Инертные газы в земле и атмосфере

ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ В ЗЕМЛЕ И АТМОСФЕРЕ

Земная кора — это наружная каменная оболочки Земли, расположенная над глубинной оболочкой, называемой мантией. Толщина земной коры меняется от 15 до 70 км. Большая по горными хребтами, она уменьшается под дном океана и крупными впадинами; на континентах она составляет в среднем 35—40 км. Куда больше толщина мантии — примерно 2800 км. Если масса земной коры принимается равной 5 · 10¹⁹  т, то мантия весит приблизительно в 100 раз больше. А масса вод земной поверхности в 20 раз меньше, чем земной коры.
 
В дальнейшем изложении наряду с термином «земная кора» будет встречаться и слово «литосфера». Это не равнозначные понятия. Литосфера включает земную кору вместе с подстилающим ее верхним слоем мантии пониженной твердости. Этот слой может быть прерывистым, его нижняя граница находится на глубинах 250—350 км.
 
В земной коре инертные газы встречаются повсеместно, но их пространственное распределение далеко не так равномерно, как в атмосфере. В отдельных местах концентрации разнятся между собой на несколько порядков, Основные источники поступления наших газов в лито-и гидросфере те же, что и в атмосфере — это неизбежно следует из постоянного контакта и газообмена между названными средами. В общем одинаков и изотопический состав их инертных газов. Количественное же распределение изотопов отдельных газов в лито- и гидросфере неравномерно; здесь нередки разительные контрасты.
 
Естественно думать, что процессы образования инертных газов, о которых говорилось выше, происходят не только в земной коре, они захватывают и мантию. Никто не исследовал ее состава, но есть основания считать, что он аналогичен составу каменных метеоритов. Если это так, то мантия состоит из пород, богатых силикатами железа и магния. Она должна, следовательно, содержать относительно меньшие (в сравнении с земной корой) концентрации, но колоссальные количества материала, способного претерпевать радиоактивный распад.
 
В водах океанов концентрации инертных газов увеличиваются с глубиной, причем избыток газов больше расчетного, обусловленного давлением. Богаче глубинные воды и легким гелием. Эти и другие факты позволяют считать, что из глубинных слоев литосферы и из мантии поступают в океан инертные газы смешанного происхождения. Наряду с газами земной генерации здесь присутствуют, и остатки газов космического происхождения, окклюдированных со времени догеологического существования Земли.
 
Сказанное выше не исключает возможности обратных процессов проникновения инертных газов в земную кору и Мировой океан из атмосферы.
Разнообразны пути проникновения воздуха в земную кору. Он растворяется в поверхностных водах суши и океанах, он в состоянии просачиваться на глубину до 10 м, насыщая пещеры, пустоты, трещины и поры в горных породах. Воздух захватывается твердыми частицами в процессе отложения осадочных пород и остается в их пластах. Циркулирующие воды, нисходящие источники засасывают воздух и уносят его под поверхность земли и в океан. Наконец, почва, подпочвенный слой и подземные источники  насыщаются  растворенным  в  дождевой  и снеговой воде воздухом.
 
Так как все долгоживущие радиоизотопы — генераторы инертных газов в литосфере — концентрируются главным образом в изверженных породах (в кислых больше, чем в основных), то в них и сосредоточена подавляющая масса инертных газов литосферы. Отсюда они мигрируют в окружающие породы.
 
В растворенном виде инертные газы присутствуют в воде океанов, озер и рек, причем в пресной воде, в особенности озерной, их концентрация больше, чем в морской. Это обусловлено лучшей растворимостью газов в пресной воде и более высокими содержаниями в ней урана и тория. В целом гидросфера беднее земной коры по содержанию инертных газов.
В свою очередь земная кора уступает атмосфере по абсолютному содержанию всех, за исключением гелия, инертных газов. В литосфере инертные газы также менее концентрированны, чем в атмосфере; исключение может представить лишь радон.
 
Какие ядерные процессы создают — или создавали в прошлом — неон на нашей планете? Возник ли он в литосфере или, быть может, основная его масса проникла из мантии? Не исключено и то, что космический неон был захвачен земной корой из древней атмосферы. На эти вопросы ответит наука завтрашнего дня. Тогда получит оценку и гипотеза о медленном отлете неона в космос.
 
Во всяком случае и теперь немало неона окклюдировано в изверженных породах; по приблизительным подсчетам там содержится около 109 т неона. Оттуда по мере разрушения пород газ уходит в атмосферу, где сосредоточена основная масса земного неона.
Из некоторых радиоактивных минералов выделен неон, в котором относительное содержание тяжелых изотопов ²¹Ne и ²²Ne в десятки и сотни раз выше, чем в неоне воздуха. Сам факт колебаний изотопного состава неона в минералах подтверждает, что тяжелые изотопы неона образуются за счет ядерных превращений в земной коре.
 
На эту же мысль наталкивает изучение состава подземных газовых струй. В гелиеносных газах самых различных районов Земли величина отношения концентраций Не/²²Nе от дичается большим постоянством, что может быть объяснено  возникновением  неона   в   минералах в результате еще не обнаруженной ядерной реакции при воздействии α-частиц. Однако трудно сделать определенные выводы о количественной стороне этих процессов; видимо, они протекают медленно из-за малой вероятности захвата α-частицы ядром-мишенью.
 
История и будущее земного аргона предстали в совершенно новом свете в 1943 г., когда было обнаружено, что происхождение этого газа неразрывно связано с судьбой его материнского элемента — калия. Этот весьма распространенный элемент имеет три природных изотопа: два стабильных — ³⁹К (93,08%) и ⁴¹К (6,91%) — и один радиоактивный ⁴⁰К (0,0119%), рождающий аргон. На первый взгляд примесь радиоактивного изотопа кажется совсем малой, но в абсолютном выражении она выглядит внушительно: на 1 т изверженных пород в среднем приходится 3,1 г ⁴⁰К.
Распад радиоактивного калия идет по двум направлениям одновременно:
 
⁴⁰К  ⁴⁰Ca + 1e + ν
⁴⁰K + 1e  ⁴⁰Ar + γ + ν
 
Оба процесса представляют собой, в сущности, один и тот же β-распад, но приводящий к различным результатам. Первый, обычный β-распад протекает в 88% случаев и ведет к возникновению стабильного изотопа кальция. Во втором процессе, где участвуют 12% атомов, ядро не излучает электрон, а, наоборот, захватывает его с орбиты. Электрон взаимодействует с протоном, образуя новый нейтрон в ядре при одновременном излучении нейтрино. Энергетический эффект каждого акта захвата — 1,5 МэВ. В результате образуется аргон, ядро которого имеет заряд, на единицу меньший, чем ядро калия.
Поскольку захваченный электрон обычно принадлежит наиболее близкой к ядру K-орбите, то этот процесс называется «K-захватом». Свободное место, образующееся в K-слое электронной оболочки, немедленно заполняется электроном с более высокого уровня, а излишек энергии выделяется в виде γ-квантов, по характеру идентичных мягкому рентгеновскому излучению.
 
Общий период полураспада ⁴⁰К равен 1,3 млрд. лет, поэтому процесс продолжается и поныне. Однако за время существования Земли запас этого изотопа основательно истощился. По ориентировочным подсчетам, 5 млрд. лет назад ⁴⁰К было в 10 раз больше, чем теперь.
Одна тонна калия, содержащегося в горных породах или водах, в течение года генерирует 3100 атомов аргона.
 
В каждом литре морской воды растворено 0,3 см³ аргона, в пресной воде его содержится 9,7·10 — 5,5·10 %. Аргон растворим в воде лучше, чем азот. Его содержание в Мировом океане оценивается в 7,525 · 10¹¹ т, а в изверженных породах земной оболочки — в 16,51 ·10¹¹ т. В этой массе газа радиогенный аргон превалирует над другими изотопами в еще большей степени, чем в воздухе. Если в атмосферном аргоне отношение ⁴⁰Аr/³⁶Аr=295,5, то в борсодержащих вулканических газах оно достигает 530, а в различных образцах пород — тысяч и десятков тысяч.
 
Отсюда следует, что образовавшийся в результате распада калия ⁴⁰Аr составляет подавляющую массу аргона на нашей планете.
В распоряжении геохимиков еще нет точных способов расчета количества аргона, образовавшегося за время существования Земли. Данные одних ученых показывают возможность генерирования его в литосфере на глубине до 30 км в количествах, согласующихся с наличными запасами аргона на Земле. По расчетам других авторов, эти запасы превышают то количество, которое могло бы образоваться из радиоактивного калия литосферы, и следует поэтому признать выход больших масс аргона из глубинной оболочки Земли (мантии), где также должен присутствовать калий, подобно тому, как он присутствует в каменных метеоритах. На это, в частности, указывает наличие аргона в вулканических газах, притом иногда в концентрациях столь значительных, что возможность воздушного происхождения исключается.
Если принять, что среднее содержание калия в мантии равно 0,08%, то современная скорость генерации аргона на Земле в целом составит 20 млн. м3 в год.
 
П. Даймон и Дж. Л. Калп показали, что аргон (как и гелий) в современную эпоху преимущественно накапливается в земной коре и в сравнительно малых количествах поступает в атмосферу. Скорость поступления туда аргона настолько незначительна, что она не могла обеспечить наблюдаемое его накопление в течение 4,5—5 млрд. лет. Поэтому следует допустить, что большая часть аргона атмосферы поступила из глубинных частей Земли на ранних этапах ее истории и значительно меньше добавилось впоследствии при вулканической деятельности и выветривании горных пород.
 
Изучение состава метеоритов и калийных минералов позволяет предполагать, что часть ⁴⁰Аr — в земных условиях, по-видимому, совсем малая — возникла не из радиоактивного калия, а иными путями. Бесспорно, иное происхождение имеют ³⁶Аr и ³⁸Аr. Их вероятные источники — неустойчивые продукты спонтанного деления тяжелых ядер, а также реакции захвата нейтронов и αчастиц ядрами легких элементов, содержащихся в урано-ториевых минералах.
 
За время существования Земли в литосфере было генерировано не меньше миллиарда м3  ³⁸ Аr. Таково примерно и количество ³⁶Аr, накопившегося в земной коре в результате нейтронной бомбардировки хлора-35 в горных породах.
 
Присутствие ³⁶Аr и ³⁸Аr в  метеоритах  заставляет думать об участии космического излучения в процессе образования этих изотопов на Земле. Роль этого фактора в формировании компонентов атмосферы, и в частности изотопов благородных  газов,  изучена  мало.   Кстати, космические лучи могут стать виновниками не только рождения, но и исчезновения инертного газа. Об этом, например, говорят наблюдения превращения аргона атмосферы в радиоактивный хлор под влиянием отрицательных мезонов космических лучей: при   воздействии космических протонов высоких энергий атомы аргона в атмосфере   расщепляются с   образованием   радиоизотопов ²²Na, ³²Si, ³²Р, ³⁵Si, ³⁶Сl. И хотя здесь речь идет о малых количествах вещества, принципиальное значение подобных фактов очевидно.
 
Самопроизвольное деление тяжелых элементов является виновником образования осколочных ядер и в их числе изотопов криптона и ксенона. Здесь переплетается множество реакций, потому и велико конечное число осколков; только при делении ²³⁵U их насчитывается около двухсот. Один атом криптона образуется на каждые 84 акта спонтанного деления урана-238
 
Среди осколков можно встретить β-активные изотопы брома и иода, которые, избавляясь от избыточных нейтронов, дают устойчивые изотопы криптона и ксенона.
Продуктами деления являются также ⁸³Кr, ⁸⁴Кr, 129Хе, ¹³¹Хе, ¹³²Хе и ¹³⁴Хе; они обнаружены в урановой смоляной руде в Канаде, Конго и других местах. Их образование, как правило, шло медленно, тем не менее за время существования нашей планеты подобные процессы привели к существенному изменению изотопного состава элементов на Земле.
 
Установлено, что криптон и ксенон возникают также при делении ²³⁵U, индуцированном теми нейтронами, которые вылетают из ²³⁸U при его спонтанном делении. Необходимо только, чтобы нейтроны замедлились, поэтому эффективность акта зависит от концентрации в окружающей среде легких элементов (Н, С, О, N и др.), играющих роль замедлителей нейтронов. С другой стороны, деление гормозят соседствующие редкоземельные  элементы, захватывающие нейтроны. За 4,5—5 млрд. лет ксенона — продукта спонтанного деления урана — образовалось по меньшей мере 1 млрд. м³, а деление медленными нейтронами дало его в сто раз меньше.
 
Природный поток α-частиц и нейтронов достаточно больших энергий в состоянии дать жизнь всем изотопам криптона и ксенона. Так, распад теллура-130 создает ¹³⁰Хе. Обстрел α-частицами атомов ⁷⁷Se, ⁸⁰Se, ⁷⁵As, ⁷⁹Вr и ⁸¹Вr генерирует соответственно ⁸⁰Кr, ⁸³Кr, 78Кr,⁸²Кr, ⁸⁴Кr; нейтронная бомбардировка атомов ⁸²Se порождает ⁸³Кr.
 
Содержание криптона в  земной коре  оценивается в 2,10 %, а ксенона в 3·10 %.
Радон — дочерний элемент радия — повсюду сопровождает последний, но часто далеко уходит от него сам или уносится подземными водами. Чем больше выделяется из минерала образующегося в нем радона, тем значительнее так называемая эманирующая способность минерала. Ее величина зависит от плотности радиоактивных минералов. Большая часть содержащих уран и торий минералов имеет рыхлую структуру, и в таких случаях эманирующая способность достигает 70% (например, у карнотита). По этой причине в почве всегда присутствует радон. Здесь его концентрация в большой мере зависит от метеорологических условий и характера почв. Обледенение и, снеговой покров способствуют накоплению радона; при ветре или ясной погоде его содержание падает. Глубинные слои почвы, как правило, содержат больше радона, чем поверхностные.
 
Все три естественных изотопа радона можно найти в минералах, содержащих уран и торий, В почве, почвенных водах и горячих источниках обычно находится только наиболее долгоживущий изотоп — ²²²Rn, В почве иной раз удается обнаружить торон, но очень редко отмечается присутствие третьего изотопа — актинона, который .быстро разрушается. Только вблизи горных пород, содержащих урано-ториевые минералы, удается зарегистрировать присутствие смеси из всех трех природных изотопов радона. Растворимость радона в воде наибольшая среди инертных газов — она в 2 раза выше, чем у ксенона, и в 4 раза больше, чем у криптона. В среднем содержание радона в водах рек составляет 1·10¹⁰ кюри/л, в водах океанов оно в 2—3 раза меньше. Воды некоторых горячих источников содержат в сотни и тысячи раз болышие-количества радона.
 
Радон постоянно присутствует в гелиеносных природных газах. Однако закономерности в соотношении их концентраций в газах различных месторождений не наблюдается. В одном месторождении США концентрация радона достигает 5·10¹⁰ кюри/л природного газа. Присутствует радон и в нефтях. Благодаря хорошей растворимости радон из нефтей почти не выделяется в воздух .
 
Вода играет большую роль в миграции инертных газов. Возникнув в литосфере или попав туда из воздуха, газ оказывается в микропорах и трещинах горных пород, где почти всегда встречает воду, В ней газ растворяется и далее перемещается в зоны с меньшими концентрациями. Подземные воды зачастую выходят на поверхность, выделяя газовые струи. По изотопному составу газы, растворенные, в природных водах, занимают промежуточное положение между газами  атмосферы и литосферы.  
Присутствующие в водах гелий и аргон в основном радиогенные. Криптон же и ксенон почти полностью атмосферного происхождения; это видно из близости изотопного состава в обеих средах. Тут сказывается и лучшая растворимость криптона и ксенона, и низкое содержание их в распространенных горных породах.
Статья на тему Инертные газы в земле и атмосфере