Ученые впервые показали, что один из ключевых химических элементов на Земле — сера — в водных растворах при высоких температурах и давлении может существовать в иной форме — в виде стабильного аниона S3-. Данное открытие может не только пролить свет на механизмы образования основных месторождений золота и меди на Земле, но и заставить пересмотреть существующие модели, основанные на использовании изотопов серы и описывающие эволюцию земной коры и атмосферы.

Рис. 1. Ученые впервые показали, что один из ключевых
химических элементов на Земле – сера – в водных растворах
при высоких температурах и давлении может существовать
в иной форме – в виде стабильного аниона S3-. На картинке:
S3– в алмазной ячейке.

Сера является одним из самых распространенных химических элементов на Земле. Она входит в состав множества природных соединений, присутствует в нефти и природном угле, а также является составной частью многих белков. Обычно существует в двух основных формах— в виде сульфатов (SO42-) и сульфидов (S2-).

Для справки: Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Известно, что у серы есть четыре стабильных изотопа — 32S (95.02%), 33S (0.75%), 34S (4.21%), и 36S (0.02%).

Рис. 2. Круговорот серы в природе.

Геохимики Глеб Покровский из Университета Поля Сабатье (Тулуза, Франция) и Леонид Дубровинский из Университета Байрейта (Германия) продемонстрировали, что сера в водных растворах в зависимости от температуры и давления ведет себя по-разному. Ученые впервые показали, что в водных растворах при высоких температурах и давлении сера «предпочитает» существовать в виде особых анионов S3-. Такая высокая стабильность аниона при столь экстремальных условиях натолкнула ученых на мысль о том, что S3– может существовать в глубинах Земли.

Рис. 3. Геохимик Глеб Покровский из Университета Поля Сабатье (Тулуза, Франция) совместно со своим коллегой продемонстрировал, что сера в водных растворах при высоких температурах и давлении существует в виде аниона S3-.

«S3– — это новая форма серы в геологических флюидах, то есть в водной фазе. Ведь в земной коре и в мантии существуют не только минералы и породы, но и флюиды, например, вода, которая растворяет разные компоненты: серу, соли, металлы»,— объясняет Глеб Покровский корреспонденту GZT.RU. Сама частица была найдена в лабораторных условиях, исследователи в ходе эксперимента установили именно те параметры, которые соответствуют условиям в глубинах Земли. «В лаборатории мы создали модельные растворы, содержащие серу и которые соответствуют составу геологических флюидов и условиям в глубоких слоях земли— то есть высокой температуре и давлению. Эта частица была найдена наблюдениями в лаборатории. Но наблюдения показывают, что S3– должна существовать в настоящих геологических флюидах»,— говорит ученый.

Об S3– химикам известно уже давно, однако «никто не подозревал о существовании этой формы в водном растворе».

«S3– существует в некоторых минералах, например в цеолитах. S3– входит в состав кристаллической решетки минерала и придает им голубоватый цвет. Эта частица была известна, например, в боросиликатных стеклах или в органических растворителях. То есть химики о ней знали, и ее спектроскопические свойства хорошо известны, но никто ее никогда не наблюдал в водных растворах при высоких температурах и давлениях»,— рассказывает Глеб Покровский.

Анион S3– — чисто лабораторное детище.

«Только методами in sito при высоких температурах и давлениях мы можем видеть эту частицу. Ведь мы не можем наблюдать флюид, который течет на 50 км глубины при температуре 500 градусов. Мы видим только то, что выходит на поверхность, а оно все изменено. В нашей работе мы воссоздали те условия, которые происходят на глубине земли, при тех же температурах и давлениях»,— объясняет Покровский.

Кстати, при падении температуры и давления S3– превращается в «привычный» для серы вид — в сульфат и сульфид — две химических формы серы, которые стабильны именно при нормальных условиях.

Все наблюдения за важнейшим химическим природным элементом проводились с помощью специальной алмазной ячейки.

«Алмазная ячейка известна уже в течение 50 лет. Она активно используется химиками и физиками для изучения минералов под высоким давлением. Так, берется пластинка из металла толщиной примерно в 500 микрон (полмиллиметра), в ней сверлится маленькая дырка. Эта пластинка сдавливается алмазными наковальнями. Получается маленькая ячейка, внутри которой можно наблюдать флюиды и металлы. Эта ячейка позволяет производить наблюдения при высоких давлениях и температурах, то есть при тех условиях, которые доминируют в земной коре»,— рассказывает корреспонденту GZT.RU Глеб Покровский.

Рис. 4. Кристаллы серы.

По словам Глеба Покровского, у данного открытия есть несколько важных применений.

«Первое: оно важно в фундаментальном плане. Ведь это довольно неожиданное открытие, и даже мы пока не можем объяснить, почему эта частица стабильна при высоких температурах и давлениях в водной среде. Второе потенциальное применение — эта частица может пролить свет на механизмы образования месторождений. Так ведь известно, что S3– может образовывать стабильные комплексы с такими металлами, как золото, серебро, медь и др. Возможно, в будущем мы сможем найти новые места, где могут содержаться такие месторождения. Также возможно, что сульфаты и сульфиды, которые входят в состав известных месторождений, были в этой промежуточной форме S3-»,— говорит ученый.

Правда, это далеко не все плюсы исследования.

«Есть и еще одна потенциальная возможность. Эта частица может изменить модели изотопного фракционирования серы. Ведь сера содержит четыре стабильных изотопа, и отношение изотопов друг к другу меняется в зависимости от условий. Эти изотопы позволяют изучать эволюцию земной атмосферы. И до последнего момента все модели игнорировали существование S3-, а она может изменить эти изотопные отношения и как следствие некоторые интерпретации об эволюции атмосферы»,— завершает Покровский.