ГЕОЛОГ АЛЕКСАНДР ФЕРСМАН

 

Энергетика земной коры. Закон  прогрессивного развития земной коры - биосферы и тектоносферы. Термодинамический анализ геохимических процессов

 

 

Намечая в середине 30-х годов исторические этапы анализа геохимических процессов, А. Е. Ферсман выделил особый энергетический этап, началом которого считал 1930 год. Во введении к третьему тому «Геохимии» ученый писал: «Энергетический подход к анализу динамически развивающихся процессов природы является для нас ко- > нечной целью наших исканий, и поэтому мы пытаемся ввести его во все анализы тех проблем парагенезиса, которым посвящена настоящая книга и которые мы хотим изучать не только и не столько статически, сколько динамически».

 

Как известно, А. Е. Ферсман не ограничился декларацией о необходимости энергетического анализа — он проделал грандиозную работу в этом направлении, заложил основы геоэнергетической теории, краткая характеристика которой была приведена выше. К вопросам геоэнергетики неоднократно обращались В. И. Вернадский и В. М. Гольдшмидт. Таким образом, энергетический подход к миграции элементов в земной коре был характерен уже для первых шагов развития геохимии и ярко проявился в трудах ее великих основоположников.

 

Рассмотрев в 1944 г. сложные процессы физико-химической миграции, А. Е. Ферсман писал: «Но что же в основном направляет все эти сложные пути миграции атомов, что определяет их рассеивание и концентрацию, где те великие законы, подобные законам Гиббса, которые сумеют разгадать их течение?

 

Мы подходим здесь к одному из кардинальнейших вопросов и проблем современной геохимии, больше того, мы подходим к новому мировоззрению, которое приходит на смену старым, несколько формальным законам физической химии. Мы говорим о новом толковании природы в целом и протекающих в ней процессов. Эту проблему заострил во всей глубине ее философского значения академик Вернадский еще 20 лет назад, когда он подчеркивал, что мы не знаем энергетического баланса природы. С тех пор блестящие достижения геохимии приближают нас к новому этапу в анализе окружающего нас мира. Долгое время линейка с делением сотых долей ангстрема, т. е. миллионными долями сантиметра, является основным масштабом кристаллохимии для понимания законов образования химических соединений. И совершенно независимо от нее второй меркою природных процессов служил термометр, который строил здание термохимии как совершенно независимое архитектурное сооружение, не имеющее общего ни с шариками атомов, ни с геометрией их сочетания.

 

Сейчас настало время объединить два масштаба, использовав третью меру — вольтметр как электрический счетчик. Он должен связать воедино обе эти постройки и дать новую, которая свяжет радиус иона с калорией, деформацию шарика — атома с электрон-вольтами возникающих электрических полей, чисто геометрические ряды этих шариков в кристалле с законами волновых колебаний электромагнитных частиц.

 

За истекшие 20 лет была сделана попытка дать количественную характеристику геохимическим процессам и энергии решетки, раскрытой Борном, Даулингом, А. Ф. Ка- пустинским и А. Е. Ферсманом в Союзе, отыскать этот новый счетчик для количественного измерения природных процессов.

 

Мы представляем сейчас нашу Землю как некоторого рода электростатическую систему, в которой заряженные частицы располагаются концентрами все меньших и меньших запасов энергии.

 

Вся последовательность природных процессов, порядок осаждения металлов в жилах, порядок выпадения солей в умирающих озерах — все зависит от величины свободной энергии, которая выделяется при процессе образования кристаллов. Великие законы термодинамики, энергетические законы русского академика Гесса, законы Леша- телье и Оствальда определяют ход этих процессов, и сейчас мы уже можем говорить о законах геоэнергетики.

 

Так переходит на наших глазах геохимия на новый этап точного измерения природных явлений, и энергетика внедряет смелую геохимическую мысль в самые разнообразные области знания, начиная с химии живого вещества, кончая горным делом и путями промышленности»8.

 

С 50-х годов широкое распространение приобрел термодинамический анализ геохимических процессов. В СССР этому много способствовали труды Д. С. Коржинского и его школы. Оригинальные и глубокие идеи об источнике энергии эндогенных геохимических процессов были высказаны Н. В. Беловым и В. И. Лебедевым. Уделялось внимание и энергетике экзогенных процессов, в том числе осадкообразования. В СССР различные подходы к этому вопросу разрабатывались в трудах Б. Б. Полынова, Л. В. Пустовалова, А. А. Саукова, В. И. Лебедева, H. М. Страхова, П. П. Тимофеева, А. В. Щербакова, М. М. Ермолаева, Ф. А. Летникова, за рубежом — в работах P. М. Гаррелса и других ученых.

 

В. И. Вернадский главным источником свободной химической энергии в биосфере считал биохимические процессы фотосинтеза и разложения органических веществ.

В ходе этих процессов в окружающую среду выделяются органические соединения и т. д. Чем энергичнее протекают фотосинтез и разложение органических веществ, тем интенсивнее происходят геохимические процессы.

 

Богатство свободной энергией определяет важную геохимическую особенность биосферы — неравновесность: почвы, илы, водоносные горизонты подземных вод, неравновесные системы. В соответствии со вторым законом термодинамики процессы в осадочной оболочке направлены в сторону достижения равновесия, однако оно часто не достигается, так как в результате разложения органических веществ и других процессов в систему поставляются вещества с противоположными свойствами. Особенно резко выражена неравновесность в почвах и илах мелководных водоемов (рек, озер, шельфа).

 

Неравновесность систем биосферы заставляет осторожно относиться к использованию законов равновесной термодинамики при изучении осадочного процесса. Это относится, в частности, к трудам P. М. Гаррелса и его многочисленных последователей. Соответствующие выводы часто создают лишь видимость объяснения, ошибки которого особенно трудно преодолеваются в связи с огромным и, конечно, вполне заслуженным авторитетом термодинамики.

 

Постоянное поступление солнечной энергии, преобразованной живым веществом в энергию геохимических процессов, делает биосферу открытой динамической неравновесной системой, энтропия которой уменьшается в ходе геологической истории.

 

Чрезвычайно плодотворным для разработки проблем энергетики земной коры было введение Н. В. Беловым в науку понятия о геохимических аккумуляторах, т. е. химических элементах, аккумулирующих солнечную энергию в верхней части земной коры и отдающих ее в глубокие горизонты. Классическими геохимическими аккумуляторами являются углерод и водород, заряжающиеся энергией при фотосинтезе — образовании органических веществ из углекислого газа и воды. Логично предположить, что и другие химические элементы — Si, Al, Mg, Ca и т. д., входя в состав живого вещества и образуя сложные органические соединения с ковалентными связями, также становятся геохимическими аккумуляторами.

 

В. И. Лебедев и Н. В. Белов, исходя из кристаллохимических данных, высказали гипотезу, согласно которой алюминий, возможно, магний и другие элементы также могут быть геохимическими аккумуляторами, определяя накопление солнечной энергии в кристаллическом веществе Земли — глинистых минералах. Эти ученые обратили внимание на различия структуры силикатов, образующихся на земной поверхности и при кристаллизации из магмы. Алюминий в магматических минералах находится в кислородных тетраэдрах. Он окружен, как правило, четырьмя атомами кислорода. Межатомное расстояние А1— О составляет 0,16—0,175 нм (нанометр=1*10“9 м). Во мно- гих минералах осадочных пород и почв алюминий находится в кислородных октаэдрах и окружен шестью атомами кислорода, в связи с чем межатомное расстояние А1—О увеличивается до 0,18—0,2 нм. Следовательно, при образовании глинистых минералов на поверхности расстояние между атомами алюминия и кислорода возрастает, на что затрачивается энергия. Поэтому глинистые минералы земной поверхности, по Н. В. Белову и В. И. Лебедеву, обладают большим запасом внутренней энергии, чем алюмосиликаты магматических пород. Источником этой энергии в конечном счете является солнечное излучение.

 

Н. В. Белов и В. И. Лебедев не рассматривали механизм накопления солнечной энергии глинистыми минералами, так как решение этого вопроса находится за пределами методов кристаллохимии. Характеристика такого механизма содержится в трудах Б. Б. Полынова, посвященных генезису глинистых минералов в почвах. На основе экспериментов и наблюдений в природе Б. Б. Полы- нов показал, что при разложении органических остатков в почвах освобождающиеся Si02, А1203, MgO могут вступать во взаимодействие, образуя глинистые минералы. Последние, таким образом, не менее биогенны, чем гумус, формирующийся из углерода, водорода и кислорода в процессе разложения органических остатков. Этот механизм хорошо объясняет аккумуляцию солнечной энергии глинами, которые с энергетических позиций оказываются аналогами углей.

 

В. И. Вернадский в 1939 г. писал, что в земную кору входят биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочки, которые генетически между собой связаны и, взятые в целом, представляют одно явление (граниты — былые биосферы).

 

Н. В. Белов и В. И. Лебедев предположили, что, опускаясь на большие глубины и переплавляясь, глинистые минералы превращаются в магму, из которой опять кристаллизуются полевые шпаты. При этом алюминий переходит из октаэдров в тетраэдры, расстояние между ним и кислородом уменьшается,- выделяется энергия. Так, энергия, поглощенная в биосфере, выделяется в магматических очагах и наряду с радиоактивной энергией служит причиной горообразования и других эндогенных процессов. Глинистые минералы выступают в роли своеобразных горючих ископаемых, в отличие от угля отдающих заключенную в них энергию лишь при высоких температурах плавления пород.

 

Если гипотеза Н. В. Белова и В. И. Лебедева верпа, то понятие о большом круговороте веществ в земной коре дополняется понятием о переносе энергии, также связывающим процессы земной поверхности и магматизма.

 

С позиций большого круговорота рассматривается связь между развитием жизни на Земле, осадкообразованием, тектоническими явлениями и магматизмом. Именно в связях между поверхностными и магматическими процессами усматривается один из основных законов геологии, а сами процессы считаются различными проявлениями единого грандиозного по длительности и сложности процесса развития земной коры.

 

Все это позволило говорить о следующем законе прогрессивного развития земной коры (как биосферы, так и тектоносферы) : земная кора представляет собой сложную динамическую систему с обратными связями; непрерывное поступление в нее солнечной энергии, а также глубинной энергии Земли определяет направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого увеличивается их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается свободная энергия, уменьшается энтропия.

 

 

 

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