Сколько времени человек живет на Земле, столько он ее изучает. В прошлом это изучение шло по пути географических открытий. Затем наступила эра разведки земных недр сначала поиск полезных ископаемых, которые проявляются на поверхности нашей планеты, сегодня ученые проникают все глубже в толщу Земли, постигают механизмы физико-химических процессов, идущих в земной коре.
Специальный корреспондент журнала «Наука, и жизнь». В. Янкулин обратился к известному советскому геохимику члену-корреспонденту АН СССР Алексею Ивановичу Тугаринову с просьбой рассказать об основных направлениях, и достижениях современной геохимии.
- Наука, которой я занимаюсь, - геохимия - родилась из синтеза современной геологии, и химии, взяв на вооружение наиболее прогрессивные методы этих наук. Великий русский ученый В. И. Вернадский говорил, что «геохимия научно изучает химические элементы, то есть атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение, и движение в пространстве, и во времени, их генетические на нашей планете соотношения». Современная геохимия изучает процессы, протекающие почти во всех оболочках земной коры.
Сегодня основа всей современной промышленности - руда. Геохимия помогает осваивать рудные месторождения, причем геохимические изыскания открывают не только полезные ископаемые, они расширяют возможности использования естественных ресурсов Земли. Многие жизненно важные проблемы планеты, такие, как борьба с энергетическим голодом, нехваткой воды или загрязнением атмосферы, в первую очередь решают геохимики.
Мы сумели заглянуть в глубинные области коры, где при больших температурах и давлениях постоянно идут процессы плавления, и кристаллизации, где формируется магма, которая иногда извергается в виде лав из вулканов, где образуются редчайшие полезные ископаемые; одним из продуктов этих процессов могут быть, например, алмазы. Здесь нас интересует буквально все - и радиоактивные источники тепла, и сам процесс магмообразования и связанного с ним рудообразования, и вопросы происхождения магматических пород, некоторые из которых могут оказаться прямыми потомками допланетного вещества. Интерес этот диктуется также и тем, что все существенные изменения земной поверхности зависят от глубинных процессов, про которые мы знаем пока не так много.
Например, глубины Земли хранят тайну происхождения гранита. Издавна идет спор ученых одни считают, что гранит - продукт выплавления мантии - некий ее шлак, поступающий в верхние слои коры, другие объясняют его происхождение плавлением продуктов самой коры, при этом не исключается, и влияние мантии. Аргументами в этом споре служили главным образом косвенные данные. Сегодня техника эксперимента позволяет уже получать условия, в которых высокое давление и одновременно высокая температура сопоставимы с теми, что существуют в мантии. Думаю, в ближайшее время удастся поставить эксперименты, которые окончательно решат спор многих поколений ученых о происхождении гранита. А так, как граниты составляют более двух третей материковой суши, то понять их происхождение - значит подойти ближе к решению многих насущных проблем человечества, скажем, такой, как прогнозирование землетрясений.
Потоки термальной (горячей) воды циркулируют на глубинах от нескольких километров до нескольких десятков метров. Очень возможно, что, изучая их, мы получим ответ на вопрос, откуда берутся металлы, где источник рудного вещества. Здесь опять же существуют две точки зрения одна в том, что металлы идут из магмы, другая - что они продукт вмещающих горных пород. Ответы на эти вопросы можно получить, если знать условия, при которых происходит отторжение металлов, и отложение руд. Иначе говоря, надо оценить температуру, давление, и состав термальных вод на различных глубинах, дабы смоделировать их потом в лаборатории.
Много проблем связано с эволюцией атмосферы, и гидросферы, эволюцией, которая в конечном счете определяет, как будут развиваться условия жизни на Земле. Земные растения, и животные также, в свою очередь, влияют на среду. Например, учеными было установлено, что распределение ванадия, и германия заметно изменилось с тех пор, как на нашей планете появилась жизнь.
- Запасы полезных ископаемых в том виде, в, каком они были известны в начале века, практически подходят к концу. Человек вынужден перейти к использованию запасов более глубоких слоев. Какие задачи ставит это перед геохимиками?
- Разработка больших глубин Земли не только техническая (как часто думают), но, и физико-химическая проблема, над которой работают геохимики многих стран. Картография глубин, способы обогащения руды на глубине, выявление геохимических признаков, указывающих целесообразность глубинных поисков, - вот некоторые из задач, решение которых откроет неисчерпаемые земные кладовые. Я думаю, с течением времени перестанут играть важную роль, как глубина залегания, так, и территориальное распределение полезных ископаемых - факторы, которыми сегодня в основном диктуется их использование.
Сейчас ведь известно, что практически в любом районе нашей планеты есть все элементы, необходимые человеку, вопрос лишь в экономической целесообразности их использования. По оценкам английских ученых, добыча одного килограмма урана из урановой руды стоит 20 долларов, из океана - 40, из гранита - 200. Отсюда понятно, как важно получить точные сведения о расположении месторождений. А для этого надо знать механизмы зарождения руды.
- Если можно, расскажите немного об этом «механизме», ну хотя бы на примере того же урана?
- Многое здесь уже известно. Например, механизм миграции (то есть передвижения в толще земной коры) урана выглядит приблизительно так. При больших давлениях атомы урана окружаются молекулами углекислоты (которые служат для урана носителем), они вместе «плывут> до, какого-то места, где давление падает. В этот момент углекислота выделяется из раствора, освобождает уран, и он выпадает в виде осадка, создавая месторождение. Смоделировать условия этого процесса с учетом множества факторов, присутствующих в реальных условиях земной коры, само по себе не просто. Нельзя забывать, и то, что подобные процессы идут тысячелетиями. А нам надо на небольших отрезках времени моделировать их течение в веках, используя статистические данные о температурах, давлениях, и концентрации углекислоты. Здесь геохимикам помогает использование ЭВМ.
Моделирование условий зарождения той или иной руды - лишь один из методов, используемых сегодня учеными. Есть, и другие - прямые, и косвенные - показатели, которые позволяют судить о залежах полезных ископаемых. Например, почти у каждого химического элемента, представляющего практический интерес для человека, есть элемент-спутник, который при поисках нужного нам элемента может служить путеводной звездой. Точно установлено, что поведение многих рудных элементов, таких, как олово, вольфрам, уран, свинец, тесно связано с поведением нерудных компонентов - фтора, углекислоты, кремниевой кислоты, и других.
- Какое количество из известных химических элементов сейчас использует человек в практической деятельности, и, какое перераспределение этих ресурсов возможно в будущем?
- Сегодня я не могу назвать ни одного элемента, который бы еще не использовался человеком. Разве только некоторые из трансуранов. В количестве потребления тех или иных элементов происходят, и будут происходить постоянные перераспределения. Скажем, раньше все провода делались из меди, значительная часть ее, и сегодня идет на эти нужды. Медь можно заменить алюминием, и в конце концов это произойдет, потому, что алюминия в природе около восьми процентов, а меди - доли одного процента. Точно так же, я думаю, ванадий вытеснит ниобий из легированных добавок. Резко возрастет потребление титана, который во многих областях заменит железо. В общем, это вечно меняющаяся картина, которую можно относительно легко прогнозировать.
- Верно ли, что развитие знаний о Земле идет в ногу с научно-техническим прогрессом?
- Проходивший летом прошлого года Международный конгресс геохимиков продемонстрировал современный уровень исследований в этой области знаний. Прежде всего он показал, что совершенствуется техника эксперимента. Ученые рассказывали о составе газовых включений, взятых непосредственно из жерла вулкана в момент его жизнедеятельности, о пробах океанического грунта, полученных глубинным бурением дна Тихого океана, о метеоритах, в которых с высокой степенью точности установлен не только химический состав, но, и характер связи между элементами, соотношения отдельных изотопов. Исследователи стремятся получить пробу труднодоступных слоев земной коры, и для этого в различных районах бурят скважины-зонды глубиной в несколько километров. А в лабораториях искусственно, и искусно воспроизводятся условия еще больших глубин.
Совершенствование эксперимента, а также развитие теоретических представлений настолько повышают точность получаемых результатов, что это качественно меняет само представление о геохимии, как науке. Если раньше в геологии присутствовали лишь относительные понятия, говорили, скажем, об относительном возрасте горных пород, о «высоких», «средних», и «низких» температурах рудообразования, то теперь исчисляется абсолютный геологический возраст в годах, с точностью до 5 - 10 процентов. Температура глубинных процессов измеряется с точностью до нескольких градусов, а давление - до одной атмосферы. Вчерашний геохимик в сравнении с сегодняшним - это человек, едва различающий окружающие предметы, которому вдруг подобрали очки, дающие возможность увидеть мир.
Интересно, что хотя точность результатов выросла в основном за счет лабораторных исследований, она сразу осветила целый ряд весьма важных вопросов чисто практического характера. Пример тончайшей работы геохимиков - изучение в минералах микроскопических газово-жидких включений того раствора, из которого этот минерал, когда-то возник. Определив условия существования этого раствора, ученые приходят к разгадке тайны зарождения минерала.
- Можно ли утверждать, что особая точность исследований, а также использование современных математических методов приблизили геохимию по достоверности получаемых данных к физике, и математике?
- Конечно. Глубинные процессы, которыми прежде всего занимается геохимия, скрыты, и недоступны для непосредственного изучения. Раньше геохимики могли проверять свои предположения, и строить соответствующие теории лишь благодаря счастливым случаям, когда удавалось поставить необходимый эксперимент. Достоверность результатов каждого такого уникального эксперимента гарантировалась лишь авторитетом исследователя. На теперешнем уровне условия большинства геохимических экспериментов четко определены (так же, как, например, в физике), и их всегда можно повторить в любой лаборатории, оборудованной соответствующим образом. Так, можно получить воду, которая не испаряется (при сверхвысоких температурах, и замкнутых объемах молекулярные связи рвутся, и вода не может превратиться в пар), твердые металлы, которые «тают» в растворах, соли, которые становятся химически нейтральными, и множество других веществ-хамелеонов, меняющих на больших глубинах свои свойства. Эти четкость, и определенность условий позволяют проверять опыты «на чистоту». Тем самым снижается возможность ошибиться, и пойти по ложному пути. Кстати, соответствие математических моделей, которые описывают реальные процессы, в геохимии, как, и в физике, проверяется корреляцией между «выходами» моделей, и результатами, известными из практики эксперимента.
Я много думал над тем, что отличает геохимию - в общем-то земную науку - от всех других областей родственного знания. В геохимии нет «сосуда» нельзя вычленить, скажем, вулканический процесс - корни, стенки - все либо участвует в процессе, либо служит катализатором.
По подходу к изучаемым явлениям геохимия ближе всего, наверное, к химической технологии. Там, как известно, начиная с лабораторного стола идет постоянное увеличение масштабов установки, причем далеко не по обычным законам пропорций, пока наконец она не достигает реальной величины. У нас масштабные превращения обратные от реального явления к лабораторному столу, к автоклаву, а затем обратно, к природным образованиям. Как знают химики, что с каждым увеличением масштаба процесс может стать неуправляемым, так, и мы понимаем выделяя, уменьшая, упрощая, рискуем упустить суть явления.
Математическое моделирование начинает играть все большую роль в познании тех геохимических процессов, которые нельзя перенести, скажем, из земных глубин в институтскую лабораторию. На электронно-вычислительных машинах мы можем «проиграть» ту или иную модель, иллюстрирующую, как раз изменение тех самых масштабов.
Но, как, и везде, математика служит лишь отличным инструментом, а действительно новое знание можно получить лишь при развитии научных представлений самой геохимии. И потому, например, вопрос о происхождении нашей планеты навсегда останется уделом теории, лишь в той или иной степени подтверждающейся имеющимися, и вновь приобретаемыми фактами.
- Известно, что вопрос происхождения Земли волнует ученых. Академиком А. П. Виноградовым была выдвинута теория «зонной плавки», объясняющая сходность одноименного металлургического процесса с тем, что было на заре возникновения нашей планеты. В чем суть этой теории?
- Современные данные позволяют утверждать, что Земля, как и другие планеты земного типа, образовалась путем агломерации (выделения) из холодного газопылевого облака. Поэтому первичная неоднородность Земли могла быть обусловлена только неоднородностью исходного метеорного скопления. Образования земных оболочек атмосферы, гидросферы, и литосферы (земной коры) - происходили позднее, в ходе направленного необратимого процесса обогащения поверхности планеты веществом из ее глубоких недр. Обогащения веществом более легкоплавким и легколетучим, чем первичное вещество мантии. Нам представляется, что вещество горных пород земной коры, вода океана, газы атмосферы появились в одном, универсальном процессе выплавления, и дегазации вещества мантии. Этот процесс сродни известному в металлургии механизму зонного плавления. Например, если взять вещество каменных метеоритов, придать ему форму длинного цилиндра и нагревать его с одного конца в узкой зоне, медленно передвигая нагреватель к другому концу, то произойдет выплавление конуса легкоплавкого вещества. Все вещество, как бы разделится на две фазы легкоплавкую (она пойдет вверх), и тугоплавкую (она консолидирует нутро Земли). Все химические элементы распределятся по этим фазам. Так, видимо, и происходит расщепление силикатного вещества Земли на две фазы - тугоплавкую (вещество верхней мантии), и легкоплавкую (базальты земной коры). Процесс этот должен сопровождаться дегазацией паров воды, серы, углекислого и других газов, что, собственно, и происходит при извержениях вулканов и излияниях базальтовой лавы. Вещество из недр поднимается не столько потому, что эта фракция более легкая, сколько потому, что она более легкоплавкая.
- Что служит источником энергии для столь грандиозного процесса?
- Радиоактивные элементы (прежде всего это уран-235, торий-232, уран-238, калий-40), находящиеся в силикатной оболочке Земли. Благодаря их радиоактивному распаду, и генерации тепла идет это продолжающееся и по сей день разделение вещества Земли. Подчеркиваю, вещество из недр поднимается не столько потому, что эта фракция более легкая, сколько потому, что она более легкоплавкая.
- Есть ли здесь еще, какие-либо обнаруженные или предполагаемые зависимости?
- На то, чтобы обнаружить более детальные, и частные зависимости этого процесса, направлена вся современная наука о Земле. Очевидно, процесс тепломассопереноса из недр на поверхность нашей планеты должен иметь циклический характер с, какой-то периодичностью. Процесс выплавления определенных элементов, подтверждаемый теорией «зонной плавки», обнаружен на Луне, на Марсе и предположительно на Венере. Это дает основание считать, что все планеты земного типа образовались таким образом.
- Сейчас многих ученых волнуют вопросы взаимодействия жизни современного человека с изменениями биосферы. Как вы оцениваете актуальность этой проблемы?
- Я считаю, что здесь наука должна руководствоваться строго количественными измерениями, и фактами. Непосредственные измерения содержания кислорода в атмосфере, начатые в 1910 году (тогда мир еще мало думал о загрязнениях жизненной оболочки Земли), показывают, что с тех пор оно практически не изменилось. Подсчеты свидетельствуют также, что за историю цивилизации на сжигание всего топлива, добытого человечеством, ушло, каких-нибудь две сотые процента от всего содержания кислорода в атмосфере! Все это говорит о том, что кислородный голод нашей планете в ближайшее время не угрожает, даже при удвоении и утроении существующего темпа индустриализации. Но наш оптимизм должен покоиться на прочной основе. Единственный существенный источник кислорода в атмосфере - растения. А сейчас еще трудно оценить последствия гигантского истребления лесов на нашей планете за последние сотни лет.
Если рассматривать влияние деятельности человека на биосферу в глобальном масштабе, то ей, как будто ничего не угрожает. Сопоставление теплового воздействия на атмосферу всех энергетических, и промышленных предприятий с солнечным воздействием показывает, что даже колебания процессов, вызванных солнечной активностью, на порядок выше. В этом сказывается мощь земной атмосферы - своеобразного буфера, оберегающего жизнь на планете от всех воздействий Вселенной. Однако опасность в локальных масштабах весьма реальна. Здесь человек должен четко рассчитывать каждый свой шаг, связанный с загрязнением атмосферы или водного бассейна. Обновляемость воздушного бассейна того или иного промышленного района имеет свои параметры и, конечно, требует определенного времени. Так же, как и самоочистка того или иного водного пути.
Все ускоряющиеся индустриализация, и урбанизация увеличивают в атмосфере число вредных для здоровья примесей. Поэтому сегодня так важно прогнозировать динамику загрязнения, изучать и оценивать пороговые изменения в атмосфере, наладить количественные наблюдения за загрязнениями воздуха в глобальном масштабе.
- Какое место в современных работах геохимиков занимают идеи основоположника геохимии великого русского ученого В. И. Вернадского?
- Владимир Иванович Вернадский принадлежит к редкому типу ученых, величина, и прозорливость трудов которых с течением времени не уменьшается, а растет. Не будет преувеличением сказать, что большинство тем, над которыми сейчас работают ученые во всем мире, были, когда-то предложены В. И. Вернадским. Еще в начале века он, например, предупреждал о тех труднообратимых изменениях, которые происходят в биосфере из-за выброса плохо очищенных фабричных отходов. Тогда на это предупреждение почти никто, во всяком случае, из промышленников, не обратил внимания; сегодня - это одна из основных проблем во всех экономически развитых странах.
Я с уверенностью могу сказать, что еще долго геохимики будут вдохновляться идеями В. И. Вернадского, многие из которых лежат нетронутыми пластами.
