Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения

Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.

Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.

При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см

, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.

Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe)

Si

O

. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi

O

 – CaAl

Si

O

, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.

Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.

С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.

Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi

O

) до анортита (CaAl

Si

O

). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.

C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.

В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K

O (до нескольких процентов) и другие окислы.

Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).

Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км[22 - Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.].

Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.

Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).

Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное – расплавы железа и его окислов; белое – мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки – первичное земное вещество; радиальная штриховка – континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[23 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]].

Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим – над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.

Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.

Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.

Жизнь вносит коррективы.

Когда нечего есть, станешь и камни грызть

В начале был единый Океан,

Дымившийся на раскаленном ложе.

И в этом жарком лоне завязался

Неразрешимый узел жизни: плоть,

Пронзенная дыханьем и биеньем.

Планета стыла.

Жизни разгорались.

    Максимилиан Волошин

Пока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.

В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.

Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.

Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски – пополам. В других – более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.

Любая химическая реакция – это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.

Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.

Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету – извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект[24 - Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.] многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.

По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана[25 - Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.].