книги из ГПНТБ / Войткевич, Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Серия «Настоящее н будущее Земли п человечества»

Г. В . В О Й Т К Е В И Ч

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»

Москва 1973

к о н т р о n ь и ы й в ! : г с- г-;-. ;

Книга профессора Г. В. Войткевпча посвящена одной из важнейших проблем современной науки — происхождению Земли п образованию ее оболочек. В ней представлены п кратко охарактеризованы совре­

менные данные о химическом составе метеоритов, пла­ нет и других тел солнечной системы. Автор рассматри­ вает наиболее вероятные процессы, определившие хи­ мический состав Землп.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

© Издательство «Наука», 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в проблеме образования нашей пла­ неты еще много неясного. Однако быстрое развитие со­ временной науки, накопление и открытие новых данных в области космохимии, геохимии, геофизики и астро­ физики позволяют каждый раз по-новому взглянуть на загадочную и волнующую многие поколения людей про­ блему происхождения Земли и других тел солнечной системы.

С тех пор как усилиями многих исследователей был изучен химический состав различных тел природы — Солнца и звезд, планет и метеоритов, минералов и гор ­

С того времени, когда о строении атомов и поведении их соединений при различных термодинамических усло­ виях нам стало известно очень многое, а о составе косми­ ческих тел — метеоритов, некоторых планет, Л у н ы и Солнца — были получены совершенно достоверные и точ­ ные данные, решение проблемы происхождения нашей планеты было поставлено на прочную основу, которой были лишены прежние космогонические построения. Х и ­ мические элементы солнечной системы, их изотопные соотношения и радиоактивность представляются нам все

3

РА С П Р О С Т Р А Н Е Н ИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ВС О Л Н Е Ч Н О Й СИСТЕМЕ

ИИХ Г Е О Х И М И Ч Е С К И Е СВОЙСТВА

Происхождение и развитие Земли есть часть космической истории атомов химических элементов, истории, начало

и космохимии. Химический состав нашей планеты сфор­ мировался в результате космической эволюции вещества

ниях атомов химических элементов в пределах нашей солнечной системы, поскольку именно количественные соотношения я в л я ю т с я одной из существенных причин, определивших природу данного конкретного тела сол­ нечной системы, и фактором дальнейшего его развития . Между распространенностью элементов и формами на­ хождения их в природе существует глубокая и тесная связь. Космическое обилие водорода и кислорода конк­ ретно выразилось в возникновении воды на нашей пла ­

определивших большую вероятность возникновения жизни в прошлых природных системах. Обилие кремния, маг­

среднюю плотность и химический состав в целом планет земного типа, железных и железокаменных метеоритов.

Основными источниками сведений о распростране­ нии химических элементов в солнечной системе с л у ж а т

5

денных в лабораториях по материалу земной коры, мете­ оритов и пород поверхности Л у н ы .

Распространенность элементов может быть представ­ лена в виде таблицы или графика . В настоящее время космическую распространенность элементов в природной

в определенной природной системе выражается по отно­ шению к кремнию. Кремний выбран потому, что он п р и ­ надлежит к труднолетучим и в то же время обильным эле­ ментам.

Графическое изображение атомного распространения элементов в солнечной системе представлено на рис. 1 (данные относятся к 10° атомам кремния). Относительное

можно видеть четкие закономерности в космическом рас ­ пространении элементов. Так, совершенно очевидно, что

характер распространенности имеет глубокую связь с ве­ дущим атомным параметром — порядковым номером или зарядом . В данном случае совершенно очевидно высту­ пают следующие закономерности.

1. Распространенность элементов неравномерно убы­ вает с увеличением порядкового номера.

2.Четные элементы (с четным Z) более распростра­ нены, чем соседние нечетные. Эта закономерность в гео­ химии и космохимии получила название правила Г а р - кинса—Оддо.

3.Повышенным распространением характеризуются элементы, состоящие в основном из изотопов с массовым числом (А), которое делится на 4, т. е. кратным 4.

Вспомнив, что порядковый номер элемента равен

после максимума в области железа падает вниз, а после молибдена (Z=42) приобретает положение, близкое к го-

6

P и c. 1. Относительная атомная распространенность химических элементов в солнечной системе в зависимости от порядкового номера (Z);

Черными кружками обозначены четные элементы, светлыми — нечетные

ризонтальному. Значительная часть максимумов на кри ­ вой приходится на элементы, у которых ведущий изотоп обладает массовым числом, кратным 4, как это имеет место у следующих элементов:

связана с ядрами, у которых число нейтронов или про­ тонов равно

2, 8, 20, 50, 82 и 126 Эти числа, получившие у физиков название «магических»,

характеризуют заполненные ядерные оболочки, которые типичны д л я наиболее устойчивых атомных ядер .

Изложенные выше факты определенно свидетельствуют о зависимости распространения атомов в солнечной си­

7

Г. Ю р и и Г. Зюссом: «Представляется, что распростра­ ненность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано».

Водород и гелий представляют собой наиболее рас­ пространенные и наиболее легкие элементы солнечной

ментов, то его можно разделить на две части: летучую (включающую газы при нормальных условиях) и нелету­ чую. К летучей относятся Н , Не, СО, С 0 2 , О, N и все инертные газы, к нелетучей — большая часть химических элементов и среди них главные породообразующие и об­ разующие метеориты: Si, Fe, Mg, Ca, A l , Na, N i .

Метеориты и внутренние планеты нашей системы образуют нелетучую часть солнечного вещества в отно­

нению атомов Солнца и каменных метеоритов на 1962 г., показал, что материал планет нашей солнечной системы есть часть, непосредственно выброшенная самим Солнцем, и что он не был захвачен из других областей галактики . Наблюдаемые реальные различия в составе планет и ме­ теоритов — результат вторичных процессов, связанных с дифференциацией и фракционированием первично од­ нородного солнечного вещества.

Нелетучую часть солнечного вещества лучше всего отражают наиболее распространенные каменные метео­ риты — хондриты.

Сопоставление на основании современных данных рас­ пространения нелетучих элементов в веществе Солнца и в обыкновенных хондритах представлено на рис. 2. Очевидно, что согласие между хондритамй и Солнцем( за немногим исключением, является хорошим, Эти дан­

8

чем одним изотопом, и число их зависит от четного или нечетного значения Z. Наличие изотопов связано с тем, что в атомном ядре при одинаковом количестве протонов может быть разное число нейтронов. Наибольшее число изотопов характерно для химических элементов середины периодической системы (так, олово состоит из 10 изо­ топов, ксенон — из 9). Элементы с четными порядковыми номерами содержат больше изотопов, чем элементы с нет четными. Стабильные элементы с нечетным Z имеют только

чем элементы середины периодической системы в области значений Z от 28 до 81 .

9