ГЕОЛОГ АЛЕКСАНДР ФЕРСМАН

 

Геохимия отдельных элементов. Миграция атомов. Круговорот  элементов живой клетки

 

 

Настоящая геохимия отдельных элементов будет построена только тогда, когда можно будет нарисовать картину их перемещения, концентрации и рассеяния не как сумму эмпирически нанизанных фактов, а как необходимый и обязательный результат тех физических и химических свойств атомов и ионов, которые определяют всю их природу и все их поведение в земной коре.

А. Е. Ферсман

 

Данный раздел науки наиболее точно соответствует определению предмета геохимии как истории атомов, ее методологии. Именно с анализа распределения и истории в земной коре отдельных элементов и начал В. И. Вернадский закладывать основы геохимии. В первом десятилетии XX в. В. И. Вернадский уделял большое внимание геохимии редких элементов, позднее он написал классические очерки по геохимии марганца, кислорода, кремния, углерода, радиоактивных элементов. Серию трудов по геохимии редких элементов опубликовали в 20—30-х годах В. М. Гольдшмидт и другие ученые. Крупный вклад в эту проблему внес и А. Е. Ферсман. Он углубил методологию исследования и впервые дал характеристику геохимии всех известных в то время химических элементов (данному вопросу посвящен четвертый том «Геохимии»).

 

Особенно большое значение придавал А. Е. Ферсман использованию в геохимии периодического закона Д. И. Менделеева. Он писал: «Трудно найти для геохимии среди обобщений природы другой закон, который был бы столь плодотворным в ее исканиях, трудно найти другое эмпирическое правило, которое бы заключало в себе так много глубокого теоретического и практического смысла» \

 

На основе таблицы Д. И. Менделеева ученый построил и геохимическую классификацию элементов. Верхнее поле таблицы занимают элементы, наиболее распространенные в земной коре, нижнее левое ноле — металлы, характерные для сульфидных руд (Cu, Zn, Pb, As, Sn и др.), нижнее правое поле — элементы гранитных пегматитов (Zr, Nb, Та и т. д. ).

Принципиальное значение имело введение А. Е. Ферсманом понятия о геохимических параметрах элементов, к которым он отпосил порядковый номер элемента в периодической системе (N), его валентность (W) и ионный радиус (R). «Итак, сочетание величин N — W — R разных атомов, в разных количествах и определяет собой судьбы данного элемента. Мы склонны думать, что из этих величин в будущем будут выведены все законы геохимии, кристаллохимии и общей химии и что всякое свойство как самого элемента, так и его соединения (как твердость, температура плавления, теплоемкость и т. д.) будет связано соответственным уравнением с этими первичными величинами»,—писал А. Е. Ферсман2.

 

Использование этих параметров для характеристики геохимии конкретного элемента А. Е. Ферсман показал на примере железа. Рассмотрев особенности строения его атома (N, W, fi), ученый объяснил поведение данного элемента в протокристаллизации, конечной кристаллизации, гипергенезе. А. Е. Ферсман пришел к следующим выводам: «Несомненно, что все пути его миграции, вся история его накопления, все, что будет в дальнейшем излагаться по генезису и распространению железных руд,—все это может и должно быть расшифровано лишь на основе углубленного изучения самого атома и ионов элемента № 26.

 

Между тем наши знания в этой области еще д а- леко не достаточны <...) будем совершенно откровенны — основная геохимическая характеристика миграции железа только начинает выясняться. Задача только ставится, и необходимо еще огромное напряжение научной работы и творчества, чтобы вскрыть основные черты и судьбы этого замечательного элемента природы.

 

А между тем нет важнее и интереснее элемента во всей таблице Менделеева, чем железо, и интерес к нему заключается не только в его общей роли в космосе и в хозяйстве, но особенно в резком противоречии между природой его ядра и строением наружных электронных оболочек.

 

По своему ядру это — высокосимметричная, высокоустойчивая, четная, кратная 4 система, система устойчивая; «одна из самых больших и длительных остановок на пути превращения элементов» по остроумному замечанию Нернста; это элемент, который составляет основу мироздания, элемент первичной космической концентрации, элемент накопления мирового вещества, элемент, резко отвечающий по своему ядру максимуму энтропии (...)

 

И вот наравне с такой устойчивостью ядра мы сталкиваемся с малой устойчивостью, малой симметрией и несомненной сложностью внешних оболочек. Несимметрическое заполнение внутренних орбит, неустойчивая, легко меняющаяся валентность от 2 до 8, четность постройки ионов Fe2+, сменяющаяся очень легко нечетной Fe3+, совершенно разные спутники на путях миграции, яркие изменчивые краски, от бесцветных к сине-зеленым до почти черных, оптически несимметричных систем — все это резко расходится со свойствами ядра.

 

Но тем не менее и здесь, особенно для ионов2+, мы встречаемся с этой же высокой энергетикой,— железо и здесь по энергетической, механической и электростатической стойкости своих соединений стоит почти на первом месте, уступая только галлию и ванадию, приближаясь к кобальту и никелю.

 

Его стремление к ранней концентрации, к образованию устойчивых и стойких систем еще в начале процессов кристаллизации расплавов, флюидов или терм ведет к очень скорому освобождению природных процессов от железа — зеленые и серые краски первичных форм его накопления сменяются чисто белыми тонами; в блестящих картинах Фохта рисуется эта деферризация природных расплавов и растворов, она проходит красной нитью не только через конечные фазы магматических расплавов, она повторяется, правда в ином виде, в освобождении от железа водных растворов, и, подобно белым пегматитам и аплитам, безбрежный океан морских растворов является почти идеально освобожденным от ионов Fe.

 

И нам рисуется замечательная картина земной коры, этой окалины из ионов типа благородных газов, с подвижными системами больших радиусов, но малых величин эков, способных лишь к рассеянию элементов — нечетных, несимметричных координационных построек, с большими запасами внутренней энергии, определяющими более низкие энергетические уровни земной поверхности. Железо в сущности попадает в них только контрабандно, так как почти сплошной геосферой лежит тоненькая пленка конечных продуктов дифференциации в виде отдельных гранитовых островов на постели богатых Fe базальтовых магм. И если мы в наших руках имеем замечательные скопления этого столь нужного для культуры элемента, то причиной этому являются не основные черты его энергетически сильных ионов, а, наоборот, способность к образованию слабых комплексов с кислородом, который вытаскивает маленькие ионы металла, предназначенные для устойчивых глубин мировых процессов, и выталкивает их на земную поверхность — в область сложных взаимоотношений ненасыщенных связей, сложнейших многоатомных комплексов, тяжелых громоздких молекул и очень тонких равновесных процессов поверхности, где изменение состояния в долях вольта или десяток килокалорий ведет к совершенно новым системам равновесия; здесь растворы солей гидратизируются; многовалентный ион окиси с большим вэком легко выпадает, и, начиная с северных ортштейнов подзолистых почв и кончая щелочными растворами пустынь, железо фиксируется в виде осадков, подчиняясь закону эков.

 

Здесь на поверхности Земли начинаются новые циклы железа; деятельность живой материи создает для него особые циклы миграции. Трехвалентно заряженные ионы с сильной поляризацией, связанной с малым их радиусом, ведут к образованию коллоидальных смесей и коллоидальных комплексов; подвижная энергетическая система изменчивых зарядов ведет к участию железа в сложном процессе круговорота элементов живой клетки.

 

И, наконец, вмешивается в геохимию железа сам человек, стремясь наперекор законам энергетического равновесия расплавить в условиях земной поверхности чистый металл, с гораздо большим запасом энергии, чем более устойчивое окисное его соединение, борясь против законов энтропий природы, сохраняя, защищая и покрывая железо от неизбежного хода природного процесса в сторону увеличения энтропии системы.

 

 В этой борьбе человека с законами природы, в успехах металлургии и химии, в создании новых устойчивых равновесий твердых сплавов, в механической защите железа оловом, цинком, краской, металлами — хромом, никелем, фосфатами — он открывает пути в защите железа от окисления, замедляя темпы увеличения его энтропии: создавая свои высокоэнергетпческде системы, он их использует в новом направлении и в новых подходах промышленности и хозяйства.

 

В идеях Анри и Джинса, как бы ни спорны были их построения, человек продолжает победный путь над энтропией Вселенной, и железо — этот замечательный элемент, сочетающий устойчивость ядра с гибкостью строения наружных оболочек электронов, превращается в его руках в мощный рычаг борьбы с природой, борьбы с обесцениванием ее материи, с рассеянием ее энергии, рычаг борьбы за завладевние и подчинение своей воле и своей мысли той единицы космоса, неразрывно слагающейся из вещества и энергии, которую мы называем атомом»3.

 

В четвертом томе «Геохимии» А. Е. Ферсман рассмотрел миграцию в земной коре всех элементов периодической системы — от водорода до урана. Для каждого элемента приведены его геохимические параметры (аналогично железу), поведение в различных системах земной коры — от магмы до земной поверхности, типы месторождений и их поисковые признаки, районы поисков на территории Советского Союза. Анализ этого грандиозного материала привел его к общим выводам, которые вполне актуально звучат н в наши дни. А. Е. Ферсман писал:

 

«Геохимические идеи получают свою значимость лишь при сочетании в одном уравнении свойств самих атомов, ионов, решеток и внешних факторов, определяющих условия их равновесия. Эти факторы в общем даются нам сейчас науками геологическими.

 

Геохимия по существу на своих современных путях идет по первому пути — изучения свойств. Ив этом случае, опираясь на данные кристаллохимии и химической физики, она подходит к более точным математическим выражениям и к математически точным анализам вещества. В этом отношении геохимия вносит точное число и точные уравнения для изучения природного процесса. Гораздо сложнее обстоит с теми факторами, которые определяют ход этих процессов и для которых мы пока почти не имеем количественной характеристики, причем даже качественный анализ их во многих случаях совершенно недостаточен. Геология, изучающая физические константы природных явлений, еще очень далека от точного учета и подсчета всех условий, при которых протекает в земной коре физико-химическая реакция.

 

Именно эта неопределенность и некоторая схематичность наших познаний о ходе природных процессов и приводят нас к установлению некоторых суммарных показателей, как бы средних величин типических систем природных явлений. Мы в нашем анализе называем такие свойства геохимическими, суживая рамки свойств и факторов совершенно конкретными условиями, наблюдаемыми в земной коре. Мы противополагаем общей химии геохимический анализ явлений, т. е. ограничиваем область нашего химического исследования совершенно определенными рамками времени и места, определенными границами термодинамических условий. Наше современное натуралистическое мировоззрение заставляет нас идти именно по этому пути, гармонически суммируя геохимические и геологические построения.

 

<...) Наши законы геохимии определяют лишь средний, наиболее типичный, статистически наиболее частый и наиболее вероятный путь природного процесса. Наши законы, как всякие законы природы, носят прежде всего статистический характер, и это нужно особенно определенно помнить всем исследователям, ибо как таковые они приложимы в чистом виде не всегда, не везде, не во всех условиях, так как намечают лишь наиболее вероятные процессы.

 

Каждый частный случай, каждое отдельное месторождение с этой точки зрения несет на себе двоякие черты: одни отражают эти общие характерные черты,— они согласны с теоретическим положением, они хорошо укладываются в намеченные схемы, они легко объединяются с другими сходными процессами в типичные серии аналогичных явлений (таковы, например, основные черты пегматитов чистой линии, пустынного процесса и т. д.) ; другие черты, наоборот, не укладываются в наши схемы, не подчиняются средним показателям и не отвечают установленным теориям геохимических закономерностей. Эти свойства отличают данное месторождение от других, сходных с ним, они определяют как бы индивидуальность данного сочетания, и, чем сильнее отклонение от теоретических средних, тем своеобразнее и характернее геохимическая и минералогическая характеристика данного месторождения.

 

Каждый полевой исследователь должен считаться именно с этой индивидуальностью каждого природного явления. Он не должен думать, что всякое несогласие с теорией должно быть объяснено ее неправильностью. Он должен считаться с многообразием природных факторов, определяющих судьбу химических элементов в земной коре.

Мы действительно знаем, что именно наименее обычные, не типичные или даже „запрещенные“ природные явления характеризуются наиболее интересными и наиболее важными как в теоретическом, так и в практическом значении чертами.

 

Геолог и геохимик в своих исследованиях природных явлений должен быть во всеоружии теоретических схем геохимии, но он не должен возводить их в фетиш, в абсолютно необходимые и непреодолимые законы, а должен считать их лишь общими руководящими идеями, статистически наиболее вероятными в наиболее обычных сочетаниях основных факторов земной коры, — как бы чистой линией ее процессов.

 

Каждый полевой исследователь не должен мыслить природу по искусственным клеткам и схемам теории; применение теории, энергетических формул и вытекающих из них геохимических гипотез требует продуманного, углубленного их анализа; оно требует глубокого знания самих фактов, лежащих в их основе, и глубокого осмысливания всех явлений, к которым геохимик должен приложить свои теоретические положения.

 

Изучение природы при помощи точных математических формул еще невозможно в геологии, хотя несомненно, что геохимия даже в современном ее виде сделала огромный шаг вперед в области внесения более точных методов в изучение геологических процессов.

 

Мы ждем поэтому от геохимиков в их полевых и поисковых работах творческой активной мысли и уверены, что, вооруженные теорией, проникнутые новыми геохимическими идеями, они сумеют посмотреть на земную кору новыми глазами и увидеть в ней то, что не видел проспектор старой школы,— они смогут предвидеть, предсказывать и открывать то, что находится в недрах, непосредственно доступных исследователю.

 

И мы не можем не кончить четвертый том нашей монографии без горячего призыва к молодым геологическим и геохимическим исследователям — вооружиться идеями современной геохимии».

 

 

 

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана

 

 

Последние добавления:

 

ИСТОРИЯ АТОМОВ  ГЕОХИМИЯ ВОДЫ  ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОШЛОЕ ПОДМОСКОВЬЯ 

 

  КАЛЕДОНСКАЯ СКЛАДЧАТОСТЬ     Поиск и добыча золота из россыпей    ГЕОЛОГИЯ КАВКАЗА    Камни самоцветы