К ТАЙНАМ РОЖДЕНИЯ И ЖИЗНИ МИНЕРАЛОВ

Автор статьи — заведующий лабораторией Института геохимии СО РАН, доктор химических наук Владимир Таусон — известный специалист в области исследования проблем теоретической и экспериментальной минералогии и геохимии, которыми он занимается почти 30 лет. За работу "Теоретические аспекты и технология выплавки кремния" Владимир Львович в составе коллектива авторов отмечен премией Правительства РФ в области науки и техники за 1995 г. В 1999 году за коллективную монографию "Геохимия твердого тела" получил медаль и диплом Всероссийского минералогического общества.

Природные процессы моделируются в лаборатории

Самобытен минеральный мир нашего региона. Уникальные минеральные образования в чем-то похожи на эндемические виды животных и растений, то есть виды, характерные только для определенной местности. Достаточно упомянуть чароит и лазурит. Оба они — красивые поделочные камни, но первый нигде более не встречается, по крайней мере, в значимых количествах, а последний имеет совершенно необычную структуру и несколько модификаций, что отличает его от лазуритов других месторождений.

Причины и условия возникновения этих особенностей — предмет наших исследований. В лаборатории экспериментальной геохимии, которую я возглавляю, имеется необходимое оборудование, чтобы создавать природные условия для образования этих минералов. Моделируя процесс минералообразования, то есть создавая высокие температуры (до 1000 градусов Цельсия) и давления (несколько тысяч атмосфер), мы определяем параметры, от которых зависят те или иные характеристики минералов: структурное состояние, цвет, другие свойства.

Это позволяет объяснить внутривидовую специфику минералов, отражающую региональные условия их формирования. Здесь не только чисто научный, но, если хотите, и социальный аспект — привлечение внимания общества к особенностям окружающего минерального мира.

Говоря о геохимии, как науке, напомню, что она изучает историю и поведение химических элементов Земли и относится к довольно молодым наукам. У нее пока нет собственных базовых законов, той количественной основы, которая имеется у более старых точных наук. В геохимии, в основном, используются фундаментальные закономерности физики и химии. Однако их механическое применение, без учета специфики объекта, может приводить к неверным выводам, и задача физической геохимии и геохимии твердого тела как раз в том, чтобы адаптировать, т.е. приспособить физико-химические законы к особенностям реальных минеральных систем.

Сколько примесей входит в минерал?

Традиционный вопрос геохимии — сколько примесного элемента может войти в структуру данного минерала? Для макроэлементов, то есть тех элементов, которые присутствуют в высоких концентрациях, вопрос решается довольно легко: имеются достаточно точные теоретические представления и надежные аналитические методы. Но когда речь заходит о микроэлементах, то есть элементах, присутствующих в очень низких концентрациях, ситуация резко усложняется.

Дело в том, что в области низких концентраций появляются конкурирующие механизмы поглощения примесного элемента, обусловленные его взаимодействием с дефектами структуры кристалла. Их концентрация уже сопоставима с концентрацией самого этого элемента, а зачастую и превосходит ее. Законы распределения элементов между различными минеральными фазами строго применимы только к структурным формам элементов. Но большинство геохимических построений сейчас делается с использованием так называемых валовых концентраций, по сути дела, полных содержаний элемента во всех формах его нахождения в минерале или породе.

В этом случае законы распределения в обычном виде неприменимы и, строго говоря, мы лишаемся важного инструмента оценки концентраций элемента в среде минералообразования. Поэтому сегодня очень важно научиться разделять формы нахождения микроэлементов и выделять только структурную составляющую.

Мы используем несколько подходов к решению этой проблемы. Наиболее изящны так называемые экспериментально-аналитические методы, как раз и использующие свойство определенной составляющей (части) полной концентрации примеси подчиняться общим физико-химическим закономерностям распределения структурной примеси.

Насколько важны эти работы, можно оценить хотя бы из того, что золото, платина, элементы платиновой группы, редкоземельные элементы и многие другие относятся именно к микроэлементам. Наиболее благородные из них — золото и платина — потому и называются благородными, что имеют низкое сродство к основным рудообразующим элементам геохимической среды — кислороду и сере. Поэтому они предпочитают находиться либо в самородном виде, т.е. в металлическом состоянии, либо в виде микроскопических включений и комплексов на дефектах кристаллической структуры или на поверхности минералов.

Без знания форм их нахождения, пределов, условий и механизмов вхождения в минералы затруднены как геохимические поисковые работы, так и переработка содержащего их минерального сырья, выбор той или иной технологической схемы обогащения руд. Мы уверены, что разрабатываемые нами подходы и методы уже в ближайшее время получат мировое признание и найдут широкое применение не только в научных исследованиях, но и на практике.

Загадка байкальского лазурита

Иногда шутят, что ученые удовлетворяют собственное любопытство за государственный счет. Малая доля правды в этом, конечно, есть (любопытство движет миром!). Возвращаясь к нашему прибайкальскому лазуриту, отмечу, что его структура деформирована в трех измерениях, на нее как бы наложены волны атомных смещений, так называемая модуляция. Наши экспериментальные исследования привели к очень интересному результату: оказалось, что такая модуляция устойчива только при определенной величине давления двуокиси серы в газовой фазе. И это при том, что допустимые изменения параметра, когда кристаллическая структура лазурита еще устойчива, составляют не менее 7 порядков величины!

Почему на объектах нашего региона из всех возможных реализовалось именно это значение? И почему вообще газовая среда оказывает такое большое влияние на структуру твердого минерального вещества? Сегодня мы близки к тому, чтобы дать исчерпывающие ответы на данные вопросы.

Роль газовой фазы в том, что она задает состав и соотношение кластеров, то есть довольно больших атомных группировок, содержащих серу и кислород и располагающихся в полостях алюмосиликатного каркаса лазурита. Эти группировки стремятся расположиться по отношению друг к другу оптимальным образом, то есть упорядоченно. При этом выигрыш энергии за счет упорядочения кластеров компенсируется повышением энергии упругой деформации структуры. При заданном соотношении химически различных кластеров, зависящем от состава газовой фазы, получается модуляция определенного типа и длины волны. Данное объяснение очень строго обосновано термодинамически в рамках так называемой теории вынужденных равновесий, разработанной мною совместно с Владленом Акимовым почти десятилетие тому назад.

Где находится "невидимое" золото?

Еще один впечатляющий результат относится к области геохимии микроэлементов, а именно, к популярному (хотя и "презренному") металлу — золоту. Золото — типичный микроэлемент вовсе не потому, что его никогда на всех не хватает, а в связи с обычно низкими содержаниями в минералах горных пород и руд. Конечно, золото встречается и в самородках, в более или менее чистом виде, а чаще в сплавах с медью и серебром, где оно — основной, или макрокомпонент.

Но подобные источники россыпного золота на Земле уже почти отработаны, поэтому внимание геологов переключается на коренное золото, которое часто представлено микропримесью в различных минералах. Такие руды обычно считаются упорными, извлечь из них золото не так просто.

При этом вопрос о форме нахождения мелкого или, как сейчас говорят, "невидимого" золота, приобретает первостепенное значение. Действительно, если элемент входит в кристаллическую структуру минерала, то для его выделения понадобится полное разрушение структуры. Если же это включения микроскопических золотин, то достаточно сильно измельчить рудный материал, после чего выщелочить золото подходящим растворителем.

Очень интересной и важной для практики оказалась проблема "невидимого" золота в таком распространенном минерале-носителе как пирит, дисульфид железа, который, кстати, сам похож на самородное золото, чем не раз вводил в заблуждение страждущих золотоискателей. В эксперименте никак не удавалось внедрить в пирит форму "невидимого", то есть субмикроскопического золота, столь обычную для природных условий, и это дало повод для спекулятивных выводов, в частности, о возможности вхождения элемента в структуру пирита в довольно высоких концентрациях.

Наши эксперименты, проведенные по специальной, достаточно сложной схеме, выявили, что в структуру пирита в самых благоприятных условиях не может войти свыше 3--5 миллиграмм золота на килограмм пирита. Основная же часть равномерно распределенного "невидимого" золота обязана обогащению этим элементом поверхности минерала, то есть сорбции, а не вхождению золота в его структуру. Высокие содержания "невидимого" золота в пирите появляются в результате сорбции в процессе образования промежуточных соединений и комплексов, содержащих золото и его элементы-спутники, прежде всего мышьяк. Распадаясь, они оставляют на поверхности микрочастицы свободного золота, а иногда — более сложные золотосодержащие соединения в виде тонких пленок и высокодисперсных частиц.

Разработанные нами методы разделения форм золота в минералах в настоящее время проходят апробацию на реальных геологических объектах в целях их использования в технологиях переработки и обогащения золотосодержащих руд и концентратов.

Фото В.Короткоручко.