Титан в космосе и на Земле

С момента открытия титан относится к редким элементам. Однако его следует считать редким только потому, что титан - новый элемент, сравнительно недавно освоенный человеком. По своей же распространенности во Вселенной и на нашей планете титан редким элементом назвать никак нельзя. Он обнаружен в спектре Солнца и в его атмосфере, в атмосфере звезд различных типов. Автоматические космические аппараты зафиксировали наличие титана на Марсе и на Венере, в очень больших количествах в лунных породах, а на нашей планете титан находят во всех типах пород земной коры, в морях и океанах, в атмосфере и даже в растениях и тканях живых организмов.

В спектре солнечной атмосферы, особенно в её верхних частях (хромосфере и фотосфере), резкие, с хорошим совпадением линии титана присутствуют постоянно. Здесь титан находится в ионной форме. На солнечных пятнах с их пониженной температурой (до 3-4 тыс. °С) обнаружены более высокие, чем в солнечной атмосфере, содержания титана и даже отмечен как характерное соединение диоксид титана.

В метеоритном веществе космоса отмечаются сильные колебания содержании титана: при очень низком среднем проценте числа атомов титана в метеоритах (тысячные и десятитысячные доли процента) иногда встречаются очень крупные скопления диоксида титана (до 2-2,5 вес. %). Это говорит о своеобразной миграции титана в космогенных условиях образования метеоритов. Атомный кларк титана, определяющий его среднее содержание в составе метеоритов всех типов, довольно высок - 0,09%.

Теперь рассмотрим распространенность титана на планетах нашей Солнечной системы, на спутнике Земли - Луне и на самой Земле в целом.

Содержания титана в породах планеты Венера, на тех участках ее поверхности, которые были исследованы советскими автоматическими межпланетными станциями "Венера-13" и "Венера-14", оказались очень высокими. Как известно, эти две станции достигли Венеры в марте 1982 г. и совершили посадку в двух наиболее типичных геоморфологических провинциях венерианской поверхности: "Венера-13" - на холмистой возвышенности, "Венера-14" - в низменном районе с относительно гладким рельефом. Советские станции впервые произвели телевизионную съемку районов посадки и определили здесь элементный состав пород. Интерпретация полученных данных, выполненная сотрудниками Академии наук СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР В. Л. Барсукова, показала, что породы Венеры по своему составу близки к щелочным базальтам планеты Земля: на более высоком месте района посадки "Венеры-13" породы аналогичны лейцитовым и щелочным базальтам трапповой формации, на более низком, примерно на 1000 м, участке, где опустилась "Венера-14", породы планеты соответствуют океаническим базальтам и туфам. Химический состав венерианских пород по данным расшифровки спектров флюоресцентного излучения образцов пород, отобранных специальным грунтозаборным устройством и проанализированных там же, на Венере, оказался следующим (вос.%):

Сравнение результатов двух межпланетных станций 'Венера'

Как видно, TiO₂ в венерианских базальтоидах содержится 1-2%, что выше среднего его содержания в земной коре, но несколько ниже, чем в лунных породах. Пересчеты данных химического анализа венерианских пород на нормативный минеральный состав показывают, что они сложены в основном кальциевым и калиевым полевыми шпатами, оливином и пироксеном. До 2-3% в них присутствует ильменит, с которым и связан титан в венерианских породах. Характерно, что в них не предполагается, как в породах Луны и Земли, наличие чистых оксидов титана (минералов типа рутила), а весь титан связывается с железотитановыми оксидами.

Высокие содержания титана в венерианских породах - важное доказательство широкого распространения этого удивительного металла в нашей Вселенной.

Весьма характерным элементом оказался титан и для лунных пород. Академик А. П. Виноградов, руководивший в 60-70-х годах исследованиями Луны и планет, отмечал, что все лунные породы по сравнению с ломкими значительно обогащены титаном. Например, одинаковые по составу толентовые базальты Земли содержат всего до 4,5% TiO₂, а лунные - до 7-12%. Различные анализы лунного грунта показали, что в нем содержится 5-12% TiO₂. По данным американского минералога Дж. Фрондел, изучавшей породы, доставленные на Землю "Аполлоном-11", в них содержалось 20% ильменита, или около 10% диоксида титана, т. е. практически этот космический аппарат произвел посадку, по нашим земным понятиям, на титановом месторождении. А. П. Виноградов установил, что лунные породы в среднем содержат около 1% титана, а породы земной коры - всего около 0,45%, т. е. на Земле титана в 2 раза меньше, чем на Луне. Эти значения получены по результатам экспедиций американских кораблей "Аполлон" и наших автоматических станции "Луна", совершивших посадки в разных точках Луны.

Распределение титана по поверхности Луны весьма неравномерное. Как показали результаты исследований γ-излучений с орбит "Аполлона-15" и "Аполлона-16", в породах "морских" регионов Луны титана значительно больше, чем в породах "материковых" областей. Так, если в материковых породах Луны содержание титана колеблется от 0 до 1,5%, то в районах лунных морей отмечаются более высокие его значения: 0,9% в районе Моря Кризисов, 1,1-4,1% в районе западных морей, 4,4% в южной части Моря Спокойствия.

В лунных породах титан содержится в виде двух минералов - рутила и ильменита. Одни образцы лунного рутила состоят из чистого диоксида титана, другие содержат несколько процентов закисного железа и небольшое количество алюминия. Во многих образцах рутила присутствует ниобий - редкий тугоплавкий металл V группы периодической системы, иногда содержание Nb₂O₅ в рутиле достигает 7,1%.

Другим носителем титана на Луне является ильменит (FeTiO₃) - минерал из класса сложных оксидов. В отличие от земных ильменитов, в которых всегда наблюдается дефицит закисного железа и присутствуют высшие оксиды железа, вплоть до гематита и магнетита, лунные ильмениты, образовавшиеся в условиях отсутствия кислорода, почти не содержат окисного железа, и состав их, как правило, отвечает стехиометрической формуле: TiO₂=50-53%; FeO=40-48%, MgO до 8%; в незначительном количестве присутствуют хром, алюминий, марганец, находящиеся в нем в виде твердых растворов. Других минералов - носителей титана на Луне экспедициями "Аполлонов" и советскими автоматическими станциями "Луна" не обнаружено.

А сейчас продолжим рассказ о распространенности титана на нашей планете, но прежде несколько слов о ее строении.

Известно, что Земля состоит из трех основных оболочек: земной коры, простирающейся от поверхности до глубин 10-30 км, мантии - от 30-70 до 2500 км и центрального ядра - от 2900 до 6371 км. На границах между этими оболочками находятся довольно мощные зоны разделов. Для прямых, непосредственных исследований мантия и земное ядро недоступны, и об их составе можно судить только по косвенным, главным образом геофизическим, данным. Например, если породы земной коры имеют сравнительно небольшую плотность, в среднем около 2,6-2,8 г/см³, а плотность Земли в целом находится на уровне 5,52 г/см³, то очевидно, что земные глубины должны быть сложены веществом с довольно высокой плотностью - 7-8 г/см³.

Соответственно различается и химический состав глубинных частей планеты. Предполагается, что центральное ядро сложено тяжелыми металлами (железо, никель) или тяжелыми фазовыми разновидностями минералов земной норы. Например, известны разновидности кварца плотностью 2,93 г/см³ (коэсит), 4,35 г/см³ (стишовит) вместо обычной плотности 2,65 г/см³. Легких элементов, в том числе и титана, в земном ядре практически очень немного.

Промежуточная зона Земли - мантия, по мнению всех исследователей, сложена породами, близкими по составу к каменным метеоритам. Метеориты классифицируются на три основные группы: каменные (хондриты и ахондриты), железокаменные и железные. Наиболее распространены метеориты первой группы - каменные. Они и изучены более детально. Среди них выделяются энстатитовые, обычные и углистые хондриты. Содержание диоксида титана в хондритах в среднем составляет 0,13% (в энстатитовых 0,12, в обычных 0,14, в углистых 0,07-0,15%). В метеоритах обнаружены как обычные титановые минералы, встречающиеся в земных породах (рутил, ильменит), так и необычные минералы, характерные лишь для метеоритов, например нитрид титана - осборнит. Данных о содержании титана в железных метеоритах сравнительно немного. Исследования японского ученого Ишибаши показали, что титана в железных метеоритах в среднем 0,036%.

Наиболее высокие концентрации титан образует в самой верхней, доступной изучению оболочке земной коры - в литосфере. Здесь содержится в среднем около 0,45% титана. Внешние оболочки нашей планеты представлены не одной только литосферой, хотя она и преобладает в весовом отношении - составляет 93% внешнего слоя Земли. Остальные 7% приходятся на атмосферу, гидросферу и биосферу. Рассмотрим распространенность титана в каждой из них.

В атмосфере, состоящей из кислорода, азота, водорода и инертных газов, титан практически отсутствует. Но это только в чистой, незапыленной атмосфере. В составе же многих пылей в районе промышленных объектов, и особенно вблизи предприятий, занятых добычей и переработкой титановых руд, титана довольно много.

В последние два десятилетия титан стал явно присутствовать и в некоторых участках чистейшей атмосферы. Об этом свидетельствуют мельчайшие шарики чистого металла, обнаруженные в ледниках высокогорных районов Перуанских Анд (на высоте около 5 тыс. м над уровнем моря), причем только в слоях льда, образовавшихся после 1965 г. Как предполагают исследователи, это связано с распылением в атмосфере и с осаждением в чистейших льдах частиц сгоревших в земной атмосфере титановых термических оболочек космическим кораблей, спутников, частей ракет и т. п.

Находят титан и в составе различных дымов и пылей действующих вулканов. Например, в Воронежской и Тамбовской областях Центральной России среди неогеновых и четвертичных толщ советский петрограф В. И. Лучицкий обнаружил прослои и линзы вулканического пепла, оказавшегося продуктом извержения мощных кавказских вулканов. Этот пепел содержал 0,14-0,51% TiO₂ и был перенесен ветром за тысячи километров от места извержения.

В Кустанайской области был также произведен минералогический анализ пыли. Оказалось, что она содержит мельчайшие (от 0,02 до 0,04 мм) зерна титановых минералов и циркона. Пересчеты анализов на 1 м³ пыли показали, что ока содержала 7 кг/м³ ильменита и 1,5 кг/м³ рутила.

В гидросфере титан находят практически повсеместно, хотя и в очень небольших количествах. В речной воде содержание его колеблется от 10 до 100 мг/л, в среднем около 40 мг/л. В морской воде титана значительно меньше: по данным академика А. П. Виноградова, не превышает 0,5-1 мг/л. Сравнительно много титана в различных минеральных источниках - до 1 тыс. мг/л.

Низкие содержания титана в гидросфере объясняются тем, что практически все титановые минералы литосферы малорастворимы и весьма устойчивы к процессам химического и физического выветривания. Титан в поверхностных условиях исключительно малоподвижен, так как он образует устойчивые коллоиды - гидраты диоксида титана, легко сорбируемые минералами глин и почвы. Перенос его в полной четырехвалентной форме в водной среде возможен лишь в очень кислых растворах при рН 2-3, в других же условиях происходит гидролиз солей титана. Можно допустить ионную форму переноса в водной среде гидросферы, но этот процесс практически не влияет на миграцию титана, его концентрацию или на рассеяние в бассейнах современных рек, морей и океанов. В магматических же кислых растворах титан существует и переносится именно в ионной четырехвалентной форме. Доказательством тому может служить повышенное содержание титана в соде кислых минеральных источников типа нарзана, здесь оно достигает 1•10^-4%.

В глубоководных нелитовых осадках морей и океанов титан распространен практически повсеместно. Так, в поверхностном слое донных осадков Индийского океана титана содержится 0,03-0,54%.

Теперь коротко остановимся на титане в биосфере. В морских илах, т. е. в самых поверхностных, насыщенных микроорганизмами образованиях морского дна, среднее содержание титана 0,35%, а в почвах всех типов 0,46%. По своей распространенности в почвах титан стоит на восьмом месте, после кремния, алюминия, кальция, натрия, магния. Однако в различных районах мира почвы разные, и содержания титана в них колеблется в очень широком диапазоне. Например, в почвах Европейского континента в среднем 0,5% титана, при этом глинистые и суглинистые почвы содержат титана больше, чем известковые. Богаче титаном азиатские почвы. Количество титана в них в среднем около 1%, а в красноземах до нескольких процентов. Например, в красноземных почвах западного Самоа содержится до 12% титана. Настоящее месторождение!

По данным академика А. Л. Виноградова и профессора Д. П. Малюги, среднее содержание титана в золе растений 0,1%, т. е. его значительно больше, чем многих других микроэлементов, составляющих обычно сотые и даже десятитысячные доли процента. По своему содержанию в растениях титан уступает лишь главным элементам Земли: кремнию, алюминию, магнию, железу, натрию, калию, кальцию, марганцу, фосфору и сере. В самих растениях, как установил еще в середине XIX в. немецкий химик Адергольд, титана от 0,0001% до первых сотых долей процента. Богаты титаном сахарный тростник и некоторые водоросли, плоды грецких и кокосовых орехов, бобы, гречиха, табак. А в овощах (морковь, картофель) титана очень немного. По оценкам А. П. Виноградова, содержание титана в целом на всю растительность моря и суши 0,0088%, т. е. около 90 г на каждую тонну растительной массы.

В 30-х гг. прошлого века английский химик Риз, анализируя ткани живых организмов, обнаружил в них титан, и больше всего - в обитателях подводного царства морей и океанов: рыбах, ракообразных, моллюсках и др. Есть титан и в тканях млекопитающих. Во внутренних органах животных, и печени, почках, легких, титана наибольшее количество, есть он и в волосяном покрове.

В человеческом теле содержание титана ничтожно, не более 0,2-0,5 мг на 1 кг веса взрослого человека, т. е. в каждом из нас от 14 до 35 мг этого металла. Микропримеси титана важны для нормальной жизнедеятельности человека, он его получает с пищевыми продуктами, например с молоком, маслом, яйцами, где его обнаружено достаточно много, и концентрируется титан в основном в селезенке, надпочечниках, щитовидной железе человека.

А теперь подробно рассмотрим распространенность титана в литосфере. Многие ученые занимались исследованиями средних содержаний элементов, в том числе и титана. Был установлен так называемый кларк элемента, т. е. среднее весовое содержание на весь объем земной коры. Впервые наиболее достоверно кларк титана определили академики В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман в 1933 г. По их данным, он составил 0,61%. В 1935 г. немецкий ученый Генеши нашел, что кларк титана должен быть несколько выше, а немецкий геохимик В. М. Гольдшмидт в 1937 г. оценил его в 0,65%.

Кларк титана, равный 0,61%, принят во всех официальных справочниках. Однако на самом деле его следует считать несколько меньшим, так как величина 0,61% учитывает распространенность титана только в магматических породах, без учета довольно низких содержаний этого элемента в осадочных и метаморфических породах.

Исследования геохимиков К. Ранкама, Т. С. Сахама, В. Мейсона, О. Грина, Н. Г. Ведеполя и А. П. Виноградова, проведенные в 50-70-х гг., показали, что кларк титана с учетом его распространения во всех типах пород земной коры лежит в пределах 0,44-0,47 %, в среднем 0,45%. Хотя титан и относится к группе редких элементов, в породах земной коры его много больше, чем других элементов. Здесь он стоит за главными конструкционными металлами - железом, алюминием, магнием, а по распространенности в космических телах - впереди. Титан по праву можно назвать главнейшим металлом космоса, и в то же время его свойства таковы, что ни один космический аппарат, будь то ракета, орбитальная станция, автоматический аппарат, летящий к другим планетам, не обходится без этого легкого, стойкого, прочного, вечного материала. Вот почему титан с полным правом называют космическим металлом.