Scienty

Возможно ли построить исчерпывающую модель Земли? Почему это имеет значение? Действительно ли разгадать все загадки нашей планеты труднее, чем понять устройство дальнего космоса? Какие достижения есть у российских ученых в исследовании Земли? Рассказывает Антон Фарисович Шацкий, член-корреспондент РАН и руководитель лаборатории геохимии мантии Земли ГЕОХИ РАН.

— Два с половиной года назад мы встречались в главном здании ГЕОХИ, и вы были в процессе переезда из Новосибирска, имея при этом значительное количество громоздкой аппаратуры. В настоящее время у вас имеется отдельное здание, обширный комплекс научного оборудования и молодые специалисты… Поведайте об этом.

— Я отчетливо помню нашу первую встречу. С тех пор многое прошло. Нам удалось транспортировать оборудование — дорогостоящее, высокоточное и уникальное. В нашей стране больше нет ничего подобного. Это груз, занимающий две фуры вместимостью примерно 60 тонн.

— Что это за оборудование?

— В рамках мегагранта, который реализовывался более пяти лет, было объединено оборудование, ранее использовавшееся в двух и более проектах РФН. Сейчас оно функционирует. В процессе работы был сформирован научный коллектив, защищены диссертации и подготовлена значительная серия научных публикаций. По решению академии наук и Министерства науки и высшего образования, ГЕОХИ РАН будет усилен этим комплексом оборудования, чтобы стимулировать развитие института и нашей научной группы. Это имеет большое значение для нас.

— Как здесь всё проходит для вас? Переезд, особенно с личными вещами, неизбежно вызывает стресс.

— Нас приняли очень радушно. Сотрудники лабораторий и различных служб оказывают поддержку. Выражаем огромную благодарность людям и институту. За это время нам удалось привести в порядок помещение лаборатории, что потребовало немало усилий. Пресс был запущен впервые полтора года назад, в июле.

— Пресс, по моему пониманию, является ключевым элементом вашей лаборатории. Это крупногабаритное оборудование, расположенное на первом этаже.

— Да, это наш основной инструмент. У нас имеется два пресса: один предназначен для обработки на небольшие глубины, а второй, более крупный, расширяет диапазон глубин. К счастью, все оборудование заработало без сбоев.

— Здание долгое время не эксплуатировалось и, по сути, представляло собой объект в аварийном состоянии. Не могли бы вы рассказать, каким образом удалось провести его восстановление в столь сжатые сроки?

— Учитывая необходимость отчётности и проведения исследований, мы ожидали сложностей. Поэтому мы постарались собрать достаточный объем экспериментальных данных, которые можно будет анализировать в период проведения ремонтных работ и наладки оборудования, когда невозможно использовать оборудование и проводить новые эксперименты. Ведь эксперимент занимает время, но анализ полученных данных и подготовка научных публикаций требуют еще больших усилий.

— Однако вы не ограничивались только научной деятельностью, но и самостоятельно выполняли ремонтные работы?

— Да, это соответствует действительности. Ремонтные работы требуют значительных затрат времени, необходимо подготовить большой объем документации и согласовать действия с различными службами института. Дело в том, что дополнительное финансирование на эти цели не выделяется. Данная проблема характерна не только для нашего института. Однако, учитывая текущую экономическую ситуацию, мы не выражали недовольство, а просто выполняли свою работу.

— Благодаря этому, вам удалось не только создать современную научную лабораторию, но и восстановить к жизни уникальное архитектурное здание, построенное в 1970-х годах. Его внешний вид весьма необычен, подобного я нигде больше не встречала.

— Да, это здание обладает уникальной историей. Изначально оно являлось частью второго корпуса Института геохимии и аналитической химии. На первом этаже располагались холл и гардероб, а на втором – конференц-зал. В 1990-е годы, когда ведение научной деятельности столкнулось с серьезными трудностями, помещение стало сдаваться в аренду различным организациям. Впоследствии здание утратило свою пригодность и находилось в состоянии простоя.

— Поздравляю с успешным восстановлением! Не могли бы вы рассказать о своей текущей деятельности и обозначить основные научные задачи?

— Для проведения экспериментов нам необходима хорошая аналитическая база, которой располагает институт. В частности, здесь имеется сканирующий электронный микроскоп TESCAN. Наши коллеги из лаборатории метеоритики и космохимии отдела планетных исследований и космохимии заботятся об этом образце и поддерживают его в безупречном состоянии, оказывая нам значительную помощь в работе, хотя это требует от них немало времени. Мы искренне благодарны им за это. С июля мы провели исследование уже трех крупных систем, а первые публикации появились в декабре в журнале «Геохимия». Для обеспечения работоспособности этого комплекса, помимо необходимого оборудования, требуются квалифицированные специалисты. Год назад мы начали с создания сайта, на что ушло два месяца. Затем я обратился к профессорам МГУ, непосредственно к декану геологического факультета, члену-корреспонденту РАН Николаю Николаевичу Еремину. Он сообщил студентам о программе, направил некоторых из них к нам на стажировку и обучение, чтобы они могли проводить эксперименты. Это оказало нам неоценимую поддержку. Информация была распространена также в социальных сетях. Благодаря этому к нам присоединились студенты. Я организовал еженедельные семинары, на которых сотрудники и сами студенты выступают с лекциями и делятся новыми данными. Постепенно мы вовлекаем ребят в научную работу.

— Как у них это получается?

— У нескольких сотрудников за полгода появились научные публикации в журналах, прошедших рецензирование. Научная работа организована в двух направлениях: экспериментальном и теоретическом (с использованием расчетных методов). На определенном этапе мы столкнулись с трудностями в интерпретации экспериментальных данных, поскольку для этого необходимы хотя бы гипотезы о кристаллической структуре и фазовых равновесиях. Получить такую информацию возможно с помощью термодинамических и квантово-химических расчетов. Ключевым направлением исследований являются квантово-химические расчеты, также известные как «расчеты ab initio». Экспериментальное и расчетное направления дополняют друг друга. С одной стороны, для сохранения соответствия с реальностью расчетам необходимы экспериментальные данные. С другой стороны, для расшифровки и интерпретации экспериментальных данных часто требуется применение термодинамических и квантово-химических методов.

— А как выглядит эксперимент?

— В многопуансонном прессе высокого давления проводят исследования небольших образцов (до 1 мм) горных пород и других материалов. Кимберлитовая магма поднимает на поверхность глубоко расположенные породы возрастом 200–500 млн лет (или более) из глубин, достигающих 150–250 км мантии. Породам, поднимающимся с таких значительных глубин со скоростью 60–80 км/ч, удается сохранить свою структуру. Эти фрагменты пород, известные как мантийные ксенолиты, представляют собой части недр нашей планеты. Их можно измельчить и поместить в условия, имитирующие глубины, откуда они были извлечены.

— Как вам стало известно об этих условиях? Разве кто-то когда-либо посещал это место.

— Эти породы формируются из минералов и характеризуются сложным составом. В них могут присутствовать два-три минерала, и под воздействием температуры и давления происходит перераспределение таких элементов, как магний, железо и алюминий. Экспериментальные исследования подтверждают наличие определенной взаимосвязи между этим перераспределением и условиями давления и температуры. Ученые извлекают из кимберлита фрагменты мантии – ксенолиты, изготавливают шлифы и проводят микрозондовый анализ для определения химического состава минералов, присутствующих в этих ксенолитах. Зная закономерности перераспределения элементов в этих минералах, используемых как геотермометры и геобарометры, можно рассчитать, при каких значениях давления и температуры эта порода находилась до того, как кимберлитовая магма быстро вынесла ее на поверхность. Полученные данные позволяют оценить глубину, с которой кимберлитовая магма достигла поверхности. Мантийный ксенолит – это, как правило, силикатная порода, которая иногда содержит алмазы. Она служит достаточно надежной средой для обнаружения мельчайших включений расплавов, из которых, возможно, образовались алмазы.

— Вы действительно измельчаете алмазы в ступке, чтобы наблюдать за образовавшимися расплавами?

— Вы фокусируетесь на ключевом моменте: в период 1980-х годов многие ученые проводили исследования, связанные с разрушением алмазов. Ранее, в 1970-х годах, они подвергали их воздействию высоких температур.

— Какое варварство!

— При нагревании до температур выше 800 °C многие компоненты разрушаются, поскольку условия становятся неблагоприятными для их сохранения. Такая температура способна вызвать сгорание алмаза и преобразование его в углекислый газ. В результате остаются лишь незначительные фрагменты, в основном силикаты. Силикаты входят в состав множества магм, изливаемых на поверхность Земли. Однако на значительной глубине силикаты обладают высокой температурой плавления, и расплавы там существенно отличаются от гранитов и базальтов, которые мы привыкли видеть. Эти расплавы зачастую содержат повышенное количество летучих веществ, таких как вода, углекислый газ, представленный карбонатами, и щелочные хлориды, что существенно отличает их от состава мантии.

— Вы измельчаете все компоненты, смешиваете их с солями и создаете условия, имитирующие те, что существуют на значительных глубинах. Как это удается? Благодаря прессу, способному создавать высокое давление?

— Мы забираем крошечные образцы в виде цилиндров диаметром 1 мм. К счастью, в одном эксперименте можно разместить до 16 таких образцов. Их помещают в ячейку, сделанную из тугоплавких оксидов — одна из них сейчас собирается одним из наших сотрудников. Она изготовлена из тех же материалов, что и коронки зубных протезов. Технология их производства весьма схожа.

— Вы можете открыть стоматологическую клинику.

— Не хотелось бы, но наша деятельность во многом связана с медициной. Протезы изготавливаются из оксида циркония, обычно легированного окисью иттрия. Это крайне прочный материал, поэтому его обрабатывают в виде полуспеченного, пористого (с содержанием пор до 30%) агрегата. Он достаточно мягкий, подобно мелу, и им можно писать на асфальте или на доске. Обработка фрезами из карбида вольфрама для него не представляет сложности. В нашем институте установлено оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ); вероятно, специалисты, занятые изготовлением протезов, используют аналогичные станки. К примеру, при производстве зубных протезов керамические заготовки после вытачивания подвергаются спеканию при высокой температуре, чтобы керамика стала плотной и очень твердой. У нас же применяется исходный мягкий материал, из которого мы 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), в который устанавливается трубочка, изготовленная из графита, хромита лантана или других материалов, таких как алмаз или высоколегированный бор. Электрический ток пропускается через эту трубочку, что приводит к созданию высокой температуры, аналогично тому, как это происходит в вольфрамовой лампочке накаливания. При высоком давлении эти образцы нагреваются до экстремальных температур, соответствующих условиям, существующим в мантии; обычно это температуры, превышающие 1000 °C. Температурный интервал 1000–1500° °C наиболее типичен для глубин порядка 200 км. Именно на этих глубинах формировалось большинство алмазов и происходило извержение самых глубоких кимберлитовых магм. Этот диапазон представляет наибольший интерес для нас.

— Что вы хотите получить в результате?

— Занимательно узнать, какие расплавы могут присутствовать на таких больших глубинах. Именно от состава этих жидкостей и флюидов зависит процесс формирования и кристаллизации алмазов. Просто поместив графит на такую глубину, алмаз не получится — он останется там в форме карандаша. Для превращения графита в алмаз необходимы катализаторы-растворители. Сам по себе углерод обладает низкой подвижностью. Представьте: растворимость углерода в мантийных породах составляет 1 г/т. Это очень небольшие количества, один на миллион. А как же образовались крупные кристаллы? Они росли из растворов углерода в определенных средах, где углерода, во-первых, достаточно много, во-вторых, он достаточно подвижен. Однако состав этих сред остается открытым вопросом. И вообще, какие именно составы расплавов 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 мы обсуждали, и даже вынесли это в заголовок, что вашей целью является создание точной модели Земли. Однако, если я правильно понимаю, речь идет лишь о мантийном слое, а о том, что находится еще глубже, у вас пока нет информации, и вы не претендуете на ее наличие?

— Ситуация не совсем такая. Граница между мантией и металлическим ядром, находящаяся на глубине более 2,9 тыс. км, представляет собой силикатный слой. Для достижения давления, превышающего 130–140 ГПа на таких глубинах, требуется использование алмазных наковален. Как и было согласовано, такие наковальни остались в Новосибирске. Это достаточно компактный аппарат, в котором два алмаза оказывают давление на исследуемый образец. Несмотря на его размеры, для его функционирования необходимы дорогостоящие оптические столы высокой точности и сложная оптика. В настоящее время мы начали сотрудничество с коллегами из Научно-технологического центра уникального приборостроения (НТЦ УП) РАН, включая ведущего научного сотрудника центра Павла Валентиновича Зинина. Он на протяжении многих лет работал в Гавайском университете в Маноа в лаборатории, где разрабатывались спектральные методы исследований, в том числе для изучения образцов при сверхвысоких давлениях. В настоящее время он организовал в НТЦ УП РАН лабораторию, оснащенную оборудованием с алмазными наковальнями. Они проявляют большой интерес к задачам, связанным с науками о Земле и планетологией, а также к использованию их оборудования. Мы сейчас находимся на этапе подготовки. На втором этаже у нас микроскоп для сборки алмазных наковален, и в ближайшей перспективе мы планируем проведение таких исследований.

— Итак, вы желаете узнать о строении Земли, в том числе о ее ядре?

— И не только Земля, другие планеты также подвержены этому. Изучение недр Земли тесно переплетается с планетологией в целом. Да, в настоящий момент наш лабораторный пресс не позволяет воспроизвести условия, характерные для ядра Земли. Однако мы можем создать условия, имитирующие, к примеру, металлическое ядро Луны. Там также находится немало интересных задач — даже больше, чем на Земле, поскольку о них известно меньше. Там требуется исследовать металлические системы, содержащие легкие элементы: углерод, серу, водород и фосфор. В настоящее время часть исследований посвящена силикатным системам с ионными соединениями, моделирующим расплавы в мантии Земли, и параллельно мы изучаем металлические системы с легкими элементами. Это актуально для исследования ядер планет и планетезималей меньшего размера, где в центре не столь высокое давление, чем на Земле. Подобные исследования важны для понимания ранних этапов формирования нашей планеты, когда значительная ее часть была в расплавленном состоянии и существовал магматический океан, возникший, вероятно, в результате столкновения прото-Земли с прото-Луной. В результате этого столкновения кинетическая энергия преобразовалась в тепловую, что привело к расплавлению значительной части планеты. Предполагается, что в этой жидкой массе находились силикатные и металлические расплавы. Диапазон давления в большинстве случаев достижим для экспериментов с использованием нашего лабораторного пресса.

— Каким способом осуществлялось перераспределение элементов между металлическим и силикатным расплавами?

— По мере дальнейшего остывания жидкий металл опускался к центру, формируя ядро, а силикатная оболочка кристаллизовалась, создав мантию. Научные исследования дают возможность оценить, какие элементы и в каких количествах в основном скапливаются в ядре нашей планеты. Вопросов остается немало, и, вероятно, их изучение займет значительное время. Подобные работы ведутся по всему миру.

— Какие вопросы требуют первоочередного решения?

— Геофизические данные свидетельствуют о том, что плотность ядра, определенная специалистами, не соответствует расчетным или экспериментальным значениям, а также плотности железа или железо-никелевого сплава, который мог бы существовать в данных условиях. Для объяснения геофизических наблюдений необходимо предположить наличие легких элементов в составе этого тяжелого металлического сплава. Однако какие именно элементы, в каких пропорциях и в каком количестве присутствуют – это вопрос, требующий решения посредством систематических исследований, включающих эксперименты в условиях высокого давления с использованием алмазных наковален и квантово-химических расчетов.

— Можете ли вы предоставить информацию о результатах, которые отклоняются от первоначальных предположений?

— В рамках обычной практики мы с 2013 по 2020 год проводили углубленное изучение воздействия карбонатов, воды и хлоридов на процесс плавления силикатной мантии. С июля 2025 года началось исследование систем, содержащих фосфаты и фториды. Выяснилось, что добавление фтора приводит к образованию расплавов на мантийных глубинах при значительно более низких температурах, чем ожидалось, что соответствует температурному режиму холодных океанических плит, погружающихся в мантию Земли в процессе субдукции.

— Из-за фтора?

— Да, принято считать, что океанические плиты, погружающиеся в мантию, вносят в нее различные элементы, не свойственные ей. Речь идет о летучих компонентах, главным образом воде и CO₂, фтор также не исключен. По имеющимся данным, даже при экстремально низких температурах, характерных для мантии, он способствует плавлению в условиях холодного слэба. Эти сведения были 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 находимся на фоне необычных устройств. Что это за вещи?

— Это вакуумные десикаторы. Поскольку многие вещества, с которыми мы работаем, гигроскопичны, то есть обладают высокой способностью поглощать влагу, необходимо их хранить в вакууме. Влага выступает в качестве дополнительного компонента. Если нам требуется изучить влияние воды, мы добавляем ее в известном количестве. Чтобы исключить неконтролируемое поглощение влаги изучаемыми веществами, их хранят в вакууме, используя вакуумные десикаторы. Кроме того, следует учитывать, что расплавы, формирующиеся в условиях мантии, не всегда являются силикатами, зачастую это соли и ионные жидкости. Они часто содержат карбонаты, хлориды и фториды, богатые калием и натрием. Эти соединения также обладают высокой гигроскопичностью. При извлечении образцов из эксперимента важно обеспечить их защиту, чтобы они не превратились в капельки воды в первые минуты. В противном случае вся проделанная работа будет потеряна. Поэтому мы аккуратно обращаемся со многими синтезированными образцами, находящимися в условиях, имитирующих природные системы. Доступ атмосферного воздуха для них недопустим, их исследование возможно только в условиях вакуума, как это происходит при работе с электронным микроскопом.

— Полагаете, удастся воплотить в жизнь вашу мечту о создании всеобъемлющей модели Земли?

— Более чем уверен.

— Сколько это может занять времени?

— Если не возникнет непредвиденных обстоятельств, внедрение этой модели может произойти через 50–100 лет. Мы прилагаем все усилия, чтобы обеспечить ее реализацию: готовим специалистов, поддерживаем развитие как экспериментальных, так и теоретических исследований. Наши работы не ограничиваются только фундаментальными открытиями. Очевидно, что все потенциальные применения этого оборудования обладают двойственной природой: они могут быть использованы для фундаментальных исследований в области геологии, геохимии и петрологии, а также для развития материаловедения.

— Расскажите об этом подробнее.

— Перед вашим визитом у нас состоялся разговор 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 привлекать молодых ученых и студентов для решения задач в области материаловедения с применением прессовых аппаратов высокого давления. Мы способны создать условия для получения материалов, представляющих значительный интерес с практической точки зрения. В этой области есть как фундаментальные аспекты для физиков, так и прикладные. Однако для развития данного направления необходимо сотрудничество, поскольку невозможно разобраться во всех нюансах — на это просто не хватит ресурсов. Например, структуры перовскитов: какое важное применение они могут найти в материаловедении? Тем не менее, у меня уже был опыт успешного сотрудничества в этой сфере. Следует подчеркнуть, что цитируемость научных публикаций, полученных в результате этих исследований, значительно превышает показатели моих работ по наукам о Земле. Интерес к этому есть, и, главное, это не потребует от нас значительных усилий. Петрологические эксперименты порой оказываются более технически сложными, чем синтез новых соединений для исследований в области физических наук.

Существует еще одна занимательная задача. Известно, что алмаз является самым твердым материалом. Однако предполагается наличие более твердого углеродного соединения — гексагонального алмаза, также известного как лонсдейлит. Есть основания полагать, что в определенных направлениях его твердость превосходит твердость алмаза.

— А где его можно встретить?

— Ситуация здесь неоднозначная. Данные находят в импактитах — горных породах, возникших в результате столкновения метеорита с поверхностью планеты. В момент удара в месте падения формируются значительные значения давления и температуры. Если метеорит упадет в кварцевый песок, получится стешовит. А при столкновении с органическими соединениями образуется спек алмаза и лонсдейлит. Однако это очень тонкие нанополикристаллические структуры, из которых невозможно извлечь кристалл для исследования его характеристик. Синтезировать лонсдейлит можно и в лабораторных условиях, но он выглядит идентично природному. Размер его зерен настолько мал, что их характеристики сопоставимы с элементарной ячейкой. Это препятствует изучению и применению этого материала, даже включая определение его твердости. Существуют расчетные данные, однако они вызывают оживленные дискуссии среди специалистов, что ставит под вопрос даже само существование этого вещества. Основная сложность заключается в отсутствии у данной фазы области термодинамической стабильности. До сих пор никому не удалось получить лонсдейлит в виде отдельного кристалла. В настоящее время мы преимущественно изучаем образцы, взятые с глубин до 200 км, но планируем расширить область исследований до параметров переходной зоны (410–670 км) и даже до верхних частей нижней мантии (670–800 км). Мы намерены провести испытания и попытаться получить этот углерод.

— В случае успеха, его стоимость, возможно, превысит стоимость алмазов?

— Ситуация оказывается сложнее, чем кажется. Использование многопуансонных прессов, подобных тем, что есть у нас, окажется невыгодным. Однако существуют молотовые установки. В Советском Союзе проводились эксперименты с подобными установками, и они были довольно распространены. Я даже консультировался со специалистом в Новосибирске; к сожалению, он был уже пожилой, а оборудование было списано как металлолом. По имеющимся сведениям, им удавалось получать лонсдейлит. Молот – устройство весьма необычное: внешне создается впечатление, что условия не являются статичными, давление быстро возникает и спадает, но на самом деле там действуют свои физические принципы – при ударе на короткое время сохраняется высокое квазистатическое давление. Именно это и способствовало образованию лонсдейлита. Если нам удастся воспроизвести этот процесс, это будет чрезвычайно интересно.