Файл: Кесарев, В. В. Эволюция вещества Вселенной.pdf

валентности — карбонаты, сульфаты, фосфаты,— которые могли в волноводе возникнуть при высо­ котемпературном гидролизе карбидов, нитридов, фосфидов и сульфидов, т. е. тогда, когда вода не гидрирует металлоиды, а окисляет их.

Из легких элементов подлинным индикатором глубины является кислород, концентрация которого постепенно возрастает, начиная от нуля на грани­ це железного слоя и достигая 49% в осадочном слое коры. Исключением является тектитовый под­ слой, содержание кислорода в котором находится на уровне осадочного слоя коры. Это не случайно, потому что вещество волновода формирует земную кору если не путем постепенной дифференциации, то путем вулканических извержений. Не случайно также составы изверженных пород и метеоритовтектитов (биллитонитов) почти совпадают; это вы­ текает из их сопоставления (табл. 4).

Таблица 4

Элементный состав изверженных пород и тектитов, мае. %

Автор полагает, что если бы представилась воз­ можность извлечь вещество волновода путем сверх­ глубокого бурения, то и в этом случае получили бы вещество того же состава, что и изверженные поро­ ды. Не обсуждая вопросов технической возможно­

38

сти выполнения этой задачи, можно усомниться в ее целесообразности в связи с неясностью поведе­ ния того выводного .канала, который получит в свое распоряжение волновод. При этом не исклю­ чено создание искусственного вулкана.

Ни один компонент вещества Земли не остает­

окислов кремния, алюминия, калия, натрия, каль­ ция. С увеличением глубины возрастает концентра­ ция железа и никеля. Окислы железа и магния до­ стигают максимальной концентрации в оливин-пи- жонитовом подслое хондритового слоя. Выше и ни­ же этого подслоя концентрация окислов железа и магния уменьшается.

Особо важно отметить, что с уменьшением глу­ бины не только увеличивается концентрация соеди­ нений легких элементов, но и меняется форма этих соединений.

Есть мнение, что метеориты —не продукты маг­ мы, а результат конденсации газовой фазы в протопланетном облаке. Автор, тем не менее, придер­ живается представлений о кристаллизации метео­ ритов из расплава, и он проявил бы крайнюю не­ последовательность, объясняя отдельные частные вопросы допущениями, не вытекающими из его основной концепции.

2. ЭВОЛЮЦИЯ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Несмотря на относительно малое содержание легких элементов: водорода, углерода, азота, кис­ лорода, серы, фосфора, эти элементы и их соедине­ ния легко обнаруживаются благодаря тому, что они в виде паров, газов, жидкостей, растворов выде-

39

ляются из твердых минералов. Как уже ранее от­ мечалось, первичным продуктом глубинных хими­ ческих реакций в первой реакционной зоне являет­ ся вода. Ее образование — результат реакции взаимодействия двух компонентов первичного пла­ нетного вещества: дигидрида железа, аккумули­ рующего водород, и перекиси кальция, аккумули­ рующей кислород. Несмотря на то что вода обна­ руживается в небольшом количестве (в среднем 0,5%) в метеоритах, отражающих вещества глу­ бинных слоев мантии, имеются веские основания допускать, что глубинная вода пребывает в хими­ чески связанном состоянии в виде гидратов крем­ ния, алюминия, магния. Последние, обладая лету­ честью, выполняют роль как бы водотранспортеров от первой реакционной зоны Земли до второй. В условиях второй реакционной зоны гидраты вы­ деляют воду в свободном состоянии. Вещество второй реакционной зоны второго волновода со­ держит свободной воды до 20%. Подобное поведе­ ние воды определяется физическими причинами: ес­ ли в условиях первой реакционной зоны при тем­ пературе 3000° С и давлении 1,3-ІО6 атм * возни­ кающая вода химически связывалась с образова­ нием гидратов окисей легких металлов: кремния, алюминия, магния, то в условиях второй реакци­ онной зоны при температуре 1300° С и давлении 0,3-ІО6 атм гидраты окисей легких металлов рас­ падаются с образованием свободной воды. Даже если бы не было этой реакции в действительности, то ее следовало бы придумать для того, чтобы по-

* При таких температурах и давлениях, согласно теории, химические элементы вырождаются. Их свойства (валентность, в частности) будут сильно отличаться от привычных для нас. Но на данном этапе наших знаний реконструировать поведе­ ние вырожденных элементов не представляется возможным.

40

Мять одно из очень многих неожиданных проявле­ ний воды.

Во второй реакционной зоне свободная вода принимает участие в гидролитических реакциях; гидролизу подвергаются карбиды, нитриды, суль­ фиды, фосфиды металлов. Принимая во внимание, что эти реакции экзотермические и что в зависимо­ сти от прореагировавшей массы количество выде­ ляющегося тепла колеблется в известных интерва­ лах, особенно на различных глубинах, в пределах волновода рассчитывать на течение процесса гид­ ролиза в одном направлении не приходится. Ранее приводился пример, когда гидролиз карбида каль­ ция при нормальной температуре протекает с обра­ зованием углеводорода — ацетилена, а при 450° С— с образованием углекислоты. При промежуточных температурах процесс гидролиза идет одновремен­ но в том и в другом направлении: углеводородном и углекислом. Известно также, что гидролиз карби­ да железа протекает с образованием метана, эти­ лена, газообразных, жидких и твердых углеводо­ родов и с образованием графита (Tropsch, 1952). В свете подобных экспериментальных данных мож­ но предложить следующую общую схему гидроли­ за компонентов первичного планетного вещества при различных температурах:

Согласно этой схеме при гидролизе карбидов, нитридов, сульфидов, фосфидов металлов при по­ ниженных температурах вода выступает в роли гидрирующего агента металлоидов, при повышен­

41

ных же температурах роль воды сводится к окисле­ нию металлоидов. При промежуточных температу­ рах возникают продукты обоих направлений в оп­ ределенных соотношениях. С учетом того, что в на­ стоящее время в Земле прореагировало 60,3% пер­ вичного планетного вещества, выход соединений легких элементов из второй реакционной зоны при­ веден в указанной выше схеме. Расчет сделан на элемент. В случае необходимости пересчета на гид­ риды следует учесть, что разнообразие гидридов определяется гомологией элемента и температурой гидролиза. У углерода с сильно развитой гомоло­ гией помимо простейшего гидрида — метана возни­ кают углеродные цепочки различного состава и строения. Парафиновые углеводороды как менее термически устойчивые образуются при умеренных температурах, тогда как с повышением температу­ ры реакции появляются нафтеновые углеводороды как более термически устойчивые, при еще более высоких температурах возникают ароматические углеводороды, которые превышают нафтеновые уг­ леводороды по термической устойчивости. Посколь­ ку гидролиз карбидов металлов протекает одно­ временно с гидролизом нитридов, сульфидов, фос­ фидов, то помимо продуктов конденсации углево­ дородных соединений возникают и продукты соконденсации — производные углеводородов по азо­ ту, сере, фосфору, кислороду.

В связи с этим уместно привести положение, вы­ сказанное В. И. Вернадским (1965): «Необходи­ мо, сверх того, здесь же подчеркнуть, что нефти не могут быть рассматриваемы только как углево­ дороды. Углеводороды только преобладают в их составе. Они всегда содержат многие проценты, иногда десятки процентов соединений, заключаю­ щих кислород, азот, серу. Объяснение их генези­

42

сом не может опираться только на происхождение углеводородов. Это часто забывают».

Глубинное происхождение органического синте­ за доказывается тем, что эти процессы протекают и на планетах, на которых обитаемость исключает­ ся. Продукты органического синтеза обнаружива­ ются даже в атмосферах комет. Генетическая связь нефти и ее компонентов, в частности метана и глу­ бинных продуктов — карбидов, нитридов « сульфи­ дов металлов, находит свое подтверждение в соста­ вах углистых метеоритов. Эти метеориты, имея со­ ставы глубинных слоев планеты, вероятнее всего волноводов, содержат углеводороды и их производ­ ные по азоту, Кислороду, сере до 5%. Предполо­ жить их образование на глубине планеты свыше 60 км биогенным путем невозможно.

В архейский период Земли, характеризовав­ шийся бурным вулканизмом, неизбежно выбрасы­ валась на поверхность магма, содержащая продук­ ты глубинного органического вещества. Только зна­ чительно позднее архея появились признаки оби­ таемости земных водоемов. Это стало возможным на основе глубинного органического синтеза за счет* аминокислот, возникающих при вулканизме

иоказывающихся в кратерных озерах.

Спозиций космогонической химии можно пред­ положить эволюцию углерода в условиях Земли от карбидов до графита в двух направлениях: одно направление биологическое, через каменные угли,

идругое—абиогенное, через глубинный синтез нефти:

,СОа—древесина—торф—бурые угли—каменные угли—кокс

СН,—парафины—нафтены—арены—(нефть)—битумы—кокс/

43

Данная схема находится в согласии с карбид­ ной теорией образования нефти Д. И. Менделе­ ева и магматической теорий Н. А. Кудрявцева

(1956).

Происхождение всех легких элементов обнару­ живается не только по качественным, но и по коли­ чественным показателям. Они находят свое отра­ жение в составе протопланетного вещества и миг­ рируют в кору на общих основаниях, при этом не делается исключения для углерода. Кора имеет следующие показатели (ІО25 г) : двуокись кремния 2,4, окись алюминия 0,5, окись магния 0,8, легкие элементы 0,4, остальные 0,9. Содержание в коре легких элементов распределяется следующим об­ разом (ІО24 г): водород 2,0, кислород 1,44, углерод

0,16, азот 0,07, сера 0,29. Содержание углерода в коре относительно остальных компонентов коры мало— 1,6-ІО23 г, но оно на шесть порядков выше прогнозируемых оценок запасов нефти и еще выше возможных биоотложений в коре. Приведенные све­ дения о содержании углерода в коре в качествен­ ном и количественном отношениях свидетельст­ вуют в пользу глубинного происхождения угле­ рода.

3. ЗЕМНАЯ КОРА

Масса современной коры оценивается в 0,8% земной массы, или 5-Ю25 г. Если иметь в виду, что первые 0,5 млрд, лет были пусковым периодом, по­ сле которого на поверхности молодой планеты по­ явились первые глубинные минералы, то возраст последних будет порядка 4,5 млрд, лет, что нахо­ дится в некотором согласии с возрастами самых древних земных пород. С этой же поры началось формирование коры, вначале исключительно за счет

44

изливания вулканической лавы. За все время внут­ ренней активности Земли верхняя мантия перебро­ сила около 3% своего вещества на формирование корового слоя. Отсюда следует, что прирост коры составлял в среднем 1 • ІО16 г/год. За этой средней цифрой) кроются весьма различные скорости на­ копления массы коры.

За первый миллиард лет существования Земли ее кора могла составлять 0,2% по массе и иметь характер сплошного лавового слоя. Этот период характеризовался высокой скоростью роста коры благодаря интенсивной внутренней активности, так как реакционная зона находилась в ту пору в цент­ ре планеты на предельной глубине. Это означало, что ширина реакционной зоны была максимальной, в связи с чем глубинные химические процессы про­ текали с высокой скоростью.

За второй миллиард лет существования Земли масса металлического ядра могла достичь 21%. В связи с ростом металлического ядра объем пла­ неты уменьшился на 0,28-ІО27 см3, поверхность ко­ ры сократилась с 651 до 557 млн. км3, масса коры возросла до 0,5%. Рост коры в последующем мог происходить в значительной степени за счет диф­ ференциации глубинного вещества и вулканических поступлений по. линии континентальных секторов Земли. В океанических же секторах кора опуска­ лась и в связи с этим растягивалась. В итоге при­ рост коры на 0,3% произошел по линии конти­ нентальной коры. Этим самым наметилось раз­ личие между континентальной и океанической корой.

Тектонические явления, возникающие на по­ верхности Земли, вызываются далекими силами внутреннего характера, исходящими от границы нижней мантии с ядром, в первой реакционной зо­

45