Шунгит: происхождение, свойства и использование в промышленности

Шунгит — древняя углеродсодержащая порода с возрастом приблизительно 2 млрд лет. Так утверждают официальные источники. С этим утверждением можно не соглашаться, потому как еще в отложениях древнего архея (греч. arche — начало), древность которого не поддается определению числом столетий и тысячелетий, а лишь условно обозначается геологическими периодами, обнаружены углистые вещества — первозданные гнейсы и сланцы Лаврентьевской и Гуронской систем (от реки св. Лаврентьева и по Гуронскому озеру).

Надо сказать, что Архейская эра означает в геологии самый древний, самый ранний период истории Земли, когда суша отделилась от воды и обрисовались материки и океаны. Отложения этого периода являются основанием всех осадочных образований земной коры. Вулканическая деятельность, отличавшаяся в этот отдаленный период особой интенсивностью и распространенностью, доставляла на земную поверхность громадные массы гранитов, диабазов, габбро и сиенитов. Золото, серебро, медные и железные руды, драгоценные камни ( изумруды, турмалины, хризобериллы и другие) появились в архейских периодах. Отложения архея практически лишены органических остатков. Интересный факт — если в архее «органическая жизнь мало известна (частью даже вовсе неизвестна)», то следующие за ними отложения «содержат уже сравнительно высоко организованную фауну…».

Протерозой — второй эон в геологически документированной истории Земли (греч.proteros — более ранний), которому предшествовал архей. Возраст условно оценивается в 2 млрд лет. Ученые — геологи утверждают, что самые первые формы жизни на Земле, такие как бактерии и водоросли, появились во времена протерозоя.

Фанерозойский эон (греч. phaneros — явный), геологический эон, начавшийся приблизительно 570 млн. лет назад и продолжающийся в наше время, время «явной» жизни. Началом фанерозоя считается кембрийский период (значащее событие- «кембрийский взрыв»), когда произошло резкое увеличение числа биологических видов.

Шунгитовыми породами называют большую группу разнообразных по составу углеродсодержащих докембрийских пород. Разнообразие их обусловлено как различием их минеральной основы (пирокластической, карбонатной, кремнистой и т.д.) так и широким диапазоном изменений содержания в них шунгитового вещества — от 10 до 70 %. Обнажения шунгитовых пород на Заонежском полуострове известны с 18 века, местное население использовало шунгит как черную краску. По существу это сугубо карельское полезное ископаемое.

В начале 20 века шунгитовые породы Зажогинского и Шуньгского месторождения привлекали внимание специалистов в основном как возможное топливо (шунгит очень похож на уголь). Однако попытки сжигания шунгитовых пород не приводили к положительным результатам. Термин «шунгит» является местным и относится в основном к высокоуглеродистым породам у поселка Шуньга.

Возобновление практического интереса к шунгитовым породам связано с возможностью его использования в составе комплексного сырья руднотермических производств, кремнистых ферросплавов, силикомарганца и в других областях, например, в качестве сырья для производства спецстройматериалов (специальные антиэлектростатические и защитные покрытия на основе магнезиального вяжущего — см. продолжение). В связи с ограниченностью запасов Шуньгского месторождения и его расположения в охранной зоне Онежского озера, основным объектом изучения и использования шунгитовых пород становится Зажогинское месторождение, более крупное по своим запасам.

Древние углеродсодержащие формации Карелии являются уникальными в геологической истории. В их составе распространены породы с широким диапазоном содержания углеродистого материала — от рассеянных частиц до пластовых залежей, соответствующих по концентрации углям. Это прежде всего — шунгит, графитоид, графит.

Разные точки зрения на генезис (происхождение) шунгитовых пород и шунгитовое вещество во многом обусловлены их многообразием в разных аспектах — морфологическом (форма и строение месторождений — пластовые и конусообразные), геохимическом — по соотношению шунгитового вещества и других минералов, а также структурном.

Изучение шунгитовых пород во всех его аспектах с использованием самых современных методов проводится прежде всего на родине этого материала в Карелии, в Петрозаводске, в Карельском научном центре РАН, но в последнее время в научном мире интерес к этому материалу значительно возрос в связи с обнаружением уникальных, необычных свойств, присущих шунгиту, и особенно востребованных в настоящее время.

Уникальные свойства шунгита зависят прежде всего от его строения (структуры) и химического состава. И если химический состав шунгитовых пород в общих чертах известен — это химический элемент углерод с включением известных неорганических минералов, то на структуре необходимо остановиться подробнее.

Известно, что природный графит и алмазы — это хорошо изученные, давно известные кристаллические углеродсодержащие вещества, имеющие разное строение, так наз. аллотропные модификации. Сравнительно недавно, (описано впервые в 1992г; прежде они были получены искусственно при испарении графитовой мишени лазером) ) зафиксировано наличие в шунгитовых пород Карелии третьей аллотропной модификации углерода. Фуллерены, обнаруженные в шунгитсодержащих нижнепротерозойских формациях Онежского прогиба, содержание которых хотя и весьма незначительно (до 0,1 % предположительно), обладают уникальными свойствами и возможностями их использования.

Как для науки, так и для практического использования изучение происхождения шунгита представляет огромный интерес, т.к. прежде всего, позволяет понять природу его уникальных свойств.

«Структура пород конусов и слоев принципиально различна. Породы слоев — это туффиты…( вулканические осадочные горные породы).

Породы конусов обладают специфичной структурой, не имеющих естественных аналогов. Кластогенный(осадочные образования, туфы) материал в них отсутствует. Силикатные минералы имеют микронную размерность и равномерно распределены в аморфной углеродной матрице. Такая структура аналогична структуре стеклокристаллического вещества и свидетельствует о своем происхождении из гомогенного исходного вещества»./Ю.К. Калинин, Петрозаводск/

Также «микроструктура шунгитовых пород свидетельствует о коллоидной природе основных компонентов».

Шунгит очень похож на ископаемый уголь, поэтому какое-то время считали, что он имеет такое же проихождение. Ископаемый уголь появился в результате отмирания и разложения растительных организмов в фанерозое 230-280 млн лет назад. Растительные останки многокилометровой толщины претерпевали сложные химические превращения без доступа воздуха при повышенных температурах под давлением.

Однако такая гипотеза не имеет под собой никакого основания. Шунгит намного старше каменного угля и располагается в древнейших пластах, в протерозое, возможно и в архее, задолго до того, как на Земле появились простейшие растительные формы.

Существуют гипотезы, по которым ячеистая структура этого «древнейшего концентрированного органического вещества Земли» является возможным слепком реликтовых клеток бактерий или водорослей, что до настоящего времени не доказано, либо ячейки — это поры в аморфных коллоидных сгустках органического вещества, образованные вследствие газовыделения (метан, углекислый газ, сероводород) на стадии диагенеза.

По мнению ученых из ВСЕГЕИ (И.Б. Волкова и др., г. С.-Петербург) как рассеянное, так и концентрированное органическое вещество шунгита имеет палеобиогенную природу, т.е. связанную своим происхождением с живыми организмами, что подтверждается работами специалистов-палеонтологов, изотопным составом углерода, гетерогенным составом органической массы. По данным детального углепетрографического изучения пород Шуньгского, Зажогинского, Максовского и Нигозерского месторождений, органическое вещество шунгита сложено в основном остатками низших растений (водорослей). В слоях с высокой концентрацией органического вещества обнаружены включения с клеточной структурой, напоминающей древесину из палеозойских углей.

В тоже время ученые из Петрозаводска /Л.П. Галдобина, ИГ НЦ РАН/ считают, что высокоуглеродистые шунгитовые породы сформировались в протерозое как проявление базальтового вулканизма в заонежское время, где установлено две фазы вулканизма. Вещественный состав и текстурные особенности пород, а также структурное состояние и его изотопный состав, по их мнению, различны и коррелируют с фазами вулканизма.

Резюмируя все вышеизложенное, можно согласиться с карельскими учеными в том, что « источники углеродистого вещества раннепротерозойских отложений Карелии и характер их преобразования в шунгитовые породы во многом остаются пока неизвестными».

Интенсивное изучение изотопного состава углерода шунгитовых пород началось сравнительно недавно, в конце 20-го века, в связи с появлением мощных методов изотопной геохронологии и, надо надеяться, что со временем «черные» страницы каменной летописи биогеосферы будут расшифрованы.