ГЕЛИЙ В ЗЕМНЫХ НЕДРАХ
Спустя 100 лет после открытия гелия в атмосфере Солнца, после того как стала в общих чертах понятна роль, которую играет этот элемент в радиоактивных превращениях и космологических процессах, после того как были получены сведения о его распространенности в различных объектах, внимание ученых сфокусировалось на стабильных изотопах гелия.
Как известно, и во Вселенной, и особенно на Земле в составе природного гелия легкий изотоп встречается весьма редко. Однако детальная количественная картина распределения изотопов гелия во всех доступных наблюдению природных объектах отсутствовала. Изотопная метка по гелию была бы, несомненно, полезна геологам при поисках полезных ископаемых, в частности урановых руд, поисковым признаком которых послужило бы чрезвычайно низкое отношение ³Не/4Не. Но исчезающе малые количества легкого изотопа на подавляющем фоне гелия-4 с трудом поддавались количественным оценкам.
Перед второй мировой войной и в первое послевоенное десятилетие были получены данные об изотопном отношений гелия в ряде природных образцов: в атмосферном воздухе, в некоторых образцах природных газов, в минералах и метеоритах. И оказалось, что распространенность легкого и тяжелого изотопов гелия различна. О том, что гелий-3 встречается в природе гораздо реже, чем гелий-4, знали. Удивляло другое: необычайная, несвойственная другим элементам вариация изотопного отношения. В метеоритах, например, около 10 % гелия приходилось на долю легкого изотопа, в атмосфере — миллионная часть, В ряде минералов — миллиардная. Почему? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужны были новые исследования. Но в тех природных образцах, где доля гелия-3 была особенно невелика, изотопное отношение гелия с трудом поддавалось измерению. Ограниченные возможности экспериментальной техники в течение 20 послевоенных лет не позволяли получить новой информации о распространенности гелия в природе.
Масс-спектрометрия гелия
Среди методов, которыми современная физика обогатила технику, особое место занимает масс-спектрометрия. Возможность проанализировать микроскопические количества вещества, обнаружить в нем малораспространенные изотопы или примеси всегда привлекала внимание не только физиков, но и представителей самых разных научных дисциплин: химиков, биологов, медиков, геохимиков, металлургов.
Мощным толчком к созданию прибора, названного масс-спектрографом, послужили эксперименты английского физика Дж. Томсоиа, поставленные еще в начале XX века. Воздействовав на так называемые каналовые лучи неона (т. е. говоря современным языком , на ионизованные атомы этого элемента) элек-трическим и магнитным полями, Дж. Томсон онбнаружил , что ионы неона по своем свойствам неодинаковы, Они представляют собой смесь, комбинацию двух химически идентичных частиц с массовыми числами 20 и 22 .Структура материи оказалась, по словам Ф.Содди , «вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе». Попытка разделить эти составляющие неона какими-либо физическими методами не дали результата. Ни диффузия, ни возгонка, ни центрифугирование не позволили разделить ионы неона. Однако проблема неона не вызывала особого удивления у физиков-химиков того времени. Дело в том, что концепция изотопов, с которой физики столкнулись при исследовании радиоактивных превращений, уже укоренилась в пауке. Химически тождественные составляющие инерткого неона, по-видимому, и представляли собой раз-яичные его изотопы.
Теоретический анализ этой ситуации, выполненный учеником Томсона молодым физиком Ф. Астоном, предсказывал один путь разделения изотопов — электромагнитный. Первый масс-спектрограф был сконструирован Ф. Астоном в 1919 году . Физические принципы, лежащие в основе работы этого прибора, таковы. Ионы исследуемого вещества, проходя последовательно через электрическое, а затем магнитное поля, отклоняются от своей первоначальной траектории. Это отклонение зависит от отношения, электрического заряда иона к его массе: е/т. Детектором ионов в первом масс-спектрографе служила фотопластинка. Попадающие на нее изотопы оставляли в определенном месте пятно. Поскольку существовал неизбежный незначительный первичный разброс частиц по энергиям, то каждое пятно превра-щалось в линию. Таким образом, каждому отношению e/т соответствовала своя линия на детекторе, Плотность почернения фотопластинки, т. е. яркость линии , определялась интенсивностью потока частиц.
При помощи масс-спектрометра Ф. Астон установил , что неон действительно сострит из смеси двух изотопов . И не только неон .Сложную структуру имели очень многие химические элементы , но , к огорчению и недоумению исследователей , к их числу не относился гелий .
Масс-спектрометрия получила широкое применение. Во многих лабораториях мира появились масс-спектрографы и масс-спектрометры «собственной конструкции». Однако только через два десятилетня после начала исследований Ф. Астона выяснилось, что гелий представлен двумя стабильными изотопами. Работа американских физиков Л. Олдрича и А. Нира, Которым удалось при исследовании изотопного отношения природного гелия достичь относительно высоткой чувствительности (приблизительно 2·10⁻⁷), по праву считалась одной из лучших работ своего времени. Ф. Содди говорил о масс-спектрометрах: «Эти инструменты можно поставить в один ряд с наиболее удивительными точными приборами, которые когда-либо изобретал человеческий ум».
Трудности на подступах и гелию
После исследований Л. Олдрича и А. Нира в течение последующих 15—20 лет принципиально новых результатов об изотопных отношениях гелия не поступало. Более точные результаты требовали более совершенной экспериментальной техники. А исследование изотопного отношения гелия оказалось одной из труднейших задач масс-спектрометрии. И вот почему.
Для того чтобы зарегистрировать в масс-спектрометрах потоки гелия-3, интенсивность которых порой в миллиарды раз меньше, чем интенсивность основного изотопа гелия-4, нужны были высокочувствительные приборы. Чувствительность масс-спектрометра — это минимальное количество изотопа, которое может быть зарегистрировано прибором. В случае гелия
прибор должен реагировать на присутствие в пробе-всего лишь 10⁵—10⁶ атомов гелия-3.
Была и другая трудность: в пробах, предназначенных для исследования гелия, неизбежно присутствовали ионы молекул Н³ и HD, состоящие из смеси изотопов . Массы Н³, гелия-3 и молекулы HD очень близки. Избавиться от фона, создаваемого молекулами Нз и HD, оказалось очень трудно. Для того чтобы отделить их от линий гелия-3, необходимо было одновременно с увеличением чувствительности прибора повысить его разрешающую способность. Но при этом неизбежно возрастала интенсивность соответствующих линий.
Еще одна проблема. Ионы гелия-4, молекул Н³ и HD во время своего движения в камере масс-спектрометра неизбежно должны были испытывать рассеяние на молекулах оставшегося в камере газа. А это приводило к увеличению разброса направлений частиц и к возникновению на детекторе, когда на него попадут испытавшие рассеяние частицы, так называемых «схвостов» соответствующих линий, на фоне которых слабая линия гелия-3 рискует остаться практитически незамеченной. Этот фон также необходимо подавать .
Совместить эти и многие другие требования, выдвигаемые «гелиевой проблемой», в одном приборе — масс-спектрометре с постоянным магнитным полем (так называемом статическом масс-спектрометре) —было практически невозможно.
Гелий мешает гелию
Именно такая картина в области масс-спектрометрии гелия предстала перед глазами исследователей в 60-е годы текущего столетия. Для того чтобы разорвать цепочку трудностей, необходимо было найти новые методы разделения изотопов. Одно из удачных решений было предложено учеными ленинградского Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. «А если попытаться разделить изотопы гелия не за счет их различного отклонения в магнитном поле, как это делалось в статических масс-спектрометрах, а за счет различного времени их пролета по замкнутой круговой орбите в магнитном поле?» — подумали они. Это удалось осуществить в результате использования в приборе дополнительного высокочастотного электрического поля. Разработанные ими приборы, названные магнитными резонансными масс-спектрометрами (МРМС), позволяют получить и большую разрешающую способность, и высокую чувствительность одновременно .
Однако вездесущий, всюду проникающий гелии-3 оказался очень трудным для измерения объектом. И даже не потому, что во многих образцах его было в сотни миллионов и даже в миллиарды раз меньше, чем гелия-4, а потому, что в окружающем нас атмосферном воздухе тот же гелий-3 присутствовал порой в сотни и тысячи раз больших концентрациях. И если в пробу попадал хотя бы 1 % атмосферного гелия, результаты измерений могли бы исказиться на сотни процентов.
Необходимо было исключить попадание атмосферного воздуха в пробу как в процессе ее отбора, так и во время хранения пробы, когда возможным было улетучивание гелия, что тоже неизбежно вело к искажению результатов измерения. Такие же меры предосторожности были необходимы и при анализе минералов, из кристаллических решеток которых приходилось перед измерениями извлекать гелий. Образцы минералов дробились и нагревались примерно до 1300 °С без контакта с атмосферным воздухом.
И еще одна проблема. Работать приходилось с невероятно малыми, почти микроскопическими количествами гелия. Дело в том, что в любых пробах гелия вообще очень мало: сотые и тысячные доли процента от общей массы исследуемого вещества. И перед изотопным анализом гелий необходимо было очищать от сопутствующих газов (паров воды, хими-чески активных газовых примесей, тяжелых инертных газов), присутствие которых могло бы исказить картину измерений .
При создании МРМС ленинградские ученые столк-нулись с еще одним непредвиденным свойством ге лия, которое было названо эффектом памяти . Сколь бы идеальной ни была герметизация прибора , после откачки атмосферного воздуха в нём появлялось до-вольно заметное количество гелия .
Если не удалить этот остаточный гелий, он будет свободно конкурировать с гелием, предназначенным .для исследования. И это может затруднить любой анализ. Но особенно эффект памяти мешал при анализе уникальных проб: например, лунного грунта, космической пыли.
Гелий в недрах планеты
Когда удалось преодолеть все эти трудности, новая масс-спектрометрическая техника, подобно известному в истории науки микроскопу Левенгука, открыла новые миры. И прежде всего это коснулось изотопии гелия.
В течение последнего десятилетия ленинградские ученые проделали несколько тысяч анализов изотопного отношения гелия в самых различных природных образцах Объектами исследования служили горные породы минералы, вулканические и природные газы, вода и нефть, взятые буквально со всего света. Постепенно вырисовывалась картина распределения изотопов гелия в веществе Земли.
Удалось выявить любопытную закономерность: изотопный состав гелия связан с геологической историей региона, откуда были взяты проб . Самые высокие изотопные отношения ( примерно 10⁻⁵ ) наблю дались в районах, непосредственно связанных с мантией Земли.
Такие данные получены для образцов, взятых на о. Исландия, который является продолжением подводного Срединно-Атлантического хребта. Высокие изотопные отношения гелия характерны для флюидов Тихоокеанского вулканического пояса (Курило-Камчатская вулканическая зона, Япония, некоторые регионы Северной Америки). Кстати, в глубинных водах Тихого океана, куда попадает гелий из мантии, эти отношения достигают примерно 1,7· 10⁻⁵. Аналогичные изотопные отношения наблюдались для многих молодых изверженных пород.
В стабильных районах земной коры, где тектоническая деятельность давно закончилась, они оказыва-лись значительно ниже: 2· 10⁻⁸. Такие данные были получены профессором Б. А. Мамыриным и его коллегами для гелия, содержащегося в газах, водах и горных породах Российской платформы. Такие же низкие изотопные отношения гелия наблюдались для древних пород гранитного состава.
Районы, занимающие по геологическому строению и по тектонической активности промежуточное поло-жение, характеризуются и промежуточным изотопа ным отношением гелия: примерно 10⁻⁶ ÷ 10⁻⁷.
Итак, по мере удаления от земной поверхности в глубь Земли относительное содержание гелия-3 в гелии имеет явную тенденцию к росту. Во всяком случае, самые молодые породы вулканического происхождения наиболее обогащены легким изотопом гелия. И только по прошествии 1 млрд. лет постепенно падающее за счет непрерывного накопления радиогенного гелия-4 изотопное отношение гелия достигает 10⁻⁸
В атмосфере в результате накопления гелия-3, выходящего по трещинам земной коры, оно вновь начинает подниматься, достигая 10⁻⁶, а за ее пределами, в околоземном пространстве, изотопное отношение гелия оказывается достаточно высоким и постоянным: на три атома гелия-3 приходится 10 000 атомов гелия-4. Такое же изотопное отношение гелия наблюдается и для солнечного ветра, и для лунного грунта, и для глубинных частей некоторых метеоритов. Это была своеобразная константа природы, отражающая состав того первичного вещества, из которого сформировались и Солнце» и планеты, и метеориты. Связано ли это каким-либо образом с глубинным гелием, выделяющимся из мантии Земли?
Статья на тему Гелий в земных недрах