Теории образования Земли, глубинное строение ее внутренних оболочек и другие вопросы мироздания > О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи в земной коре
О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи
Устьянцев Валерий Николаевич:
Изотопый состав гелия и аргона в палеофлюидах
Сведения о распространенности и изотопном составе благородных газов в древних флюидах, сохранившихся в газово-жидких микровключениях пород и минералов, представляют особый интерес при решении многих задач современной геологии. В частности, объективные данные о происхождении реликтов минералообразующих сред, об их связи с мантией и атмосферой Земли важны для понимания процессов формирования месторождений полезных ископаемых. Следует иметь в виду, что по существу единственный путь проникновения атмосферного аргона в недра - это миграция воздушных газов в составе близповерхностных вод. Поэтому доминирование воздушного аргона в палеофлюидах должно указывать на интенсивную циркуляцию вод - седиментационных или инфильтрационных.
Первые измерения изотопного состава гелия (и аргона) во включениях были проведены в конце 60-х годов ХХ столетия Э. М. Прасоловым и И. Н. Толстихиным /Прасолов, Толстихин, 1969/. Позднее ими был выполнен цикл работ о происхождении минералообразующих флюидов в разных объектах (камерные пегматиты Волыни и Казахстана, сурмяно-ртутные месторождения Таджикистана, соленосные породы и др.), а также методике измерений /Толстихин, Прасолов 1971/. Помимо фактических данных о генетической связи флюидов с верхней мантией была продемонстрирована возможность изотопии аргона для оценки степени открытости породообразующих систем в ряду объектов от наиболее закрытых камерных пегматитов к редкометальным жилам и грейзенам и далее к низкотемпературным кварцевым жилам /Прасолов, 1976/ .
В 1990-х годах в ряде публикаций сотрудников Кольского научного центра РАН (г. Апатиты) были представлены результаты измерения изотопного состава гелия и аргона в газово-жидких включениях магматических пород /Mamyrin, 1984; Икорский, 1992, 1998; Tolstikhin, 1999/.
Кроме того ими была предложена оригинальная и удобная методика выделения газов из включений с помощью механического разрушения образцов /Толстихин, Прасолов 1971; Икорский, Каменский 1998 а,б/, кстати говоря, использованная в данной работе. В зарубежных публикациях также обсуждались результаты этих измерений /Burnard, Hu, 1999; Tolstikhin, Marty 1998/.
Гелий, являющийся идеальным трассером мантийных летучих компонентов и аргон, отражающий степень атмосферной контаминации газов земной коры, полезно будет использовать в качестве геохимических меток для установления критериев рудоносности уникальных Pt-Cu-Ni месторождений Норильско-Таймырского района.
В работе А. В. Козлова с коллегами было проведено изучение изотопного состава благородных газов гелия и аргона из флюидных включений кристаллов кварца с целью выявления природы хрустале-образующих флюидов месторождения Додо. Результаты, полученные при изучении изотопного состава благородных газов включений минералообразующей среды в кристаллах кварца приводятся в качестве веcкого доказательства участия мантийных флюидов в хрусталео-бразующих гидротермальных системах. /Козлов, Лохов, 2004/. В нескольких работах Э.Г. Конникова и Э.М.Прасолова /Конников, 1999, Конников, Прасолов 2002/ впервые исследовались изотопы благородных газов во включениях из пород Довыренской мафитовой расслоенной интрузии (Восточная Сибирь). О.В.Казановым и Э.М.Прасоловым была выполнена подобная работа с породами расслоенной интрузии Луккулайсваара (Карелия) /Kazanov, Prasolov 2003; Prasolov, Konnikov, Kazanov, 2004/. В изученных объектах отношение 3Не/4Не было сравнительно низким, и доля мантийного гелия не превышала 10%. В единственной обширной публикации, посвященной исследованию изотопов благородных газов в четырех расслоенных интрузиях Норильско-Таймырского региона,
С.С. Неручев и Э.М. Прасолов /Неручев, Прасолов, 1995/ представили в значительной степени неожиданные результаты. Оказалось, что доля мантийного гелия вопреки ожиданиям в породах мафитовых интрузий низка. Причем особенно низка она в палео-флюидах наиболее богатой рудой Талнахской интрузии - около 3% (соответственно, доля радиогенного корового гелия 97%).
В противоположность этому в бедных интрузиях вклад гелия верхней мантии был значительно выше - до 22%. В связи с этим вырисовывалась перспектива отличия богатых и бедных рудой интрузий только по изотопному составу гелия.
Не менее сенсационными представлялись данные об изотопном составе аргона. Согласно им в Талнахской интрузии аргон был почти нацело (99%) атмосферного происхождения, что должно было указывать на активнейшее участие близповерхностных флюидов в формировании пород и руд. В других - бедных - интрузиях доля воздушного аргона снижалась до 70% (радиогенного возрастала до 30%).
В работе Э.М. Прасолова, Д.И. Завилейского и др. /Завилейский, Прасолов, 2004/, изучавших благородные газы в верхней части разреза богатой интрузии Норильск-1, были в целом подтверждены вышеприведенные результаты: доля мантийного гелия находилась в пределах 2-3%, радиогенного аргона 1-2%, почти весь аргон имел атмосферное происхождение.
Приведенные в указанных двух публикациях данные не только сенсационны, но и много-обещающи; они в значительной степени инициировали проведение настоящей работы.
Выявленные закономерности носят эмпирический характер и потому требуют пополнения банка данных, исследования других интрузий, в частности, наиболее богатой Хараелахской.
Особый интерес вызывает вопрос о возможности отличать по изотопному составу не только богатые интрузии от бедных, но так же и от средних (с вкрапленным оруденением). Соответственно, планируемые исследования должны включать все экономико-геологические типы интрузивов.
В качестве дополнительного индикатора происхождения флюидов в настоящей работе привлекались данные об изотопном составе серы сульфидов.
Известно, что рудные месторождения со значением д34S около 0 ‰ содержат серу магматических источников, т.е. серу, которая отделялась от магмы или была извлечена из сульфидов изверженных пород. Источником серы со значениями д34S около 20 ‰ были океаническая вода или морские эвапориты.
Сера месторождений с промежуточными значениями д34S произошла из местных вмещающих пород, рассеянных сульфидов или из других отложений /Хёфс, 1974/. Первая работа, в которой детально исследовался изотопный состав серы сульфидов Талнахского месторождения, была выполнена В.А. Гриненко, Л.Н. Гриненко. В ней сделаны выводы о том, что близкий к метеоритному, изотопный состав серы большинства медно-никелевых месторождений из различных регионов мира свидетельствует о глубинном подкоровом источнике рудообразующего вещества и исходном физико-химическом процессе формирования руд отдельных месторождений.
Существенные отличия изотопных отношений серы медно-никелевых руд от метеоритного значения (более 4‰) указывают на ассимиляцию никеленосной магмой серы корового происхождения /Гриненко, 1974; Гриненко, 1980/. Особенностью крупных месторождений Норильского района является повышенное содержание 34S, что вероятно, обязано постмагматической деятельности, так как в экзоконтактовых рудах, по сравнению с сульфидами других типов руд, отмечаются более высокие значения S/
О радиогенном происхождении аргона в составе природного и нефтяного газа. Л.М. Кушко.
Дальнейшие исследования показали, что не все минералы прочно удерживают радиогенный аргон. Например, древние микроклин-пертиты теряют в среднем 25% аргона. Не исключена возможность, что имеются минералы, теряющие еще большее количество аргона.
Несмотря на то, что содержание изотопа калия К40 в составе калия весьма незначительно (лишь 0,0119%) и только в 11,2% К40 происходит так называемый калий-захват, приводящий к образованию изотопа аргона Аr40, все-таки значительное распространение калия в литосфере (по расчетам А.Е. Ферсмана содержание калия составляет 0,15% массы Земли) увеличивает значение калия в образовании радиогенного аргона. Например, количество изотопа Аr40 в аргоне, находящемся в калийной руде, в 3 раза превышает его содержание в аргоне атмосферы.
В 1959 г. Э.К. Герлинг по нашей просьбе в связи с исследованиями редких газов в институте КуйбышевНИИНП произвел анализы аргона из газа некоторых нефтяных и газовых месторождений Куйбышевской и Оренбургской областей на изотопный состав.
Пробы попутного и природного газа выбирались таким образом, чтобы получить результаты по разрезу многопластового месторождения и одновременно охватить все основные продуктивные горизонты нефти и газа.
В аргоне, содержащемся в природных газах пермской системы, исключая газ Жуковского месторождения, радиогенный аргон не обнаружен.
Наличие радиогенного аргона в газе Жуковского месторождения, по-видимому, можно объяснить происхождением этого газа в более глубоких горизонтах, что согласуется с аномалийной характеристикой пластовых вод Жуковского месторождения в перми, которая напоминает характеристику пластовых вод девона.
В.А. Кротова допускает подъем пластовых вод из глубоко залегающих горизонтов палеозоя по нарушениям Жуковской структуры.
В аргоне попутных газов всех продуктивных горизонтов обнаружен радиогенный аргон. Как видно из таблицы, составленной по абсолютному возрасту пластов, содержание радиогенного аргона возрастает в более древних породах.
Приведенные концентрации радиогенного аргона (до 49% по отношению ко всему аргону) опровергают расчеты Н.И. Трещиной, показывающие, что количество радиогенного аргона, попадающего в поровое пространство, остается в пределах чувствительности прибора.
Колебания процентного содержания радиогенного аргона на фоне общего роста его количества с глубиной можно объяснить различной газонасыщенностью нефтей.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Анализом изотопного состава проб аргона выявлено наличие аргона воздушного и радиогенного происхождения:
а) в пробах природного газа весь аргон оказался воздушного происхождения;
б) в пробах попутного газа был обнаружен воздушный и радиогенный аргон.
2. Наблюдается общее закономерное увеличение содержания радиогенного аргона с глубиной (т. е. чем древнее породы, вмещающие нефть, тем больше содержание радиогенного аргона).
3 .Значительная величина отношения содержания радиогенного аргона к общему количеству аргона ставит вопрос о введении соответствующих поправок на радиогенный аргон в геохимических формулах, в которых содержание аргона используется в качестве параметра.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Ультрафиолетовое излучение протосолнца.
Как сообщает «Universe Today», сотрудник университета штата Калифорния в Сан-Диего Винай Рай (Vinai Rai), занимавшийся изучением метеоритов в лаборатории д-ра Марка Тименса, разработал чрезвычайно чувствительный метод анализа их химического состава.
С его помощью удалось обнаружить следы воздействия высокоэнергетичных частиц и ультрафиолетового излучения на некоторые изотопы сульфида, содержащиеся в метеоритах.
Единственным сохранившимся до наших дней источником данных о химическом составе протопланетного облака являются некоторые метеорные тела, которые провели миллиарды лет на окраинах Солнечной системы, а затем, под воздействием гравитационных возмущений, оказались вблизи Земли и упали на ее поверхность.
После обнаружения небольшого избытка изотопа серы S-33 в исследуемых метеоритах у ученых не осталось сомнения в том, что замеченные ими фотохимические процессы происходили в до солнечной туманности еще до того, как окончательно сформировалась центральная звезда. Анализ определил интенсивность протосолнечного ветра, что, в свою очередь, дало возможность оценить интенсивность излучения протосолнца.
Т.о., получено доказательство того, что облако газа и пыли, из которого впоследствии образовалось Солнце, само являлось источником ультрафиолетового излучения и высокоэнергетичных частиц еще до того как стало звездой. Излучение «протосолнца» оказало существенное влияние на формирование химического состава Солнечной системы, включая синтез многих органических соединений, из которых впоследствии возникла жизнь на Земле.
«Наши измерения впервые однозначно свидетельствуют о том, что протосолнечный шар испускал достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы вызвать фотохимические реакции в окружающей его материи», - говорит д-р Тименс.
«Иначе говоря, наше Солнце разгоралось постепенно в течение сотен миллионов лет до того момента, когда оно вспыхнуло на полную мощь. Этот факт, без сомнения, окажет большое влияние на понимание того, как из первичной материи образовались более сложные соединения еще до возникновения крупных тел Солнечной системы. В частности, наше открытие подтверждает теоретическое предположение о том, что центральная часть вращающейся протопланетной туманности была источником заряженных высокоэнергетичных частиц, аналога «солнечного ветра», которые «выдули» остальную часть материи облака на периферию аккреционного диска, где и сформировались остальные члены нашей планетной системы». Марк Тименс считает, что при помощи изобретенной в его лаборатории техники химического анализа в будущем станет возможным определить, где и когда впервые возникли различные соединения под воздействием первичного «солнечного» ветра». (Тименс).
«Генезис» был запущен в августе 2000-го года, добрался до одной из точек Лагранжа (в которых силы притяжения от Солнца и Земли уравновешены), находящейся примерно в полутора миллионах километров от нас, и пробыл там 886 дней, накапливая на поверхности коллектора молекулы крайне разреженного солнечного ветра. 8 сентября 2004-го года «Генезис» вернулся на Землю и, несмотря на жесткую посадку, вызванную неисправностью в парашютной системе, благополучно доставил драгоценный солнечный ветер. После 1972 года, когда астронавты миссии «Аполлон» доставили на Землю образцы лунного грунта, это была вторая в мире возможность изучить вещество, добытое вне Земли.
Масс-спектрометрический анализ атомов и изотопов азота и кислорода показал:
- в атмосфере Земли (равно как в веществе Луны и исследованных метеоритов) содержится несколько меньшая относительная концентрация кислорода 16О и несколько большая концентрация его редких изотопов 17О и 18О, чем в веществе солнечного ветра.
А вещество солнечного ветра, есть вещество, из которого состоят внешние слои Солнца, которое, как сегодня считается, осталось неизменным с момента рождения светила.
Почти 100% азота в Солнечной системе представлено изотопом 14N, и лишь незначительное исключение составляет изотоп 15N.
Анализ образцов показал, что по сравнению с атмосферой Земли вещество Солнца и Юпитера содержит на 40% меньше изотопа 15N, чем азот земного воздуха, причем относительное содержание 14N и 15N у Юпитера и Солнца совпадают.
Солнце содержит более 99% массы всей Солнечной системы.
Протопланетное облако, их создавшее имело тот же состав, что и Солнце.
Французский астрофизик Бернар Марти (Bernard Marty) из Центра геохимических и петрографических исследований в Нанси, один из соавторов открытия, считает, что обнаруженная их группой неоднородность в изотопном составе кардинально изменит наши представления о том, как формировалась Солнечная система.
Используя рентгеновскую обсерваторию «Чандра», группа ученых изучила способности к вспышкам звезд, напоминающих Солнце, каким оно было в эпоху образования планетной системы. Полученная обсерваторией информация указывает на гораздо большую вспышечную активность, чем предполагалось, и это может объяснить наличие в метеоритном веществе некоторых необычных изотопов.
Присутствие изотопных аномалий в метеоритах привело к теории, утверждающей, что очень близко от протопланетного облака, из которого впоследствии сформировалась Солнечная система, произошел взрыв сверхновой. Это событие спровоцировало сжатие облака и привнесло в него короткоживущие изотопы.
Солнечные вспышки могут быть источником таких изотопов, но для этого вспышки должны быть в сотни тысяч раз более мощными и происходить в сотни раз чаще.
Область звездообразования в Туманности Ориона содержит несколько десятков молодых звезд с характеристиками схожими с характеристиками Солнца. Исследователи изучили происходящие с этими звездами вспышки и обнаружили, что уровень рентгеновского излучения практически во всех вспышках очень высок. Мощность и частота вспышек, происходящих с находящимися в Туманности Ориона молодыми аналогами Солнца, достаточны для того, чтобы создать большинство изотопов, обнаруженных в метеоритах, сформировавшихся в начале жизни планетной системы.
Группа из университета штата Пенсильвания, работавшая с «Чандрой», показала, что звездные вспышки ускоряют производство радиоактивных ядер, хотим мы этого или нет. Теперь ученых интересует вопрос - достаточно ли только воздействия вспышек на протопланетное облако для образования наблюдаемого количества изотопов или же наряду с этим процессом происходило внесение изотопов из межзвездного пространства.
Самой распространенной гипотезой формирования изотопных аномалий является предположение о существовании неких «реликтовых» фрагментов относительно нашей Солнечной системы. В свое время мы связывали изотопные аномалии в метеоритах со вспышкой Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. Примерно о том же говорит и более поздняя гипотеза О. К. Мануэля и его коллег (1972 г.), предполагающая, что изотопные аномалии ксенона в углистых хондритах обусловлены смесью г- и р-продуктов, которые добавились в Солнечную систему от ближайшей Сверхновой.
Позднее, в 1977 г. установлено, что изотопные аномалии по Не и Ne коррелируют с изотопными аномалиями по Аг, Кг и Хе, а сама гипотеза была несколько модернизирована. Сверхновая была помещена в центр будущей Солнечной системы. Солнце, таким образом,— остаток Сверхновой, а различные ее слои пошли на строительство конденсатов и метеоритов различных типов. Получив корреляцию между изотопными аномалиями ксенона и теллура в углероде метеорита Альенде, Р. Баллард со своими коллегами в 1978 г. отмечает, что наблюдается большое обогащение нейтронно-богатыми и нейтронно-дефицитными изотопами в обоих элементах. По-видимому, в этом «виновен» способ нуклеосинтеза, а не накопление продуктов деления трансуранов. Эти исследователи приходят к выводу, что планетарный материал конденсировался из облака, состоящего из гетерогенного материала последовательно сбрасываемых оболочек Сверхновой.
Смысл различных способов нуклеосинтеза одного и того же элемента в звездах весьма проблематичен. Тем более рискованно конструировать синтез элементов с различным изотопным составом в пределах одной Сверхновой звезды, как это делает О. К. Мануэль. Наблюдаемые вариации изотопного состава стабильных элементов в метеоритах с этой точки зрения не показательны. Они с таким же успехом, например, могут быть объяснены физическим и химическим масс-фракционированием как при охлаждении первичной плазмы, так и во время роста пылевых частиц в протопланетном газовом облаке.
Другое дело, если наблюдается изотопное смещение в радиоактивных или радиогенных элементах (уран, свинец, стронций, аргон) или отмечаются избытки стабильных продуктов распада «вымершей» радиоактивности (в палладии, ксеноне, магнии и т. д.). Для многоизотопных элементов невозможно придумать механизм масс-фракционирования, который приводил бы к обогащению каким-либо одним изотопом, оставляя остальные в покое; в этом случае мы не можем не принять во внимание возможное сохранение в пределах Солнечной системы некоего реликтового.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Криптон : Криптон имеет атомный номер 36. Криптон является частью нашей атмосферы. Из-за низкой концентрации около 1,1 мл / м 3 извлечение чистого криптона очень дорого. Крипоnн тяжелее воздуха, негорючий и бесцветный.
Более четкую картину того, как сформировалась наша планета, получили ученые при помощи криптона — благородного газа из мантии Земли, собранного в геологических горячих точках Исландии и Галапагосских островов, согласно новому исследованию Калифорнийского университета в Дэвисе, опубликованному 15 декабря в журнале Nature.
«Результаты показали, что летучие элементы Земли — такие как углерод, вода и азот, — поступали по мере того, как Земля росла и становилась планетой.
«Наши результаты говорят об одновременной доставки летучих веществ из нескольких источников на очень ранней стадии формирования Земли», — сказала научный сотрудник Института Марии Склодовской-Кюри в Цюрихе Сандрин Перон.
Вулканические горячие точки, извергающие лаву в Исландии и на Галапагосских островах, питаются потоками магмы, поднимающимися из самого глубокого слоя мантии, вблизи ее границы с железным ядром Земли. Элементы и минералы в этом глубоком слое относительно не изменились. Чтобы взять пробы криптона из глубин мантии, исследователи собрали лаву в шлейфах горячих точек. Ученые разработали новую методику измерения мантийного криптона с помощью масс-спектрометрии, концентрируя криптон из образцов горных пород в среде, практически не загрязненной воздухом, и аккуратно отделяя его от аргона и ксенона. Наше исследование — первое, в котором точно измерены все изотопы криптона для мантии, включая самые редкие изотопы криптона, Kr-78 и Kr-80», — сказала Перон.
Исследователи обнаружили, что химический отпечаток криптона в глубокой мантии очень похож на примитивные, богатые углеродом метеориты, которые, возможно, были доставлены из холодных, отдаленных уголков Солнечной системы.
Но предыдущие работы других ученых показала, что неон, еще один благородный газ в глубокой мантии, был получен от солнца.
Два разных результата предполагают, по крайней мере, два различных источника летучих веществ в мантии Земли, появившихся очень рано в ее истории. Исследователи также отметили меньшее количество редкого изотопа Kr-86 в глубокой мантии по сравнению с известными метеоритами. Дефицит Kr-86 говорит о том, что только известные метеориты могут не учитывать весь криптон мантии.
Криптон изначально не присутствует ни в одном организме и, следовательно, не является частью биологии любого организма. Вместо этого он присутствует в земной атмосфере. Подобно газообразному гелию, криптон может играть роль удушающего средства. Хотя он не токсичен как удушающее средство, он все же может оказывать определенное воздействие на организм человека, подобное действию наркотиков. Вдыхание чрезмерного количества воздуха, наполненного криптоном, может вызвать такие симптомы, как тошнота, головокружение, рвота и потеря сознания.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Ксенон : Ксенон имеет порядковый номер 54. Ксенон - один из самых редких элементов на Земле и более чем в 3 раза тяжелее воздуха. Из-за своей редкости его цена очень высока и используется только тогда, когда более легкие благородные газы недостаточно хороши. По большей части он используется в качестве газового наполнителя в лампах, генерирующих свет, когда требуется яркий белый свет.
Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0.087±0.001 миллионной доли, а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные виды ксенона, например, 133Xe и 135Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах. Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0,08 миллионной доли, хотя содержание 129Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере - почти в два раза выше, чем у Солнца.
Ксенон образуется в процессе радиоактивного распада определенных элементов, таких как уран и торий. Эти радиоактивные элементы подвергаются ядерному распаду, испуская альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение. В рамках этого процесса распада в качестве побочных продуктов образуются изотопы ксенона, которые вносят свой вклад в общее содержание ксенона в земной коре.
Некоторые минералы содержат ксенон, который сохраняется во время их формирования в течение геологических периодов времени. Некоторые богатые ксеноном минералы включают полевой шпат, слюду и различные формы гранита. Эти минералы со временем медленно выделяют газообразный ксенон, внося свой вклад в общий резервуар ксенона в земной коре.
Ксенон также можно найти во внеземных источниках, таких как метеориты и солнечный ветер. Метеориты, особенно те, которые происходят из углеродистых хондритовых астероидов, могут содержать ксенон в различных изотопных составах.
Солнечный ветер, представляющий собой поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем, содержит изотопы ксенона, которые могут быть собраны и проанализированы космическими миссиями. Ксенон иногда встречается в месторождениях природного газа и нефти. Поскольку эти углеводороды образуются в течение миллионов лет, они могут улавливать и накапливать ксенон в течение своей геологической истории. Однако концентрация ксенона в природном газе и нефти относительно низка по сравнению с другими газами, такими как метан. Ксенон также может быть получен в результате ядерного деления урана в ядерных реакторах. Когда уран-235 или плутоний-239 подвергается делению, в виде продуктов деления образуются изотопы ксенона. Это важный источник ксенона для научных исследований и применений в ядерной технике. (Д. Канипова).
Благородные газы и другие элементы в метеоритах.
«Многие исследователи, изучив некоторые метеориты - углистые хондриты, обратили внимание на избыток в них тяжелых изотопов ксенона - 136Xe, 134Xe, 132Xe - типичных продуктов деления. Однако их соотношения никак не соответствовали изотопному составу ксенона, образующегося при самопроизвольном делении ни хорошо известных изотопов урана или тория, ни 244Pu, ни искусственно синтезированных трансурановых элементов. Уж не скрыты ли в углистых хондритах следы самопроизвольного деления еще одного вымершего элемента - далекого зауранового, сверхтяжелого? Такое предположение пришлось как нельзя кстати! Как раз именно в это время физики-теоретики пришли к выводу, что в природе могут существовать очень тяжелые химические элементы. Хотя устойчивость атомных ядер быстро падает по мере утяжеления элементов, хотя среднее время жизни атомов уменьшается от 6,5 миллиардов лет для урана (92-я клетка Периодической системы элементов Д.И. Менделеева) до нескольких минут для атомов лоуренсия (103-я клетка), но дальше, по мере роста атомного номера гипотетических химических элементов их устойчивость, казалось, может быстро возрастать. Расчеты не исключали, что элементы № 108 - 114 могли бы оказаться достаточно стабильными. Этот островок стабильности в море соседних нестабильных ядер мог возникнуть, как предполагали, из-за того, что у таких химических элементов в атомных ядрах наборы протонов и нейтронов должны быть близкими "магическим числам" 114 и 184 - так физики в полушутку называют особо прочные комбинации этих частиц в ядрах атомов. Гипотетические сверхтяжелые элементы могли бы оказаться настолько устойчивыми, что из них, благодаря очень небольшой критической массе, можно было бы делать малогабаритные ядерные энергетические установки и, увы, миниатюрные атомные бомбы огромной разрушительной силы. Физики-экспериментаторы в Дубне под Москвой под руководством Г.Н. Флерова и в Беркли, США, во главе с Г. Сиборгом с помощью гигантских ускорителей пытались создать рукотворные сверхтяжелые элементы - № 102, № 103, № 104, ..., двигаясь от одной клетки Периодической системы Д.И. Менделеева к следующей. Одновременно с физиками-ядерщиками начали охоту за сверхтяжелыми элементами и исследователи метеоритов: ведь если в метеоритах найдены доказательства существования трансуранового элемента плутония, то почему бы там же не найти изотопные следы и более тяжелых трансуранов - сверхтяжелых элементов? Совместно с нашей группой активные поиски сверхтяжелых элементов в метеоритах с помощью физических методов начал со своими сотрудниками и Г.Н. Флеров, открывший задолго до этого вместе с К.А. Петржаком само явление самопроизвольного деления ядер. Казалось, и здесь удача улыбалась исследователям: в некоторых метеоритных минералах обнаружились видимые в микроскоп следы пролета - треки, как думали, ядер сверхтяжелых элементов, составной части галактического космического излучения. Теоретически сверхтяжелые ядра при каждом акте спонтанного деления должны были бы испускать 4 - 6 нейтронов - вроде бы и такую множественность эмиссии нейтронов из некоторых метеоритов удалось зафиксировать.
Пионером экспериментальных поисков ископаемых изотопов ксенона - продуктов спонтанного деления сверхтяжелых элементов в метеоритах - были Э. Андерс и его исследовательская группа в Чикагском университете. Вслед за ними в погоню за этими элементами включились и другие исследователи, в том числе и наша лаборатория. Основная идея состояла в том, чтобы найти и выделить минералы, где прежде концентрировался сверхтяжелый элемент, а теперь содержится его потомок - ксенон с особым изотопным составом. Однако метеоритные минералы очень тонкозернисты. Мельчайшие зерна разных минералов к тому же нередко срастаются так, что не оторвать, а то и врастают одно в другое. Поэтому придумали химический метод разделения минералов: для исследования одних минералов другие, ненужные минералы просто растворяют. Конечно, сказать-то это просто, а на самом-то деле для разделения множества разнообразных минералов, входящих в состав метеоритов, пришлось изобрести сложнейшие химические схемы. На минерал воздействуют последовательно при разной температуре и при различной концентрации соляной, плавиковой, азотной, хлорной кислотами, перекисью водорода. Минералы метеорита постепенно растворяются. В остающихся нерастворимых остатках исследовали ксенон.
По мере растворения вещества ксенон в оставшихся остатках обогащался тяжелыми изотопами 136Xe, 134Xe, 132Xe, 131Xe относительно 130Xe, заведомо не образующегося в процессах деления. Иллюстрацией такого изменения изотопного состава ксенона при последовательном растворении образцов метеоритов-хондритов из метеоритной коллекции Российской Академии наук могут служить данные, полученные нашей научной группой [Фисенко А.В., Данг Ву Минь, Семенова Л.Ф. и др. Изотопный состав ксенона в кислотно-нерастворимых остатках углистого хондрита Ефремовка CV3. Метеоритика. 1987. № 46. С. 58 - 72.]. И все же таинственный незнакомец не давался в руки исследователей и, подобно тому, как все меньшие матрешки прячутся внутри крупных, скрывался во все более мелкозернистых и химически устойчивых фракциях минералов. Казалось, вот-вот можно будет выделить чистый ксенон деления сверхтяжелого элемента...
О. Мануэл из Университета Миссури в США увидел то, что многие почему-то не замечали. Он предложил представить изотопный состав предполагаемого ксенона деления сверхтяжелого элемента не в форме изотопных соотношений с 136Xe, а сравнить его с изотопным составом солнечного ксенона.
После этого стало совершенно очевидным, что ксенон обогащен не только тяжелыми, но всегда почти столь же сильно и легкими изотопами 124Xe, 126Xe, 128Xe. Легкие, нейтронно-дефицитные изотопы ксенона никак не могут образоваться при делении атомных ядер - закон сохранения энергии и массы этого не позволяет. Выходит, и тяжелые изотопы образовались не при самопроизвольном делении гипотетического сверхтяжелого элемента, а в ином ядерном процессе. Исследуя один минерал за другим - шпинель, элементарный углерод, хромит, - Э. Андерс и его сотрудники в конце-концов получили из метеорита тончайшую минеральную фракцию из очень мелких зерен размером всего ї 15 ангстрем, составляющую миллионные доли от исходной массы. Это был алмаз. Высокотемпературный минерал, в котором сверхтяжелый элемент из-за его возможных химических свойств сравнительно легколетучего элемента не мог сконцентрироваться.
В Открытом Университете в Милтон Кэйнз группа английских исследователей под руководством К. Пиллинджера определила изотопный состав азота из этого алмаза. Он оказался аномальным: распространенность изотопа 14N на целую треть выше нормальной земной распространенности. Это могло быть результатом его образования. В нерастворимых остатках некоторых других метеоритов - углистых хондритов были обнаружены и иные изотопные аномалии, говорящие о до солнечном, звездном их происхождении.
Так, в ходе постепенного растворения вещества метеорита Марчисон выделился ксенон, снова невиданный по изотопному составу: он был обогащен изотопами 128Xe, 130Xe, 132Xe и сильно обеднен 124Xe, 126Xe и 136Xe. Это было убедительным свидетельством в пользу звездного происхождения и ксенона, и содержащих его минералов.
Дело в том, что ксенон именно с таким изотопным составом должен бы образоваться в s-процессе звездного синтеза элементов путем последовательного встраивания все новых и новых нейтронов в атомные ядра, но при потоке нейтронов не столь большом, как в r-процессе в сверхновой. Немецкие исследователи Ф. Бегеманн и У. Отт в Макс-Планк Институте химии в Майнце подтвердили это: в тех же самых минералах они обнаружили и криптон-s и барий-s c очень специфическим и необычным изотопным составом, который указывал на их звездное происхождение. Оказалось, что в метеоритах есть еще один благородный газ с далеких звезд - неон. Обычно неон состоит из трех изотопов: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Американские исследователи Д.С. Блэк и Р.О. Пепин неожиданно столкнулись с новым явлением: из нагретых углистых метеоритов при ї 10000 C выделялся неон, на 99% обогащенный изотопом 22Ne, то есть почти чистый моноизотоп. Он скрывается в двух минеральных фазах - в углистом веществе и в высокотемпературном минерале - шпинели. Изотоп 22Ne не мог образоваться ни при каких ядерных реакциях в Солнечной системе. Место его рождения - звезды. Было пока не вполне ясно, звезда какого типа породила Ne-E. Но одно обстоятельство стало особенно важным: ведь изотоп 22Ne - главная составная часть Ne-E - образуется не сразу. Сначала в оболочке звезды обязательно возникает родительский изотоп 22Na, а уж при его последующем b-распаде рождается 22Ne. Среднее время жизни атомов радиоактивного 22Na всего 3,7 года. Он не успел бы добраться до Солнечной системы, распался бы в пути, и вместо него поступил бы в нее 22Ne. В Солнечной системе 22Ne обязательно смешался бы с другими изотопами неона. Между тем, в метеоритах он встречается почти в чистом виде. Значит, сначала 22Na вошел в состав углистого вещества и шпинели - носителей Ne-E в метеоритах, и уже только там превратился в 22Ne. Лишь после этого Ne-E попал на Землю.
В очень тугоплавких минералах метеоритов-хондритов сотрудники Чикагского университета во главе с Р.Н. Клэйтоном обнаружили необыкновенный кислород. Если в воздухе, которым мы дышим, кислород состоит из трех изотопов 16О, 17О и 18О, то в некоторых минералах метеоритов содержится лишь чистый моноизотоп 16О. Это тоже продукт звездных ядерных реакций. Углерод в частицах карбида кремния диаметром менее 0,001 см оказался в два раза обогащенным тяжелым изотопом 13С относительно легкого 12С, а в азоте, содержащемся в карбиде кремния, изотопное отношение 14N / 15N в 20 раз превысило нормальное. Столь же впечатляющими оказались вариации изотопного состава кремния, неодима, кальция, титана, стронция, бария, самария в метеоритном карбиде кремния.
Из всех этих данных об изотопных аномалиях в метеоритах следовало: звездные ксенон, криптон, неон, кислород, углерод, азот, кремний, кальций, титан, неодим были доставлены в рождавшуюся Солнечную систему минеральными частицами, возникшими в звезде еще до того, как образовалось само Солнце.
Все это означало: звездные минералы способны сохраняться в веществе метеоритов.
При изучении некоторых метеоритов-хондритов исследователи столкнулись с необычным по изотопному составу водородом. В земном водороде изотопные концентрации, или распространенность двух его изотопов, легкого протия (1Н) и тяжелого дейтерия (2D), соотносятся как D / H ї 1,56 " 10- 4.
Однако при нагревании метеоритов-хондритов водород меняет свой изотопный "облик", словно хамелеон. Например, при исследовании в нашей лаборатории одного из метеоритов-хондритов при 700 — 9000 С неожиданно появился водород, обогащенный дейтерием почти в 5 раз в сравнении с водородом Земли. Вероятно, он содержался в скрытых в веществе метеорита частицах, происходящих из межзвездных молекулярных облаков. При дальнейшем повышении температуры из каких-то минералов стал выделяться и обедненный дейтерием газ - первичный водород Галактики с очень низким изотопным отношение D / H. Для того чтобы понять происхождение богатого дейтерием водорода, группа американских исследователей под руководством М. Эпстайна с помощью химических реагентов выделила из метеоритов вещества - носители дейтерия. Это легко растворимая в кислотах смесь органических соединений вроде амино- и монокарбоксиловых кислот и органические полимеры, или керогены, - их молекулы представляют собой объемные, пространственные цепочки с поперечными связями из соединенных атомов углерода, водорода, азота, серы, кислорода. В том, насколько сложны эти соединения, можно убедиться, взглянув на молекулярную формулу одного из них - C100H48N1,8S2O12 ! Вот здесь-то водород и оказался обогащенным тяжелым изотопом в десятки раз. Никакими ядерными реакциями или процессами изотопного фракционирования в метеоритах, да и вообще в Солнечной системе, такое избирательное обогащение дейтерием не объяснить.
Но это было еще не последним странным результатом. Сегодня у исследователей метеоритов есть замечательная возможность изучать не только крупные метеориты, но и микрометеориты - мельчайшие частицы, носящиеся между планетами. Их собирают в верхних слоях атмосферы на высоте 20 км при помощи специальных самолетов. Размер каждого из таких микрометеоритов менее сотой доли миллиметра.
В Вашингтонском университете в Сент-Луисе, США, Е. Циннер и его коллеги обнаружили, что в разных участках каждой отдельной межпланетной частицы - микрометеорита избыток дейтерия может быть десятикратным в сравнении с изотопным составом земного водорода. При этом в тех участках, где был обнаружен такой странный водород, зафиксирована и повышенная концентрация углерода.
Следовательно, водород входит в состав каких-то органических молекул, щедро обогащенных дейтерием. Это "ископаемые молекулы"! Они приходят из межзвездных газовых облаков, в которых распространенность дейтерия огромна. Причина этого - ионно-молекулярные реакции при очень низкой температуре (<1000 К), сопровождающиеся энергетически выгодным процессом - очень интенсивным обогащением тяжелыми изотопами одних молекул и обеднением других. Новообразованные в межзвездном облаке в сотнях реакций молекулы воды, метана, цианистого водорода, аммиака, ионы DCO+ и множество других веществ в тысячи раз обогащены дейтерием. Они конденсируются на поверхности пылинок, особенно на углеродсодержащих частицах.
Такие частицы вошли в состав газо-пылевого протопланетного облака, и при последующей аккреции, собирании твердого вещества, часть из них оказалась в составе метеоритов, а оставшиеся продолжают носиться в межпланетном пространстве. Именно такие космические пылинки и принесли из невообразимо далеких межзвездных облаков в нашу Солнечную систему столь необычные для Земли ископаемые молекулы, меченные дейтерием.
Изотопные аномалии в до солнечных частицах - свидетельства тех ядерных процессов в звездах, в которых эти частицы образовались» (Ю.Э. Шуколюков, РАН).
«В органической химики называют такие химические вещества, молекулы которых содержат атомы углерода, связанные с другими химическими элементами. Это могут быть как небольшие молекулы вроде простейших углеводородов или спиртов, так и намного более сложные. И самое главное, «органика» совсем не обязательно имеет биологическое происхождение: органические молекулы могут образовываться из неорганических веществ и реагировать друг с другом без какого-то бы ни было участия жизни» ( Максим Абаев).
Устьянцев Валерий Николаевич:
Радон : Радон имеет атомный номер 86. Радон - самый тяжелый элементарный газ в атмосфере Земли, все его изотопы радиоактивны. Входит в состав радиоактивных рядов 238U, 235U и 232Th. Ядра радона постоянно возникают в природе при радиоактивном распаде материнских ядер. Равновесное содержание в земной коре 7·10?16% по массе. Ввиду химической инертности радон относительно легко покидает кристаллическую решётку «родительского» минерала и попадает в подземные воды, природные газы и воздух. Поскольку наиболее долгоживущим из четырёх природных изотопов радона является 222Rn, именно его содержание в этих средах максимально. Концентрация радона в воздухе зависит в первую очередь от геологической обстановки (так, граниты, в которых много урана, являются активными источниками радона, в то же время над поверхностью морей радона мало), а также от погоды (во время дождя микротрещины, по которым радон поступает из почвы, заполняются водой; снежный покров также препятствует доступу радона в воздух). Перед землетрясениями наблюдалось повышение концентрации радона в воздухе, вероятно, благодаря более активному обмену воздуха в грунте ввиду роста микросейсмической активности.
Современная технология и разработанная методология анализа протяженных газогеохимических аномалий радона, гелия и метана позволяют выявлять и трассировать с высокой степенью достоверности тектонические нарушения. В результате уточняется геологическое строение залежей нефти в структуре разломно-блокового строения диапировых структур.
В 1990 году в районе горного озера Щепеты, расположенном на границе Алтайского края и республики Алтай, проводилась аэрогамма спектрометрическая съемка. В ходе нее обнаружилась аномалия (характерное свечение), свидетельствующая о повышенной концентрации радона в озерной воде. В месте отбора проб его содержание составила свыше 100 Бк/м3, концентрация урана – 7-10 г/л. Этот природный феномен получил название «радоновое озеро».
Радон маркирует месторождения полиметаллов и РЗЭ.
Урановые месторождения поставляют радон в окружающую среду, поскольку при распаде урана образуется Радон-222. Часто урановые руды залегают широкой лентой, образуя «урановые пояса» – Канадский (4000х300 км) и Южно-Африканский (4800х300), на территории которых средняя доза ионизирующего излучения превышает допустимую норму в 10 раз.
Известны обширные радоноопасные зоны, происхождение которых до сих пор остается загадкой. Например, к ним относится с. Атамановка Красноярского края. Российские ученые в ходе многочисленных исследований не нашли источник радона и локальное проявление его аномальных концентраций. Рядом с селом не залегают урановые месторождения, а концентрация радона в поверхностном слое земли недостаточна для создания зоны с повышенным его содержанием. Также не было выявлено пористых скальных пород, способствующих повышенной эксхаляции радона из грунта. «Ввиду высокой радиоактивнвности всех изотопов радона он является радиотоксичным. Наличие радона и радиоактивных продуктов его распада во вдыхаемом воздухе вызывает стохастические эффекты хронического облучения, в частности рак. Инертные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм и по силе этого воздействия располагаются по убыванию в следующем порядке (в сравнении приведены также азот и водород): Xe — Kr — Ar — N2 — H2 — Ne — He. При этом ксенон и криптон проявляют наркотический эффект при нормальном барометрическом давлении, аргон — при давлении свыше 0,2 МПа (2 атм), азот — свыше 0,6 МПа (6 атм), водород — свыше 2,0 МПа (20 атм). Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД). (Sergey. B. Ostroukhov).
Навигация
Перейти к полной версии