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
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 |
IÜ 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:
A— h |
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