Соль Земли и еще 5 полезных ископаемых, в которых отразилась история планеты

Наша планета — ничтожная песчинка в океане космоса — дает нам все необходимое: от пищи и кислорода для жизнедеятельности до топлива и минерального сырья для решения самых изощренных технических задач.

Мы привыкли к тому, что здесь добывают соль, там — нефть, где-то еще — золото. Между тем каждый такой случай — это скорее аномалия. Большинство ценных для нас веществ присутствуют в окружающем мире в небольших, а то и в ничтожных количествах. Но разные удивительные фокусы природы приводят к тому, что в каких-то местах концентрация этих веществ оказывается в тысячи, миллионы, миллиарды раз выше средней.

Когда такой природный концентрат становится выгодным для промышленной разработки, мы говорим о месторождении. Да, месторождение — понятие экономическое.

Происхождение этих сокровищ тесно связано с историей нашего уголка космоса, в том числе с развитием жизни на Земле. Мы рассмотрим шесть очень разных полезных ископаемых, нынешние запасы и месторождения которых формировались в глубокой древности. В них запечатлелась история сложнейших процессов, сделавших нашу планету такой, какой мы знаем ее сегодня.

Золото

На этот ценный металл приходится лишь один из 3 млрд атомов в земной коре. А теперь задумаемся: в крупинке золотого песка миллиарды миллиардов атомов золота. Как они все, эти редчайшие атомы, собрались вместе? А ведь бывают еще золотые самородки весом в десятки килограммов!

Детали природного процесса, концентрирующего редкие атомы, еще уточняются, но в общих чертах он понятен. Поскольку золото — тяжелый металл, в глубинах Земли его больше, чем на поверхности. Наверх оно поступает в составе магматических пород, которые постепенно размываются подземными жидкостями.

При циркуляции по трещинам горных пород у них меняется температура и химический состав, и при удачном сочетании условий частицы золота оседают на стенках трещин. На появившуюся позолоту с большей вероятностью садятся новые атомы золота. Так формируется золотая жила.

Поскольку гидротермальные источники очень изменчивы, золотые жилы должны формироваться быстро. В свежей работе канадских геологов говорится, что их наполнение может происходить всего за несколько лет, а иногда и дней. Все дело в том, что золото образует заряженные наночастицы, которые отталкиваются друг от друга.

Однако при скачке кислотности раствора, например из-за смешивания с морской водой, наночастицы теряют заряд, слипаются в хлопья и выпадают из раствора. Так концентрация золота увеличивается до значений, с которыми имеют дело золотодобытчики.

При эрозии богатых жил частички золота, отложившиеся в трещинах породы, отделяются от основы и отлагаются заново, продолжая укрупняться. Так в несколько стадий природа обогащает золото в сотни миллионов раз, образуя золотые россыпи и самородки.

А нельзя ли проделать нечто подобное искусственно? Об этом впервые задумались еще полтора века назад, когда британский химик Эдвард Сонстадт сообщил, что морская вода содержит 65 мг золота на кубометр. Если пересчитать на весь Мировой океан, получалось, что в нем растворено почти 100 миллиардов тонн золота.

Сразу появилось множество изобретателей и мошенников, желающих добывать это золото. Крупнейшая афера к моменту ее разоблачения в 1898 году собрала миллион долларов (более 30 млн по нынешнему курсу) на производство «золотых накопителей», обогащающих морскую воду.

Куда серьезнее подошел к делу немецкий химик Фриц Габер. Он, правда, измерил, что золота в море в 10 раз меньше, 5–10 мг/м³, но и это было очень привлекательно, особенно в свете наложенных на Германию контрибуций, эквивалентных пятидесяти тысячам тонн золота.

Габер потратил пять лет на исследования, но в итоге убедился в ошибочности своих измерений и объявил, что содержание золота в морской воде в 1000 раз меньше: 5–10 микрограмм на кубометр. Получалось, что золота в океанах лишь 10 млн тонн.

Казалось бы, тема закрыта, однако в последние годы интерес к ней снова стал подниматься. Кто-то предлагает использовать ионообменные смолы, кто-то — полимерные губки или генетически модифицированных бактерий-золотоизвлекателей.

Вот только многие изобретатели не в курсе, что данные Габера устарели: к концу XX века оценки снизились еще на три порядка. Это всего несколько десятков тысяч тонн золота на весь океан. Если учесть, что в мире добывают около 3500 тонн золота в год, то океан как источник золота окончательно теряет свою привлекательность и остается полагаться на природные обогатительные процессы.

Железо

Железо — уникальный элемент. Среди всех других его ядра обладают наибольшей энергией связи. Ядрам более легких элементов энергетически выгодно сливаться, это происходит в звездах и дает им энергию, а ядрам более тяжелых — распадаться, как на атомных электростанциях. Железо — конечная станция в цепочке звездных термоядерных реакций.

По массовой доле в Солнечной системе железо уступает лишь кислороду, углероду и неону, а в составе Земли оно и вовсе стоит на первом месте. На железо приходится 32% массы нашей планеты — это больше, чем кислорода, которого 30%. Так что Земля скорее железная, чем каменная планета. Вот только из-за большой атомной массы почти все железо «утонуло», образовав ядро Земли, а в земной коре его осталось лишь около 5%.

Конечно, 5% — это немало, если сравнивать с медью (0,006%) или золотом (0,0000004%), но железо распределено в коре неоднородно. Значительная часть сконцентрирована в так называемых полосчатых формациях, сложенных железистыми кварцитами. В них прослойки кварца чередуются с железистыми минералами гематитом или магнетитом.

Некоторые такие месторождения были обнаружены именно благодаря магнетиту, создающему магнитные аномалии. Так еще в XVIII веке был открыт крупнейший на Земле железорудный бассейн — Курская магнитная аномалия.

Другой пример — Сарбайское месторождение в Костанайской области Казахстана. В 1949 году летчик Михаил Сургутанов заметил странное поведение компаса на определенных маршрутах. Составив карту аномалий, он направил ее в геологическое управление, и вскоре на глубине в десятки метров буровики обнаружили железную руду. Летчика признали первооткрывателем и наградили Ленинской премией.

Однако при всей важности железа для промышленности, происхождение железорудных месторождений долгое время оставалось загадкой. Разгадал ее в конце 1960-х годов американский геолог Престон Клауд, связавший отложения железа с так называемой кислородной катастрофой в истории жизни на Земле.

В архейской эре (примерно до 2,5 млрд лет назад) в атмосфере и океане не было кислорода, зато в воде было много растворимого гидроксида железа, который выносился из недр подводными горячими источниками. Жизнь была представлена в основном цианобактериями, для которых кислород был продуктом жизнедеятельности и ядом. Стоило этим цианобактериям начать активно размножаться в теплых поверхностных водах, как в них повышалось содержание кислорода, и популяция сокращалась. А кислород расходовался на окисление железа до нерастворимого оксида, оседающего на дно.

Со временем бактерии восстанавливались, а чередующиеся слои в железистых кварцитах как раз и отражают расцвет и упадок их популяций. Процесс завершился в начале протерозоя с формированием кислородной атмосферы: запасы железа были окислены, а организмы приспособились к кислородной среде.

Если проводить аналогии, то процесс самоотравления бактерий кислородом напоминает нынешнее потепление климата под влиянием выбросов CO₂: если люди вовремя не остановятся, наша популяция тоже может пережить период упадка, пока Земля не самоочистится.

Соль

В школе учат, почему море соленое. Дождевая вода проникает в почву, растворяет соли и реками выносит их в море. Потом морская вода испаряется, а соль остается и накапливается. В целом картина верна. Вот только по современным данным соленость Мирового океана в прошлом была существенно выше, чем сегодня. Неувязочка.

Реки активно заработали на Земле примерно 2,5 млрд лет назад. Это определено по накоплению в осадочных породах изотопа стронций-87, который вода вымывает из континентальных гранитов. За счет рек соленость океана стала в 1,5–3 раза выше современной. Но соленость может и снижаться.

В Австрийских Альпах есть маленький городок Гальштат, расположенный на берегу зажатого в горной долине озера. Знаменит он тем, что рядом с ним работает самое древнее в мире горнодобывающее предприятие. На соседней горе уже 7 тысяч лет назад начали добывать соль.

Люди не просто брали с земли то, что доступно, а целенаправленно копали туннели, уходящие на сотни метров под землю, и торговали солью с отдаленным территориями. С XIII века месторождение стало одним из главных активов династии Габсбургов. В середине XIX века рядом с шахтой обнаружено более тысячи доисторических захоронений горнорабочих. В одном из туннелей в 2003 году нашли древнейшую в Европе деревянную лестницу возрастом 3250 лет.

Внутри горы скрывается солевой купол — выгнутый слой породы толщиной в сотни метров, в котором содержание соли местами доходит до 90%. Его возраст составляет около 250 млн лет.

Такие соляные отложения постоянно формировались на протяжении истории Земли. Потом процессы горообразования поднимали некоторые из них над уровнем моря. Особенно интенсивно отложения соли формировались при высыхании мелководных морей. Именно так возникло месторождение в Гальштате.

Сегодня соленость океана составляет 35‰, то есть 35 граммов соли на килограмм воды. Большинство современных многоклеточных растений и животных не переносят солености выше 50‰. А вот цианобактерии при таких условиях жить могут.

Геолог и планетолог из Аризонского университета профессор Пол Кнаут выдвинул в связи с этим гипотезу, что именно снижение солености могло стать одной из предпосылок «кембрийского взрыва биоразнообразия». Так называют бурный расцвет в океане сложных организмов, начавшийся около 540 млн лет назад после миллиардов лет доминирования на Земле одноклеточных.

Нефть

Сегодня это едва ли не главное полезное ископаемое в мировой экономике. Но такое место нефть заняла лишь во второй половине прошлого века, когда число автомобилей и самолетов стало расти в геометрической прогрессии.

Резкий рост потребления нефти в 1960-х годах и последовавший мировой топливный кризис 1970-х поставили вопрос о том, на сколько хватит запасов нефти. Чтобы примерно оценить запасы в еще не открытых месторождениях, надо было понимать происхождение нефти, но тут друг другу противостояли две концепции — биогенная и абиогенная.

Если верна биогенная теория, то нефть в обозримое время кончится, и надо искать альтернативу. Американский геофизик Мэрион Кинг Хабберт выдвинул еще в 1956 году гипотезу «пика нефти»: легкодоступные запасы будут быстро исчерпаны, сложность добычи возрастет, что приведет к росту цен и снижению добычи. Однако пик нефти пока не достигнут, а за последние полвека в мире открыто несколько крупных месторождений.

Если же принимать абиогенную гипотезу, то нефть практически неиссякаема, и даже исчерпанные месторождения могут наполняться вновь. Это удобная точка зрения для бюрократии нефтедобывающих стран. Возможно, поэтому в СССР и России сторонников абиогенной концепции всегда было относительно много.

Методологически биогенная теория намного привлекательнее. Она помогла открыть многие месторождения, и ее предсказания не раз подтверждались. Однако сторонники минерального происхождения нефти постфактум всегда придумывали объяснения.

В общем, при всей маргинальности абиогенной теории спор пока еще не закрыт окончательно. Возможно, разрешить его поможет глобальное изменение климата. Теперь уже всем ясно, что со сжиганием ископаемого топлива пора «завязывать», даже если оно еще не кончилось. И в таком случае политические предубеждения в пользу абиогенной нефти со временем снимутся.

Уран

Уран — самый тяжелый из долгоживущих элементов и, соответственно, один из самых редких во Вселенной. Подобно золоту и другим тяжелым элементам уран образуется при взрывах сверхновых звезд. В момент коллапса ядра звезды в нем возникает мощнейший поток нейтронов. Один за другим эти нейтроны добавляются к наработанным в ходе термоядерного синтеза ядрам железа и никеля, порождая все более тяжелые элементы.

Поскольку лишь немногим ядрам удается поймать очень много нейтронов, получается, что чем тяжелее элемент, тем меньше его образуется. Обогащенное тяжелыми элементами вещество все тем же взрывом разбрасывается по космосу, где из него потом образуется следующее поколение звезд и планет.

Парадокс, однако, в том, что земная кора содержит в среднем 2–3 грамма урана на тонну, то есть в сотни раз больше, чем золота. Если бы в ядре и мантии Земли его было бы столько же, сколько в коре, эта энергия превратила бы нашу планету в сплошной вулканический ад за счет тепла, выделяемого при радиоактивном распаде урана.

Однако ничего подобного не происходит, и регистрация нейтрино, исходящих из ядра Земли, показывает, что урана там в тысячу раз меньше, чем в коре, что примерно соответствует его доле во Вселенной. Выделяемого тепла едва хватает, чтобы внешнее ядро оставалось жидким и поддерживало геомагнитное поле. Каким образом получилось, что половина всего земного урана оказалась сосредоточена в тонкой коре, а не опустилась в ядро Земли подобно железу и никелю, пока остается загадкой, для которой нет общепризнанного объяснения.

В самой коре уран тоже распределен неравномерно. В богатых месторождениях его может быть около килограмма на тонну руды. Для этих неоднородностей объяснения есть, и не одно. Некоторые руды возникают подобно золотым жилам, то есть при осаждении соединений урана из расплавов и растворов. Но есть и урановые руды биогенного характера. В отличие от золота уран — химически активный элемент, который хорошо связывается с органикой и накапливается в живых организмах. После захоронения остатков органика разлагается, а концентрация урана может возрастать.

Уран — незаменимая основа атомной энергетики. Однако на большинстве АЭС для получения энергии служит изотоп уран-235, которого в природном уране всего 0,7%. Из природных изотопов только он способен к самоподдерживающейся цепной реакции.

Для использования в реакторах уран приходится обогащать, повышая содержание этого изотопа. Если продолжать использовать его современными темпами, то доступных запасов хватит примерно на 100 лет.

Большая часть (99,3%) природного урана (изотоп уран-238) пока не используется. Его тоже можно превратить в ядерное топливо, но для этого нужны реакторы-размножители. Такие реакторы использовались при наработке плутония для ядерного оружия.

Однако современная технология энергетических реакторов-размножителей сейчас есть только у России, и широкого внедрения их в мире можно ожидать лишь во второй половине века. Главное — не затянуть до исчерпания запасов урана-235, поскольку реакторам-размножителям он тоже в некотором количестве необходим.

Алмаз

Сверкающий благородный алмаз «одной крови» с невзрачным серым графитом — оба состоят из чистого углерода. В этом убедился еще 250 лет назад Лавуазье, когда купил и сжег несколько алмазов, получив лишь углекислый газ. Правда, алмазы в те годы были не так дороги, как сейчас, — цену им накрутили пиарщики XX века, внедрив в Америке моду на обручальные кольца с бриллиантами.

Было, конечно, заманчиво превратить графит в алмаз, отличающийся лишь строением кристаллической решетки. Но до середины XX века все попытки оставались тщетными.

Теорию процесса разработал советский физик Овсей Лейпунский. В 1938 году его уволили из института за отказ подписать письмо против арестованного брата. Сидя дома, Лейпунский занялся теорией фазовых состояний углерода и рассчитал, что алмазная решетка формируется из растворенного в металле углерода при температуре в тысячи градусов и давлении в десятки тысяч атмосфер. Статья вышла в 1939 году, когда брата внезапно освободили, а Лейпунского восстановили на работе.

Технологию ВДВТ (высокое давление, высокая температура) в 1955 году реализовали в США, а в 1960-м — в СССР. Компания «Дженерал электрик» защитила ее патентом и позднее судилась с СССР. Однако суд аннулировал патент, признав приоритет статьи Лейпунского.

Природные алмазы образуются примерно таким же путем на глубинах от 150 до 800 км, где давление и температура достигают нужных значений. Там циркулирует богатый углеродом расплав, в котором медленно растут алмазы. В 2018 году американские ученые обнаружили в некоторых алмазах микроскопические включения льда VII — особой модификации водяного льда, существующей под давлением свыше 240 тысяч атмосфер, что соответствует глубине около 500 км.

К поверхности алмазы выносятся при взрывном вулканизме, когда магма со скоростью автомобиля прорывается вверх через горные породы. Многие алмазы при этом, по-видимому, гибнут — отжигаются в графит или просто сгорают. Но некоторые кристаллы оказываются запечатанными в плотные породы. Обломки этих пород в поднимающейся из глубин магме называют ксенолитами, то есть посторонними камнями. В них, как в конвертах, алмазы выдерживают подъем.

Когда вулкан затухает и его конус разрушает эрозия, под ним остается застывший магматический ствол. В некоторых стволах — так называемых кимберлитовых трубках — находят столько алмазов, что это оправдывает просеивание миллионов тонн породы.

Наряду с технологией ВДВТ алмазы получают взрывным синтезом и вакуумным осаждением. Эти технологии тоже реализованы в природе. В местах падения крупных метеоритов обнаружены импактные алмазы, возникшие при ударном расплавлении пород.

А вакуумное осаждение происходит в космосе вблизи некоторых старых звезд, откуда алмазные пылинки попадают в межзвездную среду и в составе метеоритов добираются до Земли. Есть мнение, что это могут быть самые древние минералы во Вселенной.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 1, январь-февраль 2022}