«Наука — это важная часть человеческой культуры». Интервью с академиком Леонидом Арановичем

Что изучает наука петрология и чем она отличается от петрографии? Какие важные фундаментальные и прикладные знания она несет? Об этом рассказывает академик Леонид Яковлевич Аранович, главный научный сотрудник ИГЕМ РАН.

— Много лет вы работаете в лаборатории метаморфизма и метасоматизма им. ак. Д.С. Коржинского. Это ваш учитель?

— Это мой научный дедушка, один из самых выдающихся петрологов XX в., что было отмечено одной из наиболее престижных международных премий — медалью Реблинга Американского минералогического общества. Он единственный из советских и российских геологов, который получил эту награду. Конечно, он был неоднократно награжден и нашими советскими наградами. Но дело не в этом, а в том, что он действительно совершил прорыв в области исследований петрологии, поскольку первым в мире перевел наблюдательную науку, которой она была, на новые, количественные рельсы.

— Что это обозначает?

— Он привлек теорию физической химии к объяснению природных процессов. Кроме того, Д.С. Коржинский внес очень существенный вклад в развитие самой науки физико-химических представлений. Он сформулировал такое понятие, как системы с вполне подвижными компонентами. А природные системы как раз к таким и относятся. В физической химии не существовало формальных оснований для описания этих явлений. Д.С. Коржинский развил и теоретически обосновал этот подход, позволивший в дальнейшем количественно описывать природные явления в земной коре и недрах, которые наблюдались, но их природу никто не мог понять.

— А сейчас поняли?

— Сейчас многое стало ясно. Это дало возможность понять, что надо делать, чтобы воспроизводить в лабораторных условиях процессы, в природе контролирующие явления, наблюдения за которыми нам практически недоступны. Все эти процессы происходят глубоко в недрах Земли, и, к сожалению, мы пока не можем туда добраться, чтобы увидеть их своими глазами. Кроме того, особенность геологии заключается в том, что все происходящие процессы очень медленные. Однако использовать полученные знания хочется уже сейчас, причем не только применять их на практике, но и понимать, что происходило в прошлом, что, возможно, происходит сейчас и что будет происходить в будущем. Но средств для прямого наблюдения, как, скажем, в простом физическом эксперименте, у нас нет. А Дмитрий Сергеевич все это сделал не только для отечественной науки, но и для мировой. Кроме того, он воспитал целую плеяду замечательных ученых, причем осуществил это, не руководя непосредственно их исследованиями, а просто силой своих идей. Один из наиболее ярких его учеников стал моим непосредственным учителем. Это Леонид Львович Перчук — известный ученый, создавший особое направление в петрологии, которое называется термобарометрией. Начало моей научной деятельности было связано с развитием этого направления.

— В древних пещерах археологи нередко находят петроглифы — рисунки первобытных людей, древнее искусство. Связаны ли петрология и петроглифы между собой?

— Только общим корнем «петр-», что по-гречески означает «камень». Раньше наша наука называлась петрографией, то есть описанием камней. А теперь она называется петрологией, от греческого «логос» («знание»), потому что мы перешли от описания к количественным характеристикам процессов и их моделированию в лаборатории. Институт экспериментальной минералогии, созданный Д.С. Коржинским, в котором я начинал свою научную деятельность, первым начал осваивать эту науку. Для развития петрологии необходимы экспериментальные данные по воспроизведению процессов там, где мы не можем их наблюдать в реальных условиях. Именно для организации таких исследований был создан этот институт в Черноголовке, известной своей концентрацией физико-химических, химико-физических институтов, и я стал там одним из первых аспирантов. 

— На сайте вашего института написано, что текущие исследования связаны с хлором во флюидно-магматических системах. О чем идет речь?

— Все началось с того, что мы не могли объяснить некоторые закономерности поведения воды в глубинных процессах, в земной коре и в верхней мантии. Например, чем глубже порода, тем она суше. Казалось, вода туда не доходит. Чтобы решить эту задачу, я провел серию экспериментов по взаимодействию различных пород с растворами соленой воды разной концентрации, вплоть до рассолов.

— Как это делается?

— Берется маленькая золотая или платиновая ампула. Дело в том, что инертные металлы не оказывают никакого влияния на те процессы, которые мы хотим изучать. В эту ампулу закладывается какое-то количество природного вещества или его синтетического аналога. Туда же наливается какое-то количество раствора с определенной концентрацией соли — обычный натрий хлор или калий хлор, простейшие хлоридные соли. Потом все это запаивают, чтобы герметизировать, и помещают на несколько дней в аппараты высокого давления и высокой температуры.

Анализ результатов опыта показал, что поведение соленых растворов существенно отличается от поведения, например, смеси воды с углекислотой или с другими газами. Даже при небольшом содержании соли в воде ее воздействие на минералы и породы оказывается значительно слабее, чем у чистой воды или водных газовых смесей.

— Что эти исследования дали для практической науки?

— Для практической науки это дало возможность, во-первых, правильно оценивать, присутствовала вода в данном процессе или нет. Сухость еще не означает, что ее не было. И второе — это объяснило присутствие солевых включений в минералах, которые наблюдались очень часто.

— Правильно ли я понимаю, что вода присутствовала во всех этих процессах?

— Правильно. Вода нужна для формирования минералов и пород. Она необходима просто катастрофически. Таких процессов, которые протекают всухую, практически не бывает.

— У геологов есть точка зрения, что камни можно назвать живыми, потому что минералы имеют очень похожий состав с нами. Как вы к этому относитесь?

— Я собираюсь написать книгу под названием «Терра Вита», что в переводе с латыни означает «Земля живая». На самом деле не только какие-то отдельно взятые минералы или горные породы, но и вся наша планета живая. Причем эта жизнь начинается в ядре и заканчивается биосферой и атмосферой.

— В каком смысле жизнь начинается в ядре Земли?

— Если бы наше ядро было мертвым, то нас бы не было на этом свете. Всего человечества бы не было. То, что Земля геологически активна, обеспечивает нашу жизнь. Причем эта активность проявляется в разных оболочках. Земля, как известно, согласно современным представлениям, состоит из нескольких оболочек. Это кора, верхняя мантия, промежуточный слой, нижняя мантия, жидкое ядро и твердое ядро. Вот примерно разрез Земли от поверхности до центра. Благодаря тому, что существует жидкое ядро и оно взаимодействует с твердым ядром и с мантией на своей верхней границе, активизируются все процессы, которые мы наблюдаем уже в земной коре. Так было почти с момента образования планеты. Как только жидкое ядро вымрет — а рано или поздно, как мне кажется, это произойдет, — смерть планеты неизбежна.

— А когда это произойдет, по вашим подсчетам?

— Подсчеты эти очень приблизительные, все зависит от начальных параметров, которые мы закладываем. Это одна из проблем, которые меня сейчас очень интересуют.

— Вас интересует, как долго нам осталось?

— Нет, меня интересует, что стимулирует так называемую эндогенную активность. В связи с этим мы перейдем к очень интересной теме — водороду. Думаю, я стал первым из российских геологов, кто реально начал исследовать проблемы, связанные с водородом.

— Вы имеете в виду водород, который находится в недрах?

— Да. Не атмосферный водород, где он присутствует в виде паров воды, которых очень мало. Меня интересует водород, потому что, как мне представляется, это главный фактор, обусловливающий эндогенную активность. Мы говорили о вымирании ядра. Это взаимосвязанные вопросы. Жидкое ядро, похоже, было на всех планетах земной группы, но время его существования и, соответственно, длительность геологической активности в конечном счете зависели именно от водорода. Все определялось запасом водорода в жидком ядре, и те планеты, где по тем или иным причинам его оказалось мало, быстро вымерли. Например, Меркурий, Марс.

— А Венера?

— С Венерой непонятно. Может быть, я не прав, но, судя по всему, Венера еще молодая. Она моложе Земли в смысле ее геологического развития. Известно, что там молодой вулканизм. Она еще не прошла ту стадию эволюции, которую Земля уже миновала, и, соответственно, атмосфера у нее совсем другая. Я думаю, что на Земле было что-то похожее, только где-то около 3 млрд лет назад.

— Неужели у нас на Земле было давление 90 атмосфер? В это трудно поверить.

— Было и больше, но изначально. Мы можем прийти к такому выводу по аналогии с наблюдениями за так называемыми экзопланетами, находящимися вне Солнечной системы, которых сейчас открыто уже очень много. Многие планеты размером примерно с Землю, так называемые суперземли, окружены очень мощными атмосферами, простирающимися на несколько тысяч километров. Естественно, при такой мощности атмосферы давление на границе с твердым ядром будет очень высокое, даже до тысяч атмосфер. А на Венере, где атмосфера намного массивнее земной, всего лишь 90. В опытах с одной группой из Черноголовки, с которой я очень тесно сотрудничаю, мы воспроизвели, как это происходит с твердыми породами под давлением водорода в тысячу атмосфер. Эти процессы воссоздают самую раннюю стадию формирования Земли. После того как она достигла соответствующих размеров, на ней существовал магматический океан, вещество было очень горячим и находилось в основном в расплавленном состоянии. И вот под давлением водорода начало образовываться металлическое железо, которое теперь составляет основную часть планетного ядра — не только здесь, но и на Луне, и на Венере, и на Марсе.

— Получается, что водород играет ведущую роль в формировании планет?

— Я думаю, да. Причем не только планет, но и звезд. Это не только первый элемент, но и самый распространенный во Вселенной.

— А какую роль он играет в формировании жизни? Как вы думаете?

— Само слово подсказывает ответ. Он образует воду. А вода — это ключевой элемент жизни. Поиск внеземных цивилизаций нацелен в первую очередь на обнаружение жидкой воды.

— Но почему тогда не удается найти признаки жизни на других планетах?

— Признаки жизни находятся. Жизни не находится. Почему? Думаю, на том же Марсе она была, но вымерла. А на Венере еще будет, может быть. В этом я не специалист, живая природа — не моя стихия. Могу лишь поделиться точкой зрения.

 — Как вы относитесь к теории изначально гидридной Земли профессора В.Н. Ларина?

— Я его очень хорошо знал. Это мой старший товарищ, мы дружили долгое время, он часто приезжал в Черноголовку. Идея его хорошая, но по сути Земля не гидридная. Она водородсодержащая, а это разные вещи. Он считал, что в глубинах Земли — в ядре или в мантии на границе с ядром — существуют гидриды, в том числе щелочных металлов. Это, конечно, маловероятно и скорее всего не так. Но то, что он по существу одним из первых, если не первым, оценил возможную роль водорода в процессах планетарной эволюции, — это, безусловно, его заслуга.

— Насколько я понимаю, Ларин предсказал, что водорода в недрах Земли значительно больше, чем мы думаем, и на этом утверждении сейчас основана идея, поддерживаемая на правительственном и академическом уровнях, о том, что нужно искать эти месторождения водорода и учиться его добывать, поскольку это топливо будущего.

— То, что это топливо будущего и хорошо бы научиться его находить и добывать, — это все правильно. Однако я не согласен с тем, что это тот водород, который поступает из ядра, а Ларин считал именно так. Водород — очень активный элемент. При взаимодействии с силикатным веществом, из которого состоит бóльшая часть нашей планеты, он вызывает целый ряд реакций, в результате которых выделяется вода и сам водород превращается в воду. Это происходит в верхних слоях — в верхней мантии и земной коре. Однако есть много процессов, которые снова генерируют водород, доступный для добычи. Но этот водород отличается от того, который поступает из ядра Земли. Обнаружение ядерного водорода стало бы большой удачей. Водород же, образующийся из воды, находится ближе к поверхности, и это достаточно понятный процесс. Один из наиболее распространенных процессов генерации водорода — это так называемая серпентинизация, когда породы, богатые магнием и железом, взаимодействуют с водой, образуется минерал серпентин, и при этом выделяется водород. Сейчас в некоторых странах пытаются стимулировать этот процесс: находят подобные породы, закачивают в них горячую воду, вызывая их взаимодействие, и таким образом генерируют водород.

— И что из этого водорода делают дальше?

— Собирают и используют. До того, чтобы сделать на основе водорода универсальное топливо, еще далеко. Для этого нужно создавать и масштабировать технологии. Тем не менее водород — один из возможных способов. Существует также процесс взаимодействия водосодержащих растворов с углеродистым веществом, например с углем. В результате этого происходит восстановление воды и образуется водород. Этот водород может или выделяться, или вступать в обратную реакцию, из-за чего его уже не удастся получить. Вариантов много, но все они связаны с процессами, намного более близким к поверхности, чем прямой поток водорода из ядра. Однако именно водород из ядра — основного источника эндогенных процессов в недрах Земли — играет ключевую роль. Запас водорода, накопившегося в основном в жидком ядре, определяет длительность существования жизни нашей планеты.

— Так, может быть, и хорошо, что мы не можем дотянуться до ядра? Если бы мы начали добывать оттуда водород, нам бы пришел конец.

— Да, именно так. Это было бы самой грубой ошибкой по отношению к окружающей среде.

— На сайте вашего института указано, что вами разработано несколько научных программ, в частности программы для чистых флюидов, для флюидных смесей и расчеты энергии смещения частиц расплава. Что это за программы и чем они важны?

— Это компьютерные программы. Сейчас мы можем очень многое моделировать на компьютере, в том числе многие природные процессы. Физический эксперимент с золотыми ампулами, о котором я рассказывал, был бы уже не так важен, как раньше. Для того чтобы создать эти компьютерные программы, нужно было накопить экспериментальную базу, потому что они так или иначе основаны на тех экспериментах, которые мы проводили многие годы.

— У вас на столе лежат деревянные ящички, в которых находятся красивые стеклышки, как я понимаю, привезенные из разных регионов мира. Что это такое?

— Это так называемые петрографические шлифы. Мы ездим в экспедиции в разные уголки мира. Вот здесь вы видите тонкий срез определенной породы. Для этого вырезается пластинка, наклеивается на стекло и затем очень тщательно полируется. Это так называемые прозрачно-полированные шлифы. Они везде разные. Видите, сколько мы привозим образцов из одного места, чтобы понять, что там происходило.

— И что вы поняли, анализируя эти образцы?

— Изучая эти пластинки под микроскопом, мы определяем, из каких минералов состоит порода. В большом образце не всегда можно сразу увидеть, какие минералы там присутствуют. А здесь благодаря тому, что все минералы обладают разными оптическими свойствами, мы можем более точно их диагностировать.

Затем мы несем эти пластинки на рентгеновский микроанализатор. Там мы можем определить, какой это минерал и каков его состав. Как правило, все минералы имеют довольно сложный состав. Кроме того, он переменный. Например, гранат — один из популярнейших минералов в петрологии. В нем может быть много кальция, а может быть много магния, железа, марганца, алюминия или хрома. Все это нужно узнать. Этот прибор позволяет точно проанализировать химический состав каждого минерала в очень локальном объеме, буквально в несколько микрометров. Мы можем таким образом узнать химические неоднородности. Допустим, если размер зерна минерала составляет полмиллиметра, то мы можем узнать, насколько он однороден, с шагом примерно в одну сотую его диаметра.

— По маленькому образцу вы можете узнать о каком-то глобальном процессе?

— Да, совершенно верно. Потом эта информация по составу и по неоднородности используется для того, чтобы понять, при каких условиях он образовался. Половина моей научной деятельности была связана с тем, чтобы научить людей, как по составу минералов определить, при каких условиях они образовались.

Моя лаборатория в основном фокусируется на объектах древних щитов, где выходят на поверхность древние кристаллические породы. Это Беломорье, Южная Якутия.

— Чем это интересно?

— Это позволяет понять процессы, которые там происходили, например, 3 млрд лет назад, увидеть главные эпохи формирования Земли. Наша планета живет непрерывно, но бывают достаточно узкие временные интервалы, когда что-то происходит очень активно.

— Наверняка вы многое поняли. Остались ли для вас какие-то ключевые загадки?

— Есть некоторые вещи, которые считаются общепринятыми, но я с ними не согласен. Это один из главных стимулов моего научного творчества в последнее время. Я хочу просветить человечество в том, что оно заблуждалось по поводу очень интересных алмазоносных пород. Есть укоренившиеся и практически неоспоримые представления о том, как образовались те породы, в которых находят алмазы. А я приближаюсь к тому, чтобы объяснить, что эти представления неверны, и предложить другую парадигму.

— Согласно общепринятым представлениям, они формируются в так называемых кимберлитовых трубках, которые потом выносят их на поверхность.

— Да, такие трубки есть. Но алмазы образуются не в них, а в тех породах, которые эти кимберлиты выносят на поверхность.

Большинство считают, что кимберлиты образовались глубоко в недрах Земли, а потом начали подниматься вверх, захватывать окружающие породы с алмазами, чтобы в итоге оказаться там, где мы их сейчас добываем. Я думаю, что на самом деле все было иначе. Эти породы сами поднялись на поверхность около 2 млрд лет назад, когда Земля была намного горячее, а плавление — более интенсивным. Магма — смесь расплава с кристаллами — выносила их из глубинных слоев, частично затвердевая по пути.

— Почему важно знать все эти вещи? Не все ли равно, с какой глубины и когда доставили алмаз на поверхность?

— Это хороший вопрос. Зачем вообще нужна наука? Наука существует не для того, чтобы ее использовать в производстве. Это часть человеческой культуры. Человек хочет дать правильные ответы на интересующие его вопросы. Некоторые задают более простые вопросы, некоторые более сложные. Но это свойственно человечеству как виду. Это одна сторона. Но есть и другая сторона, прикладная, потому что это может поменять наше представление о поисковых критериях алмазоносных месторождений. Если доказать, что это были глубинные интрузии, а кимберлиты играли роль посредников, тогда возникает возможность сформулировать некоторые признаки, по которым эти интрузии, не вышедшие на поверхность, можно отыскивать и разрабатывать. А если в 5–6 км под землей находится такая же алмазная залежь, но только не вынесенная кимберлитом? Сейчас никто на такую глубину за алмазом не опустится. Но, может быть, лет через 20–30 это будет осуществлено.

Совсем недавно мне пришлось заниматься оловом, которое почему-то оказалось очень нужным во всем мире. Оказывается, на основе олова делают полупроводники и даже пытаются создать сверхпроводники. Но не на чистом олове, а на соединениях, где олово играет очень важную роль. Представления о том, где искать оловянное месторождение, существовали еще давно, некоторые обобщения были сформулированы где-то в начале 1990-х гг. Мы показали, что аэромагнитная съемка позволяет находить оловянные месторождения, основываясь на косвенных признаках.

— Каким образом?

— Я провел анализ данных по флюидным включениям и растворам в минералах оловянных месторождений и смоделировал состав газов. Оказалось, что они все характеризуются очень низкой летучестью и активностью кислорода. То есть породы, благоприятные для олова, сформировались при низкой летучести кислорода и, соответственно, не должны быть сильно магнитными, потому что иначе образуется минерал магнетит.

Вот вам пример того, как фундаментальная наука выходит на свои прикладные возможности.

— Чем вас так увлекает ваша профессия?

— Во-первых, это романтично. В молодости это, пожалуй, было главным обстоятельством. А с годами становится интересно решать задачи, пока есть такая возможность.

— К тому же вы постепенно выходите на глобальные задачи.

— Это естественный процесс для ученого. Может быть, это положительное наследие нашей советской науки. В западных странах мало кто позволяет себе отклоняться от однажды выбранного направления, потому что они связаны с получением грантов. Мы теперь тоже связаны. Но когда достигаешь определенного уровня, возникает возможность не так сильно беспокоиться о грантах или получать их, чтобы поддерживать своих молодых коллег, а самому заниматься чем-то по-настоящему тебе интересным, находясь в свободном полете. Но этот интерес всегда остается, и это немаловажно.