Музейный экспонат - объект для исследований и открытий

Работа по гранту Российского научного фонда, одобренному по конкурсу 2022 года, началась в Геологическом институте Кольского научного центра РАН. Проект апатитских ученых относится к разделу «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» и носит название «Рамановское изучение минералов уникальных коллекций Музея минералогии и геологии им. И.В. Белькова (Геологический институт ФИЦ КНЦ РАН».

Возглавил группу исследователей Михаил Сидоров, начальник отдела редких и уникальных минеральных коллекций Геологического института, в ведении которого находится музей. Основанный в 1930 году на Хибинской горной станции АН СССР «Тиетта», музей представляет собой одно из крупнейших в России и мире собраний минералов и горных пород Кольского региона. В начале войны станция сгорела и коллекция пропала, но вновь стала пополняться. Судя по каталогу, самые ранние образцы из тех, что находятся сегодня в музее, датированы 1948 годом.

Современные ученые используют самые разнообразные методы для исследования минералов, в первую очередь – их химического состава и кристаллической структуры. А для тех, что обладают совсем незначительными размерами, подходит рамановская спектроскопия, которая не нарушает целостность образцов. Сравнение коллекций основного фонда Музея с наиболее полными базами данных рамановских спектров минералов показало, что у нас есть более 150 минеральных видов, для которых спектры никогда ранее не регистрировались.

– Собрание нашего музея является одним из крупнейших, как я понимаю, не только в стране, но и в мире – почти 10000 образцов только основного фонда, – рассказывает Михаил Сидоров. – К сегодняшнему дню в нескольких коллекциях нашего музея накопилось много уникальных, редчайших минералов, значительная часть которых открыта в Кольском регионе и не встречается более нигде в мире либо найдена лишь в единичных локациях, а также собран богатейший каменный материал из различных месторождений и рудопроявлений. В распоряжении музея находится коллекция керна Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, изучение которого представляет особый научный интерес. Мы проанализировали всю коллекцию музея на предмет новых минералов, о которых пока мало данных, и решили проводить исследования с помощью рамановской спектроскопии. Это сегодня один из самых перспективных методов исследования минерального вещества.

Метод и работающий для него прибор названы в честь индийского ученого-физика Рамана. По-русски это звучит как «спектроскопия комбинационного рассеивания». Советские ученые тоже поучаствовали в разработке методики. Регистрация рамановских спектров минералов из музея ГИ и их последующая обработка позволит расширить существующие базы данных и восполнить существующие пробелы. Методы рамановской геотермометрии образцов графита из керна Кольской сверхглубокой скважины и месторождения крупночешуйчатого графита Пестпакша позволят проследить термальную историю углерода этих данных объектов и оценить степень его кристалличности, что впоследствии может стать основой для масштабного исследования углеродсодержащих пород, широко распространенных в Кольском регионе и в ряде случаев имеющих экономический потенциал. Рамановская геотермометрия углеродистого вещества в настоящее время считается общепризнанным надежным инструментом изучения термических условий образования и преобразования горных пород. Именно с графитом связано второе направление работы по гранту РНФ.

– Как ни удивительно, на территории Кольского региона достаточно много графитсодержащих горных пород, несмотря на их древность, а ведь графит связан в первую очередь с жизнедеятельностью организмов, – рассказывает Михаил Юрьевич. – Крупное месторождение Пестпакша на границе с Финляндией, между Ковдором и Заполярным было разведано в 1990-е годы и поставлено на баланс. Изучать условия образования этого месторождения, прежде всего температурные, мы и будем в рамках проекта.

Для любого исследования необходимо соответствующее оборудование, а в случае Кольского научного центра оно становится иногда и способом придать работе междисциплинарный контекст.

– С 2014 года для работы на рамановских спектрометрах нам приходилось ездить и в ресурсный центр «Геомодель» в Санкт-Петербург, и в Институт геологии Карельского научного центра в Петрозаводске. Было накладно и долго. Теперь же все иначе. Во-первых, я очень благодарен Горному институту КНЦ РАН, сотрудники которого с нашей помощью приобрели рамановский спектрометр. Теперь до него – от института до института – буквально триста метров, и это большое достижение. Он, кстати, отечественного производства, российская разработка Института теоретической физики в Чернологовке. Такой же используют на кафедре геологии МГУ. Кроме того, в КНЦ открыт Центр коллективного пользования: там с начала года есть возможность поработать на новом электронном микроскопе с хорошей энерго-дисперсионной приставкой для определения химического состава минералов, что тоже будет большой помощью в наших исследованиях.

Что эта техника позволит узнать о минералах из коллекции музея – вам и остальному миру?

– Одно из назначений рамановской микроскопии – диагностика вещества, при которой записанный спектр сравнивается с эталонными спектрами в базах данных. И наша работа, в том числе, направлена на восполнение пробелов в базах данных отсутствующими спектрами по этим минералам.

Рамановская микроскопия активно используется для исследования неорганических веществ, в КНЦ ее наиболее широко используют в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья – там есть спектрометр особой точности. Она позволяет заглянуть внутрь кристаллической структуры вещества, при этом не разрушая образцы, размеры которых могут быть не более нескольких микрон. Не случайно рамановские спектрометры совмещены с микроскопами с большим увеличением в 500-1000 раз. Кроме того, мы проводим микрозондовые исследования, то есть определяем химический состав вещества, а также классическую порошковую рентгенографию, если позволяет количество материала, а затем готовим публикацию. Ссылка на нее дополняет базы данных, и любой ученый, получив интересный рамановский спектр в своих материалах, может сравнить его со спектрами минералов, известным только в пределах Кольского региона. А на его территории найдено большое количество щелочно-ультраосновных и карбонатитовых массивов, в которых большая часть новых минералов и обнаружена.

Вы будете исследовать графит. Расскажите о нем и о том, как он связан с органической средой.

– Это минерал с интересной кристаллической структурой, которая чутко реагирует на изменения температуры. Рамановский спектр позволяет эти изменения в структуре графита увидеть, расшифровывать и рассчитать температурные условия, при которых они произошли.

Графит – чистый углерод. Он относится к классу самородных элементов, его самый известный полиморф – алмаз. Два минерала по химическому составу совершенно одинаковы, но при этом обладают диаметрально противоположными свойствами из-за разной кристаллической структуры. Наличие графита в образце породы не указывает на наличие в ней алмазов: уж очень разные условия для их образования. Хотя вместе могут встречаться, например в кимберлитовых трубках.

При этом алмаз – не только украшение в виде бриллианта после огранки. Это великий минерал-труженик, из него готовят алмазные пасты, порошки, резцы, буровые колонки и сверла. Более того, природных алмазов не хватает для нужд промышленности и огромное их количество производят искусственно.

Сегодня в Российской Федерации алмазы добывают в двух регионах: в Якутии и Архангельской области. На территории Мурманской области месторождения алмаза не обнаружены. Алмазы изредка находят, как и в любых кимберлитовых трубках, но о добыче говорить не приходится. В музее Геологического института есть образец алмаза, найденный на полуострове Средний. По геофизическим данным там есть кимберлитовая трубка. При опробовании в ней были найдены несколько алмазов, один из них находится в музейной коллекции.

– Углерод, из которого состоит графит, широко распространен в нашей Вселенной, этот легкий элемент образуется при взрыве сверхновых, – рассказывает Михаил Юрьевич. – Углерод включается в цикл жизнедеятельности организмов: они строят из него скелеты, органы и ткани и при этом приобретают характерные изотопные характеристики. Затем живой организм, например, растение, после смерти поступает в земную кору и становится ископаемым углем. Если толщи каменного угля подверглись воздействию температур, хорошо прогрелись раскаленными базальтовыми лавами, то они окончательно трансформируются в графит. Но, несмотря на все эти преобразования, изотопные метки, свидетельствующая о присутствии органики, остаются. Таким образом, можно оценить вклад органического вещества в процесс образования этих минералов. Именно такой изотопный анализ мы и намерены провести в исследовательских центрах Москвы, Новосибирска или Иркутска.

Рамановское исследование графита из месторождения Пестпакша в сочетании с результатами, полученными рентгеновским и петрографоминералогическим методами изучения вмещающих пород, позволит оценить условия формирования месторождения этого критически важного сырья и его потенциал.

Работа по гранту на 2023 и 2024 годы предусматривает финансирование в полтора миллиона рублей. Эти средства будут потрачены на дополнительные исследования, в том числе за пределами Мурманской области, дооснащение рамановского спектрометра, оплату услуг по приготовлению специальных образцов. Не будет забыт и сам музей. Для него планируется приобретение нескольких витрин, наладка дополнительного освещения, распечатка хороших демонстративных материалов и некоторый ремонт.

В научный коллектив, кроме Михаила Сидорова, входят его коллеги по Геологическому институту: старший научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук Алена Компанченко, младший научный сотрудник Екатерина Фомина и кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Евгений Козлов. Все они признанные специалисты в своих областях. После окончания работы по гранту планируются публикации в рейтинговых журналах и научных базах, а кроме того, выступления на крупных минералогических совещаниях и конференциях.