СИ для задач геологии. Природные богатства по нанокрупицам
Пять тысяч тонн. Примерно столько весит классическая панельная пятиэтажка. А если представить себе стог сена весом 5 тыс. тонн?.. Луч синхротронного излучения сможет найти в нем иголку. На самом деле, искать иголку в гигантском стоге сена совершенно ни к чему. Геологи нашли этому мощному инструменту гораздо более актуальные и «драгоценные» применения. Найти наночастички золота, платины, алмазов, редкоземельных металлов, осколков метеоритов - это только небольшой класс задач, которые сегодня СИ помогает решать ученым.
В Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН) уже не первое десятилетие используют методы синхротронного излучения для своих исследований, создают и внедряют в практику новые методики анализа на установке ВЭПП-4 в Институте ядерной физики им. Г.И Будкера СО РАН. Запуск ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» позволит вывести исследования на новый уровень. Сотрудники ИГМ СО РАН подробно рассказали о задачах, которые уже сегодня решают с помощью синхротронного излучения и о стратегических задачах, которые только предстоит решить. Для этих целей в СКИФ заработает станция первой очереди «Микрофокус», также идет работа над созданием проекта станции второй очереди «РФА геология».
Поиск и разведка месторождений полезных ископаемых
Источник синхротронного излучения становится незаменимым инструментом для поиска и разведки новых месторождений редкоземельных элементов, благородных металлов и драгоценных камней, а также для создания технологий добычи трудноизвлекаемых запасов нефти и газа.
Исследования образцов рудных пород – важный этап разработки новых месторождений, так как знание элементного состава породы позволяет точнее оценивать запасы полезных ископаемых, выбирать оптимальные методы добычи и находить перспективные участки для дальнейшей разведки. Одним из наиболее эффективных и вместе с тем неразрушающих методов исследования элементного состава является рентгенофлуоресцентный анализ на пучках синхротронного излучения (РФА СИ). Он позволяет обнаружить даже микросодержания ценных элементов в породах, концентрация которых не превышает 1 мг/тонну, локализовать исследуемую область и составить трехмерные карты содержания полезных ископаемых в образцах пород из месторождений.
Не менее важно для поиска новых месторождений полезных ископаемых – понимание процесса их формирования. «Для того, чтобы знать, где искать месторождение, нужно понимать, вследствие каких процессов - магматических, метаморфических, гидротермальных – оно возникло. Благодаря синхротронному излучению мы глубже понимаем минералообразующие процессы, мы можем посмотреть in situ, как руды образуются на глубине под высоким давлением, высокими температурами, в каком химическом состоянии находятся элементы в растворах. Используя синхротронное излучение, мы выходим на новый уровень минералогии – проводим эксперименты не в лаборатории, а в тех условиях, в которых в недрах земли минералы кристаллизовались, образовались расплавы, а из них, соответственно, - полезные ископаемые», – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории метаморфизма и метасоматизма к. г.-м. н. ИГМ СО РАН Сергей Ращенко.
Благородные металлы
Поиск и разработка месторождений благородных металлов – актуальная задача, в частности, для золотодобывающей промышленности. В настоящее время месторождения с рассыпным золотом исчерпываются, содержание золота в рудах становится крайне низким — 1-0,7 грамма на тонну, что усложняет его поиск и добычу. По оценкам, около 30 % мирового запаса золота находится в микроразмерной фазе. «В качестве примера можно привести месторождение Сухой Лог в Иркутской области. Это одно из крупнейших неосвоенных месторождений золота в мире. Это то самое золото в микро- и наноформах. Здесь как раз и необходимы научные, фундаментальные исследования для разработки технологий его добычи», – рассказывает директор ИГМ СО РАН член-корреспондент РАН Николай Крук. По данным золотодобывающей компании «Полюс», запасы Сухого Лога оцениваются в 43,5 млн унций золота (среднее содержание в руде — 2,1 г/т).
В частности, сотрудники ИГМ СО РАН принимали участие в исследовании кернов платино-медноникелевого месторождения в Норильском регионе и поиске микровключений платиновых металлов в образцах комплекса Бушвельд (ЮАР), который содержит крупнейшие в мире запасы металлов платиновой группы. Ученым удалось разработать и апробировать метод поиска и исследования микровключений в реальные породы на образцах платиноносных руд, уточнить и подтвердить ранее сделанные наблюдения о микроэлементном составе пород. «Когда мы берем отшлифованный образец и ищем вкрапления благородных металлов, мы сначала проводим сканирование широким пучком синхротронного излучения и видим область повышенной концентрации искомого элемента, в данном случае палладия. После того как эта область обнаружена, мы проводим уже детальные исследования в этой точке, что позволяет нам определить, в какой форме находится элемент, потому что форма нахождения элемента, особенно благородных металлов, очень важна с точки зрения последующего извлечения», – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории литогеодинамики осадочных бассейнов ИГМ СО РАН, к. г.-м. н. Андрей Дарьин.
Редкоземельные элементы
Еще одной стратегически важной задачей для России является разработка технологий добычи редких и редкоземельных металлов, необходимых для развития современных технологий - зеленой энергетики, электроники для электротранспорта, беспилотных летательных аппаратов, систем связи и управления. Наша страна обладает огромными ресурсами редких элементов, сосредоточенными преимущественно в северных и восточных регионах. Лидером считается Томторское месторождение в Якутии. По запасам и ресурсам оксидов ниобия и редких элементов и их концентрациям оно не имеет мировых аналогов. По оценкам экспертов, запасы редких элементов в Томторском месторождении могут обеспечить потребности России на сотни и даже тысячи лет.
Однако на сегодняшний день недостаточно изучены вопросы, связанные с формами, в которых находятся редкие элементы в рудах, их взаимоотношениями между собой. Соответственно остро стоит вопрос рационального извлечения этих элементов из исходной руды.
Синхротронные методы позволят определить, как формировались богатые томторские руды, более подробно изучить сложные по составу руды Томторского массива, оценить содержания полезных компонентов и адаптировать к ним технологии извлечения и промышленной переработки.
Трудноизвлекаемые запасы нефти и газа
В условиях неизбежной исчерпаемости запасов углеводородов перед нефтегазовой отраслью стоит важная задача разработки эффективных технологий добычи запасов нефти и газа, залегающих в глубинных породах со сложным геологическим строением и низкой проницаемостью. В Западной Сибири огромные запасы «трудной» нефти содержат Баженовская свита и Ачимовская свита. Традиционные методы не подходят для их разработки. По оценкам экспертов, прогнозируемый объем геологических запасов углеводородов в Баженовской свите достигает 18-60 млрд тонн, в то время как за всю историю Западной Сибири было добыто около 15 млрд тонн нефти.
Синхротронное излучение позволит наблюдать микроскопические процессы, происходящие внутри породы при добыче нефти и газа в динамике на микро- и наноуровне. Это позволит существенно повысить точность цифровых моделей керна и продвинуться в понимании процессов, происходящих внутри нефтяных пластов, и настроить эти процессы для повышения интенсивности добычи трудноизвлекаемых запасов.
«Здесь основная работа связана с изучением кернов, которые извлекают нефтяники и газовики при геологоразведке. Есть возможность глубинного изучения как полноразмерных кернов - порядка 10 см, так и микрочастиц – около 4 мм, для того чтобы понять минеральный состав этих образцов, наличие пор, их количество, размеры и так далее. Фундаментальные исследования, проводимые на микронных и нанометровых размерах, могут привести к положительным результатам в реальном поиске и эксплуатации месторождения нефти и газа», - рассказывает Андрей Дарьин.
На основе этих данных будут создавать цифровые керны образцов пород глубинных слоев, отобранных при бурении скважин, который строится по данным рентгеновской томографии образцов реальных кернов.
Это исследование проводятся в рамках трехлетнего гранта Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на период до 2030 года и дальнейшую перспективу. Исследования начнутся на базе инфраструктуры ИЯФ СО РАН, а с 2027 года продолжатся в Центре коллективного пользования «СКИФ». В исследовании примут участие сотрудники Новосибирского государственного университета, ЦКП «СКИФ», Томского политехнического университета, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, НИЦ «Курчатовский Институт».
«Что касается ближайших перспектив – это российская арктическая зона, она весьма перспективна в плане разведки и эксплуатации месторождений очень многих полезных ископаемых - не только нефти и газа, но и минерального сырья. Здесь представлены и алмазы, и благородные металлы, и цветные металлы, редкие рассеянные элементы и так далее», - поделился планами Николай Крук.
Эксплуатация месторождений
Незаменимым инструментом источник СИ служит не только для поиска и разведки месторождений, но и в непосредственной эксплуатации месторождения. Рудные элементы в породах могут входить в состав разных минералов, поэтому методы извлечения полезных компонентов зависят от их химического окружения. Исследования на пучках СИ позволяет получать более качественный результат химического анализа и моделировать процессы преобразования полезных ископаемых в технологических процессах непосредственно в реальных условиях. Это даст производственным организациям информацию для того, чтобы оптимизировать технологии обогащения руд и способы извлечения полезных компонентов.
«Если говорить о процессе эксплуатации, обогащения руды (выделение полезных компонентов из породы), то сейчас на большинстве месторождений с упорными рудами самый ходовой процесс извлечения золота - это кучное выщелачивание, процесс зависит от структуры руды, от состава минералов и множества других факторов. Для подбора оптимального режима обогащения берутся промышленные пробы – несколько десятков тонн и проводятся эксперименты. Если же предварительно изучить образцы наиболее типичных руд под синхротронным пучком, можно уже на старте дать исчерпывающие объемы информации, которые позволят существенно удешевить и существенно ускорить разработку технологии обогащения передела», - рассказывает Николай Крук.
Реконструкция изменения климата
Исследования синхротронными методами осадочных пород морей и озер, которые несут в себе информацию об изменениях окружающей среды и климата прошлого, сохраняя ее в виде изменяющегося состава и структуры донных осадков. Анализ полученных данных позволяет реконструировать изменения климата, а также процессы изменения ледовой обстановки на арктических морях.
«Детальные исследования внутреннего строения годовых слоев с помощью СИ дают информацию о влиянии сезонных погодно-климатических факторов на состав осадка, что позволяет реконструировать природные процессы, происходившие сотни и даже тысячи лет назад. Слои, в которых хранится годовая история изменения состава и структуры донных осадков, составляют десятые доли миллиметра. Синхротронное излучение позволяет проследить не только ежегодную смену условий, но и ежесезонную», - рассказывает старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП «СКИФ» Федор Дарьин.
Сотрудники института принимали участие в исследованиях осадков двух соленых озер юга Западной Сибири – Шира и Беле (Хакасия) и двух ледниковых озер – Кучерлинское (Алтай) и Донгуз-Орун (Северный Кавказ).
Отдельного внимания заслуживает исследование донных осадков озера Пеюнгда, расположенного в Тунгусском природном заповеднике и озера Заповедное, расположенного в 40 км от эпицентра взрыва. Синхротронное исследование не только позволило оценить воздействие, оказанное космическим телом на поверхность земли, реконструировать событие на основе анализа донных отложений глубоких озер, но и определить область будущих поисков космических частиц. В пробах донных отложений озера отчетливо выделяется слой 1908 – 1910 гг. – период падения Тунгусского метеорита и его последствий.
Исследование внеземных объектов
Интересным объектом для анализа являются объекты внеземного происхождения – частицы метеоритов, выпавшие на поверхность земли или частицы лунного грунта, доставленные на землю советскими автоматическими межпланетными станциями и американскими пилотируемыми кораблями.
Изучение состава вещества внеземного происхождения имеет важное значение как для оценки космических событий в истории Земли, так и для понимания процессов, происходящих при формировании материи во вселенной. Поскольку, большая часть болидов разрушается в атмосфере с образованием пылевой фракции и долетает до Земли в виде частиц размером 50-400 мкм (0,005 – 0,04 мм), синхротронные методы наиболее эффективны при исследовании микрочастиц.
Экологическая оценка уровня загрязнения окружающей среды Важным показателем экологического состояния планеты является химический состав атмосферного аэрозоля - мелкие частицы, циркулирующие в атмосфере Земли. Повышенное внимание уделяется арктическим регионам, наиболее чувствительным к климатическим изменениям и антропогенному воздействию. Синхротронные методы позволяют детально проанализировать микронные частицы аэрозолей, которые геологи собирают в рейсах по морям Северного ледовитого океана.
Глубинные исследования позволяют определить концентрации аэрозоля и черного углерода (мельчайшие частицы продуктов горения), а также химический состав аэрозольных проб – концентрации основных элементов, органического и элементного углерода, изотопный состав углерода над Северным ледовитым океаном. Регулярный мониторинг атмосферного аэрозоля над Арктикой позволяет вести экологический и климатический мониторинг Земли.
