«Исследования недр Земли тесно связаны с планетологией». Интервью с членом-корреспондентом РАН Антоном Шацким

Можно ли создать полную модель Земли? Почему важно это сделать? Правда ли, что понять все тайны нашей планеты сложнее, чем устройство дальнего космоса? Каких успехов достигли наши ученые в изучении Земли? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Антон Фарисович Шацкий, заведующий лабораторией геохимии мантии Земли ГЕОХИ РАН.

— Два с половиной года назад мы встречались в главном здании ГЕОХИ, и вы находились в процессе переезда из Новосибирска с большим количеством тяжелой аппаратуры. Сейчас у вас отдельно стоящее здание, масса научной аппаратуры, молодые сотрудники… Расскажите об этом.

— Я хорошо помню нашу первую встречу. С тех пор многое изменилось. Нам удалось перевести оборудование — дорогостоящее, высокоточное, уникальное. Такого у нас в стране больше нет. Это две фуры вместимостью около 60 т.

— Что это за оборудование?

— Это оборудование двух и даже более проектов РФН было собрано воедино в ходе реализации мегагранта, что заняло более пяти лет. Сейчас оно приведено в работоспособное состояние. Был создан коллектив, защищены диссертации, подготовлено огромное количество научных публикаций. Так получилось, что было принято решение, одобренное академией наук и Министерством науки и высшего образования: усилить ГЕОХИ РАН комплексом этого оборудования, чтобы дать новый толчок развитию института и нашего коллектива. Для нас это очень важно.

— Как вас тут приняли? Переезд, да еще и со своим скарбом — это всегда стресс.

— Нас чрезвычайно тепло приняли. Сотрудники лабораторий, разные службы оказывают помощь. Спасибо огромное людям и институту. За это время нам удалось привести в нормальное состояние помещение лаборатории, что потребовало достаточно много сил. Полтора года назад, в июле, мы в первый раз запустили пресс.

— Пресс, как я понимаю, — это сердце вашей лаборатории. Огромная установка, которая стоит на первом этаже.

— Да, это основной наш инструмент. На самом деле у нас два пресса: один рассчитан на меньшие глубины, второй, крупный пресс дополняет его бóльшим диапазоном глубин. Нам удалось все запустить, ничего не сломалось.

— Это здание, которое длительное время никак не использовалось, фактически находилось в аварийном состоянии. Как вам удалось восстановить его в короткий срок?

— Деваться некуда, нам же нужно отчитываться, проводить исследования. Мы предполагали, что все будет достаточно непросто. Поэтому постарались накопить экспериментальные данные, которые можно анализировать в период ремонтных работ и наладки оборудования, когда мы не можем использовать оборудование и ставить новые эксперименты. А это достаточно большой объем работы: эксперимент занимает время, но анализ данных и написание научных статей — еще больше.

— Но ведь вы не только занимались научной работой, но и ремонт сами делали?

— Да, это правда. Ремонтные работы отнимают много времени, нужно подготовить много документов, договориться со службами института. Ведь никто не выделяет на это дополнительных средств. Это проблема не только нашего института. Но и времена сейчас непростые, поэтому мы не жаловались, а просто делали свое дело.

— В итоге вы не только получили новую научную лабораторию, но и вернули к жизни уникальное архитектурное сооружение 1970-х гг. Очень оригинально смотрится, я такого нигде не видела.

— Да, это действительно особенное здание. Фактически это была часть второго корпуса Института геохимии и аналитической химии. На первом этаже были холл, гардероб, на втором — конференц-зал. Потом наступили 1990-е гг., когда стало очень сложно заниматься научной деятельностью. Так получилось, что это помещение сдавали в аренду. Арендаторы были разными. В итоге здание стало не очень пригодным для дальнейшего использования и простаивало.

— Поздравляю вас с тем, что у вас получилось восстановить его. Расскажите, чем вы сейчас занимаетесь, какие у вас главные научные цели?

— В институте есть хорошая аналитическая база, без которой мы не можем проводить эксперименты. Это сканирующий электронный микроскоп TESCAN. Наши замечательные коллеги из лаборатории метеоритики и космохимии отдела планетных исследований и космохимии ухаживают за ним и поддерживают в идеальном состоянии, всячески помогают нам в работе, хотя это отнимает у них много времени. Спасибо им огромное за это. С июля мы исследовали уже три достаточно крупных системы, первые публикации сделаны в декабре в журнале «Геохимия». Для того чтобы это все работало, помимо оборудования, нужны люди. Первое, что мы сделали год назад, — сайт, потратив на это два месяца. Потом я обратился к профессорам МГУ, непосредственно к декану геологического факультета члену-корреспонденту РАН Николаю Николаевичу Еремину. Он объявил студентам о программе, направил некоторых из них к нам на стажировку и обучение, чтобы можно было проводить эксперименты. Это нам очень помогло. Распространили информацию также в социальных сетях. Так у нас появились студенты. Я организовал семинары по субботам, где сотрудники и сами студенты читают лекции, делятся новыми данными. Понемногу привлекаем ребят к научной деятельности.

— Как у них это получается?

— У некоторых за полгода появились научные публикации в рецензируемых журналах. Научная деятельность разделяется на два направления: экспериментальное и теоретическое (расчетные методы исследований). В определенный момент мы столкнулись с тем, что не можем интерпретировать экспериментальные данные, потому что нам нужны хотя бы предположения о кристаллических структурах, о фазовых равновесиях. Эту информацию можно получить с использованием термодинамических и квантово-химических расчетов. Очень важный блок исследований — квантово-химические расчеты, или, как их называют, «расчеты из первых принципов». Эти два направления (экспериментальное и расчетное) дополняют друг друга. С одной стороны, расчеты нуждаются в реперных экспериментальных точках, чтобы не потерять связь с реальностью. С другой стороны, расшифровка и интерпретация экспериментальных данных часто требует привлечения термодинамических и квантово-химических расчетов.

— А как выглядит эксперимент?

— В многопуансонном прессе высокого давления исследуют небольшие образцы (до 1 мм) пород и других веществ. Есть глубинные породы, поднятые кимберлитовой магмой 200–500 млн лет назад (или еще раньше) с глубин порядка 150–250 км из мантии. Эти породы выносятся с экстремальных глубин со скоростью 60–80 км/ч, что обеспечивает сохранение структуры. Эти фрагменты пород, известные как мантийные ксенолиты, составляют недра нашей планеты. Их можно измельчить и поместить в условия, аналогичные тем глубинам, с которых вынесены эти породы.

— Откуда вы знаете, какие там условия? Ведь там же никто никогда не был.

— Хороший вопрос. Эти породы состоят из минералов и имеют сложный состав. Два-три минерала могут сосуществовать, и, в зависимости от температуры и давления, в них происходит перераспределение элементов: магния, железа, алюминия. Экспериментально показано, что перераспределение имеет определенную зависимость от давления и температуры. Исследователи извлекают из кимберлита мантийный ксенолит, делают шлиф, исследуют с помощью микрозондового анализа химический состав минералов, сосуществующих в этом ксенолите. Зная закономерности перераспределения элементов в этих минералах (так называемые геотермометры и геобарометры), они могут рассчитать, при каких давлении и температуре эта порода находилась до того, как кимберлитовая магма с огромной скоростью вынесла ее на поверхность. Эти данные позволяют оценить глубину, с которой кимберлитовая магма поднялась на поверхность. Мантийный ксенолит — главным образом силикатная порода, иногда содержащая алмазы. Это достаточно надежный контейнер, где находят тончайшие включения расплавов, из которых, возможно, кристаллизовались алмазы.

— Неужели вы толчете алмазы в ступке и смотрите, какие там находятся расплавы?

— Вы смотрите в корень: на рубеже 1980-х гг. многие исследователи ломали алмазы. А еще до этого, в 1970-х гг., сжигали.

— Какое варварство!

— При сжигании многие компоненты не сохранялись, потому что температура превышала 800 °C. Этого достаточно, чтобы алмаз сгорел и превратился в углекислый газ. Остаются мельчайшие кусочки, главным образом силикаты. Многие магмы, изливающиеся на поверхность, состоят из силикатов. Но глубоко под землей силикаты становятся очень тугоплавкими, и расплавы там кардинальным образом отличаются от гранитов, базальтов, к которым мы все привыкли и по которым ходим. Эти расплавы часто значительно обогащены летучими компонентами, в первую очередь водой, углекислотой в виде карбонатов, щелочными хлоридами — в общем, тем, что по составу очень далеко от встречающегося в мантии.

— И вы все это измельчаете, перемешиваете с солями, достигаете условий, как вы считаете, таких, как на огромных глубинах. Каким образом? С помощью этого пресса, который может достигать огромных давлений?

— Мы берем мельчайшие образцы, цилиндрики размером 1 мм. К счастью, мы можем положить в один эксперимент до 16 таких образцов. Помещаем это в ячейку из тугоплавких оксидов — как раз сейчас один из сотрудников собирает такую. Она изготовлена из материалов, из которых делают зубные протезы — коронки. Процесс изготовления у них очень сходный.

— Вы можете открыть стоматологическую клинику.

— Не хотелось бы, но очень многое у нас действительно связано с медициной. Дело в том, что протезы изготавливают из оксида циркония — как правило, легированного окисью иттрия. Это чрезвычайно твердый материал, поэтому обрабатывают его полуспеченным, пористым (до 30% пор) агрегатом. Он мягок, как мел, и им можно писать на асфальте или доске. Его легко обрабатывать фрезами из карбида вольфрама. У нас в институте стоят станки с числовым программным управлением (ЧПУ); думаю, специалисты, занимающиеся изготовлением протезов, используют аналогичное оборудование. Например, при изготовлении зубных протезов после вытачивания керамические заготовки спекают при высокой температуре, чтобы керамика стала плотной и очень твердой. У нас же используется исходный мягкий материал, мы из него вытачиваем детали ячеек высокого давления, в которые помещаем образцы в герметичных капсулах из металлов, графита, оксидов в зависимости от состава системы. Все это помещается в пресс. Увеличение давления пресса приводит к созданию в образце (в ячейке высокого давления) условий, имитирующих экстремальные глубины. Затем, помимо циркониевой керамики (ZrO₂, оксид циркония), туда помещается трубочка либо из графита, либо из хромита лантана и иных материалов — например, алмаза, высоколегированного бором. Через эту трубочку пропускается электрический ток и так же, как в вольфрамовой лампочке накаливания, создается высокая температура. При высоком давлении мы можем нагреть эти образцы до экстремальных температур, отвечающих мантийным условиям; как правило, это температуры, превышающие 1000 °C. 1000–1500° — наиболее характерный температурный интервал на глубинах порядка 200 км. Это как раз те глубины, где образовывалось большинство алмазов, откуда извергались самые глубинные кимберлитовые магмы. Это наиболее интересный для нас интервал.

— Что вы хотите получить в результате?

— Интересно знать, какие расплавы могут быть на этих глубинах. От этих жидкостей и флюидов зависит, как формировались, из чего кристаллизовались алмазы. Просто поместив графит на эти глубины, алмаз не получишь — он так и останется там в виде карандаша. Чтобы он превратился в алмаз, нужны катализаторы растворителя. Углерод сам по себе малоподвижен. Представьте: растворимость углерода в мантийных породах составляет 1 г/т. Это мизерные количества, один на миллион. А как же выросли крупные кристаллы? Они росли из растворов углеродов в каких-то средах, где углерода, во-первых, много, во-вторых, он достаточно подвижный. А вот каков состав тех сред — большой вопрос. И вообще, расплавы какого состава могут существовать на этих глубинах? Эти вопросы затрагивают не только происхождение алмазов, но и множество других важных аспектов, связанных с формированием щелочных комплексов. А ведь это фактически источники стратегического сырья, редкометалльные месторождения.

— В прошлый раз вы говорили, и мы даже вынесли эту мысль в заголовок, что ваша цель — создание точной модели Земли. Но, если я правильно понимаю, речь идет только о мантийном слое, а то, что еще глубже, вы пока не знаете и не претендуете на это знание?

— Не совсем так. Глубины свыше 2,9 тыс. км — это силикатная граница между мантией и металлическим ядром. Чтобы достичь давлений на этих глубинах, превышающих 130–140 ГПа, необходимо использовать алмазные наковальни. Такие наковальни мы оставили в Новосибирске, как и договорились. Это достаточно маленький аппарат, где два алмаза давят на образец. Несмотря на его размер, для его работы требуются дорогостоящие оптические высокоточные столы, сложная оптика... В настоящее время мы начали сотрудничать с нашими коллегами из Научно-технологического центра уникального приборостроения (НТЦ УП) РАН, в том числе с ведущим научным сотрудником центра Павлом Валентиновичем Зининым. Он долгие годы работал в Гавайском университете в Маноа в лаборатории, где развивал спектральные методы исследований, в том числе применительно к исследованиям при сверхвысоких давлениях. Сейчас он создал в НТЦ УП РАН лабораторию, где есть оборудование с алмазными наковальнями. Они как раз очень заинтересованы в том, чтобы ставились задачи, применимые к наукам о Земле и планетологии, а также в том, чтобы использовалось их оборудование. Мы сейчас как раз на этапе подготовки. На втором этаже у нас микроскоп для сборки алмазных наковален, в ближайшей перспективе мы планируем такие исследования.

— Значит, вы хотите понять, как устроена Земля, включая ее ядро?

— И не только Земля, другие планеты тоже. Исследования недр Земли тесно связаны с планетологией в целом. Да, мы не можем на прессе, который находится в нашем институте, сегодня создать условия, соответствующие ядру Земли. Но мы можем создать условия, соответствующие, например, металлическому ядру Луны. А там тоже много интересных задач — еще больше, чем на Земле, поскольку меньше известно. Там нужно исследовать металлические системы с легкими элементами: углеродом, серой, водородом, фосфором. Часть исследований сейчас как раз проводим с силикатными системами с ионными соединениями, моделирующими расплавы в мантии Земли, и параллельно изучаем металлические системы с легкими элементами. Это применительно к ядрам планет и планетезималей меньшего диаметра, где не столь высокие давления в центре, как в Земле. Подобные исследования также интересны для понимания ранних этапов зарождения нашей планеты, когда значительная ее часть была расплавлена и существовал магматический океан, возникший, как считают, в результате столкновения прото-Земли с прото-Луной. За счет этого импактного события кинетическая энергия преобразовалась в тепловую, что привело к расплавлению огромной части планеты. Предполагается, что в этой жидкой массе присутствовали силикатный и металлический расплавы. Диапазон давления по большей части достижим для экспериментов с использованием нашего лабораторного пресса.

— А каким образом происходило перераспределение элементов между металлическим и силикатным расплавами?

— В дальнейшем металлический расплав погрузился в центр, образовав ядро, а силикатная часть раскристаллизовалась, сформировав мантию. Эксперименты позволяют предположить, какие количества и какие именно элементы концентрируются преимущественно в ядре Земли. Там достаточно много вопросов, и, я думаю, их будут изучать не один год и не один десяток лет. Такие исследования проводятся во всем мире.

— Какие вопросы стоят наиболее остро?

— Согласно геофизическим данным, плотность ядра, установленная геофизиками, отличается от расчетной или экспериментальной, от плотности железа или железо-никелевого сплава, который может существовать при этих параметрах. Для того чтобы интерпретировать геофизические наблюдения, к этому тяжелому металлическому сплаву нужно добавить легкие элементы. Но какие именно элементы, в каких пропорциях и количестве? Ответ на этот вопрос должны дать систематические исследования с применением экспериментов в алмазных наковальнях и квантово-химические расчеты.

— Есть ли у вас какие-то результаты, которые не соответствуют тому, что считалось ранее?

— Это в порядке вещей. Где-то с 2013 г. по 2020 г. мы интенсивно изучали влияние карбонатов, воды, а затем хлоридов на плавление силикатной мантии. В июле 2025 г. мы начали исследование систем с фосфатами и фторидами. Оказалось, что при добавлении фтора образование расплавов на мантийных глубинах происходит при гораздо более низких температурах, чем мы предполагали, которые соответствуют температурам холодных океанических плит, погружающихся в ходе субдукции в мантию Земли.

— Из-за фтора?

— Да, считается, что погружающиеся океанические плиты привносят в мантию различные элементы, которые для нее нехарактерны. Это летучие компоненты, в первую очередь вода и CO₂, фтор также не исключен. Как оказалось, он даже при экстремально низких для мантийных условий температурах обеспечивает плавление в условиях холодного слэба. Эти данные получены недавно и опубликованы в журнале Geochemistry International в декабре 2025 г. Пока это были чрезвычайно простые системы. Но чтобы освоить сложное, всегда нужно начинать с простых систем, чтобы потом разобраться во всем досконально.

— Мы сидим на фоне интересных приспособлений. Что это такое?

— Это вакуумные десикаторы. Многие вещества, с которыми мы работаем, гигроскопичны, то есть очень быстро впитывают в себя влагу. Влага — это дополнительный компонент. Если мы хотим исследовать влияние воды, мы ее вводим принудительно в известном нам количестве. Чтобы избежать неконтролируемого попадания воды в изучаемые вещества, их необходимо хранить в вакууме. С этой целью используются такие вакуумные десикаторы. Другой момент: многие расплавы, которые образуются в условиях мантии, — это не силикаты, а соли, ионные жидкости. Они зачастую содержат богатые калием и натрием карбонаты, хлориды, фториды. Эти соединения очень гигроскопичны. Когда мы извлекаем образцы из эксперимента, нужно себя обезопасить, чтобы они в первые минуты не превратились в капельки воды. В этом случае вся работа будет полностью уничтожена. Поэтому мы очень бережно обходимся со многими синтезированными образцами, которые находятся в природоподобных системах. Им категорически противопоказан доступ атмосферного воздуха, их можно исследовать только под вакуумом, как это происходит в электронном микроскопе.

— Как вы думаете, удастся ли создать полную модель Земли, как вы мечтаете?

— Более чем уверен.

— Сколько это может занять времени?

— Если ничего плохого не случится, я думаю, эту модель получат через 50–100 лет. Мы пытаемся делать все, что от нас зависит: воспитываем кадры, пытаемся развивать экспериментальные и теоретические направления. Наши исследования далеко не ограничиваются фундаментальными результатами. Безусловно, все возможности использования данного оборудования имеют двойное значение: с одной стороны, это фундаментальная геология, геохимия, петрология, с другой — материаловедение.

— Расскажите об этом подробнее.

— Незадолго до вашего прихода мы разговаривали с Александром Сергеевичем Анохиным (заведующий лабораторией физико-химических основ металлургии цветных и редких металлов Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. — Примеч. корр.). Он предложил привлечь молодых исследователей и студентов для решения задач в области материаловедения с использованием прессовых аппаратов высокого давления. Мы можем создать условия для синтеза достаточно интересных с прикладной точки зрения материалов. Там есть и фундаментальная составляющая для физиков, и практическая. Но чтобы развивать это направление, нам нужно сотрудничество. Во всем разбираться невозможно — на многие вещи просто физически не хватит сил. Например, какие-нибудь структуры перовскитов. Какое важное применение они могут иметь в области материаловедения? Тем не менее у меня был опыт плодотворного сотрудничества в данной области. Нужно отметить, что цитируемость научных публикаций, сделанных в результате этих исследований, заметно выше, чем у моих статей по наукам о Земле. Интерес в этом есть, а главное, это для нас несложно. Петрологические опыты порой технически сложнее, чем синтез новых соединений для исследований в области физических наук.

Есть еще интересная задача. Известно, что алмаз — самое твердое вещество. Однако предполагается, что есть еще более твердое углеродное соединение — гексагональный алмаз, или лонсдейлит. Возможно, в одном из направлений у него твердость выше, чем у алмаза.

 — А где его можно встретить?

— Тут все непросто. Его находят в импактитах — породах, образовавшихся при соударении метеорита с поверхностью. В ходе ударного события в месте падения генерируются высокие давление и температура. Упадет в кварцевый песок — будет стешовит. А упадет в органику — образуется спек алмаза и этого самого лонсдейлита. Только это тончайшие нанополикристаллические агрегаты, извлечь из них кристалл и исследовать его свойства невозможно. Лонсдейлит можно получить в лаборатории, но выглядит он абсолютно так же, как природный. Размеры его зернышек настолько малы, что их параметры сравнимы с элементарной ячейкой. Это не позволяет исследовать и использовать этот материал, включая даже измерение его твердости. Есть расчетные данные, но они вызывают много дискуссий среди ученых, что ставит под сомнение даже само его наличие. У этой фазы проблема в том, что она не имеет поля собственной термодинамической устойчивости. Получить лонсдейлит в виде отдельного кристалла до сих пор никому не удавалось. Сейчас мы главным образом изучаем образцы с глубины до 200 км, но можем расширить этот диапазон до параметров переходной зоны (410–670 км) и даже до верхних частей нижней мантии (670–800 км). Хотим провести тесты и попробовать получить этот углерод.

— Если получится, он, наверное, будет еще дороже, чем алмазы?

— Все не так просто. На многопуансонных прессовых аппаратах, как у нас, это будет малорентабельно. Но есть установки-молоты. В СССР ставились такие эксперименты, и такие установки были достаточно распространены. Я даже в Новосибирске общался с одним высококлассным специалистом; к сожалению, он был уже в возрасте, а аппарат сдали на металлолом. Говорят, им удавалось получить лонсдейлит. Молот — удивительная вещь: вроде бы не статические условия, давление быстро генерируется и падает, но в действительности там своя физика процесса — при ударе какое-то время сохраняется высокое квазистатическое давление. Благодаря этому и образовывался лонсдейлит. Если у нас получится, это будет невероятно интересно.