Как томские геологи изучают редкие минералы

Геологи Томского политехнического университета (ТПУ) обнаружили недалеко от Норильска в Талнахском месторождении редкий минерал метеоритной группы — кронштедтит. Статья об этом вышла в журнале Scientific Reports. Почему кронштедтит образовался именно там, как его исследовали и что нового он может рассказать геологам?

Минералогическое изучение Норильска ведется с 1960 года, но кронштедтит там нашли впервые. Возможно, его могли обнаружить и раньше, но из-за мелкого размера кристаллов — меньше 50 микрометров — и не столь развитых аналитических методов это было крайне сложно.

Метеоритный кристалл

Кронштедтит редкий минерал, ранее его находили в рудных жилах в США, Мексике, Бразилии, Германии, Франции, Великобритании и др. Но кронштедтит наиболее распространен в породах метеоритной группы, так что и встречается он чаще во внеземных телах. Например, на Марсе, в метеорите Ногоя, Агуас Заркас и других.

Минерал неплохо исследован и даже синтезирован в лаборатории. Это богатый железом филлосиликат группы каолинита-серпентина. Кристаллы кронштедтита бывают разной формы — треугольные, конические, пирамидальные, столбчатые и прочие. В разных месторождениях могут находиться разные политипы кронштедтита, то есть минералы с одинаковой химической формулой, но отличающейся кристаллической решеткой.

«Кронштедтит в исследуемых образцах представлен игольчатыми, радиально-лучистыми кристаллами темного цвета и ассоциирует с магнетитом. Поэтому в массивных сливных рудах, содержащих кронштедтит, можно увидеть черные полосы, пересекающие блестящие латунно-желтые породы, представленные сульфидами меди и никеля: халькопиритом, пирротином и пентландитом. Особенность кронштедтита заключается именно в его составе — это наиболее железистая разновидность из всех известных слоевых силикатов»,— рассказывает доцент отделения геологии ТПУ и автор статьи Тамара Якич.

Переходная форма

Норильский кронштедтит образовался непосредственно в земной коре. Его формирование происходило на глубине около двух километров от палеоповерхности в пределах массивных сплошных преимущественно медных руд. Положение минерала, заключенного в трещинах сплошных сульфидов, как в скафандре, не дало ему перейти в другую форму. Кронштедтит неустойчив и стремится превратиться в более стабильную магнезиальную разновидность — антигорит (лизардит).

«Все зависит от множества физико-химических условий: температуры, давления, состава летучих компонентов, кислотности раствора и прочего. Кронштедтит — водный слоевой силикат, в его составе много воды различного типа: конституционной и межслоевой. Вообще миграция элементов земной коры в зависимости от условий бесконечна. И вода, входящая в состав активного флюида, играет огромную роль в этих процессах. Я думаю, находка кронштедтита в пределах Талнахского месторождения не единичная. Если детально разбираться и поставить соответствующую задачу, то в подобных рудах его можно найти еще»,— отмечает Тамара Якич.

Палеонтология минералов

Однако найти кронштедтит или подобный минерал не значит просто откопать его — обнаруженные образцы необходимо изучить несколькими аналитическими методами. Для начала специалисты изготавливают в шлифовальной мастерской препараты, потенциально содержащие искомые минералы,— прозрачные шлифы, тонкие пластины и полированные аншлифы, то есть небольшие гладкие препараты горных пород. С помощью шлифов геологи изучают состав породообразующих минералов, их строение и текстуру, а в аншлифах смотрят рудные минералы.

Также для анализа газово-жидких включений в образцах ученые делают двуполированные пластины — они позволяют геологам понять состав раствора и температуру формирования гидротермальных минералов. Предположительно, норильский кронштедтит образовался из-за воздействия на первичные железистые силикаты низкотемпературных флюидов, высокоактивных летучих компонентов магмы. Формирование такого минерала могло быть связано с относительно неглубоким залеганием норильских интрузий, что отличает их от прочих мировых медно-никелевых аналогов.

После рассмотрения образцов под оптическим микроскопом специалисты прибегают к другим методам. При помощи рамановской спектроскопии — комбинационного рассеяния фотонов — изучают химическую и структурную информацию об образце, а также идентифицируют вещества по их раман-отпечатку. Существует база данных, в которой хранятся данные о спектрах различных минералов.

«Исходный рабочий метод расшифровки — электронная микроскопия. Здесь можно посмотреть тонкие взаимоотношения минералов, их морфологию, как распределены компоненты, и сразу проверить минеральный состав. Вообще многое зависит от насмотренности. Если в минерале есть какие-то необычные проявления, это сразу бросается в глаза опытному оператору. Он может докрутить заинтересовавший его природный феномен до статьи или открытия. Минералы — следы процессов, происходивших много миллионов лет назад. Верная расшифровка и интерпретация — это ключ к их пониманию. Похоже на палеонтологию, только мы изучаем природу геологических событий не по руководящим формам живших в прошлом организмов, а по минералам, которые определенно несут в себе ценную генетическую информацию»,— делится Тамара Якич.

Прогноз месторождения

Талнахское месторождение под Норильском сейчас самое северное местонахождение кронштедтита. Структура таких минералов состоит из непрерывных слоев кремнекислородных тетраэдров, связанных катионами. В кронштедтите катионы представлены исключительно ионами двух- и трехвалентного железа, а сам минерал относится к глинистой группе.

«Глинистые минералы благодаря своим функциональным свойствам сейчас один из фронтиров исследований нашей лаборатории. У них есть способность восстанавливать форму без потери сплошности. Их можно интеркалировать различными добавками, меняя их свойства. Они упругие — их чешуйки можно всячески искажать, а они будут возвращаться в исходное положение. Эти минералы мягкие и легкие, впитывают в свое межслоевое пространство любые растворы, воду и тяжелые ионы. Поэтому их часто используют для утилизации радиоактивных и других токсичных отходов в качестве безопасных резервуаров. Также они способны отдавать различные компоненты при активации — из глинистых минералов получаются медленно отдающие удобрения»,— рассказывает Тамара Якич.

Кронштедтит, конечно, в прикладных целях использовать не получится — его попросту не хватит, минерал редко встречается. Но в дальнейшем изучение массивных руд Талнахского месторождения — какие силикаты и оксиды их сопровождают — может дополнить представления об условиях формирования и преобразования этих руд. И главное в подобных открытиях, как в случае с кронштедтитом — это подсказки в прогнозировании и поиске новых экономически значимых месторождений.

Работа выполнена по госзаданию «Комплексные исследования на базе природных геологических лабораторий».

Андрей Папиш