В. М. Гольдшмидта в Христиании.
Химия показала нам, что химические элементы суть те вещества, из которых построен земной шар, планета, на которой мы живем.
Обыкновенно принято считать, что первоначально земля была газообразной, затем она стала жидкой и еще позже перешла в твердое состояние.
Можно было бы думать, что первоначально земля представляла собой однородную, или по крайней мере, почти однородную, смесь химических элементов или их соединений.
Однако, в настоящее время в земле не наблюдается однородного распределения вещества. Распределение различных веществ в ней явно неоднородно и вещества, слагающие земной шар, также отнюдь не достигли окончательного состояния покоя; наоборот, еще теперь наблюдается живой обмен вещества. Мне хотелось бы соединить в одну большую систему обмена вещества все явления, которые привели к не однородному составу земного шара и которые до настоящего времени вызывают перемещение вещества.
Чтобы предварительно, в основных чертах, составить себе картину обмена вещества в земле, мы будем рассматривать весь земной шар, как одну физико-химическую систему. Состояние в данный момент физико-химической системы определяется свойствами ее химических составных частей, историей ее образования и внешними силами, действующими на систему.
Когда физико-химическая система обладает значительной массой, то к этому присоединяется еще действие силы тяжести, которое сама система оказывает на свои составные части; появляется поле силы тяжести, в основных чертах влияющее на распределение веществ, при чем более тяжелые составные части преимущественно скопляются в ядре системы, тогда как более легкие содержатся в оболочке. Такое разделение должно уже быть заметным в газообразной системе, в меньшей степени в однофазном жидком небесном теле. Однако, влияние поля силы тяжести на химическое разделение достигает наибольшего значения, когда небесное тело, при увеличивающемся остывании, становится системой из нескольких фаз, безразлично, будут ли эти фазы все жидкими, или же, как в земном шаре в настоящее время, частью газообразными, частью жидкими или твердыми. Таким образом и на нашей планете мы наблюдаем разделение на оболочки различной плотности, расположенные согласно удельному весу. Результаты работ астрономов, геодезистов, сейсмологов и петрографов привели меня к нижеследующему представлению строения земли.
От периферии к центру сперва следуют одна за другой — атмосфера, гидросфера и силикатная оболочка. За наружной силикатной оболочкой с плотностью 2,8 следует внутренняя силикатная оболочка, которой следует приписать более высокий удельный вес. Это оболочка, в которой главным образом встречаются очень плотные соединения обычных породообразующих элементов, кристаллические виды, устойчивые лишь при больших давлениях. Эту оболочку мне хотелось бы называть эклогитовой оболочкой, ибо для нее особенно характерны породы типа эклогита. Сейсмологические наблюдения привели к предположению, что эта оболочка достигает глубины около 1200 км., плотность ее можно принять равной около 3,6—4. За этой оболочкой находится следующая, которая состоит преимущественно из сульфидов и окислов, что я вывожу из петрографических соображений; и именно особенно из сульфидов железа, равным образом и из окисных соединений железа, хрома и титана, соответственно троилито-хромовым желвакам метеоритов. Плотность этой оболочки могла бы выражаться числом 5—6. Весьма возможно, что эта оболочка сама подразделяется на верхнюю, преимущественно окисную, и нижнюю, по преимуществу сульфидную часть. Под этой сульфидо-окисной оболочкой, как я бы хотел ее назвать, на глубине около 2900 км. мы встречаем дальнейшую, установленную сейсмологически, границу самого ядра земли, весьма вероятно состоящего из никкелевого железа с плотностью около 8.
Таким образом, согласно такому представлению, земной шар построен из оболочек, весьма различных по веществу, которые распределены согласно плотности под влиянием собственного поля силы тяжести. Такое концентрическое разделение связано с наличием сильного поля тяжести. Нам известны также физико-химические системы, сходные по веществу, в которых совершенно не произошло такое разделение или же оно имело место лишь в слабой степени. Представим себе небесное тело, настолько малое, что его поле силы тяжести не в состоянии преодолеть трения на границах фаз; в таком случае совершенно не было бы пространственного разделения, или лишь весьма несовершенное разделение, жидкого никкелевого железа от жидкой или твердой силикатной фазы, и по моему мнению в некоторых метеоритах, в так называемых паласситах мы имеем продукты таких малых небесных тел. В паласситах можно наблюдать круглые силикатные капли посреди никкеле-железного сплава, застывшего после силиката; эти включения возникли в слабом собственном поле действия силы тяжести, которая не могла вызвать полного разделения по плотности, несмотря на большое различие плотности силиката и никкелевого железа. На таком небесном теле не было бы возможности в доменной печи отделить железо от шлака.
Поле силы тяжести, которое таким образом обусловливает и намечает главные черты строения земли оказывает свое влияние и при дальнейшем разделении веществ земли, оно вызывает не только разделение, которое уже закончилось, но и такие явления обмена вещества, которые совершаются до настоящего времени.
В дальнейшем мы будем рассматривать наружные части нашей земли, главным образом силикатную оболочку. Последнюю можно рассматривать как обособленную физико-химическую систему. Для более подробного разбора этой системы мы должны знать ее химический состав. О среднем составе силикатной оболочки можно судить на основании анализов ее составных частей; такими составными частями являются породы. Для вычисления среднего состава мы выбираем такие породы, состав которых не подвергся изменению под влиянием обмена с атмосферой и гидросферой; иными словами невыветрившиеся изверженные породы как, например, гранит, сиенит, габбро и оливиновые породы.
Средний состав твердой земной коры, вычисленный Х. С. Вашингтоном на основании анализов изверженных пород, выражается в следующих цифрах2):
| А. Главные составные части: | |
| SiO2 | 59,09% |
| Аl203 | 15,35% |
| Fe2O3+FeO | 6,88% |
| MgO | 3,49% |
| CaO | 5,08% |
| Na2O | 3,84% |
| K2O | 3,13% |
| H2O | 1,14% |
| TiO2 | 1,05% |
| Р2O5 | 0,30% |
| 99,35% | |
| В. Второстепенные составные части: | |
| 0,01—0,1% Mn, F, Cl, S, Ва, Cr, Zr, С, V, Ni, Sr. | |
| 0,001—0,01% Li, Cu, Ce, Со, В, Be. | |
| 0,0001—0,001% Th, U, Zn, РЬ, As. | |
| 0,00001—0,0001% Cd, Sn, Hg, Sb, Mo. | |
| 0,000001—0,00001% Ag, Bi. | |
| 0,0000001—0,000001% Au. | |
| 0,0000000001—0,000000001% Ra. | |
Эти числа дают нам возможность судить о распространении отдельных элементов в доступной для нас земной коре. Особенно замечательна редкость большинства металлов, подвергающихся обработке — "металлов культуры", по сравнению с распространением некоторых веществ, которые обыкновенно считаются редкими и не имеют значения. Действительное среднее количество элемента однако отнюдь не является мерилом его "технической доступности". Техническая доступность металла, количество, которое можно дешево добыть нашими средствами напротив в первую очередь зависит от способности металла накопляться при природных обменных явлениях, способность его скопляться в "рудные месторождения", в которых возможна техническая добыча металла.
Поэтому природные передвижения вещества представляют не только научный интерес, но имеют также большое практическое значение, т. к. они приводят к тем обогащениям ценными веществами, которые составляют основы нашей материальной культуры.
Если рассматривать численные величины среднего состава силикатной оболочки, то особенно бросается в глаза, как указано выше, что большинство полублагородных металлов и все благородные металлы необыкновенно редки; очевидно, причиной этого является то обстоятельство, что при разделении земного шара на металлическое ядро, сульфидо-окисную оболочку и силикатную кору, в большей части именно эти ценные металлы не вошли в силикатный сплав.
В известной стадии остывания мы должны себе представить еще жидкий земной шар в виде трехфазной системы, если не принимать во внимание газовую оболочку системы, состоящей из весьма не совершенно смешивающихся расплавленных масс, а именно силикатной, сульфидной и металлической. Эти три части земного шара соответствуют разделению на "шлак", "металл" и "сернистое соединение" при металлургическом процессе плавления. Из металлургической практики нам известно, что в такой трехфазной системе коэффициенты распределения полублагородных и благородных металлов таковы, что в силикатный расплав, в шлак вступает лишь дробное число. Таким образом, нам становится понятной относительная редкость большинства обрабатываемых металлов, она является результатом величественного металлургического процесса плавления, на шлаковых продуктах которого мы живем. Х. С. Вашингтон указал на противоположность "металлогенетических" и "петрогенетических" элементов и это различие он поставил в связь с двойным разделением земли на силикатную оболочку и металлическое ядро. Причина этого различия, согласно моему представлению, кроется в коэффициенте распределения элементов между тремя жидкостями нашей трехфазной системы. Если нам известны числовые величины этих коэффициентов, а также можно указать изменение их под влиянием давления, то мы можем вычислить содержание металлов в сульфидоокисной оболочке и металлическом ядре, на основании среднего содержания металлов в силикатной оболочке. Такое вычисление, поддержанное металлургическими числовыми данными, обнаруживает, что главное количество никкеля, меди, серебра, золота и платиновых металлов обогащает более глубокие части земного шара. К этому присоединяется еще тот факт, что современное содержание таких металлов в силикатной оболочке меньше, чем оно было непосредствевно после разделения трехфазного сплава, ибо значительное количество тяжелых металлов из силикатной оболочки погрузилось путем вторичного отложения и выкристаллизации.
Платина должна была скопиться в железном шаре в подавляющем количестве. Этому вполне отвечает гораздо большее содержание платины в металлическом железе метеоритов, чем в какой-либо силикатной породе земной силикатной оболочки. Можно считать, что никкель земного шара в преобладающем количестве скопляется в железном ядре; по всей вероятности в последнем содержится от 6 до 10% никкеля, соответственно обычному содержанию никкеля в метеорном железе. В сульфидо-окисной оболочке также несомненно накоплен целый ряд тяжелых металлов, например медь, серебро и золото. Чрезвычайно интересным было бы проверить эти заключения точными анализами метеорного сернистого железа (троилита) в отношении содержания этих металлов. Особенно важным в астрофизическом отношении было бы сравнить количество этих металлов в троилитовых скоплениях метеорного железа и силикатных метеоритов, ибо при этом можно было бы получить указания, позволяющие судить или о совместном или же о различном происхождении этих двух классов метеоритов.
(пер. Э. Бонштедт).
1) Мы считаем весьма интересным поместить перевод начала блестящей речи проф. В. М. Гольдшмидта, сказанной им на Бунзеновском съезде в сентябре 1922 г. в Лейпциге (Zeit. f. Electrochemie XXVIII. 1922). Мы помещаем только интересные взгляды его на природу отдельных земных оболочек и воздерживаемся от перевода всей речи, касающейся главным образом вопросов химических превращений в земной коре.
А. Ф.
2) Для большого числа редких элементов пока нет возможности дать числовые данные.