Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения
Владимир Печенкин
Ресурсы Земли не вечны. Человечество уже поглядывает в космос в надежде пополнить минеральную базу. Но что нас ждет за пределами родной планеты?Синтезируя огромное количество научных сведений на стыке геологии и биологии доказывается, что руды урана, золота, железа – побочный продукт биосферы. Так есть ли месторождения на планетах, где нет Жизни?Захватывающая книга Владимира Печенкина заинтересует не только любознательного читателя, но и послужит предметом дискуссии среди геологов и биологов.
Рожденный жизнью
Уран: от атома до месторождения
Владимир Печенкин
Иллюстрации, использованные в книге, взяты из опубликованных в открытой печати научных трудов. Ссылки на источник заимствования указаны под соответствующей иллюстрацией.
© Владимир Печенкин, 2024
ISBN 978-5-0062-3375-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Геохимия и биохимия до последнего времени развивались как независимые науки, первая из которых изучала природные реакции в минеральной среде, а вторая – реакции в среде живого вещества. Однако жизнь зародилась и развивалась в минеральной среде, и между ними неизбежно должно было возникнуть некоторое взаимодействие. Отделившаяся от геологии еще в XIX веке палеонтология выявила сложную эволюцию жизни в истории Земли. Однако эта эволюция рассматривалась как результат развития форм жизни, с приспособлением к меняющимся условиям среды. Обратное воздействие жизни на геологическую среду не привлекало особого внимания, хотя признавалось биогенное происхождение таких формаций, как каустобиолиты, известняки, диатомиты и пр. О возможной роли организмов в формировании месторождений металлов, кроме, пожалуй, железа, большинство геологов не задумывалось. Такие объекты априори связывались с магматизмом, вулканизмом, гидротермами, т. е. с процессами, протекающими в глубинах недр Земли и остающимися пока недоступными для непосредственного изучения. При этом молчаливо полагалось, что сами эти глубинные процессы протекали в общем единообразно в течение всей геологической истории.
В 80-е гг. прошлого столетия советскими учеными В. И. Казанским, Н. П. Лаверовым и А. И. Тугариновым была опубликована работа «Эволюция уранового рудообразования», в которой впервые демонстрировалось, что типы месторождений этого металла закономерно сменяют друг друга в геологической истории Земли. Такую эволюцию оказалось возможным проследить благодаря развитию метода радиохронологического датирования времени образования урановых минералов. Однако связи эволюции месторождений урана с эволюцией жизни на Земле эти авторы тогда не усматривали.
В те же годы появилась еще одна работа, название которой созвучно рецензируемой книге: «Уран и жизнь» Неручева. В этом труде автор впервые задался вопросом о влиянии радиоактивности урана на жизненные процессы. Однако, по его мнению, это влияние было в основном негативным и сводилось к массовым заморам ископаемой фауны в бассейнах, в воды которых при вулканических извержениях мог поступать ядовитый уран. Высказывалась также мысль о том, что радиоактивность урана могла интенсифицировать мутацию и тем самым ускорять эволюцию. Однако возможность прижизненного накопления урана организмами до пределов, вызывающих их гибель, вызывала большие сомнения, т. к. процесс естественного отбора должен бы был приводить к возникновению форм, с пониженной способностью такого накопления. Развитие подобного «уранового барьера» у растений было установлено А. А. Ковалевским. Пример, на котором в основном базировались выводы Неручева (майкопские отложения ураноносного костного детрита), мог интерпретироваться и как посмертная сорбция урана фосфатным веществом костей, что и было впоследствии подтверждено дополнительными исследованиями.
Автором предлагаемой работы впервые предпринята попытка логически увязать эволюцию мира органической жизни с эволюцией неорганической системы Земли, при учете того, что такое влияние было взаимным. Геологические процессы, меняя лик Земли, меняли условия жизни и стимулировали создание новых ее форм, более приспособленных к новым условиям, но и сама жизнь существенно меняла геохимические обстановки приповерхностной геосферы, провоцируя миграцию и перераспределение некоторых элементов, включая уран, медь, золото, железо и др. При этом, если темпы геологических преобразований составляют десятки – сотни миллионов лет, то темпы эволюции жизни в благоприятных условиях могут занимать лишь тысячелетия. Таким образом, по воздействию на природу Земли, именно жизнь оказывается главным преобразующим фактором, к каковому выводу практически и приходит автор рецензируемой книги.
Автор создавал свой труд полностью в порядке личной инициативы, без какой-либо финансовой поддержки. Создавал без отрыва от своей основной работы, никак не связанной с темой книги. Единственным стимулом для него, очевидно, являлось собственное любопытство. И силе этого любопытства можно только позавидовать. Им проработано очень большое количество различных литературных источников, в том числе таких, какие по своему названию внимания большинства геологов-рудников просто бы не привлекли. Это позволило ему глубоко вникнуть в проблему зарождения и развития жизни на Земле, а собственный опыт геолога-разведчика помог оценить влияние биологических изменений на эволюцию уранового рудообразования.
Его труд представляет несомненный интерес для широкого круга специалистов в области наук о Земле, включая не только геологов, но и географов, экологов и даже социологов, напоминая последним, что в природе все диалектически взаимосвязано и, используя ресурсы Земли, человечество меняет эту природу. Последствия такого обратного воздействия мы только еще начинаем осознавать, как проблему глобального потепления.
Книга написана в стиле научно-популярных изданий, легко и с интересом читается. Она представляется вполне доступной и полезной для студентов и школьников старших классов, задумывающихся о выборе специальности.
Заслуженный геолог России,
М. В. Шумилин,
профессор, д-р геол.-минерал. наук
Лауреат гос. премии СССР
Ответ на урок по биологии полвека спустя
Законы природы – неизменны.
Но в борьбе за правду невозможного
Безумец —
Пресуществляет самого себя,
А приспособившийся замирает
На пройденной ступени.
Максимилиан Волошин
Приветствую тебя, читатель!
Обязан предупредить – может, это вовсе и не твоя книга? В ней ты не найдешь глубоко проработанных теорий уранового рудообразования: для этого существуют академические издания. Это не мемуары, не байки из полевой жизни геологов и не подведение жизненных итогов, скорее – очередная попытка разобраться, как устроен наш мир. Все, что здесь изложено, может оказаться правдой, но, уверен, далеко не все согласятся с этим. Некоторые мысли в книге могут показаться спорными, а для кого-то и вовсе неприемлемыми и крамольными. Могу только повторить мысль британского ученого, популяризатора науки: «Я не жду, что вы мне поверите, и лишь хочу сказать, что этот сценарий, наряду с некоторыми другими, согласуется со всеми нашими знаниями»[1 - Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.].
Когда в школе мы проходили по биологии тему происхождения Жизни, отец задал мне вопрос: «Хорошо, Жизнь не может существовать без неживой материи, а может ли неорганический мир обойтись без Жизни?» В то время ответ казался мне однозначным: «Конечно может!»
Спустя много десятилетий, я неожиданно вспомнил старый разговор. Странная вещь – детские впечатления, они хранятся где-то в подсознании и неожиданно всплывают… книгой.
Надеюсь, она получилась такой, что тебе, читатель, придется задуматься, а может, и поспорить со мной. Буду этому только рад. Приглашаю вместе поразмышлять о взаимоотношениях живой и неживой материи и посмотреть, насколько они переплетены. Взяв за основу повествования историю химического элемента урана, проследим путь этого металла от отдельных атомов, появившихся в космосе, до месторождений, формирующихся на Земле сегодня.
Почему уран? Во-первых, это крайне подвижный элемент, который отзывчиво реагирует на изменение геохимической и биохимической обстановки. Во-вторых, благодаря радиоактивному распаду он служит «геологическими часами» и большинство заслуживающих доверия датировок (и в этой книге, в частности), опираются на урановый «хронометраж». В силу своих свойств этот химический элемент, пожалуй, один из лучших «инструментов» из таблицы Менделеева для познания истории Земли.
Ну и, помимо прочего, моя судьба сложилась так, что в поисках этого металла мне довелось поколесить по свету от песков Средней Азии и Ирана до каменистых пустынь китайской Гоби и от русских степей до африканской саванны. Так что уран мне знаком несколько больше, чем другие элементы.
В начале нашего исследования остановимся на том, как бактерии подготавливали планету, перерабатывая космическое вещество в земные минералы и породы. Разберемся, отчего уран задержался на старте и почему его первые месторождения появились спустя лишь два миллиарда лет после рождения Земли. Зададимся вопросом, могли ли микроорганизмы запустить атомные реакторы на планете, и как это отразилось на биосфере.
Поймем, отчего на одних этапах развития Земли появлялись одни типы месторождений, а на других – иные, совсем не похожие.
В заключение отправимся на Марс и посмотрим, имеет ли смысл там искать урановые (и не только) месторождения.
В ходе работы у меня забрезжил ответ на вопрос полувековой давности, правда, пока только на примере месторождений золота, урана, железа. Вся книга – единое доказательство, и, чтобы согласиться со мной или оспорить мои выводы, тебе, читатель, придется прочесть ее до конца.
Прав я или нет, не столь важно, ведь сказано, что «писатель только начинает книгу, ее завершает читатель»[2 - Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).]. Так что ответное слово за тобой.
От радия к урану. Немного истории
В едином миге яростного взрыва
Вы источили вечности огня:
Вы поняли сплетенья косных масс,
Вы взвесили и расщепили атом,
Вы в недра зла заклинили себя.
И ныне вы заложены, как мина,
Заряженная в недрах вещества!
Максимилиан Волошин
В центре Европы на границе Богемии и Саксонии находится невысокий горный хребет – Рудные горы. С древних времен здесь добывали медь, олово, железо, свинец, но прославились Рудные горы благодаря серебру. На южных, богемских склонах, в начале XVI века, около одного из месторождений появился поселок, названный Таль, (от немецкого слова Tal – долина). Вскоре разросшийся городок в честь покровителя рудокопов святого Иоахима переименовали в Йоахимсталь. Здесь из местного серебра начали чеканить деньги – «йоахимсталеры». Благодаря высокому качеству монет они с готовностью принимались по всей Европе, в том числе и в Московии, где их называли «талеры Яхима», или попросту «ефимками». Европейцы предпочитали называть эти монеты просто «талеры», а со временем, уже за океаном, название трансформировалось в «доллары».
Но не все благополучно в то время обстояло в Европе. В середине XVII века несколько протестантских семей из-за религиозных преследований покинули родную Богемию и обосновались на немецкой стороне Рудных гор, основав новое поселение, которое назвали в честь своего курфюрста Йоханна-Георга II – Йоханнгеоргенштадт. Новый поселок, по сути, не отличался от множества рядом расположенных шахтерских городков: здесь так же первым делом была организована пивоварня и начал работать шинок, и только потом руки у горожан дошли до сооружения ратуши и церкви. Как и любой шахтерский городок того времени, его окружали наспех вырытые искателями счастья неглубокие норы; те из них, которые оказывались рудными, превращались в шахты. Ландшафт украшали протяженные сточные канавы, мутные от шлаков, и высокие, местами дымящиеся отвалы; повсюду разносился запах серы. В лучшие времена вокруг города работало 180 (!) рудников, где добывалось серебро. Среди серебряных руд время от времени встречался странный иссиня-черный минерал, напоминающий жирным блеском смолу. Его увесистые куски легко ломались на части, похожие по форме на почки или ракушки. Минерал был настолько тяжел, что не вызывало сомнений – он содержит большое количество ценного металла. Но сколько ни пытались горняки извлечь из рудной массы что-нибудь полезное, все без толку – ни плавильный тигель, ни ртуть, ни кислота не могли с ним справиться. В конце концов, рудокопы перестали обращать на него внимание и стали считать его пустой породой, выбрасывая в отвалы. За жирный смоляной блеск и пустые надежды, минерал получил название «смоляная обманка» – Pechblende, от немецких слов pech – смола и blende – обманывать, ослеплять.
К концу XVIII века основные шахты в окру?ге истощились, и Йоханнгеоргенштадт начал приходить в упадок. О фартовых временах напоминали только названия заброшенных серебряных приисков: «Благословенье», «Нежданное счастье», «Божья милость». Правда, время от времени сюда наведывались господа с утонченным вкусом, желающие приобрести необычные минералы для своих коллекций. Как-то проездом с курортного Карлсбада (до которого всего 25 километров) здесь побывал тайный советник Гёте из Веймара и приобрел красивый образец руды.
Вот и берлинский естествоиспытатель Мартин Генрих Клапрот отобрал в заброшенной шахте Йоханнгеоргенштадта для изучения образцы смоляной обманки. Чутье не подвело исследователя – в этом минерале ему удалось выделить новый химический элемент. Незадолго до его опытов астрономы расширили границы Солнечной системы: впервые со времен античности была открыта новая планета, получившая название по имени греческого бога неба Урана. Вспомнив традиции астрологов, когда каждой планете соответствовал свой металл, Клапрот предложил назвать новый элемент в честь недавно открытой планеты ураном, а минерал смоляная обманка получил название-аналог – урановая смолка.
Клапрот же нашел и применение урану – оказалось, его окислы способны окрашивать стекло в красивый ярко-желтый и зеленый цвета, кроме того, окрашенное стекло обладало флюоресценцией. В результате, часть урановой смолки, которая раньше шла в отбросы, стала приобретаться стеклодувами. Знаменитое богемское стекло окрасилось новыми красками, это помогло чешским мастерам добиться общеевропейского доминирования и практически вытеснить с рынка конкурентов-венецианцев, торгующих муранским стеклом.
Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом, и только в 1841 г. француз Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, это не элемент, а его окисел – UO
. Пелиго удалось получить чистый уран – тяжелый металл серо-стального цвета.
Исследование нового металла продвигалось неторопливо. Через сто лет после открытия Клапрота было обнаружено, что соединения урана способны засвечивать фотоматериалы через светонепроницаемую черную бумагу, а таинственные, невидимые, исходящие от него лучи делают окружающий воздух электропроводным.
В самом начале ХХ века смоляная обманка преподнесла еще ряд сюрпризов: Мария Кюри столкнулась со странным обстоятельством: излучение урановой смолки во много раз превосходило излучение чистого урана. Объяснение могло быть только одно – обманка содержит еще какой-то неизвестный элемент. И он был открыт, да не один, а сразу три: полоний, актиний и радий. При этом радий, даже не чистый, а в составе выделенных твердых солей, излучал в миллионы раз сильнее, чем уран!
Вскоре выяснилось: таинственные радиоактивные лучи способны не только засвечивать фотопластинки. Примеси радия при взаимодействии с сульфидами цинка и меди дают состав, который светится в темноте зеленым светом. В моду вошли часы со светящимися стрелками, этой магической субстанцией покрывались стрелки компасов и военных приборов. Выпуском чудо-краски под названием «Undark» («Не темно») занялась американская корпорация «US Radium» («Американский Радий»).
Радий представлялся обывателю чудесным эликсиром, способным продлить молодость. Врачи рекомендовали его как лечебное средство едва ли не против всех болезней, от простуды до рака. У медиков появился интерес к урановым рудникам Йоханнгеоргенштадта и Йоахимсталя. По их наблюдениям, шахтеры там якобы никогда не страдают ревматизмом, подагрой и невралгиями! Эскулапы связывали это с выделяемым в урановых шахтах радиоактивным газом – радоном, которым дышат горняки. В это же время было установлено, что не только воздух, но и шахтные воды рудников радиоактивны.
Предприимчивый булочник Кун из Йоханнгеоргенштадта (история, как видим, сохранила его фамилию) наладил доставку радиоактивной воды из шахт себе домой и сделал на этом приличный гешефт. Чудо-воду он начал разливать в бутылки, а рядом с пекарней установил кабинки с ваннами, где предлагал ревматическим больным исцеляющие процедуры. Идею подхватили профессиональные доктора и создали модную водолечебницу в Йоахимстале (которая, кстати, действует до сих пор). И местные кулинары тоже не отставали: в пансионатах и отелях новомодных курортов к столу подавали свежий хлеб, выпечку и даже пиво на радиоактивной воде.
Радиотерапия пошла в массы. В аптеках появились кожаные мешочки, с расфасованной смоляной обманкой, где содержание окиси урана достигало 43%. Если носить такой мешочек на теле, препарат своим излучением якобы излечивал ревматические заболевания. Австрийская фабрика радия «Нойленгбах» наладила продажу радиоактивных грязей в пятикилограммовых мешках для домашних ванн с обещанием: «При длительном применении – поразительно стойкий эффект».
Французская косметическая фирма «Tho-Radia» («Торий и Радий») начала выпуск «лучистого» туалетного мыла, губной помады и омолаживающих лосьонов, молочка для лица, кремов для кожи, пудры. Девушкам обещали, что их лица будут сиять от счастья, благодаря радию и торию.
И сильный пол не был забыт – компания из Денвера выбросила на рынок радиоактивные таблетки для борьбы с «мужской слабостью»: «Принимайте радий в таблетках перед едой 3 раза в день – и все будет o’key!»
Коммерция резко подняла цену на этот металл. Максимального значения она достигла в 1906 году и составила 175 тысяч долларов за грамм! За один грамм. Тогдашних долларов. Насколько это много? Нагляднее определить цену радия не через ассигнации, а через другой металл. В 1906 году тройская унция золота (31,103 грамма) стоила 20,67 доллара. То есть 1 грамм золота стоил 66 центов с хвостиком. Получается, 1 грамм радия стоил столько же, сколько примерно 265 килограммов золота! Радий стал самым дорогим веществом на планете – началась радиевая лихорадка.
Радий относится к рассеянным элементам и не образует собственных минералов – он в виде изоморфных примесей входит в состав урановых соединений, а потому в одночасье возрос интерес к урановым рудам.
Первый радиевый завод был построен под Парижем в 1904 году, урановая руда для которого поступала в основном из месторождений Рудных гор. Но вскоре австрийское правительство наложило эмбарго на вывоз руды из Йоахимсталя (который к тому времени оказался в составе Австро-Венгрии) и построило собственный завод по извлечению радия.
Его огромная цена стимулировала поиск урановых руд и добычу на всех континентах. В переработку были вовлечены ванадиевые урансодержащие руды месторождений плато Колорадо (США). До поры из этой руды добывался только ванадий, а уран выбрасывался как ненужный балласт. Открытие радия все изменило – отныне уран стал главным компонентом руды. Предприимчивые американцы живо наладили добычу радия и к 1913 году уже обеспечивали почти половину мировой поставки этого металла, а к началу 20-х годов – все 80%, но вскоре американские бизнесмены прогорели. В 1914 году в Африке (Бельгийское Конго, провинция Катанга) было открыто месторождение урана Шинколобве с богатейшими рудами, содержавшими до 50—60% оксида урана. Если для получения 1 грамма радия в США надо было переработать 300—400 тонн руды с низким содержанием урана, то африканской руды требовалось менее 10 тонн. Рентабельность добычи уран-ванадиевых руд плато Колорадо окончательно была добита открытием богатых месторождений ванадия в Перу.
Бельгия, построившая свой завод, благодаря африканским рудам, быстро стала монополистом на рынке радия, давая 95% всей мировой продукции, но в 30-х годах их потеснили канадцы, открыв месторождение богатых руд Порт-Радий. Металл, производимый в Канаде, оказался даже дешевле бельгийского. В 1939 году канадцы и бельгийцы поделили мировой рынок, заключив соглашение об объеме производства.
Проводились работы по поиску урановых руд и в нашей стране.
В самом начале ХХ века в Русском Туркестане было открыто Тюя-Муюнское уранованадиевое месторождение, которое с 1907 по 1913 годы эксплуатировалось частным «Ферганским акционерным обществом для добычи редких металлов». Руда вывозилась на переработку в Петербург. С началом Первой мировой добыча и переработка прекратились, а 655 тонн руды «зависло» на складах «Ферганского акционерного общества».
