Вести из царства минералов. "В мире науки" №8-9

Ученые не перестают искать и изучать новые химические сочетания и свойства минералов. Они используются в оптике, радиоэлектронике, электротехнике, радиотехнике, ювелирных украшениях. И это далеко не полный список. Ведущий научный сотрудник Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН член‑корреспондент РАН Игорь Викторович Пеков пригласил нас в музей и рассказал, как и когда возникла наука минералогия и чем она занимается сегодня.

— Что сегодня изучает минералогия?

— Годы у нее почтенные, должен заметить. Пожалуй, это самая древняя из наук о Земле, и, возможно, вообще самая древняя из наук. Человеку руда понадобилась несколько тысяч лет назад, а кремень — еще раньше. С самого зарождения цивилизации люди нуждались в знаниях, где и как искать тот или иной минерал и что с ним делать. И, собственно, слово minera — это «руда» по-латыни. Отсюда и слова «минерал», «минералогия». То есть изначально минералогия была наукой о рудах. Минералогия сегодня — это уже нечто другое. Считается, что минералогия в современном понимании оформилась на рубеже XVIII–XIX вв., стоя на трех китах.

Первый кит — это сложившаяся в тот же период концепция геологии, которая объясняла, как рождаются минералы и их ассоциации, что они собой представляют в генетическом, как мы сейчас говорим, отношении. Второй кит — аналитическая химия, да и вся неорганическая химия, которая бурно развивалась в XVIII в. Тогда ученые уже четко понимали, что такое минерал с точки зрения его химического состава. И третий кит — это морфологическая кристаллография, которая, по сути, ввела минералогию в разряд точных наук. Ученые того периода стали уже не просто измерять кристаллы, а изучать закономерности, влияющие на их форму, и связывать эти данные с химическими характеристиками минералов. Отмечу, что не только минералогия обязана химии и кристаллографии, но и эти науки обязаны своим становлением минералогии, поскольку почти все объекты, которые изучались в тот период химиками-неорганиками и кристаллографами, происходили из мира минералов. Таким образом, это направление оформилось в самостоятельную научную дисциплину, и само понятие «минерал» получило то наполнение, с которым мы сегодня работаем.

Минерал — это природное кристаллическое тело, имеющее устойчивый (в определенных границах) химический состав. Уже первые специалисты-минералоги предполагали, что минералы обладают некой правильностью в своем строении, предвосхитив представления о том, что мы сегодня называем кристаллической структурой. И в начале XX в. эти предположения были блестяще подтверждены. Кристаллическая структура минерала характеризуется определенным порядком расположения атомов тех элементов, из которых он состоит. На протяжении не только XX в., но последних 200 лет кристаллическая структура (пусть поначалу только предполагавшаяся) остается одним из главных, базовых понятий минералогии.

Современная минералогия связывает, по сути, несколько научных направлений: науки о твердом кристаллическом веществе, то есть физику и химию твердого тела, кристаллографию, кристаллохимию, с науками о Земле — геологическими дисциплинами, особенно с теми, которые исследуют непосредственно вещество Земли, — петрологией и геохимией, а также с учением о полезных ископаемых. Здесь уже четко прослеживается практический аспект. Так вот, посередине этой связки стоит минерал, который можно и нужно изучать, используя как методологию наук о веществе, так и подходы наук о Земле.

В первую очередь минералогов интересует, где и как минералы образуются, из чего они состоят и как устроены. Получив информацию об этом, мы уже можем переходить к практическим приложениям. Не секрет, что подавляющее большинство руд состоят из минералов, включая как полезные, так иногда и вредные. Практически все горные породы полностью или по большей части сформированы из минералов. Проще говоря, вся неживая природа, которая нас окружает, более чем на 95% состоит из кристаллического вещества, именуемого минералами.

— Как природа создает эти минералы?

— Этот вопрос — один из главных в современной геологии. Поиском ответов на него занимается раздел нашей науки, именуемый генетической минералогией. Происхождение минералов зависит от самых разных факторов. Уточним, что речь идет о твердых кристаллических телах. 

Пожалуй, в современной минералогической классификации «нетвердых» минералов осталось всего несколько: самородная ртуть и еще пара жидкостей на ее основе (раньше к минералам иногда относили нефть, воду, природные рассолы). Поэтому одно из первых ограничений — температурное. Понятно, что кристаллизация минералов из расплава может происходить только при температурах ниже температуры их плавления. Диапазон кристаллизации минералов из расплавов велик — от самых горячих магматических пород (выше 1000° C) до комнатной температуры (например, образование льда при замерзании воды — тоже кристаллизация из расплава). Гидротермальное минералообразование — кристаллизация из водных растворов — возможно в интервале температур, в котором может существовать жидкая вода, приблизительно до 370° C. В целом выделяют три главных фактора, влияющих на образование кристаллов, — температуру, давление и химический состав природной системы, в которой происходит кристаллизация. Сочетание этих факторов (то есть физико-химические условия минералообразования) определяет то, что получится в итоге, какие минералы вырастут, какие устойчивые сообщества минералов (их называют минеральными ассоциациями) образуются. Например, здесь, в одной из витрин Минералогического музея мы видим вместе малахит и азурит. Это основные карбонаты меди с разным соотношением компонентов, но со схожим валовым составом. Они образуются вместе, создавая тесную минеральную ассоциацию. Если минералы кристаллизуются одновременно и вместе, то их ассоциация называется «парагенезис»; изучение парагенезисов дает очень важную информацию для понимания того, в каких условиях кристаллизовались минералы. Вообще, на сегодня известно около 6 тыс. минералов. Много это или мало?

— Кажется, что много.

— А мне кажется, что мало. Почему? Потому что есть с чем сравнивать. Например, разнообразие живых организмов оценивается в 1 млн видов. Разнообразие химических соединений, синтезированных человеком, приближается к 10 млн. Отчасти поэтому вопрос о поиске новых минералов очень актуален. Прирост минерального царства сегодня — около сотни новых видов в год, тогда как прирост числа искусственных соединений, согласно данным, опубликованным в химических журналах, происходит со скоростью около 200 в день. Замечу, что из 6 тыс. минералов более половины еще не синтезированы человеком. Это к вопросу о том, как природа создает уникальные объекты, которые мы не можем воспроизвести. Конечно, есть целый ряд минералов, которые просто никто не пытался воспроизвести, в этом не было нужды. Были и те, которые пытались синтезировать целенаправленно, но безуспешно. Например, эвдиалит — цирконосиликат сложного состава, красивый минерал, который природа создает миллиардами тонн в щелочных породах. Попыток было много, но все неудачные. Поэтому тягаться с природой на равных мы пока не в состоянии.

— Что мы упускаем?

— Хороший вопрос, но он пока без ответа. В случае с эвдиалитом вроде бы и компоненты те же, и условия понятные. Но в искусственных условиях не растет. И таких загадок огромное количество.

— Зато многие свойства минералов уже известны. Какие из них ключевые?

— Под словом «свойства» можно понимать разные вещи. В базовом курсе минералогии мы прочтем, что любое кристаллическое тело обладает целым набором физических свойств, и некоторые из них мы можем наблюдать без специальных приборов: цвет, прозрачность, плотность, твердость и спайность, то есть способность раскалываться по определенным направлениям. В свое время именно спайность и натолкнула исследователей на мысль, что кристаллы состоят из правильных, но очень маленьких частиц. Друза кварца, например, имеет серый цвет, стеклянный блеск и состоит из прозрачных кристаллов. Если мы попробуем прикусить кусочек кварца, то заметим, что твердость нашего зуба, в общем-то, поменьше, чем у этого минерала. Попробуем друзу поднять — будет ясно, что она тяжелая: выходим на понятие плотности. Все эти характеристики объединяются в один набор свойств, которые используются как диагностические — для определения минералов по внешним признакам.

Однако есть и другие — так называемые полезные свойства. Уже названные физические свойства, конечно, важны: та же твердость минерала позволяет использовать его в качестве абразива, а прозрачность в свое время обусловила использование слюды в производстве окон. Но все же в сегодняшних высокотехнологичных областях внимание специалистов направлено на более сложные особенности. Скажем, некоторые минералы обладают магнитными свойствами, другие используются в качестве полупроводников. Оптические свойства важны, например, в сфере лазерных технологий. Кстати, многие минералы не используются сами по себе. Благодаря изученным свойствам и другим характеристикам минерала специалисты создают аналог, зачастую даже улучшенный, и используют его в тех или иных областях техники: так минералы становятся прототипами новых полезных материалов. Особую роль играют также пьезоэлектрические свойства. В советское время существовала целая отрасль промышленности, которая занималась созданием пьезоматериалов, в первую очередь синтетического кварца. Пьезоэлектрический эффект тесно связан с кристаллической структурой минерала. Практически все свойства, которыми способны обладать кристаллические вещества, известны у тех или иных минералов.

— Где и как специалисты ищут новые минералы?

— Если говорить о нас, то специально мы этого не делаем. Мы изучаем некие минералогические объекты и решаем разные задачи. Главная фундаментальная задача — получить новые знания о самих минералах и их происхождении. Ясно, что так или иначе мы сталкиваемся с некоторым разнообразием минералов, и время от времени попадаются те, которые пока науке известны не были. При этом есть такие природные объекты, где вероятность найти новый минерал существенно больше, чем в других. Скажем, если мы будем изучать территорию Московской области, то вероятность этого крайне невелика, поскольку местные горные осадочные породы не отличаются большим минеральным разнообразием и хорошо изучены, так что, наверное, почти все, что можно было найти, уже найдено. Однако есть территории, где в силу природных условий минералов объективно много и они очень разнообразны. Соответственно, в этих местах чаще попадаются пусть и уже известные, но малоизученные или, если повезет, неизвестные науке минералы. Как правило, это объекты с аномальными с точки зрения геохимии условиями, где наблюдается необычное для природы сочетание химических элементов. Именно здесь и происходит концентрирование редких элементов. В природе, как известно, есть распространенные химические элементы, из которых состоят большинство горных пород, типичные минералы и руды. Пожалуй, из тех почти 6 тыс. минералов, о которых мы говорили, таких типичных, широко распространенных не наберется и 500. Все остальные минералы относятся к редким или даже очень редким, и многие из них содержат редкие химические элементы — например, элементы платиновой группы, редкоземельные металлы, цирконий, ниобий, тантал и др. Существуют объекты, где сами условия минералообразования необычны. Одна из витрин музея как раз посвящена минералам вулканическим и в значительной мере иллюстрирует минеральное разнообразие, которое возникает в результате деятельности вулканических фумарол. Горячий вулканический газ, богатый растворенными в нем редкими элементами, выходит на поверхность и быстро остывает, образуя многочисленные минералы. Этот процесс называется десублимацией. В таких местах достаточно велика вероятность того, что будет обнаружено что-то необычное. Почему? Потому что в результате вулканической активности формируется необычное сочетание условий: здесь очень высокая температура газа — 700–800° C, а давление при этом атмосферное.

— Почему эти условия можно считать необычными?

— Большинство высокотемпературных минеральных ассоциаций в природе возникают при больших давлениях на глубине, поэтому высокая температура плюс низкое давление и газовый транспорт вещества — это необычная ситуация для природы. И специалисты сразу понимают, что найдут здесь интересные минералы и новые минеральные ассоциации. Исследуя зоны вулканической активности, мы имеем высокую вероятность того, что попадется что-то неизвестное.

— А как специалисты понимают, что перед ними нечто новое?
— Чтобы понимать, что перед нами что-то новое, необходимо знать, что есть старое. Минерал считается новым, когда он не может быть отождествлен ни с одним из уже известных. Ясно, что в поле, когда отбираются пробы, нет в этом уверенности, есть лишь предположение. Четкое понимание приходит уже после изучения минерала лабораторными методами, когда определяются его важнейшие характеристики: химический состав, принадлежность к тому или иному структурному типу. В целом определение минерала, минерального вида базируется на трех признаках. Первый — природное происхождение. Далее важны две ключевые характеристики, которые определяют минеральный вид: то, какими атомами сложен кристалл, и то, в каком порядке в этом кристалле выстроены атомы. То есть химический состав и структурный тип. Например, химический состав может быть один и тот же, а структурные типы — разные, тогда и минералы будут отличаться друг от друга, иногда очень сильно. Хрестоматийный пример — графит и алмаз. Одни и те же атомы углерода, которые по-разному расположены, образуют разные системы химических связей, и это определяет в конечном итоге свойства, такие разные у этих двух минералов. Так, определяя ключевые характеристики, мы понимаем, имеем ли дело с уже известным минералом, с некоей его разновидностью или с чем-то ранее неизвестным, с новым сочетанием химического состава и структуры. Но об открытии на этом этапе говорить рано.

Чтобы открытие состоялось, нужно детально изучить найденный минерал, определить его структуру, химический состав, свойства, составить, образно говоря, портрет минерала и представить его минералогическому сообществу — специально созданной Комиссии по новым минералам, номенклатуре и классификации Международной минералогической ассоциации, которая рассмтривает каждую такую заявку в обязательном порядке. Квалифицированные специалисты оценивают, во-первых, фактор новизны, во-вторых, степень изученности. Только после того как «кандидат» проходит апробацию комиссии, в которую входят представители более чем 20 стран, национальных минералогических обществ, включая российское, найденный объект приобретает статус нового минерального вида. Утверждается и его название. После этого он становится полноправным членом царства минералов. В нынешнее время, как я уже говорил, за год успешно проходит такую процедуру примерно сотня минералов.

— Какова современная приборная база ученого-минералога?

— Все зависит от целей, которые перед ним поставлены. Важнейшая общая задача, которая традиционно решалась и решается в практической минералогии, связана с идентификацией минералов. Часто бывает так, что специалисты из других областей, по большей части геологи, которые занимаются горными породами или рудами, обращаются к минералогам с вопросом: что же мы нашли? Или: что мы получили в лаборатории? Требуется идентификация разной степени детальности, зависящей от поставленной задачи. Не утратили и, видимо, никогда не утратят своего значения традиционные методы. В первую очередь, это оптическая микроскопия. Чтобы идентифицировать и дальше изучать минерал, надо его увидеть. Не все минералы образуют крупные выделения. Некоторые из них могут иметь размер на уровне десятых, сотых и даже тысячных долей миллиметра, поэтому без оптической микроскопии не обойтись. Оптическая микроскопия позволяет исследовать полированные срезы, изучать прозрачные минералы в проходящем поляризованном свете и многое другое. В последние годы растут возможности электронной микроскопии. Метод похож на оптический, только в данном случае при формировании изображения вместо светового потока используется пучок электронов. Для определения химического состава минералов применяется электронно-зондовый микроанализ, он же микрорентгеноспектральный. Этот локальный метод хорошо сочетается с электронной микроскопией. Как правило, используемый нами электронный микроскоп имеет специальные приспособления для определения количественного химического состава. 

Для изучения структурных особенностей минералов используются дифракционные методы. Поскольку атомы, ионы и любые другие строительные частицы кристалла образуют правильные системы, на них возможна дифракция лучей, длина волны которых сопоставима с межатомными расстояниями, а это в первую очередь рентгеновские лучи. Помимо этого может использоваться дифракция электронов или нейтронов. Синхротронное излучение в последнее время очень в почете, в том числе и потому, что можно менять длину волны и при этом получать большую мощность пучка. Однако электронно-зондовые методы плохо работают, когда в составе минерала есть легкие элементы, или вообще не работают в случае с водородом, у которого нет рентгеновской линии. В таком случае используется ионное микрозондирование и другие методы. Для определения свойств минерала и уточнения строения кристаллов применяются спектроскопические методы. Так, инфракрасная спектроскопия — очень мощный инструмент для изучения межатомных взаимодействий в кристалле: как устроены соседние пары атомов или целые группы атомов, какие химические связи существуют между ними, какова общая геометрия связей. Этот же метод позволяет работать с так называемыми рентгеноаморфными веществами, которые не дают дифракционных картин. Методов много, и они используются при решении разных задач. Практически любой метод, практикуемый в физике твердого тела и в неорганической химии, может быть применен и к природному кристаллу тоже, все опять же зависит от задачи. И, конечно, нельзя забывать о геологических методах, применяемых уже не к отдельному кристаллу, а к их сообществу, к минеральной ассоциации, к горной породе, к руде.

— Ограничен ли запас минералов? Или их можно считать возобновляемым ресурсом?

— Этот вопрос отчасти философский. Если мы говорим о каком-то отдельном минерале или же о полезном ископаемом, то традиционно считается, что минералы невозобновляемые. Ведь минерал образовался в природе, лежал, условно говоря, в земле, а потом его нашли, добыли, переработали, и вот его нет. Единственный способ бороться с этой невозобновляемостью — сохранить минерал в коллекции, поставить его в музейную витрину. Однако есть исключения. Например, удивительный минерал — рениит, содержащий большое количество редчайшего элемента рения. На острове Итуруп, на Курилах, есть вулкан по имени Кудрявый. Это удивительный вулкан с удивительными фумарольными полями. Именно здесь из газа осаждается, причем и в настоящее время, минерал рениит, сульфид рения, описанный не так давно нашими коллегами. Рений — очень дорогой элемент. Когда-то даже обсуждался проект по добыче рениита из фумарол вулкана Кудрявый. Логика такая: газ из вулкана идет, значит, через какое-то время после предполагаемой добычи рениит нарастет снова. Действительно, он нарастает, но, видимо, не в промышленных масштабах... Другой пример, наиболее очевидный, — добыча солей из озер: сегодня соль вычерпали, завтра на ее месте образовалась новая. Но это скорее исключения, поскольку, к сожалению, неживая природа в общем случае не умеет себя быстро воспроизводить. То есть, возможно, процесс идет, да только нам об этом неизвестно: наша жизнь и геологические процессы текут в разных временн х масштабах. Помимо этого существует такое понятие, как «известные запасы». Скажем, найдено некое месторождение. Постепенно его отработали, все ценное добыли. Найдем ли мы еще такое месторождение, неизвестно. В том числе поэтому так важна музейная деятельность. Мы уже научились сохранять редких животных в заповедниках, а также воспроизводить их в зоопарках и выпускать потом в дикую природу. С минералами, к сожалению, этого не проходит. Восстановить отработанное месторождение, как правило, невозможно, и сохранять такие фрагменты неживой природы можно, по сути, только ex situ — в коллекциях.

— Почему вы стали заниматься минералогией?

— Меня с самого детства привлекали все природные объекты: растения, животные, минералы. В возрасте восьми лет я начал собирать и приносить домой разные найденные под Москвой камни. Конечно, стало интересно, что же я нашел. За ответом пришел сюда — в Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана. И мне немного рассказали о том, что, собственно говоря, у меня в руках. Более того, показали небольшую «свалочку» за музеем. Раньше здесь же располагалось Бюро минералов, которое готовило учебные коллекции для разных научных и образовательных организаций. Каменный материал для коллекций специальным образом обрабатывался, дробился, а ненужные обломки попросту выбрасывались. Там я, конечно, нашел для себя кое-что интересное. Затем я пошел в геологический кружок школьного факультета при Московском геологоразведочном институте, а после поступил на геологический факультет МГУ, хотя на примете у меня был еще и химический факультет. Но все-таки к природе ближе геология.

— Каковы задачи современной минералогии?

— Как и в любой другой научной дисциплине, фундаментальная задача связана с получением нового знания, причем самого разнообразного — и того, которое может пригодиться человеку буквально завтра, а возможно, и сегодня вечером, и того, у которого нет очевидных прикладных аспектов. К тому же, как давно замечено, у человека есть такая особенность: ему хочется знать, что вокруг него. Это вопрос культуры, а наука — часть общей культуры. Фундаментальные задачи минералогии связаны с получением нового знания о минералах, о минеральных ассоциациях — сообществах минералов, о проблемах происхождения минералов. И каждый новый минерал — это кирпичик нового знания. Академик Н.П. Юшкин, к сожалению, покинувший нас несколько лет назад, четко сформулировал мысль: уровень развития минералогии определяется тем количеством минералов, которое на данный момент известно науке. Минерал как таковой был и остается связующим звеном между геологическими и физическими дисциплинами. Мы можем углубляться в свойства кристалла, которые подскажут нам, как его использовать, а можем подробнее изучить, где и почему минерал образуется, почему он возникает в большом или малом количестве. Это уже приближает нас к области учения о полезных ископаемых. Напомню, что любая руда — это сообщество минералов. Одни из них полезные — те, из которых можно извлекать нужные компоненты, другие — формально бесполезные (по крайней мере сегодня), третьи — вредные, они мешают нам извлекать полезный компонент, например сера или мышьяк в железных рудах. Важно понимать, почему тот или иной элемент вреден и как извлечь полезное. Этим занимается большой раздел минералогии под названием «технологическая минералогия». На любом крупном руднике, где добываются сложные по минеральному составу руды, обязательно есть минералогическая лаборатория. Специалистам, которые там работают, природа постоянно подкидывает разные загадки. Скажем, в одном углу карьера представлена одна руда. Передвинулись на полсотни метров — другая, и вот уже та схема обогащения, которая была сформирована для первой руды, не годится, нужно разрабатывать новую. Минералогия остается на службе у других геологических наук, в первую очередь, у геохимии. Множество задач ставит петрология. Прежде чем охарактеризовать горную породу или понять, как она возникает и эволюционирует в процессе последующих изменений, надо изучить, из чего она состоит, из каких минералов, каковы особенности этих минералов. И, конечно, нельзя не отметить, что минералы — прекрасные создания природы. Когда вы придете в музей и увидите, например, невероятно красивую друзу александрита, равных которой нет нигде в мире, вы определенно и получите эстетическое удовольствие, и узнаете что-то новое об устройстве нашего мира. Это я вам могу обещать.

Беседовала Анастасия Пензина