Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения

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 2—3 сотен минералов[17 - Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.], 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

[SiO

], где «R» это Mg, Fe

, Mn и Ca в разных пропорциях. Изредка можно было встретить оливин, пироксены, плагиоклаз, графит, циркон, хромит, магнетит, апатит и микроскопические кристаллы алмаза. А если бы была возможность пробурить скважину хоть до центра планеты – образцы пород и минералов с глубины оставались бы те же. Ведь Земля на первых порах представляла хаотическое скопление спрессованных гравитацией однородных обломков планетезималей и метеоритов.

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 300—350 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; ? – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[18 - Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.]].

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 Земли[19 - Там же.]. 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

, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см

. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.

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 Пригожин[20 - Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.].

Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х10

кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.

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

(15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.

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

O, CO

, CO, SO

, H

S, CH

 и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 2002[21 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]]

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

, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см

, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.