Минералогия земли и небесных светил

 

Из каких минералов состоит вся наша Земля? Вопрос очень занимательный и интересный.

Прежде всего хочется думать, что из тех же минералов и горных пород, которые нас окружают и которые мы используем в нашей жизни. Наука, однако, дает нам совершенно другой ответ, и оказывается, что вся Земля в своих глубинах совсем не похожа на то, что мы видим непосредственно вокруг себя. Из нашего очерка вы увидите, что Земля по своему составу больше напоминает наше Солнце, чем знакомые нам известняки, песчаники, глины и граниты.

Мы знаем, что на поверхности Земли – там, где работает человек, – одних веществ больше, других меньше. Одни мы называем редкими и с трудом извлекаем их из земных недр для целей промышленности, других – сколько угодно под руками человека. Правда, такое различие зависит от того, что одни вещества очень сильно рассеяны в природе и не дают или редко дают большие скопления, другие, наоборот, часто образуют большие массы, которые человек называет в своей горной практике месторождениями.

Помимо этого, вещества действительно находятся в земной коре не в одинаковых количествах: на долю одних приходится почти половина земной коры, на долю других – только миллиардные доли. В 1889 году американский химик Кларк задумал вычислить средний состав земной оболочки. Оказывается, что из девяноста двух различных веществ, или, как их называют химики, химических элементов, только очень немногие вокруг нас находятся в большом количестве. Замечательно, что больше половины окружающей нас природы состоит из двух газов: кислорода и водорода. Только на третье место по объему мы можем поставить элемент кремний, который с кислородом образует минерал кварц. Но и кремния всего только пятнадцать процентов, а такие важные, хорошо знакомые нам металлы, как кальций (в известняке), натрий (в морской воде и поваренной соли), железо, входят всего лишь в количестве от одного до двух процентов.

Замечательная картина вокруг нас: природа на девяносто девять процентов построена только из двенадцати веществ, и, соединяя различным образом эти вещества между собой, мы и получаем все разнообразие и наших минералов, и продуктов жизни.

Но так ли обстоит дело и с другими частями нашей Земли? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны с вами мысленно проделать длинный и сложный путь от поверхности Земли к ее центру – путь дальний, больше шести тысяч километров, путь очень своеобразный и фантастический.

Я вспоминаю, как в 1936 году в Чехословакии я спускался в глубочайшую в Европе шахту. Мы летели вниз на площадке открытого электрического лифта со скоростью восьми – десяти метров в секунду; свистел ветер, скрипели продольные рельсы, воздух становился влажным и теплым. Через несколько минут мы были на дне шахты; в ушах звенело, сердце усиленно билось, температура вокруг была около 38 °C – влажная температура тропиков. А ведь мы были всего лишь на глубине в тысячу триста метров, то есть проделали только одну пятитысячную часть нашего мысленного путешествия к центру Земли. В самой глубокой шахте, которую пробил человек, он смог спуститься только на два с половиной километра (золотой рудник в Африке). Вся деятельность человека, его работа и странствования, его жизнь связаны с маленькой, тоненькой пленкой коры нашей планеты.

Однако человек старается выйти за пределы этого маленького мира. Он всеми способами пытается изобрести такие глаза, которые помогли бы ему проникнуть в неведомые глубины и понять то, что находится так близко, непосредственно под его ногами. Но пока он знает только одну пятитысячную часть этих глубин.

Правда, не непосредственно своими глазами, а своим инструментом человек проникает гораздо дальше в глубины Земли. В последние годы, благодаря применению алмазного бурения с коронками, увенчанными твердыми кристаллами алмаза, ему удается проникнуть до глубины больше четырех с половиной километров и оттуда вытащить цилиндрики с породами и минералами, – но ведь и это все ничтожно по сравнению с земным радиусом![11]

Сама природа приходит, однако, человеку на помощь. Глубокие области Земли под влиянием геологических сил неожиданно поднимаются кверху; глубины океанов с их минеральными осадками превращаются в высочайшие горные хребты; по расколам и разломам Земли выливаются из глубин расплавленные лавы. Тонкими геологическими методами схватывает все это ученый, и в свои кабинеты он может принести кусочки минералов и пород, которые образовались далеко за пределами его непосредственного наблюдения, иногда на глубинах пятнадцать – двадцать километров.

Но и это нас не очень устраивает: до центра Земли за этими пятнадцатью километрами все‑таки остается больше шести тысяч, то есть расстояние от Ленинграда до Читы в Забайкалье, а ведь шестнадцать километров по той же дороге – это только село Рыбацкое под Ленинградом.

Что же мы знаем о глубинах нашей Земли и о тех веществах, из которых она состоит?

Знаем мы довольно мало, но за последние годы кое‑что новое в науке начинает нам раскрывать глаза. Мы сейчас знаем, что удельный вес Земли 5,52, что она в среднем в пять с половиною раз тяжелее воды; а между тем обычные камни нашей поверхности – известняки, песчаники, граниты – только в два‑три раза тяжелее воды. Надо думать, что в глубинах содержатся гораздо более тяжелые вещества, чем вокруг нас. Далее, мы знаем, что в пределах пятнадцати – двадцати километров, о которых мы говорили, наблюдается некоторое изменение состава с глубиной. Некоторых металлов – железа и магния – делается больше. Можно думать, что и дальше к центру Земли это будет продолжаться. Это еще не все: наша Земля есть одно из небесных тел, и потому очень заманчиво сравнение ее с Солнцем, звездами и кометами. И, как ни странно, о составе многих из этих отдаленнейших тел мы знаем гораздо больше, чем о глубинах Земли. Даже частицы этих тел иногда к нам залетают в виде метеоритов, и мы по небольшим кускам этих гостей из неведомых миров кое‑что начинаем понимать о веществе, из которого построен весь мир.

Но особенно замечательные сведения дала нам за последние годы наука о землетрясениях. Землетрясение – это колебание Земли, которое волнами передается во всех направлениях из тех точек, где оно возникло. Одни волны таких колебаний идут по самой поверхности Земли, другие пересекают Землю во всех направлениях. Когда возникает землетрясение, – например, в Японии, или, вернее говоря, где‑то в глубинах под Японией, – тогда на каждую сейсмическую станцию, где установлены точные приборы, доходят две волны: одна идет вокруг Земли, другая через Землю. И вот оказалось, что эти волны, проходя через Землю, идут в ней с разной скоростью, так как на разных глубинах они встречают различные вещества. В наружных – медленнее, в глубоких – скорее, так как вещество там плотнее, тяжелее. Можно даже на основании изучения волн установить те глубины, на которых происходит изменение в составе Земли.

Теперь, после всех этих предварительных сведений, мы можем начать наше путешествие в глубину, в область громадных давлений и больших, правда нам еще не известных, температур. При нашем путешествии надо помнить, что только в небольших глубинах, от тридцати до ста километров, в самом начале путешествия, мы можем попасть в раскаленную, расплавленную массу; дальше с глубиной ее свойства перестанут нам напоминать жидкости, и мы будем в области вещества, похожего на твердое, хотя и сильно нагретое стекло.

Мы начинаем наше путешествие с поверхности, хорошо нам знакомой. Большие материки, на которых мы живем, как бы плавают на поясе окружающей всю Землю темной породы – базальта. В материках преобладают граниты, их удельный вес около 2,5; в них много кислорода и кремния. Это – самая поверхностная корка. Под ней базальтовый пояс из более тяжелых пород. Железа в нем больше: он в три с половиной раза тяжелее воды, – и уже на глубинах тридцати километров благодаря теплу радиоактивного распада в нем возникают очаги огненно‑жидкой магмы.

Так продолжается дальше до тысячи двухсот километров: это каменный пояс Земли, и в самых больших его глубинах, ниже расплавленных очагов, мы встречаемся снова с тяжелыми породами – эклогитами, вероятно по внешнему виду и строению напоминающими стекло. Глубокие взрывы вулканов иногда нам приносят кусочки этих пород, и в воронках от этих взрывов, в знаменитых копях Южной Африки, мы находим кристаллики дорогого алмаза.

Ниже, от тысячи двухсот до двух тысяч девятисот километров, идет рудный пояс; здесь накоплены руды железа: магнитный железняк, железный колчедан. К ним примешиваются руды металлов хрома, титана; много металлического железа, кислорода меньше; вся масса в пять‑шесть раз тяжелее воды. Давление сверху так велико, что, несмотря на высокую температуру, все находится в твердом состоянии.

Но вот за пределами двух тысяч девятисот километров мы входим в центральное ядро нашей Земли; оно раз в одиннадцать тяжелее воды и в полтора раза тяжелее стали. Здесь царствует железо, которому принадлежит больше девяноста процентов; к нему примешиваются металл никель, немного серы, фосфора и углерода.

Каков же состав всей нашей Земли и какие вещества (элементы) играют в нем главную роль? По‑видимому, мы сейчас можем это сказать и написать их подряд, сначала более важные, а потом менее важные: железо, кислород, магний, никель, сера, кальций, алюминий, натрий, марганец, калий, углерод, водород, фосфор, кобальт.

Как же образовалась наша Земля, почему же в ней около сорока процентов железа и почему так распределились в ней вещества? Для нас было бы много выгоднее, если бы железных руд было больше на поверхности Земли и мы могли бы в нашем хозяйстве не заботиться о будущем и не бояться железного голода.

Десять разных теорий пытаются объяснить эту задачу. Самое вероятное объяснение, что наша Земля образовалась из мелких космических обломков, которые собирались вместе; на них падали новые обломки, – все это перемешивалось, расплавлялось, и при этом тяжелые вещества опускались в глубины, к центру, а легкие всплывали на поверхность, застывая в виде каменного пояса.[12]

Это объяснение кажется убедительным: при изучении состава небесных тел мы встречаем те же вещества, что и на Земле. Правда, мы знаем минералогию небесных светил еще очень мало. Ученые лишь догадываются о тех породах и минералах, которые встречаются, скажем, на Луне, по падающим на Землю камням; знают минералы мелких космических тел, может быть комет.

Минералогия Луны, планет, комет и звезд – это еще огромная область будущего, и перед нами стоит задача узнать минералогию глубин Земли и сравнить между собой минералы Вселенной…[13]

Вы видите, что наше путешествие к центру Земли увлекло нас к далеким мирам неба, и мы – минералоги земной коры – не в полете фантазии, а в глубоком научном анализе пытаемся проникнуть нашими глазами во всю Вселенную. Мы начинаем понемногу понимать весь мир, и нам сейчас кажется, что вся Вселенная со всеми своими кометами, звездами, туманностями и планетами построена довольно однообразно. Одни и те же вещества составляют ее основу, двенадцать – пятнадцать химических элементов как бы оказываются главными, а среди них первое место занимают железо, кремний, магний и газы – водород, кислород и гелий. Наша Земля лишь кусочек этой Вселенной, и ее законы – законы всего мироздания.

 

Кристалл и его свойства

 

 

Рис. 2. Кристаллизатор с растущими кристаллами. Один из них подвешен на ниточке

 

Рис. 3. Природные формы кристаллов разных минералов: корунда, берилла, везувиана, граната, топаза, лейцита

 

Чтобы понять, что такое кристалл, мало полюбоваться на красивые кристаллы кварца и топаза в Минералогическом музее, мало восхищаться зимой звездочками снега на темном фоне нашего рукава, мало наблюдать в сахарном песке сверкающие, как алмаз, маленькие кристаллы сахара, – надо самому растить кристаллы, изучать их жизнь.

Давайте займемся этим! Купим в магазине химических реактивов двести граммов квасцов (простых, белых) и медного купороса, возьмем два плоских стеклянных стакана – кристаллизатора – и будем заниматься кристаллизацией. Растворим сначала в стакане простой горячей водой соль квасцов, но так, чтобы вода не могла всего растворить, а чтобы на дне еще оставалась соль. Потом охладим воду и заметим, что количество осадка немного увеличилось. Часа через два осторожно сольем наш раствор в кристаллизатор, поставим его на окно и покроем аккуратно бумажкой. То же самое проделаем и с медным купоросом и получим второй раствор – ярко‑синий – в другом кристаллизаторе.

На следующее утро мы увидим, что на дне обоих стаканов выпал осадок маленьких кристалликов: одни очень маленькие, другие побольше. Осторожно сольем наши растворы в стаканы, а сами выберем щипчиками наиболее крупные и аккуратные кристаллики, пять‑шесть штук, вытрем их мягкой промокательной бумагой. Теперь очистим от мелкого сверкающего осадка оба кристаллизатора, хорошенько вымоем их и вновь вольем в них наши растворы, а потом осторожно щипчиками положим на дно отобранные кристаллики так, чтобы они не касались друг друга. Мы могли бы сделать еще иначе: накануне опустить в раствор ниточку, которая покрылась бы кристаллами; мы могли бы оставить из них только один или два, а затем ниточку снова опустить в наш кристаллизатор так, как это изображено на рис. 2. Через день утром, приподняв бумажку, мы увидим, что кристаллики немного выросли; мы осторожно их повернем на другой бок и снова оставим на сутки. Так день ото дня они будут расти и увеличиваться. Правда, иногда мы заметим, что вокруг них снова осели маленькие сверкающие кристаллики. Тогда надо почистить стакан, вынуть наших питомцев, все хорошо промыть, вытереть и снова, налив все тот же раствор, осторожно положить наши кристаллики. Так будут расти на наших глазах кристаллы, и мы можем каждый день следить за их ростом и на тысячу ладов менять эти опыты и изучать целый мир явлений кристаллизации.

Прежде всего мы подметим, что все кристаллы в одном и том же кристаллизаторе совершенно одинаковы, но вместе с тем кристаллы квасцов совсем не похожи на кристаллы медного купороса.

Мы можем сделать несколько опытов: положим кристаллы чистых белых квасцов в наш кристаллизатор с купоросом. Никакого толку из этого не выйдет: кристаллики или растворятся, или покроются в беспорядке мелкими синими блесточками. Но сделаем опыт иначе: возьмем хромовые (красно‑фиолетовые) квасцы и по всем правилам нашего искусства будем их кристаллизовать в отдельном кристаллизаторе. Потом опустим в него наши белые кристаллы квасцов, а красные квасцы поместим в белый раствор; получится интересная картина: красно‑фиолетовые кристаллы будут продолжать расти и обрастать белыми, а белые – наоборот. Можно даже получить полосатые (зонарно окрашенные) кристаллики, поочередно перемещая их.

Можно сделать еще так: прибавить к раствору белых квасцов буры и начать кристаллизацию; кристаллы наших квасцов будут расти, но не станут во всем похожими на первые. Мы подметим в них кроме восьми сверкающих граней‑плоскостей еще шесть неправильных. Можно прибавлять другие примеси, и наши кристаллики будут каждый раз изменять свой внешний облик.

Обломаем теперь уголок кристалла и положим его в раствор – уголок скоро зарастет, и кристалл сам себя вылечит.

Обломаем у него все углы, обточим ребра, окатаем наш кристаллик в шар и снова опустим в раствор, – медленно, но постепенно он зарастет гранями, и в этом случае из него опять‑таки вырастет большой кристалл.

Опытный кристаллограф на тысячу разных ладов может менять свои опыты, и каждый раз он будет убеждаться, что целый ряд законов, очень строгих и очень постоянных, управляет миром кристаллов.

На особых точных приборах, называемых гониометрами, он производит измерение таких кристаллов и очень скоро убеждается, что у них, например, величина углов весьма постоянна и что у кристалла квасцов угол его пирамидки, где бы и когда бы мы его ни измеряли, равен очень точно определенному числу градусов: 54 градуса, 44 минуты и 8 секунд.

Ученый, изучающий горные породы и минералы, готовит из кристаллов тонкие пластинки (шлифы) толщиною в сотые доли миллиметра и пропускает через них луч света. В большинстве кристаллов этот луч расщепляется на два луча с совершенно особыми свойствами. Кристаллограф видит замечательное разнообразие свойств и признаков: один и тот же кристалл в разных своих частях обладает разной твердостью; в одних направлениях он пропускает электричество, в других – нет.

Целый новый мир открывается перед исследователем кристаллов, и постепенно выясняется, что построенное по строгим законам вещество наполняет весь мир.

Ученый любуется не только большими розовыми кристаллами полевых шпатов в гранитах наших набережных. Он видит кристаллы под микроскопом, когда изучает тонкие пластинки наших известняков или песчаников. Он их подмечает в еще более тонких приборах – рентгеновских аппаратах – в самой простой глине или даже в саже дымовых труб. И почти нет кусочка природы, где бы законы кристаллов не управляли веществом.

Вот почему, читатель, надо вам углубиться в изучение роста кристаллов. Кристаллизуйте разные соли, задумывайте разные опыты, залечивайте обломки, растите шарики, каждый день заботьтесь о ваших питомцах и проникайте в великие законы мира – законы кристалла.

Мы воспринимаем мир в совершенно особом виде, и, как ни проницателен наш взор, он видит предметы лишь определенных величин.

То, что стоит за пределами чувствительности глаза, нам недоступно. Горы, леса, люди, звери, дома, камни, кристаллы, вся обстановка окружающей жизни – все это мы различаем нашими глазами. Но мы не можем рассмотреть, как построена каждая вещь или предмет, как из мельчайших клеточек построено живое вещество и как из еще более мелких кирпичиков построена вся природа.

Представим себе на минуту невозможное: наши глаза превращаются в увеличительное стекло и способны увеличивать все в десятки миллиардов раз, а сами мы, подобно Гулливеру, остаемся такими же, какими являемся сейчас. Все окружающее нас – горы, моря, города, деревья, камни, простор полей – все исчезает, и мы попадаем в какой‑то новый, странный мир.