Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2

Журнал «Домашняя лаборатория»

Родственные по периодической системе элементы ведут себя в земной коре далеко не одинаково. Так, К и Na, Fe и Ni, Cl и I, Сr и Mo — аналоги в химии, но в земной коре мигрируют по-разному. Это связано с тем, что для геохимии часто основное значение имеют такие свойства элементов, которые с общехимических позиций второстепенны: обратимость или необратимость миграции, радиоактивность, способность давать минералы и т. п.

Многие элементы с одинаковыми кларками ведут себя в земной коре резко различно (Ga, N и Со, Sn и U и т. д.), а элементы с различными кларками — сходно (S и Se, Са и Sr и т. д.). Таким образом, миграция элементов в земной коре зависит не только от их химических свойств, но и от кларков.

Химические элементы, ионы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, именуются ведущими. Число их невелико. Например,

геохимия гидротермальных систем во многом определяется S, SiO₂, F, Cl, СO₂, Н⁺ и ОН — ионами. Геохимическое своеобразие океанов определяется О, растворенным в воде, Cl, Na⁺ и небольшим числом других элементов. В таежных болотах ведущими являются Fe²⁺, Н⁺, Мn²⁺ и т. д. Химические элементы с низкими кларками не могут быть ведущими из-за малых концентраций в системах — они вынуждены мигрировать в той обстановке, которую создают ведущие элементы. Различия в кларках определяют ведущую роль S и второстепенную Те, ведущее значение Na и не ведущее Rb, Li, Cs. Редкие элементы в местах их концентрации (например, в месторождениях) становятся ведущими (Hg, U, Мо и т. д.).

Ведущее значение элемента зависит не только от его кларка и концентрации в данной системе. Важно, чтобы элемент мигрировал и накапливался в системе. Распространенные, но слабо мигрирующие элементы не являются ведущими. Один и тот же элемент в разных системах может быть и ведущим, и второстепенным. Например, Fe имеет ведущее значение во многих гидротермальных системах, но его роль невелика в почвах пустынь, водах океана. Наконец, если элемент энергично мигрирует, но не накапливается, он также не является ведущим. Так, Na и Сl энергично выщелачиваются из кислой коры выветривания и не являются там ведущими. Только в соляных озерах, где Na и Сl мигрируют и накапливаются, они становятся ведущими.

Понятие о парагенезисе элементов ввел в 1909 г. В.И.Вернадский, имея в виду их совместную концентрацию. Парагенная ассоциация элементов обусловлена единым процессом, она может быть как одновременной, так и неодновременной, связанной, например, с последовательным осаждением элементов при постепенном охлаждении расплава или раствора. В дальнейшем парагенезису элементов уделялось много внимания в Трудах В.М.Гольдшмидта, А.Е. Ферсмана, А.А.Саукова, В.В.Щербины, А.С.Уклонского, К.А.Власова и других геохимиков, так как одна из главных задач геохимии и состоит в изучении парагенных ассоциаций элементов. Чисто пространственную ассоциацию элементов и минералов, не связанную генетически, В.И. Лебедев именует парастерезисом. Наиболее изучены парагенные ассоциации элементов в минералах. Парагенезис главных элементов, как правило, объясняется законами кристаллохимии (например, Fe и S в пирите, Fe, Mg, Si, О в оливине и т. д.).

Более сложны и разнообразны парагенезисы элементов — примесей. Так, для оливина характерна примесь Ni, Со, для халькопирита — часто Re, In, Se, Те, Ge, An, Ni, Co, Ag, Cd, Tl, As, Sb, Pt, Pd, для полевых шпатов — Rb, Cs, Li, Tl, Be, Ca, Ba, Sr и др., для уранинита — Pb, Ra, He. Причины образования подобных ассоциаций различны: близость ионных радиусов, радиоактивный распад, сорбция и т. д. Хорошо изучены также парагенные ассоциации элементов в горных породах и рудах. Например, для ультраосновных пород характерна ассоциация Mg, Cr, Ni, Со, Fe, Мп, Pd, Pt, для пегматитов — К, Rb, Li, Cs, Be, TR, Zr, Nb, Та, F, В и др., для многих экзогенных урановых руд — Mo, Se, V, Re.

Кроме парагенных, различают запрещенные ассоциации элементов (отрицательный парагенезис), т. е. ассоциации, невозможные в данной системе. Примером отрицательного парагенезиса служат Ni и Ва в минералах, Сг и U в рудах, Си и Мп в осадочных формациях.

_{Источник: А.И.Перельман «Геохимия», М., Высшая школа, 1989.}

• ВОПРОС № 42: Сколько планет в солнечной системе имеют кольца? Как и почему они образовались? Какое значение они имеют для планет?

ОТВЕТ: Открытые в XVII в. кольца Сатурна постоянно будоражили воображение исследователей своей уникальной формой. Кольца Сатурна исследовали такие блестящие астрономы, механики и математики, как Г.Галилей, X. Гюйгенс, Ж.Д.Кассини, П.С. де Лаплас, Дж. К.Максвелл,

А.Пуанкаре.

Кант был первым, кто предсказал существование тонкой структуры колец. Сатурна. Пользуясь своей моделью протопланетного облака, он представлял себе кольцо в виде плоского диска из сталкивающихся частиц, вращающихся дифференциально вокруг планеты по закону Кеплера. Именно дифференциальное вращение, согласно Канту, является причиной расслоения диска на серию тонких колечек. Позднее П.С. де Лаплас доказал неустойчивость твердого широкого кольца. В середине прошлого века многие астрономы (Вика в Риме, Бонд в СШЛ, Струве в России, Доуес и Лассель в Англии) обнаружили всего десять колечек вокруг Сатурна. Выдающийся вклад в исследование устойчивости колец Сатурна внес в это же время Дж. К. Максвелл, получивший премию Адамса за труд, в котором он показал, что такие узкие кольца также неустойчивы и будут падать на планету. И хотя вывод Максвелла о падении гипотетического сплошного ледового кольца на планету был неправильным (такое кольцо гораздо раньше должно развалиться на куски), следствие из него — о метеорном строении колен Сатурна — оказалось верным. Так, к концу XIX в. гипотеза метеорного строения колец Сатурна, высказанная впервые Ж.Д.Кассини, получила теоретическое, а в 1893 г. — наблюдательное подтверждение в работах Дж. Килера и А.А.Белопольского, измеривших скорости дифференциального вращения колец.

В течение XX в., шло постепенное накопление новых данных о планетных кольцах: получены оценки размеров и концентрации частиц в кольцах

Сатурна, спектральным анализом установлено, что кольца — ледяные, открыто загадочное явление азимутальной переменности яркости колец Сатурна. Размеренный темп научной деятельности сменился бурным подъемом всеобщего интереса к планетным кольцам в конце семидесятых годов, когда 10 марта 1977 г. несколькими исследовательскими группами независимо были открыты узкие и далеко отстоящие друг от друга угольно-черные кольца Урана. Открытие было сделано совершенно случайно, когда, готовя аппаратуру для исследования параметров атмосферы Урана методом покрытия звезды и заранее настроив приборы, исследователи обнаружили короткие затмения при подходе звезды к планете и при ее удалении. Наилучшие снимки получились с помощью телескопа летающей Койперовской обсерватории.

Через два года — 4 марта 1979 г. американский межпланетный аппарат «Вояджер-1» обнаружил прозрачные каменные кольца и вокруг Юпитера. В начале 80-х годов кольца Сатурна исследовались наиболее интенсивно. В их окрестности работала серия американских космических аппаратов: «Пионер-11» (октябрь 1979 г.), «Вояджер-1» (ноябрь 1980 г.), «Вояджер-2» (август 1981 г.). В январе 1986 г. «Вояджер-2» исследовал кольца Урана. В августе 1989 г. этот аппарат встретился с Нептуном, вокруг которого несколько лет назад методом покрытия звезды были обнаружены незамкнутые кольца (или «дуги»). «Вояджер-2» уточнил земные наблюдения: «дуги» оказались более плотными частями замкнутых колец.

На сегодняшний день из удаленных планет только у Плутона не обнаружены кольца. Как ни странно, эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения: совсем недавно были открыты новые спутники Урана, а с помощью «Телескопа Хаббла» удалось получить четкую фотографию Плутона.

Фактически, за последние годы был открыт и изучен новый класс объектов Солнечной системы. Планетные кольца оказались обязательным элементом и закономерным явлением в спутниковых системах планет-гигантов, естественно, что обилие экспериментального материала не могло не вызвать интенсивного развития теоретических моделей. Это не просто интерес к новым астрономическим объектам. Все большее распространение получает мнение, что планетные кольца — ключ к пониманию космогонии всей Солнечной системы. Ведь кольца на сегодняшний день являются единственными, доступными для детального изучения, представителями дифференциально-вращающихся дисков неупругих частиц. Исследование таких дисковых систем имеет принципиальную важность для космогонии, так как на протостадии это самый распространенный тип динамической системы (протопланетное облако, протоспутниковые диски, протокольца планет). К этому же классу объектов нужно отнести и протопланетные облака вокруг других звезд, аккреционные диски в системах двойных звезд, галактические и протогалактические диски. Таким образом, планетные кольца предоставляют уникальную возможность получить важнейшую информацию о коллективных и других процессах, протекавших на стадии образования планет и Солнечной системы.