Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Сейчас углеродсодержащие минералы находят повсюду{20}: от величественных известняковых пиков канадских Скалистых гор до обширных коралловых плато Большого Барьерного рифа, от Белых утесов Дувра до неисчислимых скоплений крошечных раковин на океаническом дне — минералы всех этих объектов хранят в себе гигантские запасы шестого элемента в земной коре. Углерод содержат в своем составе более 400 известных минеральных видов. Но это не всё — результаты недавних исследований указывают на то, что нас ожидает много находок, которые только предстоит описать: более 150 новых, неизвестных еще видов углеродсодержащих кристаллов спрятались от нас замурованными в обнажениях горных пород, выстилающих перегретые жерла вулканов, вырастающих по берегам испаряющихся озер и захламляющих своими обломками заброшенные шахты. Эти редкие кристаллические формы ждут открытия.
Исключительное разнообразие минералов углерода поражает. Их цвета охватывают весь спектр радуги — пламенно-красный, ярко-оранжевый, насыщенно-желтый, изумляюще-зеленый, ошеломительно-синий и глубоко-фиолетовый. Они бывают любых тонов и оттенков: белых, серых, желто-коричневых и черных, некоторые минералы абсолютно прозрачные, другие — полупрозрачные или матовые. Их блеску[12] тоже присуще разнообразие — и металлический, и матовый, и алмазный, и жирный, и восковой, и молочный (перламутровый). То же можно сказать и о формах минералов углерода: среди них изящные кристаллы в виде ограненных кубов и октаэдров, постепенно сужающиеся к концам игольчатые сростки и пластинчатые агрегаты, бесформенные наросты, шероховатые корки, приятные округлые образования и ступенчатые массы неправильной формы — любого размера, от микроскопического до гигантского, больше надувного мяча.
В подвижной земной коре большинство атомов углерода связываются с тремя атомами кислорода, образуя таким образом крошечный плоский треугольник — четырехатомный кластер, известный как карбонатная группа. Из этих атомных строительных блоков состоят разнообразные карбонатные минералы, присутствующие в хорошо знакомых нам крепких раковинах улиток и двустворок, пищевых добавках с кальцием, мраморных столешницах и ярко-розовых украшениях из родохрозита.
Карбонатные минералы, особенно осадочные слои известняка и доломита, представляют собой самое большое хранилище углерода в земной коре — около 100 млн млрд т шестого элемента{21}. Это более чем в тысячу раз превышает запасы углерода во всех других резервуарах земной коры, вместе взятых: в угле и нефти, в океанах и атмосфере, в растениях и животных.
Практически невозможно представить себе современное общество без этих разнообразнейших углеродсодержащих минералов и множества их синтетических аналогов. Они играют важнейшую роль в плавке железа, ковке стали, удобрении полей, производстве стекла и цемента. Они помогают в производстве столь разных продуктов, как стиральные порошки, фейерверки, керамика, фармацевтические препараты, хирургические инструменты, взрывчатые вещества, украшения и пекарный порошок. Они уменьшают кислотность водопроводной воды и удаляют загрязняющие примеси на электростанциях. Они служат абразивами для самых эффективных режущих инструментов и смазкой для самых требовательных устройств. Более того, пышное разнообразие природных углеродсодержащих кристаллов намекает на возможность разработки синтетических материалов с еще бо́льшим потенциалом — с техническими свойствами, соответствующими нашим чаяниям, нуждам и желаниям.
Исследование пестроты этих минералов — их многочисленных форм и незримого происхождения — позволяет многое узнать о самом углероде и о том, как этот жизненно важный элемент перемещается и хранится в оболочках нашей планеты. Мы начали каталогизировать это богатство, погружаться все глубже и глубже в недра Земли, даже предсказывать, что может оказаться упущенным при этой нашей все еще неполной инвентаризации. Минералогия углерода — тема со многими вариациями, охватывающая века исследований и открытий.
Чтобы понять ее историю, мы должны вернуться на два столетия назад в Шотландию — в ту эпоху, когда углеродсодержащие минералы были предметом, казалось бы, неразрешимого геологического противоречия.
Карбонатные минералы проливают свет на историю Земли
Человеческому обществу необходим известняк — шероховатая, серая, богатая углеродом горная порода, которая образует величественные утесы и зубчатые горы по всему земному шару. Его обильные древние отложения накапливались постепенно, слой за слоем, иногда как скопления кораллов и раковин, иногда осаждаясь химическим путем из морских и озерных вод, богатых кальцием. Каждый год продаются миллиарды тонн дробленого известняка — он используется в качестве прочной основы для автомобильных трасс, железных дорог, зданий и мостов. Это природный ресурс, ежегодные продажи которого превышают продажи алмазов, серебра или золота. Возможно, и вы покупали его, в более скромных количествах, чтобы благоустроить свои террасы или подреставрировать садовые дорожки.
Из блоков известняка и его более плотного кристаллического собрата — мрамора (известняка, перекристаллизованного глубоко под землей под действием высоких давления и температуры) — создают внушительные здания и монументы, к примеру пирамиды Гизы в Египте или мемориал Линкольна в Вашингтоне, округ Колумбия. Причудливые разновидности известняка, часто насыщенные окаменелыми раковинами, используют главным образом как блочный камень для облицовки зданий, напольных покрытий и кухонных столешниц. Вероятно, вам доводилось применять известковый порошок в своем саду или на лужайке для уменьшения кислотности почвы, и, наверное, вы употребляли кальций в качестве пищевой добавки. Фермеры, выращивающие кур, для их питания также используют известковые добавки, которые укрепляют яичную скорлупу, вследствие чего яйца меньше бьются при транспортировке.
Использование карбонатных минералов лежит в основе различных промышленных технологий, самая главная из которых — производство извести (на химическом языке это оксид кальция), которая получается путем нагрева известняка в обжиговой печи приблизительно до 980 °C. Известь (не путайте с известковым порошком, которым вы посыпаете лужайку) невероятно полезна. Это главный компонент известкового раствора, штукатурки и цемента, который образует твердый и прочный состав, когда его смешивают с водой. Известь обеспечивает белый цвет побелки. И тысячи лет она была основной добавкой при выплавке железа и других металлов, представляя собой флюс, который химическим путем отделяет от них примеси. Во всех промышленно развитых странах загородные пространства пронизаны древними печами для обжига извести, многие из которых сотни лет назад были попросту малыми семейными предприятиями.
Производство извести из известняка — процесс, знакомый любому геологу XVIII в., — сыграло любопытную роль в истории науки. В прямом смысле известняк угрожал отодвинуть науки о Земле на десятилетия назад.
В середине того века среди европейских ученых разгорелся спор об относительной геологической важности воды (восхваляемой так называемыми нептунистами) и тепла (любимого механизма так называемых
