Соль земли
И другие полезные ископаемые, в которых отразилась история планеты
Находясь на Земле, мы с трудом можем осмыслить тот факт, что 99% вещества бескрайней Вселенной составляют лишь два химических элемента – водород и гелий. Наша планета – ничтожная песчинка в океане космоса – дает нам все необходимое: от пищи и кислорода для жизнедеятельности до топлива и минерального сырья для решения самых изощренных технических задач.
Мы привыкли к тому, что здесь добывают соль, там – нефть, где-то еще – золото. Между тем каждый такой случай – это скорее аномалия. Большинство ценных для нас веществ присутствуют в окружающем мире в небольших, а то и в ничтожных количествах. Но разные удивительные фокусы природы приводят к тому, что в каких-то местах концентрация этих веществ оказывается в тысячи, миллионы, миллиарды раз выше средней. Когда такой природный концентрат становится выгодным для промышленной разработки, мы говорим о месторождении. Да, месторождение – понятие экономическое.
Происхождение этих сокровищ тесно связано с историей нашего уголка космоса, в том числе с развитием жизни на Земле. Мы рассмотрим шесть очень разных полезных ископаемых, нынешние запасы и месторождения которых формировались в глубокой древности. В них запечатлелась история сложнейших процессов, сделавших нашу планету такой, какой мы знаем ее сегодня.
Золото
На этот ценный металл приходится лишь один из 3 млрд атомов в земной коре. А теперь задумаемся: в крупинке золотого песка миллиарды миллиардов атомов золота. Как они все, эти редчайшие атомы, собрались вместе? А ведь бывают еще золотые самородки весом в десятки килограммов!
Детали природного процесса, концентрирующего редкие атомы, еще уточняются, но в общих чертах он понятен. Поскольку золото – тяжелый металл, в глубинах Земли его больше, чем на поверхности. Наверх оно поступает в составе магматических пород, которые постепенно размываются подземными жидкостями. При циркуляции по трещинам горных пород у них меняется температура и химический состав, и при удачном сочетании условий частицы золота оседают на стенках трещин. На появившуюся позолоту с большей вероятностью садятся новые атомы золота. Так формируется золотая жила.
Поскольку гидротермальные источники очень изменчивы, золотые жилы должны формироваться быстро. В свежей работе канадских геологов говорится, что их наполнение может происходить всего за несколько лет, а иногда и дней. Все дело в том, что золото образует заряженные наночастицы, которые отталкиваются друг от друга. Однако при скачке кислотности раствора, например из-за смешивания с морской водой, наночастицы теряют заряд, слипаются в хлопья и выпадают из раствора. Так концентрация золота увеличивается до значений, с которыми имеют дело золотодобытчики. При эрозии богатых жил частички золота, отложившиеся в трещинах породы, отделяются от основы и отлагаются заново, продолжая укрупняться. Так в несколько стадий природа обогащает золото в сотни миллионов раз, образуя золотые россыпи и самородки.
А нельзя ли проделать нечто подобное искусственно? Об этом впервые задумались еще полтора века назад, когда британский химик Эдвард Сонстадт сообщил, что морская вода содержит 65 мг золота на кубометр. Если пересчитать на весь Мировой океан, получалось, что в нем растворено почти 100 миллиардов тонн золота. Сразу появилось множество изобретателей и мошенников, желающих добывать это золото. Крупнейшая афера к моменту ее разоблачения в 1898 году собрала миллион долларов (более 30 млн по нынешнему курсу) на производство «золотых накопителей», обогащающих морскую воду.
Куда серьезнее подошел к делу немецкий химик Фриц Габер. Он, правда, измерил, что золота в море в 10 раз меньше, 5–10 мг/м3, но и это было очень привлекательно, особенно в свете наложенных на Германию контрибуций, эквивалентных пятидесяти тысячам тонн золота. Габер потратил пять лет на исследования, но в итоге убедился в ошибочности своих измерений и объявил, что содержание золота в морской воде в 1000 раз меньше: 5–10 микрограмм на кубометр. Получалось, что золота в океанах лишь 10 млн тонн.
Казалось бы, тема закрыта, однако в последние годы интерес к ней снова стал подниматься. Кто-то предлагает использовать ионообменные смолы, кто-то – полимерные губки или генетически модифицированных бактерий-золотоизвлекателей. Вот только многие изобретатели не в курсе, что данные Габера устарели: к концу XX века оценки снизились еще на три порядка. Это всего несколько десятков тысяч тонн золота на весь океан. Если учесть, что в мире добывают около 3500 тонн золота в год, то океан как источник золота окончательно теряет свою привлекательность и остается полагаться на природные обогатительные процессы.
Железо
Железо – уникальный элемент. Среди всех других его ядра обладают наибольшей энергией связи. Ядрам более легких элементов энергетически выгодно сливаться, это происходит в звездах и дает им энергию, а ядрам более тяжелых – распадаться, как на атомных электростанциях. Железо – конечная станция в цепочке звездных термоядерных реакций.
По массовой доле в Солнечной системе железо уступает лишь кислороду, углероду и неону, а в составе Земли оно и вовсе стоит на первом месте. На железо приходится 32% массы нашей планеты – это больше, чем кислорода, которого 30%. Так что Земля скорее железная, чем каменная планета. Вот только из-за большой атомной массы почти все железо «утонуло», образовав ядро Земли, а в земной коре его осталось лишь около 5%.
Конечно, 5% – это немало, если сравнивать с медью (0,006%) или золотом (0,0000004%), но железо распределено в коре неоднородно. Значительная часть сконцентрирована в так называемых полосчатых формациях, сложенных железистыми кварцитами. В них прослойки кварца чередуются с железистыми минералами гематитом или магнетитом.
Некоторые такие месторождения были обнаружены именно благодаря магнетиту, создающему магнитные аномалии. Так еще в XVIII веке был открыт крупнейший на Земле железорудный бассейн – Курская магнитная аномалия. Другой пример – Сарбайское месторождение в Костанайской области Казахстана. В 1949 году летчик Михаил Сургутанов заметил странное поведение компаса на определенных маршрутах. Составив карту аномалий, он направил ее в геологическое управление, и вскоре на глубине в десятки метров буровики обнаружили железную руду. Летчика признали первооткрывателем и наградили Ленинской премией.