Зачем нужно создавать огромные давления, как в земных недрах? Как это можно сделать? Почему важно научиться производить при таких давлениях кристаллы алмазов? Можно ли вывести универсальную формулу состояния вещества? А создать модель нашей планеты? Что это даст и почему это крайне важная задача? Об этом рассказывает профессор РАН Антон Фарисович Шацкий, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН.
— Антон Фарисович, вы не так давно работаете в ГЕОХИ РАН. А где жили и работали до этого?
— Я учился в Новосибирском государственном университете на геолого-физическом факультете, проходил практику в Институте геологии и минералогии СО РАН (в то время ОИГГМ СО РАН). Учился в аспирантуре и обучался проведению экспериментов при высоких давлениях и температурах, соответствующих условиям мантии Земли. В то время мои исследования были связаны с кристаллизацией алмаза — с изучением кинетики кристаллизации, нуклеации и роста алмаза в так называемых новых средах.
— Что это значит?
— Обычно алмазы выращивают в расплавах переходных металлов — железо-никель, железо-кобальт, в то время как, судя по исследованию включений в природных кристаллах алмаза, многие кристаллы образовывались путем кристаллизации из раствора в расплавах карбонатов, очень сильно отличающихся от того, что используется для получения синтетических кристаллов. Этим исследованиям были посвящены моя дипломная работа и кандидатская диссертация.
После этого в 2004 г. в качестве постдока я поехал в Японию в филиал Университета Окаямы — Институт исследования земных недр в префектуре Тоттори. Там есть замечательный маленький город Мисаса с населением около 20 тыс. человек. Расположен в горном распадке. Я там работал. Такая программа, как правило, длится четыре года.
— Освоили японский?
— Были там люди, нацеленные на изучение языка, но мне была интересна научная работа. Дело в том, что в лаборатории, в которой проводишь бо́льшую часть времени, все говорят по-английски, не по-японски. В магазинах, как и в России, вообще мало разговариваешь. Просто даешь деньги и берешь товар, ни с кем, как правило, не говоришь.
— Не было желания остаться?
— Когда здесь было совсем тяжело, такие мысли посещали. Просто не на что было до работы доехать, не то что эксперименты ставить. Потом появились гранты РНФ, на которые можно проводить исследования. А тогда такой возможности не было. Были так называемые инициативные проекты, но исторически так сложилось, что они, как правило, распределялись между руководителями подразделений. Это достойные люди, академики и члены-корреспонденты, но молодому сотруднику получить проекты было практически невозможно. Я какое-то время даже пытался торговать…
— Алмазами?
— Нет. Есть программа «Консультант+», юридическая поддержка. Но ничего я не продал, продавец из меня не получился. Тут как раз и подвернулась возможность поехать в Японию — требовался человек с опытом выращивания кристаллов при высоком давлении. Обычно алмазы выращивают в лаборатории при 5–6 ГПа, это соответствует глубинам 150–180 км, а им необходимо было вырастить породообразующие минералы, которые составляют основу мантии, на глубинах от 410 км до 2,9 тыс. км. Чтобы исследовать физические свойства вещества на этих экстремальных глубинах, необходимы именно монокристаллы. И не такие, размер которых — микрометры, а порядка 1 мм. Для этого необходимо было разработать оборудование увеличенного размера. Четыре года я занимался этой работой.
— Но потом вернулись?
— Не сразу. Меня пригласили в Университет Тохоку, тоже в Японии, в Сендае, где было землетрясение. Я там работал с 2009 по 2013 г. И во время землетрясения там находился. Нас эвакуировал МЧС на ИЛ-76 в Хабаровск. Сначала ехали на автобусах мимо Фукусимы. Спасибо нашему консульству, замечательные люди. Нас вывезли. Хотя, как оказалось, если находишься за рубежом, на всякий случай нужно обязательно информировать консульство. А никто этого не знал. И фактически консульство не знало о реальном количестве россиян, которые разбросаны по Японии. Проблема была в том, что крайне сложно довезти людей до аэропорта, поскольку бензин выдавали в ограниченном количестве. Тем не менее наши сотрудники консульства договорились на заправке и доставили нас до аэропорта и самолета. Потом я вернулся и еще два года работал в лаборатории.
— Что вас заставило окончательно вернуться в Россию?
— Закончился проект. Договор — тоже. А реально стимулировало то, что появились проекты в России. Первый пилотный проект запустили в 2012 г. Был объявлен конкурс. Мне было сложно подать заявку, поскольку я на тот момент находился в Японии, а подавать нужно было от университета, который я окончил, но в котором не работал. А для того чтобы мне устроиться, нужен был проект. В общем, замкнутый круг.
Я два дня разговаривал с сотрудницей, и наконец она включила меня в список рассылки, а потом помогала нам с выполнением последующих проектов. Мой проект тогда занял первое место в России по нашей специальности.
Все это послужило огромным стимулом к развитию. В рамках проекта «Мегагрант» мы организовали в Новосибирске в Институте геологии и минералогии им. С.Л. Соболева СО РАН лабораторию сверхвысоких давлений. Там я работал десять лет — с 2013 по 2023 г.
— Что удалось сделать за эти годы?
— Одна часть исследований была связана с изучением уравнений состояния веществ. Собственно, все наши исследования связаны с изучением недр — как устроена наша и другие планеты. Что происходит с веществом, когда одновременно увеличиваются и давление, и температура, причем не всегда синхронно и не всегда при одном и том же давлении одна и та же температура. Фактически мы находимся в координатах «давление и температура».
Представьте, что мы взяли кубик железа. С увеличением давления кубик сжимается, как любое вещество. С увеличением температуры, как правило, вещество расширяется.
А как будет меняться плотность вещества, если мы одновременно увеличиваем и давление, и температуру?
Так вот, если мы знаем уравнение состояния вещества, мы в координатах «давление — температура» указываем пальцем на любую точку и можем сказать, какая в ней плотность. При одной атмосфере и комнатной температуре она всем хорошо известна, а вот что происходит в этих координатах — не совсем.
— Это уравнение работает только для железа?
— Нет, это было сделано для многих веществ, не обязательно для железа. Например, для породообразующих минералов, которые составляют мантию. Чтобы все это выяснить, мы специально ездили на ускоритель и проводили эксперименты, направленные на исследования уравнений состояния породообразующих силикатных минералов, а также металлов, их соединений с легкими элементами: карбидов, нитридов, гидридов.
— Теперь вы знаете, как там все устроено? Или вопросы остаются?
— Это как предел в математике — цель, к которой стремишься, но достичь которую, возможно, никогда не получится. Или как у медиков: основная цель — создать модель человека. Они стремятся полностью разобраться, как устроен человек, чтобы предсказывать какие-то заболевания и их предотвращать. Для этого хотелось бы, чтобы была модель человека как живого организма. Того же самого хотелось бы для планеты Земля. Сейчас же есть всевозможные карты, мы и на смартфонах ими пользуемся. Раньше такого не было, мы ходили с бумажными.
— Еще совсем недавно.
— Да. Представьте, как стало удобно. А Земля же была и раньше. И как она развивалась на протяжении всего этого времени, как она зародилась? Все это важно знать, и было бы интересно построить такую модель. Причем не только для Земли. Я думаю, что многие люди работают в этом направлении, с разных сторон. Очень много нужно для этого — и данных, и математического аппарата. Для меня тут близка аналогия с океаном, где вода перемешивается. То же самое — в мантии происходит теплоперенос, вещество непрерывно перемешивается, пусть и медленно, существует глобальная конвекция. Вот есть океан, есть срединно-океанические хребты, в них зарождается океаническая кора, дальше раздвигается и погружается под континент. Это сегодня можно наблюдать в реальном времени со спутников. Видно, как эти плиты движутся и где замирают. Движение плит — это отражение конвекции в мантии Земли.
Там, где океанические плиты замирают, со временем происходит землетрясение (резкий сдвиг плиты), как это случилось в Сендае. Как только произошло землетрясение, положение дорог на карте GPS сместилось на несколько метров. Движутся и континентальные плиты относительно друг друга. Их движение также неравномерно и порой сопровождается резкими сдвигами, как недавно в Турции.
— Удастся ли создать такую модель?
— Конечно. Каким образом действуют люди при создании этой модели? Есть известный исследователь Тарас Геря, работающий в Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETH). Он занимается созданием моделей глобального движения Земли — это конвективные потоки, движение континентов, то, как Земля развивалась на протяжении эпох. Чтобы еще больше приблизить данные модели к реальности, необходимо знать физические свойства вещества мантии Земли, в первую очередь вязкость, теплопроводность, и как они меняются в координатах «давление — температура». Это достаточно сложная задача, особенно учитывая возможную неоднородность мантии по химическому составу.
Они подгоняют эти параметры, чтобы построить модель. Они смотрят (по геологической ситуации известно, что вот этот континент за геологическое время переместился туда-то) и пытаются смоделировать, каким образом это произошло. В математический аппарат подставляют подгоночные параметры. Они сегодня лишены какого-либо глубокого физического смысла. Но при каких-то параметрах удается описать это движение в глобальном масштабе.
С нашей же стороны, чтобы это имело физический смысл, необходимо получать параметры, которые в дальнейшем можно интегрировать в этот математический аппарат, и тогда получится глобальная модель нашей планеты. Обязательно получится.
— А если будет создана глобальная модель планеты, мы наконец научимся прогнозировать землетрясения?
— Думаю, да. Ведь самые разрушительные землетрясения — малоглубинные. Считается, что они связаны с движениями плит. Когда океаническая плита погружается под континентальные плиты, процесс зачастую происходит не плавно, а рывками. При каком-то усилии силы трения становится недостаточно и происходит резкое смещение, все трясется и здание разрушается, возникает цунами, если это под океаном.
А еще есть движения континентальных плит относительно друг друга, как в Турции. Все это — отражение более глубинных процессов, глобальной мантийной конвекции.
Есть еще интересные землетрясения, которые происходят на глубине 600–670 км. Самые глубинные — на границе между верхней и нижней мантий. Их причина до конца неясна. Я говорил о том, что кубик железа сжимается, но в какой-то момент кристаллическая структура не выдерживает и происходит резкая перестройка этой структуры. Это называется «фазовый переход», когда кристаллическая структура меняется на более плотную. Самые глубинные землетрясения могут становиться следствием фазовых превращений в веществе океанических плит, погружающемся на эти глубины. Эксперименты на ускорителе показывают, что фазовые переходы могут запаздывать. В результате менее плотные минералы погружаются на глубины, где они неустойчивы, и в какой-то момент они спонтанно превращаются в более плотные модификации, что сопровождается схлопыванием вещества, вызывающим землетрясение.
Мы можем исследовать эти переходы экспериментально с использованием прессового оборудования, а так же, как кристаллограф-теоретик профессор РАН А.Р. Оганов, с использованием квантово-химических расчетов. Фактически половина нашей лаборатории в Новосибирске занималась экспериментами, а другая — квантово-химическими расчетами. Сегодня эти два подхода дополняют друг друга.
— Директор вашего института говорил, что у вас уникальное оборудование. О чем речь?
— Дело в том, что в советское время направление высоких давлений, как правило, ассоциировалось с синтезом и ростом кристаллов алмаза для промышленности. А еще хотели получить металлический водород в качестве топлива. Но главное — это в первую очередь алмаз. Был крупный проект, который выиграл Институт физики высоких давлений РАН, созданный Л.Ф. Верещагиным. Там много было сделано для развития нашей промышленности, добывающей отрасли, потому что все эти буровые колонки немыслимы без алмаза, без твердого сплава. Весь огромный институт занимался этим. Там уникальные специалисты.
Сегодня эта отрасль, а главное — подготовка специалистов в стране во многом утрачены. Это удовольствие не из дешевых, плюс длительный срок занимает наладка, чтобы это все работало. Если все работает, можно за относительно скромный бюджет получать результаты мирового уровня. Но если нет отработанной методики и техники эксперимента, это чрезвычайно дорогостоящее удовольствие.
У нас сегодня есть комплекс оборудования, какого нигде в России больше не найдешь. Это оборудование позволяет проводить эксперименты при давлениях, соответствующих интервалу глубин до 1 тыс. км. При этом давление создается в достаточно масштабном объеме, позволяющем синтезировать кристаллы мантийного вещества и изучать их свойства. А самое главное — у нас есть отработанная методика. Все это оборудование работает, приносит научные результаты самого высокого мирового уровня и позволяет обучать студентов и аспирантов.
— Наверное, его непросто обслуживать?
— Совершенно верно. Это оборудование не как кофемолка: купил, засыпал кофе, смолол и можно пить. Нет. Сам по себе пресс — железяка. Он никуда не годится без комплекса сопутствующего оборудования, которое к нему не прилагается. Нужно знать, какое нужно купить, где оно производится, где брать расходники. Там и металлообрабатывающие станки, и станки для обработки карбида вольфрама, дисковые и ниточные алмазные пилы для распиливания мельчайших образцов, микроскопы разной направленности, высокопрецизионные станки с ЧПУ, всевозможные компрессоры, высокотемпературные печи, вакуумные десикаторы…
— И все это оборудование вы привезли в ГЕОХИ?
— Да, все 26 т. Теоретикам хорошо: взял ноутбук и поехал. С экспериментальной лабораторией сложнее.
— Вы переезжаете всей лабораторией?
— Нет, не всей. К сожалению, многие ребята уходят. Я еще в Японии слышал от своего профессора: он с грустью говорил, что у него учились 20–30 аспирантов, но ни один не остался в науке. Тогда я этого не понимал. Там нормальные деньги платят. Да и у нас сейчас платят не меньше, чем в коммерческих структурах, если есть соответствующие гранты. Уходят не из-за этого.
— А из-за чего?
— Судя по всему, в науке остается не такой большой процент людей. У нас уходят в программисты, в дизайнеры. Аспирантка у нас была — ей очень интересным показался дизайн квартир. И прибыльно. А главное, сразу видишь результат. А в науке так не всегда получается.
— Да, там надо долго ждать, и еще не факт, что дождешься.
— Когда мы читаем про какое-то открытие, всегда есть «вау-эффект». Но ведь до этого открытия — годы рутины. Не все это выдерживают. Опять же результат либо практический, либо в виде научной статьи. А это фактически отчет. Если ты ничего не опубликовал, значит этот материал для мировой общественности потерян. Лучше бы ты вообще ничего не делал.
— Остаются только самые преданные?
— Наверное. Специфика такая, что в науке работают люди немного не от мира сего. Одержимые.
— Что собираетесь делать в ГЕОХИ?
— Во-первых, очень важен образовательный момент. Чтобы получать результаты, нужны живые люди. А это специалисты. МГУ здесь рядом, плюс еще некоторые ребята со мной приедут. Кто-то переводится в магистратуру МГУ из НГУ.
В научном плане для начала продолжим то, чем занимались, — изучение фазовых диаграмм при высоком давлении, поиск ответа на вопрос, при каких температурах то или иное вещество испытывает плавление, превращается из кристаллической формы в жидкость либо во флюидную фазу. Это в простых системах. В сложных системах интересно — сегодня в микроэлектронике и вообще в быту используются так называемые редкие элементы. Для того чтобы знать, где они концентрируются, и объяснить, где образуется месторождение, надо знать и экспериментально изучить, как они перераспределяются, в каких обстановках и в чем они могут накапливаться в больших концентрациях, чтобы затем в природе найти это место и добыть обогащенную этим элементами породу, по возможности затратив минимум усилий на поиски. Это чрезвычайно важно не только в практическом, но и в научном плане — знать эти все перераспределения. А это одна из основных задач науки геохимии. Тот же литий можно добывать из озер в виде соли, выпаривая воду, без колоссальных затрат на добычу из традиционных источников.
В наших дальнейших исследованиях мы планируем изучать сложные системы, максимально близко отражающие реальные процессы в недрах Земли. Мы давно к этому шли, изучая простые системы и поэтапно их усложняя. Сегодня мы подошли к этапу, требующему тонкого аналитического аппарата, позволяющего исследовать распределение редких элементов, а также стабильных изотопов между минералами и расплавами в мантии Земли. Во многом наш переезд в ГЕОХИ РАН и связан с этой необходимостью. Мы можем в экспериментах получить то, что здесь хорошо умеют анализировать. Это позволит получить важные фундаментальные и прикладные данные, которые, надеюсь, прольют свет на происхождение месторождений и принесут пользу нашему государству.
