солнеч­

ной

системы

с точки

зрения

самых общих

свойств эле­

ментов, то его можно разделить на две части: летучую (включающую газы при нормальных условиях) и нелету­ чую. К летучей относятся Н , Не, СО, С 0 2 , О, N и все инертные газы, к нелетучей — большая часть химических элементов и среди них главные породообразующие и об­ разующие метеориты: Si, Fe, Mg, Ca, A l , Na, N i .

Метеориты и внутренние планеты нашей системы образуют нелетучую часть солнечного вещества в отно­

шении

атомного состава. Такое заключение

базируется

на всем известном аналитическом материале.

А. П. Вино­

градов,

критически обобщивший данные по

распростра­

нению атомов Солнца и каменных метеоритов на 1962 г., показал, что материал планет нашей солнечной системы есть часть, непосредственно выброшенная самим Солнцем, и что он не был захвачен из других областей галактики . Наблюдаемые реальные различия в составе планет и ме­ теоритов — результат вторичных процессов, связанных с дифференциацией и фракционированием первично од­ нородного солнечного вещества.

Нелетучую часть солнечного вещества лучше всего отражают наиболее распространенные каменные метео­ риты — хондриты.

Сопоставление на основании современных данных рас­ пространения нелетучих элементов в веществе Солнца и в обыкновенных хондритах представлено на рис. 2. Очевидно, что согласие между хондритамй и Солнцем( за немногим исключением, является хорошим, Эти дан­

ные

свидетельствуют о

глубоком

единстве

вещества

Солнца и метеоритов,

что

связано с историей возникнове^

н и я

солнечной системы;

 

 

 

Однако наиболее убедительные Доводы в пользу гене­

тического единства

всего

вещества

солнечной

системы

8


1 1 Г 2

1

1 0 2

ш4

1 0 6

 

Хопдриты

обмкнооеныі.іе

 

 

Р и с. 2 . Распространение металлов в обычных хондрптовых

метеори­

 

 

тах

« иа Солнце (по Дж. Вуду)

мы находим в

изотопном составе химических элементов.

Большинство

устойчивых

элементов

представлено

более

чем одним изотопом, и число их зависит от четного или нечетного значения Z. Наличие изотопов связано с тем, что в атомном ядре при одинаковом количестве протонов может быть разное число нейтронов. Наибольшее число изотопов характерно для химических элементов середины периодической системы (так, олово состоит из 10 изо­ топов, ксенон — из 9). Элементы с четными порядковыми номерами содержат больше изотопов, чем элементы с нет четными. Стабильные элементы с нечетным Z имеют только

один

или

два

стабильных

изотопа.

Легкие

элементы

Z <

20 и

очень

тяжелые Z >

81 имеют

меньше

изотопов,

чем элементы середины периодической системы в области значений Z от 28 до 81 .

Изотопный

состав целого ряда элементов, изученный

щ материале

метеоритов, Л у н ы и Земли, оказался оди-

9