CC BY
32
К тайнам минерального мира
Чл.-корр.
А. М. Асхабов
xmin@geo.komisc.ru
Д. г.-м. н.
С. К. Кузнецов
kuznetsov@geo.komisc.ru
Минералогические исследования занимают центральное место в научной тематике Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Они ведутся в ряде лабораторий более сорока лет. Здесь формировалась широко известная сыктывкарская минералогическая школа (научная школа академика Н. П. Юшкина). Проводимые в институте минералогические исследования поддержаны грантами РФФИ, программами фундаментальных исследований президиума и отделения РАН, рядом интеграционных проектов с Сибирским и Дальневосточным отделениями РАН. За эти годы был сделан ряд фундаментальных минералогических открытий (обзор научных достижений сыктывкарских минералогов до 2000 г. был опубликован в “ Вес-тЩие” в мае 2000 г.).
Рис. 1. АСМ — изображения волокнистой структуры среднего антраксолита, размер изображений 350x350 нм
Приоритетными задачами сыктывкарской минералогической школы в последние годы являлись:
• анализ эволюционных закономерностей минералообразования в истории Земли, взаимодействия и коэволюции живого и минерального миров, изучение процессов биоминералообразования и роли минералов в зарождении жизни;
• установление общих и региональных закономерностей генезиса месторождений полезных ископаемых, исследование строения и формирования минералов, их конституционных и типо-морфных свойств;
• экспериментальное моделирование минерало- и рудообразующих процессов, расшифровка механизмов кри-сталлогенезиса;
• развитие кластерных представлений о строении и формировании кристаллических и неупорядоченных природных и синтетических конденсированных веществ.
Прошедшие пять лет ознаменовались новыми достижениями во всех направлениях региональных и общеминералогических исследований. За эти годы на передний план вышли исследования природы и строения ультра- и микро-дисперсного состояния вещества и минералогенетических процессов на мик-ро- и наноуровнях. В результате сыктывкарские минералоги внесли крупный вклад в становление и развитие новой области минералогической науки — наноминералогии. Показано, что струк-
турныи наноуровень представляет собой особый уровень организации вещества с принципиально новыми свойствами. Здесь происходит переход вещества в конденсированное состояние, зарождается и реализуется фундаментальная особенность минерального мира — его дискретность — и формируются относительно автономно функционирующие системы — индивиды. Разработаны новые концепции образования, устойчивости фазовых трансформаций и агрегации ультрадисперсного вещества. Проведен широкий комплекс наноминералогических исследований на конкретных рудных и минералогических объектах Урала и Тимана. В 2004 г. новые материалы по теоретической и прикладной наноминералогии были обобщены в крупной монографии “Наноминералогия. Ультра- и микро-дисперсное состояние минерального вещества”, которая будет опубликована в 2005 г. в издательстве “Наука”.
Фундаментальный прорыв в области экспериментального изучения процессов на наноуровне был связан с внедрением в практику кристаллогенетических исследований атомно-силового микроскопа. В результате удалось установить неизвестные ранее закономерности поведения и эволюции рельефа растущих граней кристаллов, получить количественные данные об элементарных процессах роста и растворения кристаллов в различных условиях. С использованием программ морфинга пу-
Рис 2. Динамика зарастания ямки с образованием включения на грани кристалла №01, по данным АСМ. Размер изображений 1.4x1.4 мкм 12----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
тем сшивки дискретных АСМ-снимков реконструирована динамика ростовых процессов и изготовлены видеофильмы, демонстрирующие процессы взаимодействия ступеней роста между собой и с препятствиями, консервации включений и т. д.
В Институте геологии выполнены пионерские исследования по изучению биоминералов и процессов биомине-ралообразования. Проведен анализ конденсированных состояний углерода в природе, объектов биоминералогии, разработана новая классификация биоминералов, рассмотрены механизмы биоминералообразования, выяснена кристаллохимическая специфика биоминералов, определены важнейшие теоретические и прикладные проблемы современной биоминералогии и намечены пути их решения. В результате изучения биоминералов из биоорганизмов, в том числе и из органов человека, установлены прямые генетические связи биоминералообразования с жизнедеятельностью микрофлоры. Модельными экспериментами раскрыты физико-химические условия биоминералообразования. Проанализированы современное состояние медицинской минералогии, ее структуры, поля охвата и основные направления: минералогическая профилактика, минералогическая диагностика, минералотерапия, минеральная фармакология и др.
Были продолжены исследования твердых углеводородов, что привело к установлению закономерностей молекулярной и надмолекулярной структурной их организации, выяснению новых
особенностей генезиса предбиологи-ческих структур. Для решения проблем диагностики биоминеральных структур важное значение имеет конвергент-ность морфологии биогенных и абиогенных структур, обусловленная действием единых в биологическом и минералогическом мирах формообразующих факторов. Эта особенность морфо-генезиса микро- и наноструктур представляет очевидный интерес в деле генетической идентификации биопробле-матичных структур, в частности в диагностике биоморфных структур в метеоритах, на которых строятся многие ключевые положения современной астробиологии.
Крупным достижением института является создание новой кватаронной концепции кластерной самоорганизации вещества на наноуровне. Она использована для решения фундаментальных проблем кристаллографии, минералогии и смежных наук. В частности, в рамках этой концепции установлены особенности предкристаллизационной структурной организации вещества в пересыщенных средах. Разработана оригинальная теория образования и роста кристаллов, расшифрован механизм образования фуллеренов, предложены модели формирования и агрегации минеральных и протоминеральных наночастиц, проанализированы размерные зависимости их свойств.
Значительные успехи достигнуты в исследовании конкретных минералов и минералогических проявлений. В частности, существенный прорыв был сделан в познании строения и природы бразильских карбонадо, в которых кроме алмазной фазы обнаружено более 80 мине-
ральных видов и разновидностей. Выявлены две контрастно различающиеся по уровню содержания примесных и вакансионных дефектов группы бразильских карбонадо. Относительно высокоазотистые карбонадо характеризуются более низким содержанием металлических фаз в агрегате. Установленная полигенность карбонадо свидетельствует о разных физико-химических условиях алмазообразующего процесса. Предполагается, что одни агрегаты образовались при участии металлов-катализаторов, другие — за счет массопереноса с участием С-Н флюида. Эти исследования проводились в тесном содружестве с бразильскими минералогами.
Получены новые данные по морфологии кристаллов алмазов уральского (бразильского) типа. Установлен факт понижения внешней симметрии кристалла алмаза при формировании кривогранных поверхностей, связанный с вращением кристалла в процессе его растворения. Оказалось, что форма криволинейной поверхности додекаэдроида в предельном случае может быть описана фрагментами поверхностей обобщенного трехосного эллипсоида, описываемого четырьмя параметрами.
Существенный вклад сыктывкарские минералоги внесли в решение проблемы геологической корреляции сложных полиминеральных комплексов пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины. Были проведены комплексные спектроскопические и кристаллохимические исследования породообразующих и акцессорных минералов для характеристики и корреляции разноформационных докемб-рийских полиминеральных метаморфических комплексов геопространства
Рис. 3. Идеализированная эллипсоидная форма растворения округлого кристалла алмаза с фрагментами поверхностей реликтовой грани октаэдра и ямками травления на них
Рис. 4. Надмолекулярная структура кремнезема
Рис. 5. Распределение структурных примесей в кварце из пород архейской части разреза Кольской сверхглубокой скважины СГ-3
Кольской сверхглубокой скважины. Показано, что докембрийские образования характеризуются закономерными вариациями спектроскопических композиций структурных примесей в породообразующих минералах, определяемыми их формационной принадлежностью и степенью метаморфических преобразований.
Продолжались традиционные для нас экспериментальные исследования по моделированию природных минералообразующих процессов. На основе ранее установленных общих закономерностей формирования промышленно важного генетического типа месторождений флюоритового, баритового, свинцово-цинкового минерального сырья проведено изучение формирования гидротермально-метасомати-ческой минерализации в процессе мобилизации и перераспределения рудного вещества при взаимодействии осадочных пород с гидротермальными растворами. Установлены основные механизмы рудообразования, минералогическая зональность рудных тел, получены количественные характеристики околорудных изменений вмещающих пород. Детально изучены особен-
ности преобразования карбонатных пород при термических и гидротермальных воздействиях с количественной оценкой изменений их физико-механических свойств. Выявлены закономерности фракционирования изотопного состава углерода и кислорода в процессе рудообразования.
Региональные минералогические исследования были ориентированы на раскрытие закономерностей рудообразования и металлогении. Они концентрировались на объектах, представляющих наибольший промышленный интерес — на месторождениях золота, серебра, платины, алмазов, марганца и т. д. Получены новые данные об эволюции рудообразования, о локальных и региональных закономерностях размещения месторождений, вещественном составе и технологических особенностях руд, выявлены новые перспективные рудопро-явления. Результаты исследований способствовали прогнозной оценке Тима-но-Североуральского региона, расширению и эффективному использованию минерально-сырьевой базы.
Дана обобщенная характеристика коренной и россыпной золотоносности севера Урала и Тимана. Описаны геологическое строение и вещественные составы руд основных месторождений и проявлений: Нияюского, Лем-винского, Караванного, Синильги, Чудного, Нестеровского. Изучено золото из аллювиальных отложений районов Енганепэ, Оченырд, Мезенско-Ваш-кинской и Сысольской площадей. В ряде районов установлено золото, в составе которого присутствуют ртуть и палладий, свидетельствующие о важной роли мантийных источников вещества при формировании рудной минерализации. Составлены топоминерало-
гические карты разных масштабов, отражающие особенности золотоносности различных проявлений, районов, площадей.
Впервые систематически изучена серебряная минерализация севера Урала, установлены закономерности ее формирования. Показано, что повышенное содержание серебра характерно для целого ряда золото-сульфидных и полиметаллических проявлений. Диагностированы новые для региона минеральные фазы серебра. Дана детальная минералого-геохимическая характеристика серебряно-уранового проявления Ясного. Обнаружена прямая зависимость концентрации серебра в рудах от их радиоактивности.
Получены новые данные, расширяющие перспективы севера Урала в отношении плагиноидных и комплексных золото-платиноидных месторождений. В Кожымском районе Приполярного Урала на месторождении Чудном, наряду с палладисто-золото-фукситовыми прожилками в риолитах, образующими промышленные штокверкоподобные тела, на глубоких горизонтах установлена палладисто-золото-сульфидная минерализация, связанная с породами среднеосновного состава. На Полярном Урале в северной части Войкаро-Сы-нинского ультрабазитового массива открыто проявление медно-золото-плати-
щит - ‘ ,л ї ■ ДкЛ»*- V
У КЗ в*
Рис. 6. Выделение моноклинных фаз марганцевого оксида. РЭМ в режимах вторичных (а) и упругоотраженных (б) электронов
ноидных руд. В состав руд вместе с сульфидами меди входят золото-медные, золото-палладий-медные и золото-серебряные фазы, а также минералы палладия, теллура и висмута, в том числе меренскит, майченерит, самородный теллур.
Продолжено изучение золотоносности кор выветривания мезо-кайнозой-ского возраста, а также древних кор выветривания и терригенных отложений Кожымского района. На примере проявления Каталамбинского установлены особенности накопления и преобразования золота в палеогеновых золотоносных корах выветривания, развивающихся по зонам прожилково-вкрапленной сульфидной минерализации. На Алькес-вожском участке выявлены новые проявления золота в кварцевых гравелитах и конгломератах позднекембрийско-раннеордовикского возраста. Установление золотоносности терригенных отложений в зоне межформационного контакта уралид и доуралид имеет не только региональное, но и общеуральское значение.
Получены дополнительные геологические и изотопно-геохронологические данные, касающиеся эволюционных закономерностей формирования эндогенных и экзогенных месторождений. Подтверждена продуктивность позднепалеозойского этапа рудогенеза, которому отвечает широкое проявление гид-ротермально-метасоматических процессов.
хЯпьнОпирш
ж'г'\
6о^н‘тт :юп п
Золотистая
м*дь
- !-ЛЯ •« .
— ІВІ* Пий!
ЛГО!1_ 2вКУ НЛПй ШН
Проведены минералого-геохими-ческие и петрографические исследования на месторождениях и проявлениях алмазов Тимана, Урала и других регионов, изучены перспективные участки и потенциально алмазоносные породы. Получены новые данные о морфологии и спектроскопических характеристиках алмазов. На поверхности алмазов обнаружены металлические пленки, в том числе пленки благородных металлов. На основе анализа типоморфных особенностей алмазов установлено, что алмазопроявления и месторождения северного и северо-восточного обрамления Русской платформы представляют собой единую алмазоносную субпровинцию, перспективную на высококачественные ювелирные алмазы. Парагенезис и состав минералов-спутников алмазов, изотопный состав углерода алмазов свидетельствуют о том, что материнскими породами алмазов Южного и Среднего Тимана являются мантийные эклогиты.
Разработана методика поисков коренных месторождений алмазов, основанная на использовании принципа углеродных парагенезисов. Показана эффективность спектроскопических исследований для выделения перспективных участков россыпей.
На Полярном Урале выявлена и исследована необычная карбонатная же-лезо-марганцевая минерализация, обогащенная никелем и цинком до промышленных содержаний. На основе
зйпотомпаллэдмС'гап
медь X ш '
30ЛПТИСТЇЯ медь щ У мфтистй*
Я Г сврейро
-ТЕ ст. гвки ІИВ Р1 |_0 1 кс,^ва
Рис. 7. Минералы золота, палладия и меди в медно-золото-палладиевых рудах проявления Озерного на Полярном Урале.
Изображение в режиме обратнорассеянных электронов
экспериментального моделирования условий рудообразования тонкодисперсных марганцевых минералов кор выветривания впервые установлены фазовые трансформации типа пиролюзит -бернессит и пиролюзит-вернадит. Проведен системный анализ процессов образования рентгеноаморфных марганцевых фаз. Определено, что их формирование происходит как в результате трансформационных преобразований слабоупорядоченных оксидов марганца с течением времени и с изменением параметров среды, так и в результате бактериальной деятельности.
Продолжено изучение кварцево-жильно-хрусталеносных месторождений Приполярного Урала. С использованием методов радиоспектроскопии, электронной микроскопии, газовой хроматографии получены сведения о качестве жильного кварца крупнейшего в России, ныне действующего месторождения Желанного. Установлена неоднородность кварцевого сырья в пределах промышленных жильных тел. Оценены га-зонасыщенность и содержание структурных элементов-примесей. Показано, что в основной массе жильного кварца практически отсутствуют первичные минеральные, в том числе ультрамикро-минеральные, влючения, что является благоприятным показателем качества сырья, использующегося для плавки стекла и синтеза монокристаллов.
Выявлена неоднородность кварца юрских песчаных толщ и сопутствующих четвертичных отложений Сысоль-ской и Мезенской впадин, проявляющаяся в вариациях состава и содержания примесных структурных дефектов кристаллической решетки. Установлен предел обогатимости кварцевых песков при использовании их в качестве сырья для получения стекла.
Спектр исследований минералогов постоянно расширяется. Но главной остается ориентированность этих исследований на решение крупных фундаментальных и прикладных проблем, связанных с развитием минералогической теории и практики. Здесь созданы предпосылки для реализации крупных проектов ориентированных и инновационных исследований в области минерало-го-технологической оценки и рационального использования минерального сырья. Целенаправленная работа по подготовке специалистов и активность молодых исследователей—залог наших будущих достижений.
