МИНЕРАЛЫ

МИНЕРАЛЫ

Минералогия XIX века во многом разделяла судьбу кристаллографии. Здесь также господствовали описания и классификации. Проводилась «бухгалтерская опись» минералов — занятие полезное, если оно не становится чрезмерным.

Казалось, а чем еще заниматься минералогам? Собирать коллекции; распределять, систематизировать минералы; находить между ними сходства и различия; пользоваться разработанными методами геометрической кристаллографии; изучать химический состав и физические свойства. Разве не достаточно всего этого? В конце концов речь идет о камнях, холодных, неподвижных камнях. Они не изменяются, не движутся и требуют только точного описания, классификации, а далее, конечно, можно говорить об их практическом применении.

В такие «минералогические будни» окунулся Вернадский с первых лет своей самостоятельной работы. Но в отличие от своих коллег он стал изучать минералы не только с прилежанием, но и с изумлением.

В облике холодных камней, осколков земной тверди — мира застывшего и чуждого жизни — молодой ученый сумел ощутить движение, своеобразие судеб; сумел уловить отблески далеких звезд и необычайную, особенную жизнь глубоких недр планеты. Вот выдержка из его письма жене, датированного 1888 годом:

«… Минералы — остатки тех химических реакций, которые происходили в разных точках земного шара; эти реакции идут согласно законам, нам известным, но которые, как мы можем думать, находятся в тесной связи с общими изменениями, какие претерпевает Земля как звезда. Задача — связать эти разные фазисы Земли с общими законами небесной механики. Мне кажется, что здесь скрыто еще больше, если принять сложность химических элементов…

Тогда происхождение элементов находится в связи с развитием солнечной или звездной систем, и „законы“ химии получают совершенно другую окраску…. Для этого нужны страшные знания и такой смелый ум, какой, верно, еще не скоро явится».

Царство минералов оживало в его воображении. У каждого минерала оказывалась своя необычайная история. Вернадский стал первым и, пожалуй, самым великим историком этого необычайного и величественного царства.

Правда, в те годы, когда был написан приведенный выше отрывок, молодой ученый вряд ли походил на мудрого и возвышенного летописца. Он занимался «черновой работой» и отзывался о своих успехах не без иронии (в письме Докучаеву): «Комично, стремился большим трудом получить силлиманит, когда он оказался во всех приборах, в которых производились опыты!»

(Определяя состав и структуру минерала силлиманита, Вернадский одновременно заинтересовался составом фарфора — из него была сделана лабораторная огнеупорная посуда. И неожиданно выяснил, что фарфор состоит из аморфного вещества и кристаллов, близких силлиманиту.)

Возможно, счастливая научная судьба Вернадского-минералога поначалу определялась некоторыми внешними обстоятельствами.

Как я уже писал, свою зарубежную стажировку он проводил в двух странах: в Германии и Франции. Для немецких ученых была характерна вошедшая в поговорку пунктуальность, точность и добросовестность экспериментов. У них Вернадский учился проводить лабораторные опыты и наблюдения.

Французские минералоги второй половины XIX века тоже отдавали предпочтение анализу, накоплению и систематизации фактов. Это направление, не учитывающее постоянных изменений, происходящих в природе, вело свое происхождение от замечательных работ Карла Линнея. Классификация минералов была признана не только важной, но и едва ли не единственной целью минералогии. Другими словами, во Франции, как и в Германии, господствовала «минералография» (описательная минералогия).

Однако во французской минералогии существовали и другие, по-существу забытые традиции.

Великий современник Линнея Бюффон обладал умом одновременно и точным и поэтическим. Он сумел увидеть в природе самое главное: изменчивость, развитие, движение. С первого взгляда, писал он, кажется, будто природа не изменяется, но при более пристальном изучении видишь, что она изменчива в каждой из своих частей. «Она сегодня весьма отличается от того, чем она была вначале и чем она стала в последовательности времен… Все предметы физического мира, как и морального, находятся в непрерывном движении последовательных вариаций». Бюффон глубоко задумывался над историей Земли, живых существ, минералов. Он был блестящим писателем: его научные труды написаны художественно; стилем его восхищались современники.

Эта популярность, как ни странно, повредила ему как ученому. Превознося его возвышенный слог и образные выражения, читатели не замечали главного — мысли натуралиста, во многом необычайной для своего времени, глубокой и верной. Его считали, как сейчас принято говорить, популяризатором науки. Предполагалось, что истинного ученого отличает стиль сухой, замысловатый и скучный. Никто не задумывался о том, что Бюффон «популяризирует» свои собственные воззрения.

Вернадский признавал большое влияние на свои научные взляды творчества Бюффона: «… Леклерк де Бюффон (1707–1788), который был еще далек от современных представлений о химических элементах, дал в своей истории минералов целый ряд блестящих и ценных обобщений…»; «В основу своего университетского курса в Москве я клал не Линнея, а Бюффона, который рассматривал не продукты, а процессы. Бюффон первый, который научно пытался выразить геологическое время». Бюффон был академиком, знаменитостью. Но его идеи не пользовались популярностью на родине. Молодому Вернадскому они были очень близки. Сказалось и влияние Докучаева: «При чтении в университете минералогии я стал на путь, в то время необычный, в значительной мере в связи с моей работой и общением в студенческие и ближайшие годы (1883–1897) с крупным, замечательным русским ученым В. В. Докучаевым. Он впервые обратил мое внимание на динамическую сторону минералогии, изучение минералов во времени».

Но, конечно, выбор верного направления научных исследований еще не гарантирует успеха. В точных науках очень ценится точная мысль, идея. Все крупные открытия здесь выражены в форме небольших заметок, статей. Путь доказательства целеустремлен. Цель — конкретная формулировка идеи.

В естествознании перед исследователем — необычайно сложные объекты. Скажем, минерал. Это и химическое соединение, и (обычно) кристалл, и геологическое тело, и продукт определенных реакций, и наследие некой геологической эпохи, и полезное ископаемое… Выразить все это в какой-то единой формулировке вряд ли возможно. Здесь цель (описание минерала) совпадает с путем ее достижения. Последующие работы призваны расширять и уточнять описания. Для минералогии, как верно заметил Вернадский, факты издавна добывались на практике, «накоплялись вековым опытом рудокопа и рудоискателя, техника и металлурга, земледельца, художника и гончара… Эти знания, меняясь, передавались устно от поколения к поколению». И только после того как были научно объединены практические знания, начались специальные исследования, опыты, индивидуальные поиски ученых. Появилась теоретическая минералогия.

Своеобразно определяет Вернадский предмет минералогии, называя ее молекулярной химией Земли в отличие от геохимии — атомной химии Земли. Если геохимия рассматривает явления, связанные с судьбой атомов, то минералогия изучает молекулы, соединения атомов в планетарных условиях.

«Между общей химией, изучаемой в наших лабораториях, и химией, изучаемой в природной лаборатории земной коры, есть теснейшая связь. Химия земной коры дает, однако, более грандиозную картину явлений, отличающуюся не только масштабом, по сравнению с химией наших лабораторий, но и своей сложностью, — проявлением в ней таких химических законностей и правильностей, которые пока еще не вошли в круг изучения химии.

Объектами земной химии, как и объектами общей химии, будут тела разного физического состояния — газообразные, жидкие и твердые. Они получаются в результате химических реакций».

Следовательно, минералогия изучает не только продукты химических реакций, происходящих на Земле (минералы), но и сами химические реакции как часть истории минералов, определяющей их синтез и распад.

Еще одна особенность минералогии: необходимость учитывать огромную длительность геологических интервалов времени (тысячи, миллионы лет), в течение которых происходят большинство химических реакций в земной коре. Часть этих реакций осуществляется в недоступных непосредственному наблюдению глубинах Земли. Обычно приходится восстанавливать ход былых реакций по их продуктам (минералам). В общей химии, напротив, на первое место выступает лабораторный опыт и наблюдение за ходом реакций. Конечно, и геохимики ведут лабораторные исследования, помогающие им познавать (моделировать) ход природных процессов. «Но все же наблюдение в поле и для минералогии, как и для геологии, является основным методом искания истины».

Более того. Важно помнить о теснейшей связи минералогии с практикой, техникой: «Горное дело и изыскание полезных ископаемых являются той областью, откуда искони, извека минералог черпает главный материал для своей научной работы». Как видно, Вернадский очертил перед минералогией обширнейшую область исследований, включающую как традиционные разделы (описание минералов, классификация, познание особенностей системы минералов, практическое их использование), так и новые (история минералов, их роль в жизни Земли и человека). Но как справиться с такой титанической задачей? Кто сможет создать новую минералогию? «Для этого нужны страшные знания и такой смелый ум…» Прервем известную нам цитату. Прошло немногим более десяти лет, и Вернадский начал писать (и издавать отдельными выпусками) свою «Историю минералов земной коры».

Этот курс минералогии содержит описательную часть — обязательную часть любой монографии о минералах. Подобно различным видам растений или животных, каждый минеральный вид имеет свой облик, свои особенности, набор определенных качеств. Все это безусловно требуется знать… Но этого мало.

Вернадский стал, можно сказать, Дарвином в минералогии. Он показал минералы не только как отдельные особи, но и выявил «образ их жизни», связь с окружающей средой, изменения.

Главная особенность живых существ — неповторимость: одна особь умирает, рождается другая; один вид вымирает, появляется совсем другой. Эволюция жизни необратима, у жизни нет возможности вернуться к ранее пройденному пути, возродиться точно в прежних формах.

Для мира минералов иной закон жизни. Здесь господствуют круговороты. Одни и те же минералы, исчезая, появляются вновь. «Все химические реакции земной коры, насколько можно их проследить до сих пор, представляют определенные циклы, определенные круговые системы химических изменений, которые постоянно вновь повторяются».

Казалось бы, сама по себе идея проста и не нова. Известно, что из раствора соли при испарении воды выпадают кристаллы. Если периодически доливать воду, будут чередоваться циклы растворения и выпадения. Ясно, что для растения, например, подобную цикличность не установить: перестанешь поливать — погибнет, а потом поливай не поливай — не оживет.

Ученые прежде не обращали внимание на «жизненные циклы» минералов. Считали эту проблему далекой от своей науки. Но вот появилась динамическая минералогия Вернадского, и стали ясны недостатки прежнего подхода. Ведь минерал надо знать в каждом периоде его жизни, надо выяснить его «любимую» среду, условия рождения и распада. Без этого невозможно понять, какова роль минерала в общей жизни поверхности Земли, каково его обычное окружение. А чем точнее такое знание, тем легче искать и использовать минерал.

Вернадский описал природные геологические тела, в которые объединяются минералы, а также и сферы Земли, составленные из этих тел. Если прежде исследовались свойства минералов в связи с их внутренними качествами, то теперь те же свойства изучались и как результат воздействия окружающей среды, особенностей «жизни», определенного этапа развития данного минерала.

(Между прочим, знаменитый физик Э. Шредингер предложил называть живые существа особыми апериодическими кристаллами — он усмотрел много общего между формированием организма и кристаллизацией.)

Вернадский особенно подробно рассмотрел минеральные тела — крупные природные образования, объединяющие минералы, своеобразные минеральные содружества. Подобное совместное рождение минералов называется парагенезисом. Вернадский считал важнейшей задачей определение парагенезиса минералов (на основе обобщения имеющихся данных или с помощью теоретических разработок). Эти знания необходимы для практической цели — поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.

Парагенезис минералов существенно не менялся за геологическую историю. Можно сказать, минералы очень устойчивы в своих симпатиях и не склонны нарушать сложившиеся сообщества.

Как будто в царстве минералов должна сохраняться одна и та же обстановка на протяжении всей геологической истории. Однако в действительности это царство время от времени испытывает необычайные изменения. Бывали эпохи, когда на Земле скапливались огромные массы льда, позднее исчезавшие (и мы живем в одну из ледниковых эпох!). Оловянный камень — каситерит — в наибольших количествах накапливался в древнейшей архейской эре и сравнительно недавно, в третичный период. Для меди характерно по крайней мере четыре подобных волны. «Едва ли мы наблюдаем полную синхроничность этих явлений во всех местностях, но, несомненно, известное усиление и ослабление образования тех или иных минералов в земной коре на протяжении геологического времени часто наблюдаются. Очень резко это сказывается в истории каменного угля. Причины этих явлений неизвестны».

Обратим внимание на последнюю фразу. Вернадский знал гипотезы о резких изменениях климата на планете, о периодических космических влияниях, менявших обычное течение химических реакций на Земле. И все-таки счел нужным подчеркнуть незнание. Почему?

Обычно ученый стремится дать не только описание, но и наиболее полное объяснение явлению. И тут он часто незаметно для себя начинает верить в точность и верность не только своих описаний, но и объяснений. Ему кажется, что дело сделано, надо только уточнить некоторые детали. Проблема решена!

Если такое мнение утвердится, молодые ученые будут проходить мимо будто бы решенной проблемы. Лишь много позже кто-то сумеет обнаружить ошибку и откроет неведомое в привычном.

Вернадский хотел нацелить исследователей на проблему, которую считал важной и недостаточно разработанной. В наши дни выяснилось, что он был совершенно прав.

Сейчас мы не станем прослеживать судьбу некоторых научных предсказаний Вернадского. Об этом речь пойдет позже. Вернемся к минералогии.

Вернадский построил свою «Историю минералов земной коры» так, что введение, занимающее немалую часть книги, посвящено теории минералогии (хотя и в описаниях отдельных минеральных групп теоретические вопросы рассматриваются постоянно). В современных курсах минералогии обычно сохраняется подобное разделение.

Рассматривая минералы в их связи с окружающей средой, Вернадский вынужден был охватить многие миллионы лет геологической истории и обширнейшие области планеты, геологические оболочки — атмосферу, гидросферу, земную кору. Он особо выделил коллоидальные системы. До него минералоги не обращали внимания на геологическую роль коллоидов. Иногда упоминали о них в связи с деятельностью организмов.

В области жизни коллоидов много — особенно в воде. И сами живые существа можно считать разновидностью коллоидов. Подобно организмам, коллоиды смертны, «имеют на Земле очень временное существование; они неизбежно должны перейти в кристаллические тела».

И вновь Вернадский подчеркивает: «Эта область явлений еще мало охвачена теорией, а эмпирический материал минералогии не сведен и не обработан».

Замечательное качество: в густом лесу геологических проблем распознавать пути, ведущие далеко вперед, забытые или не увиденные другими.

Говоря о коллоидах, Вернадский отмечал у них как бы две формы существования: близ земной поверхности, где находятся живые организмы, и глубже — в земной коре. Здесь они часто образуют псевдоморфозы, то есть заполняют формы, свойственные другим минералам или телам.

Псевдоморфозы разнообразны.

Некогда в шахте погиб рудокоп. Каково же было изумление шахтеров, когда шестьдесят лет спустя они наткнулись под землей на человека, сплошь состоящего из сернистого железа! Эта псевдоморфоза вошла в историю под именем пиритового человека.

Нередки псевдоморфозы древних деревьев. Эти деревья жили, шумели листвой десятки миллионов лет назад. В твердом коллоиде опале, заменившем с годами древесину, сохраняется даже микроскопическое клеточное строение.

Псевдоморфозы редко имеют практическое значение. Но для науки они очень ценны. По ним можно восстановить проходившие когда-то под землей химические реакции. А еще, как особо отметил Вернадский, псевдоморфозы указывают на иные, чем ныне, природные условия, существовавшие в той или иной местности.

Отдаленно напоминает псевдоморфоз другое интересное явление — изоморфизм. На него обратили внимание еще в начале прошлого века: многие одинаковые по форме минералы (изоморфные) могут различаться по своему химическому составу. Позже было высказано предположение: изоморфизм — это образование твердых растворов. В кристаллах, как и в жидкостях, одни атомы могут смешиваться с другими, но не при свободном перемещении, а в точках пересечения невидимых линий кристаллических решеток. Подобные твердые смеси элементов широко распространены в природе. Они придают характерные черты одним и тем же минералам, находящимся в разных месторождениях: примеси обычно отличаются между собой. Так, вода каждого моря имеет индивидуальный химический состав. Хотя в общем воды всемирного океана более или менее однородны.

Вернадский выстроил изоморфные ряды химических элементов, способных давать «кристаллические растворы». Еще в 1909 году, когда идея «кристаллических растворов» не пользовалась популярностью среди натуралистов, Вернадский перенес ее из химии в геологию.

Как растение, приспособившееся к новой среде, идея, перейдя из одной науки в другую, приобретает новую форму. В химии особенности изоморфных рядов определялись в зависимости от типов химических соединений. В геологии для природных изоморфных рядов на первое место выходят внешние условия: температура, давление, силы молекулярные и электрические. Для земной коры характерны именно твердые растворы, потому что химически чистые вещества здесь образуются чрезвычайно редко.

Изоморфизм и парагенезис минералов помогают геологу понять условия образования месторождений полезных ископаемых, особенности жизни земной коры. Вернадский, можно сказать, сквозь кристаллы и лабораторные реактивы видел всю Землю. В минералогии он занимался не только общими проблемами. Наиболее знамениты его исследования соединений кремния — самых распространенных минералов на Земле. По подсчетам Вернадского, земная кора (до глубины 16 киломегров) на восемьдесят пять процентов состоит из силикатов.

Один из известнейших минералов, входящий в состав многих горных пород, — кварц — окись кремния. На основе окисла кремния, как считалось, образуются разнообразные минералы, и в числе их большая группа, содержащая алюминий.

Вернадский разработал оригинальную теорию строения этих соединений. В ее основе — идея существования сложных алюминиево-кремниевых кислот. В них водород может замещаться металлами. Соли этих кислот получили название алюмосиликатов. Так могут образоваться очень сложные по составу минералы.

В зоне выветривания под действием внешних агентов (воды газов, живых существ, солнечных лучей) алюмосиликаты разлагаются. Из них выносятся металлы. В виде конечного продукта остается минерал каолинит, содержащий кремний, алюминий, водород и воду (сейчас считается, что вместо воды в каолине находится гидроксильная группа ОН). Вернадский предположил, что кристаллическую основу алюмосиликатов образует особая, сложно построенная замкнутая конструкция атомов, содержащая алюминий-кислородные и кремне-кислородные группы (комплексы). Эту конструкцию он назвал каолиновым ядром. Замкнутая (кольцевая) структура ядра обеспечивает ему высокую устойчивость.

Идею каолинового ядра Вернадский разрабатывал, как и многие другие свои идеи, очень долго. Высказав ее в конце прошлого века, он неоднократно возвращался к ней, дополняя и уточняя ее. Интересно, что статью 1928 года он заканчивает не общими выводами, как принято, а вопросами (шесть вопросительных знаков в восьми последних предложениях!). Два вопроса относятся к самой гипотезе каолинового ядра. Вернадский верил в нее, но не хотел, чтобы кто-то принимал на веру его выводы. Напротив, он призывал осмыслить их критически.

Знаменательна последняя фраза статьи: «Эта возможность ставить новые научные проблемы делает законным введение новых воззрений вместо старой теории строения алюмосиликатов». Мысль верная. Бесплодны для науки теории, которые претендуют на полное объяснение природных явлений, но не открывают исследователю новых горизонтов неведомого.

Между прочим, в более поздней статье (1938) Вернадский высказал мнение, что кольцевые структуры, подобные каолиновому ядру, имеются и у других минералов. И вновь в конце статьи вопросы. Вернадский постоянно, целеустремленно углублялся в трудную проблему строения земных силикатов и алюмосиликатов. Он вел в этом случае, как принято говорить, узко специальные минералогические исследования.

Впрочем, верно ли называть их узко специальными? Углубляясь в тему, он не ограничивал ею свой умственный горизонт. Узкие исследования были для него, в конечном счете, ступенями ведущими вверх, к новым вопросам и поискам, на более высокий уровень познания, открывающий еще более далекие перспективы.

Характерно начало одной из его «частных» минералогических работ: «Изучение природных силикатов и алюмосиликатов далеко выводит нас за пределы минералогии».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.