Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Глава 3. Разберём Землю по кусочкам?

Ничего нельзя сделать из ничего, разве что глупость. Вы уже поняли — чтобы собрать молекулу, нужны атомы, а чтобы сконструировать атомы, нужны протоны, нейтроны и электроны. Но ведь нет такого склада, где протоны, электроны и нейтроны разложены по ящичкам, а ящички — по полочкам: приходи и бери, что нужно. И где, спрашивается, всё это взять? Всё это можно получить из других веществ, которые уже существуют. Физики-атомщики умеют разгонять в ускорителях разные атомы до безумных скоростей, сталкивать их и в результате столкновения получать другие атомы и элементарные частицы. А химики, которые неустанно изучают все мыслимые вещества на свете, умеют из одних веществ получать другие с помощью разных химических реакций.

Но вопрос остается — где взять эти самые исходные вещества? Черпать водород, гелий и космическую пыль гигантскими ложками из космического пространства мы ещё не научились. Но пока нам этого и не надо. Ведь у нас есть свой гигантский склад химических реактивов возрастом 4,5 миллиарда лет и весом миллиард триллионов тонн (6*1021 тонн) — наша замечательная планета Земля, которая сплошь состоит из самых разных веществ.

А давайте-ка пробурим гигантский туннель к центру Земли, пустим по нему прозрачный лифт и посмотрим, что там, на этом складе, припасено. Конечно, это чисто умозрительный эксперимент. Самая большая глубина, на которую удалось человеку вгрызться в Землю, пока составляет всего двенадцать с небольшим километров — это наша сверхглубокая скважина на Кольском полуострове. Вроде бы и много. Но для Земли это всё равно, что елочная иголка, впившаяся в кожу слона. Нам-то нужен туннель длиной 6 371 километр, именно таков радиус Земли. Иными словами, надо пробурить подряд 530 скважин таких, как Кольская, чтобы добраться до центра планеты.

И всё же ничто не мешает нам пуститься в мысленное путешествие. Картина, которая должна открыться нашему взору за прозрачными стенками лифта, сегодня подробно описана геофизиками, изучающими строение Земли. И хотя никто из них не щупал содержимого нашей планеты на глубинах больше двенадцати километров и уж тем более не видел сердца Земли — её ядра, внутреннее устройство нашей планеты довольно хорошо известно.

Но как же можно описать то, чего не видел, спросите вы? А ведь мы с вами уже знаем ответ на этот вопрос — по косвенным наблюдениям.

Учёные прослушивают, зондируют и просвечивают нашу планету — ну совсем как врачи, изучающие наш организм. С помощью рентгена, ультразвука и разных зондов, которые порой приходится глотать или пускать в путешествие по кровяному руслу, доктора рассматривают наши внутренности. А с помощью звука, доносящегося из холодного фонендоскопа, который врач прикладывает к нашей груди, — прослушивают лёгкие и бронхи: уж не началось ли там, тьфу-тьфу, какое-нибудь воспаление. Так и геофизики воздействуют на Землю — разными электромагнитными излучениями и сейсмическими волнами. Потом прислушиваются к эху, изучают отклик и делают выводы о том, в каком состоянии находится вещество на той или иной глубине — жидкое оно или твёрдое, каковы его плотность и температура.

Ну вот, мы уже в лифте. Светящийся экран, вмонтированный в пол, отсчитывает километры нашего погружения. Первый и самый короткий участок нашего пути — около 40 километров на равнинных участках Земли — пролегает через слой, который называется земная кора. Земля покрыта корой, как дерево.

Если крутить головой налево и направо, то, честно говоря, всё равно ничего не будет видно — под землёй кромешная тьма. Впрочем, у нас же в лифте есть мощные прожекторы, они нам немного помогут.

После тончайшего слоя почвы и глины мы погружаемся в каменный туннель с гранитными и базальтовыми стенками. Правда, иногда лифт проскакивает через водные, нефтяные и газовые слои, или горизонты, как их называют учёные, поэтому картина за стенами лифта всё же разнообразная. А тем временем становится всё жарче. На десятикилометровой глубине температура уже под двести градусов! А дальше — ещё горячее. Хорошо, что мы предусмотрительно, пусть и мысленно, надели теплозащитные костюмы.

Резкий звук сирены отвлекает нас от разглядывания содержимого земли. На экране под ногами высвечивается надпись: «Всем сесть в кресла и пристегнуть ремни. Через десять минут проходим границу Мохо!» Этим указанием пренебрегать нельзя. На границе Мохо, открытой в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем, будет трясти как при хорошем землетрясении. Эта зона высокой активности сейсмических волн опоясывает всю Землю на глубине от пяти (под дном океана) до семидесяти километров. Она отделяет земную кору от самой большой части Земли — мантии, на долю которой приходится 67% всей массы и около 83% всего объёма нашей планеты.

Путешествие сквозь мантию долгое и неинтересное — всё тот же гранитоподобный камень, только ещё более плотный и тяжёлый. Можно сказать, что в земной коре сосредоточены относительно легкоплавкие вещества, а в мантии — тугоплавкие. Так считают геофизики. Хотя на самом деле всё может быть и не так, ведь учёные добывают всё новые и новые данные и создают новые теории. Тем временем наш лифт проходит путь длиной более 2800 километров — всё равно что дважды съездить из Москвы в Санкт-Петербург и обратно.

На глубине 2900 километров мы подходим к границе мантии и ядра Земли. Дальше лифт отказывается ехать даже мысленно, потому что это смерти подобно. Ведь лифту придётся погрузиться в расплавленный металл, составляющий внешнюю оболочку ядра, пройти 2200 километров в этой раскалённой жиже и уткнуться в твёрдое ядро Земли. По мнению учёных, оно состоит из сплава железа и никеля с добавкой других элементов. Похоже, это «шарик» из сверхпрочной нержавеющей стали, из которой делают подшипники, только очень большой. Температура здесь адская — 5000 градусов, почти как на поверхности Солнца. Но ядро остаётся твердым из-за огромного давления. И очень плотным, так что пробурить через него туннель, даже гипотетически, невозможно.

А как же «Путешествие к центру Земли» Жюля Верна? Действительно, писатели-фантасты в своих романах не раз путешествовали к ядру нашей планеты. Но строгие геофизики не оставили нам ни малейшего шанса увидеть тот удивительный и красочный мир, который открылся под землёй героям романа Жюля Верна.

Впрочем, мы уже поняли, что нам с вами нет нужды забираться так глубоко. Ведь мы ищем нужные нам вещества, а их вполне достаточно в земной коре, которая совсем тоненькая, от пяти километров в океане до семидесяти километров в горах. И мы отлично умеем копать её и бурить.

Школьникам тоже ставят памятники, если этот школьник — Жюль Верн (Нант, Франция)

Говорят, что в Земле можно найти почти все элементы таблицы Менделеева. Ну если не все, то девяносто уж точно. Учёные даже прикинули, сколько атомов разных элементов пошло на строительство Земли. Это число столь велико, что у него даже нет названия. Возьмите листок бумаги, напишите единицу, а к этой единичке припишите ещё 50 нулей. Получится число, которое не умещается на одной строке тетрадной странички. О чём говорит нам это длиннющее, как змея, число? О том, что атомов в Земле не просто много, а фантастически много.

Что же это за атомы? Треть из них — атомы железа, еще почти треть — кислорода, шестая часть приходится на кремний, восьмая часть — на магний, двенадцатая часть — на серу, никель, кальций и алюминий. А для остальных элементов остаётся одна сотая часть. Таков состав элементов всего содержимого нашей планеты. Но нас с вами интересует только земная кора, на долю которой приходится всего лишь одна двухсотая часть земной массы. Хотя и это очень много, учитывая гигантский вес нашей планеты.

Из чего же состоит земная кора? Здесь меню побогаче и поразнообразнее.

Восемнадцать элементов — кислород (О) и кремний (Si), алюминий (Al) и железо (Fe), кальций (Ca) и натрий (Na), калий (K) и магний (Mg), водород (H) и титан (Ti), углерод (C) и хлор (Cl), фосфор (P) и сера (S), азот (N) и марганец (Mn), фтор (F) и барий (Ba) — составляют 99,8 % массы земной коры. Больше всего кислорода (половина массы земной коры) и кремния (четверть). А где же золото, серебро и платина, столь драгоценные и любимые нами металлы? Они тоже есть. Однако на их долю вместе с остальными десятками элементов приходится всего лишь одна пятисотая часть земной коры.

В земле много серых и невзрачных камней. Но расколешь такой булыжник, отшлифуешь и изумишься редкой красотой. Как, например, этого агата, найденного в Подмосковье

А вот еще одна редкость — самородок чистейшей меди, найденный в земле в Алтайском крае. Обычно медь встречается в природе только в виде соединений с другими элементами. (Этот красивый образец принадлежит компании «Русские минералы»)

Сера — ещё одно простое вещество, которое можно найти в земле. Например — вот такие кристаллы серы из Новояровского месторождения на Украине

Эти кристаллы, похожие на конфетки, — довольно редкий минерал ванадинит. Он содержит не только ванадий, как следует из названия, но еще и свинец. Так что класть их в рот не рекомендуется

Разумеется, все эти элементы не разложены по отдельным коробочкам, бутылочкам и ящичкам с соответствующими этикетками, как положено на настоящем складе химических реактивов. Элементы в чистом виде, то есть в виде простых веществ, встречаются в земле крайне редко. Это, например, самородное золото, замысловатые слитки которого, маленькие и большие, можно увидеть в минералогических музеях. Или жёлтая сера в восковых на ощупь кристаллах. А ещё — углерод в виде алмазов, из которых делают изумительные прозрачные бриллианты, блестящего чёрно-серого графита или чёрных угольных пластов. В основном же земные породы сложены из оксидов — так химики называют соединения элементов с кислородом в разных соотношениях. Вот почему кислорода в земной коре больше всего.

А ещё, помимо оксидов, в земных породах встречаются самые разные соли — так химики называют соединения атомов металлов с другими элементами. Например — наша поваренная соль, хлорид натрия, или пирит, сульфид железа, который блестит в камнях золотыми прожилками и часто сбивает с юлку искателей золота — очень уж похож.

А есть и более сложные соли, содержащие атомы металла, кислорода и ещё какого-нибудь элемента, например — карбонат кальция, он же белый мягкий мел, которым учительница пишет на доске. Это тоже природный камень, состоящий из атомов кальция, углерода и кислорода в соотношении 1:1:3. Чтобы более коротко записать состав этого вещества, химики используют такой прием: записывают в строчку символы элементов, а рядом с ними, чуть ниже, их относительное количество в веществе. Получается: Ca1C1O3 или, ещё проще, CaCO3. Коротко и ясно. Это называется химической формулой вещества.

Все эти вещества — твёрдые, они умеют образовывать кристаллы разного цвета, они смешиваются, переплетаются, врастают один в другой по велению природы. А в результате образуются самые разные камни — невзрачные, обычные, серенькие или яркие, с замысловатым узором и прожилками. Или прозрачные кристаллы разного цвета, которые называют драгоценными и полудрагоценными камнями. Песок и галька на пляже, скользкая глина на разбитых дорогах, камни в горах, которые сыплются из-под ног, — всё это застывший кристаллический коктейль из тех веществ, о которых мы только что с вами говорили. И все это называется минералами.

Откуда мы это знаем, спросите вы? А всё благодаря геологам, минералогам и геохимикам. Они неустанно исследуют то, что у нас под ногами. Геологи путешествуют по миру, по лесам, по горам, по долинам рек и пустыням с рюкзаком за спиной и со специальным молоточком в руках — собирают разные необычные камни и образцы пород. А минералоги и геохимики в лабораториях тщательно исследуют образцы — рассматривают рисунок, изучают блеск и излом камня, проверяют его магнитные свойства, просвечивают рентгеном и воздействуют химическими реагентами, чтобы узнать химический состав и кристаллическую структуру.

Эти удивительные кристаллы-кубики, похожие на золото, — вовсе не золото, а природный минерал пирит, соединение железа с серой. Из него можно получить железо. Кстати, размеры этих кристалликов невелики — два-четыре сантиметра. Нашли их на Урале и в Испании

На мой взгляд, «минерал» — очень красивое французское слово. Так называют все природные вещества с определённой кристаллической структурой и свойствами, которые образовались по воле природы. Они входят в состав земной коры, горных пород и руд.

Но это мы с вами уже знаем. А вот чего мы пока не знаем, так это сколько же минералов существует в природе. На этот вопрос не ответит ни один минералог. Он только скажет, что двести лет назад было известно менее ста минералов, а сегодня открыто более четырех тысяч. Причём каждый год учёные находят десятки новых, тщательно исследуют их, выносят результаты своих изысканий на суд научного сообщества и при положительном исходе присваивают ему имя. После этого новый минерал попадает в официальный каталог.

Среди этих четырёх тысяч лишь 20-30 минералов, главнейшие из которых — кварц, полевой шпат и роговая обманка, слагают большую часть земной коры, а остальные встречаются относительно редко. Если вы на проселочной дороге подцепили носком ботинка серый плоский камешек, то, скорее всего, это один из трёх перечисленных минералов.

Кстати, а откуда берутся имена минералов? Имена, как известно, дают родители. А родители минералов — это те исследователи, которые их открыли и изучили. В давние времена, сотни лет назад, минералы называли по имени места, где их находили. Например, топаз впервые обнаружили на острове Топазион в Красном море, а халцедон — вблизи одноименного города в Малой Азии. Впрочем, и современные геологи используют этот прём. Красивый минерал чароит, который обнаружили совсем недавно, лет тридцать назад, назвали по имени реки Чары на юге Якутии.

Часто в именах минералов «зашифровывали» их свойства, в первую очередь — цвет: рубин означает «красный», аквамарин — «цвета морской воды». Но часто основой для имени становилось строение камней. Вот, к примеру, полевой шпат. Из-за особенностей кристаллической структуры этот камень может раскалываться на тонкие пластины. Поэтому и называется он «полевой шпат» от древнегреческого spate — пластина. Или возьмем роговую обманку. Если разбить этот камешек, то на изломе он будет похож на чешуйчатый рог. Отсюда и название.

Иногда минералы называли по их свойствам, истинным или мифическим. Таков аметист, который в переводе с древнегреческого означает "неопьяняющий". Древние верили, что аметист защищает его владельца от пьянства

Минерал аквамарин действительно цветом напоминает морскую воду. Поэтому его так и назвали в очень давние времена — аквамарин (морская вода)

Иоганн Вольфганг Гёте был не только знаменитым поэтом и государственным деятелем, но еще и естествоиспытателем. Он создал теорию цвета и собрал замечательную коллекцию минералов.

Вот почему в его честь был назван минерал гётит, который изображен на фотографии. Кстати, это второй именной минерал в мире. Гётит — один из основных минералов, из которых получают железо. Этот образец нашли на Украине

Сегодня другая мода. Почти 40% всех названий минералов образованы от фамилий или имён разных людей. Эту моду ввёл в XVIII веке немецкий геолог Авраам Вернер. Первый именной минерал пренит — дело его рук. Он назвал его в честь полковника фон Прена, доставившего с мыса Доброй Надежды первые образцы этого минерала.

Поначалу мода приживалась с трудом, и в ход шли имена только важных особ. Например красивый камень александрит назвали в честь царя Александра II. Зато теперь во многих названиях мы слышим отголоски имён учёных, писателей, философов, поэтов, коллекционеров, артистов, политических деятелей... Всех не перечесть. Например, минерал беловит назван в честь кристаллографа и геохимика Николая Васильевича Белова, а биотит — в честь французского физика Жана Батиста Био, изучавшего магнетизм и оптику. В названиях камней увековечены имена знаменитых Пьера Кюри, открывшего элементы полоний и радий, Антуана Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности урана и его солей, и многих других.

Родители минералов не забыли и о космонавтах. В честь Юрия Гагарина, первого человека, совершившего полёт в космос в 1961 году, появился гагаринит. А фамилия американского астронавта Нила Олдена Армстронга, впервые ступившего на поверхность Луны, звучит в названии «армстронгит». В названии «гётит» читается имя знаменитого немецкого писателя и философа Иоганна Вольфганга Гёте, который, кстати, увлекался минералогией и собрал чудесные коллекции камней. А на кого вам намекают «рузвельтит» и «джефферсонит»? Не знаете? Спросите у папы. Он точно скажет, что здесь явно звучат имена двух президентов Соединённых Штатов Америки.

Открытие нового минерала по-прежнему остается событием в науке, потому что позволяет сделать ещё один шажок к пониманию того, как зарождалась и формировалась Земля и другие планеты. Не говоря уже о том, что новый минерал может быть полезен человечеству — мало ли что можно будет сделать из этого камня. И хотя за спиной минералогии сотни лет истории, эта наука по-прежнему хранит тайны.

Не исключено, что и вы увлечётесь красотой и гармонией, заключённых в камнях, станете известным учёным, откроете новый минерал и назовёте его в честь своей мамы. Вот уж она будет рада! Не зря уговаривала вас хорошо учиться и поступить на геологический факультет. Да и вообще, какая мама не желает своим детям добра? Нет таких.