Гелій в земних надрах

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 отношении 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.

Несколько слов о технике эксперимента

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. Томсона, поставленные еще в начале XX века. Воздействовав на так называемые каналовые лучи неона (т. е. говоря современным языком, на ионизованные атомы этого элемента) элек­трическим и магнитным полями, Дж. Томсон обнару­жил, что ионы неона по своим 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». Попытки 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 на­уке. Химически тождественные составляющие инерт­ного неона, по-видимому, и представляли собой раз­личные 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 (рис. 5). 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 превра­щалось в линию. Таким образом, каждому отношению е/т соответствовала своя линия на детекторе. Плотность почернения фотопластинки, т. е. яркость линии, определялась интенсивностью потока частиц.

Схема масс-спектрометра Ф. Астона

При помощи масс-спектрометра Ф. Астон устано­вил, что неон действительно состоит 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. Об этом мы уже говорили в главе I.

Масс-спектрометрия получила широкое примене­ние. Во многих лабораториях мира появились масс-спектрографы и масс-спектрометры «собственной кон­струкции». Однако только через два десятилетия 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 высо­кой 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 к 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 (рис. 6). Массы Н₃₎ гелия-3 и молекулы HD очень близки. Избавиться от фона, создаваемого мо­лекулами Н₃ 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.

Линии масс-спектра, которые необходимо разрешать при измерении отношения 3Не/4Не…

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 «хвостов» соответствующих линий, на фоне ко­торых слабая линия гелия-3 рискует остаться практи­чески незамеченной. Этот фон также необходимо по­давить.

Немаловажным требованием является и быстро­действие прибора: для выяснения многих закономер­ностей необходимо сделать сотни и тысячи анализов природного гелия, которые надо провести в «разумное время».

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 (рис. 7).

Схема анализатора магнитного резонансного масс-спектрометра…

Однако вездесущий, всюду проникающий гелий-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, хими­чески активных газовых примесей, тяжелых инертных газов), присутствие которых могло бы исказить кар­тину измерений.

При создании МРМС ленинградские ученые столк­нулись с еще одним непредвиденным свойством ге­лия, которое было названо эффектом памяти. Сколь бы идеальной ни была герметизация прибора, после откачки атмосферного воздуха в нем появлялось до­вольно заметное количество гелия. Вот что писали Б. А. Мамырин и И. Н. Толстихин: «Вопреки распро­страненному мнению о том, что гелий благодаря низ­кой химической активности может быть легко удален из системы путем откачки и непродолжительного на­грева, экспериментально доказан сильно выраженный эффект памяти и для гелия-3 и для гелия-4. Этот эф­фект обусловлен проникновением гелия в элементы конструкции при значительном давлении его и обрат­ным выделением гелия при резком снижении давле­ния в системе».

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 пробы. Самые вы­сокие изотопные отношения (примерно 10^-5) наблю­дались в районах, непосредственно связанных с ман­тией Земли, т. е. в районах, характеризующихся интенсивной вулканической деятельностью: там, где имеются «незалеченные» трещины и разломы в зем­ной коре, и возможен выход глубинных потоков ве­щества на поверхность. 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 оказыва­лись 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 Русской платформы. Такие же низ­кие изотопные отношения гелия наблюдались для древних пород гранитного состава.

Районы, занимающие по геологическому строению и по тектонической активности промежуточное поло­жение, характеризуются и промежуточным изотоп­ным 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, вы» ходящего 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?

Солнечный гелий

Очередную гелиевую проблему можно было бы сформулировать так: почему в вулканических газах, появляющихся на поверхности в любом районе Зем­ли, гелия-3 в сотни и тысячи раз больше, чем в об­разцах земной коры (Исключение составляют только литиевые минералы, где ге­лий-3 образуется за счет реакций между нейтронами и изотопом дитий-6). Если учесть, что вулканические газы — естественные посланцы мантии к поверхности Земли, оставалось предположить, что избыточный гелий-3 находится именно в мантии.

Сначала думали, что этот мантийный гелий (в том числе и гелий-3) имеет радиогенное происхож­дение. Однако расчеты показали, что ни ядерные пре­вращения, ни радиоактивный распад тяжелых элемен­тов обеспечить необходимое количество гелия-3 не могли. Другая попытка объяснить избыток легкого изотопа гелия в глубоких недрах связывалась с пред­положением, что в отдаленном прошлом в недрах Земли существовал относительно интенсивный поток нейтронов. Эти нейтроны возникали при спонтанном делении трансурановых элементов, в частности наи­более подходящим оказывался изотоп плутония — плутоний-244. Сами трансурановые до наших дней не «дожили»: период их полураспада оказался значи­тельно меньше возраста Земли. Но нейтроны, сопро­вождающие процесс деления ядер, должны были ис­пытывать взаимодействие с веществом литосферы, в результате чего появлялся и гелий-3. Но и эта гипо­теза не смогла объяснить необходимое количество ге­лия-3 в мантии.

Японский физик И. Такаги пытался объяснить избыток легкого изотопа гелия за счет продуктов ядерных взаимодействий мю-мезонов космического из­лучения (так называемой жесткой, проникающей ком­поненты космического излучения) с веществом ман­тии. Но увы, специально поставленные эксперименты показали, что на глубине 3—5 км от поверхности по­ток космических мю-мезонов уменьшается в сотни тысяч раз. Необходимое количество гелия-3 не смогло бы накопиться за время существования Земли.

Высказывались предположения, что в природе существуют неизвестные пока науке процессы разде­ления изотопов. Но тогда и для других содержащихся в мантии летучих элементов должны наблюдаться от­клонения в изотопных отношениях. Однако сравнение природных изотопных отношений водорода, углерода, кислорода, неона и гелия заставило отказаться и от этой гипотезы.

Оставалось только одно предположение: тот гелий, который находится в мантии и который выходит на поверхность Земли вместе с вулканическими газами, представляет собой смесь радиогенного и первичного гелия. В недрах Земли сохранился гелий, захвачен­ный ею при образовании планеты. По-видимому, око­ло 4,5 млрд. лет назад изотопное отношение для зем­ного гелия приближалось к космическому: около 3•10^-4. Но находившиеся в мантии тяжелые элементы способствовали увеличению доли гелия-4, а дегазация недр уменьшала количество гелия-3. Кстати, в мантии сохранился не только первичный гелий. Расчеты, вы­полненные И. Н. Толстихиным, показали, что в нед­рах осталось к настоящему времени около 10 % первичных газов.

Теперь история нашей планеты представала в принципиально новом свете. Обнаружение первично­го, солнечного, гелия в мантии Земли было зарегист­рировано в конце 1981 года в государственном Ре­естре изобретений СССР как открытие.

«Суть нашего открытия,— сказал один из его ав­торов, советский физик Б. А. Мамырин, — заклю­чается в том, что мы выяснили новую особенность устройства нашей планеты. Всем известно, что земной шар имеет слоистую структуру: сверху тонкая кора (30—70 км), а далее мантия толщиной около 3000 км, внутри тяжелое ядро. Так вот, мы установили, что гелии, которыми пропитаны породы земной коры и породы мантии, резко отличны по изотопному соста­ву. В гелии мантии соотношение ³Не/⁴Не в 1000 раз больше, чем в гелии земной коры. Я не ошибся — в 1000! Это — редчайший феномен природы, так как сдвиги в изотопном отношении для различных эле­ментов на Земле не превышают обычно единиц про­центов (рис. 8).

Распределение изотопов в различных природных объектах

Второй особенностью мантийного гелия является удивительное постоянство его изотопного состава на земном шаре.

Оба эти свойства нельзя было предвидеть, и мы выяснили их, когда после разработки нашего прибо­ра начали систематическое изучение гелия в земных газах и пародах.

И единственный, не противоречащий эксперимен­тальным фактам ответ заключался в том, что в ман­тии сохранился так называемый «первозданный» или «солнечный» гелий, который непрерывным пото­ком излучает наше светило до сих пор. Этим гелием с высоким изотопным отношением ³Не/⁴Не были про­питаны частицы пылевого облака, из которого обра­зовались планеты Солнечной системы 4,5 млрд. лет назад. И вот «упаковка» оказалась столь добротной, что, несмотря на высокую подвижность и химическую инертность, первозданный гелий сохранился в мантии до наших дней».

Несколько разгадок

Итак, представления о полной потере Землей пер­вичного гелия не подтвердились. Но ученым нужно было ответить на вопрос: каким образом была обес­печена сохранность на Земле самого летучего газа? Предполагали, что первичный гелий мог сохраниться до наших дней лишь в одном случае: максимальная температура Земли при ее образовании не превышала 500—700 °С. Иными словами, наша планета никогда не была в расплавленном состоянии, иначе перво­зданный гелий должен был бы испариться. Таким об­разом, проблема гелия, и в частности гелия-3, должна учитываться при обсуждении вопроса об условиях об­разования планет Солнечной системы.

Однако вернемся на Землю. Сам факт сохранно­сти первичного гелия в мантии очень многое дал для изучения нашей планеты. Через глубинные разломы в земной коре, через подводные и материковые вул­каны происходит постоянный выход гелия на поверх­ность. При этом он имеет характерную изотопную метку. А поскольку гелий — единственный на плане­те газ, для которого существует только восходящий поток (из недр через атмосферу в космическое про­странство), то он, наподобие рентгеновского излуче­ния, как бы просвечивает земную кору изнутри.

Вещество, мигрирующее из мантии к поверхности, всегда оказывается помеченным гелием-3. Но в зем­ной коре эта изотопная метка постепенно исчезает, так как там постоянно образуется радиогенный гелий, и это приводит к постепенному уменьшению изотоп­ного отношения гелия. Разумеется, это очень медлен­ный процесс. Пройдет 1 млрд. лет после завершения тектонической активности региона, прежде чем в гор­ных породах установится характерное для радиоген­ного гелия изотопное отношение 10^-8.

Дальнейший путь гелия лежит через атмосферу. Но до последнего времени изотопное отношение для атмосферного гелия тоже таило в себе загадки. Пос­ле открытия первозданного легкого гелия в мантии Земли стало ясно, что источником недостающего изотопа гелия-3 в атмосфере служит именно мантия Земли. Постоянная дегазация мантии объясняет, по­чему изотопное отношение ³Не/⁴Не в атмосфере в 100 раз выше, чем в земной коре.

Итак, земная кора является постоянной трассой для гелиевых потоков. Знание изотопного состава ге­лия в различных регионах позволяет уточнить ее стро­ение и, что очень важно, дать полезную информацию, на основании которой можно будет прогнозировать приносящие бедствия жителям разных континентов землетрясения и извержения вулканов.

• ← «Гелієве дихання» Землі
• Гелієвий годинник →