По оценке американского ученого Роберта Хейзена, минеральная история Вселенной началась с образования всего двух минералов графита и алмаза, через несколько миллионов лет в звездной пыли присутствовало уже около десятка новых минеральных образований. В хондритах их количество достигает шести десятков, а в ахондритах порядка 2508.
А что уран? Химические анализы показывают, что в метеоритах он уже содержится. В углеродистых хондритах его содержание достигает 0,0074 ppm (в процентах это составляет 0,00000074%), в ахондритах немного больше 0,070,15 ppm (или 0,0000070,000015%). Но собственно минералы урана в метеоритах пока отсутствуют, в микроскопических количествах он прячется в межзерновом пространстве метеоритов или входит в состав других минералов.
Но не все планетезимали соударяясь вновь рассыпались метеоритами, некоторые достигли очень больших размеров и известны как астероиды, другие и вовсе превратились в планеты, как в малые, так и в полновесные, которые сегодня известны как Марс, Венера, Земля
Итак, Земля сформировалась. И на ней появился уран. Все-таки из космоса (откуда ж ему еще взяться). Но минералов урана на планете все еще нет. Молодая Земля слеплена из мешанины хондритов, ахондритов, обломков мелких планетезималей, протопланет, и на ней царит первозданный хаос.
Одни исследователи, как, например, Р. Хейзен или В. Е. Хаин, считают, что Земля формировалась как раскаленный шар и первые земные минералы начали формироваться на поверхности остывающей планеты на границе с холодным космосом. Другие, как О. Ю. Шмидт или Дж. Койпер, полагают, что Земля никогда не была полностью расплавленным космическим телом. Изначально она была холодной, и падающие планетезимали только обжигали Землю, но при отсутствии атмосферы место удара быстро остывало.
Новорожденная Земля, «роды» которой продолжались порядка 10 миллионов лет, имела достаточно однородный состав не существовало еще ни земного ядра, ни коры, ни атмосферы, ни гидросферы. Первичное вещество планеты по усредненному составу представляло резко выраженную ультраосновную породу. Планета представляла собой суровую холодную пустыню с черным небом, яркими немигающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем, светимость которого была на 2530% ниже современной, и непомерно большим диском Луны. Рельеф напоминал испещренную кратерами поверхность Луны, недра были сложены темно-серым первичным веществом. Других пород на Земле пока не существовало.
Изначально холодной была наша юная планета или представляла раскаленный шар, можно было бы с уверенностью сказать, имея в руках неопровержимые доказательства в виде сохранившегося каменного материала первичного вещества. Сегодня можно делать самые различные предположения о том, чем была изначально сложена поверхность Земли, но пикантность ситуации в том, что первоначальные породы, покрывавшие тогда планету, не сохранились, они утонули. В этом сходятся апологеты как «холодной», так и «горячей» теории происхождения Земли. Правда, они предлагают различные варианты течения событий, но сходятся в одном: в ходе развития планеты первичное вещество оказалось тяжелее и опустилось в раскаленную магму, где переплавилось с образованием новых минералов и горных пород.
Несмотря на колоссальные усилия геологов всего мира найти самые древние породы Земли, достоверно определенный возраст наиболее древних образований не превышает 3,753,8 млрд лет, в то время как возраст планеты определяется в 4,6 млрд лет. То есть никаких материальных свидетельств о составе земли за первые 800 миллионов лет не сохранилось? Почти не сохранилось!
В начале века появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных зерен минерала циркона, с возрастом 4,24,3 и даже 4,4 млрд лет. О них стоит рассказать подробнее. Тем более что уран имеет к ним прямое отношение.
Уран очень долго не мог обзавестись собственными минералами более полутора миллиардов лет он находил себе убежища на поверхностях и в микротрещинах пород, входил в состав расплавов, растворов, в общем, крутился как мог. Значительное количество атомов урана приютилось в кристаллических решетках чужих минералов, где они и расположились с комфортом, словно кукушата в неродном гнезде.
Процесс этот в минеральном царстве не так уж и редок и называется изоморфизмом когда атомы одного химического элемента замещают в кристаллической решетке атомы другого, сходного по размерам. Чаще всего «для проживания» атомы урана выбирали именно минерал циркон (Рис. 1). Надо сказать, что и выбор минералов первые полтора миллиарда лет был не слишком богат. Циркон оказался очень гостеприимным: его кристаллы помимо урана часто вмещают атомы гафния, редких земель, ниобия, тантала, тория; содержания урана в цирконе достигают 1,5%, а иногда и больше!
Рис. 1. Зерно циркона под микроскопом. Увеличение 320 раз.
По [Таусон, 19619]. а микрофотография зерна; б микрорадиография того же зерна. Темные полоски треки от распадающихся радиоактивных элементов
Химический элемент цирконий обзавелся собственным кристаллическим «домом» одним из первых на Земле, при этом получившийся минерал циркон оказался на редкость прочным. Хотя он и уступает по твердости алмазу, но в отличие от последнего стойко переносит ударные нагрузки.
Изучая архейские конгломераты и песчаники возрастом 3,5 млрд лет, австралийские ученые выделили из них небольшие кристаллики цирконов, возраст которых оказался равным почти 4,4 млрд лет10. Как такое может быть породы одного возраста, а минералы в ней намного старше? Объяснение простое: цирконы были вымыты из более древних, первозданных пород.
В неблагоприятных химических условиях кристаллы циркона начинают растворяться, но только лишь обстановка наладится, они снова приступают к самосборке, словно птица Феникс. Процесс этот исследован еще недостаточно. Как отмечает Т. В. Каулина (доктор геолого-минералогических наук, сотрудник Кольского научного центра РАН): «Практически нет работ, посвященных выявлению общих закономерностей образования и преобразования циркона в природе». Кроме того, нам почти ничего не известно о том, какова была химическая среда на протопланетной поверхности11. Среди архидревних кристаллов циркона попадаются экземпляры с «луковичным» строением, сердцевина которых окружена рядом более молодых слоев. При этом прослеживается закономерность чем ближе к центру минерала, тем богаче концентрация урана: кристаллы циркона частично растворялись, выпуская в «свободный полет» своих урановых и прочих «кукушат», входящих в кристаллическую решетку, а затем обрастали новыми, уже «очищенными» слоями (Рис. 2).
На разрушение цирконового «убежища» влияли не только внешние факторы среды, но и некоторые «квартиранты». Радиоактивные частицы, образующиеся в ходе распада урана, разрушали структуру циркона изнутри, в результате чего он становился метамиктным12. Конечным продуктом радиоактивного превращения урана является радиогенный свинец, размер атомов которого больше, чем у элементов, входящих в минерал циркон. Атомы свинца втискиваются в кристаллическую решетку циркона, словно медведь в теремок, и кристалл как бы «распирает». Его правильная форма нарушается. Такой циркон называют уже иначе циртолитом13.
Рис. 2. Фотография зонального циркона, полученная катодолюминисцентным методом. Для наглядности зоны окрашены. Возраст кристалла около 4,4 млрд лет. [Изображение с сайта livescience.com14].