Петербургские ученые придумали, как прирастить запасы полезных ископаемых
Возможно, вам доводилось находить золотой самородок. С кем не бывает. Правда, потом оказывалось, что это пирит, который называют «золотом дураков»: похож, но не драгоценный. Прозвище обидное, тем более что пирит может навести на крупные месторождения. Как именно, мы обсудили с доцентом кафедры геохимии Санкт-Петербургского госуниверситета Ольгой ЯКУБОВИЧ, заодно спросив ее о том, чем российские недра богаты, а чем бедны, и поинтересовавшись перспективами добычи нужных минералов в космосе.
ФОТО USGS on Unsplash
— Ольга, метод, который предложили вы и ваши коллеги, позволяет…
Фото Сергея ГРИЦКОВА
— …определить возраст минералов: он указывает, насколько место может быть перспективным в смысле обнаружения месторождения. Важно то, что метод помогает сделать это быстро и дешево.
Еще сто с небольшим лет назад представления о возрасте Земли были довольно смутными, но сейчас есть понимание того, как эволюционировала планета, в какие геологические эпохи и где появлялись те или иные залежи полезных ископаемых и насколько они богаты.
В начале ХХ века британский физик Резерфорд предложил определять возраст минералов по концентрации в них гелия: его просто выделять, просто измерять. Но потом выяснилось, что в масштабах миллионов лет гелий легко из минералов теряется: из‑за вулканической активности и других геологических процессов породы нагреваются, гелий из них уходит в атмосферу, а потом в космическое пространство. И в 1950‑х метод «похоронили». В 1980‑е американцы снова к нему обратились, но для других задач: определять возраст гор и других крупных геологических структур.
А мы в СПбГУ выяснили, что есть минералы, в которых гелий держится хорошо. К таким относятся, например, самородные металлы: платина, золото и пирит. Для определения возраста платиновых самородков наш метод изотопной геохронологии вообще единственный, но россыпи платины все‑таки редкость. А пирит встречается практически во всех типах месторождений.
Вот геолог анализирует камень: он содержит включения пирита и других минералов — того же золота или серебра, меди или цинка и так далее. Исходя из возраста пирита можно понять и возраст руды и предположить, насколько это место может быть богато ценными металлами.
Допустим, мы знаем, что в определенном районе залежи возрастом 140 млн лет — богатые, а те, которым 120 млн лет, — гораздо беднее. В этом конкретном случае имеет смысл детально изучать тот объект, где породы старше. Потому что небольшую залежь, скажем, золоторудное месторождение в 1 тонну, разрабатывать невыгодно: не оправдает вложений в инфраструктуру — рытье карьера, привлечение людей. Интересны месторождения, которые можно разрабатывать десятки лет.
— Этот простой способ универсален? Или другие все равно нужны?
— Нужны, например, когда надо определить возраст с точностью до миллиона лет. Но в большинстве случаев достаточно гораздо меньшей точности, а существующие методы очень сложны и дороги.
При одном, например, нужно из горной породы выделить минералы, богатые калием, облучить в реакторе на быстрых нейтронах, полгода ждать, чтобы радиоактивность ушла, и только потом в лаборатории измерять. Другой метод требует очень сложной химической подготовки и большого количества материала. Но чаще всего у геологов в руках есть только керн. Это маленький столбик горной породы, полученный при бурении, — он размером с кружку, но из него нужно извлечь 400 миллиграммов руды. Чтобы получить столько, нужно, чтобы вам повезло попасть прямо в жилу.
А при нашем методе достаточно вещества объемом 1 кубический миллиметр. По такой крошке мы через день-два узнаем возраст. Сейчас работаем над тем, чтобы повысить точность исследования. У нас в определении возраста возможна погрешность в районе 5 %, но, мне кажется, можно довести до 1,5 %.
— Как пришла мысль вернуться к идее, которую все похоронили?
— Все началось с Эрмитажа. Еще в 1990‑х. Музейные эксперты столкнулись с проблемой подделок древних золотых изделий. Если мы, геологи, мыслим сотнями миллионов лет, то для археологов не было проблемы сохранности гелия: им важны гораздо меньшие сроки, какие‑то тысячи лет. За это время гелий потеряться из минерала не успевает.
Допустим, перед вами скифское золото, будто бы найденное в древнем кургане. Понятно, что мощных геологических процессов в обозримом прошлом там не происходило, породы не нагревались, гелий не улетучивался, а значит, по его концентрации можно определить возраст золота.
По ряду причин этот подход для историков и археологов не получил широкого применения, но они опубликовали несколько работ. Спустя годы мой научный руководитель Юрий Александрович Шуколюков обратил на них внимание и предложил мне заняться этой тематикой в рамках моей магистерской диссертационной работы в СПбГУ. По нашему техзаданию в одном из городских КБ разработали прибор. Мы попробовали исследовать природные объекты, и стало понятно: есть и другие минералы, в которых гелий держится хорошо.
— Если способ прост, его и будут все применять. Во всяком случае если точности в десяток миллионов лет достаточно. Или есть какой‑то «секрет фирмы»?
— Применять можно, пожалуйста: это фундаментальные исследования, они поддержаны Российским научным фондом. Но есть ноу-хау: отечественный прибор, приспособленный для решения этой задачи. Подобный прибор в России даже заказывали немцы и швейцарцы. Это необычная история: обычно ведь это мы у них покупали оборудование.
— Насколько быстро метод приняли практики-недропользователи?
— Довольно быстро. Первые научно-коммерческие заказы мы получили еще лет двенадцать назад, они были от иностранных недропользователей. Наши намного консервативнее, а западных методика устраивала, хотя была еще довольно сырой. Но и наши подключились на удивление быстро, так что в СПбГУ мы сейчас сотрудничаем только с российскими частными и государственными организациями, в частности, с ЦНИГРИ. Это центральный институт, который занимается геологоразведкой, там очень заинтересованы в применении результатов наших фундаментальных исследований. Потому что это экономия ресурсов и времени. И вообще шаг вперед.
— А сколько можно сэкономить?
— Вопрос сложный. Считается, что научный подход в целом позволяет экономить на геологоразведке 2 – 3 %. Конкретно наша часть сэкономит, наверное, полпроцента. Кажется, что это совсем мало, но геологоразведка — безумно дорогая история, миллиарды рублей, так что даже эти полпроцента оборачиваются миллионами.
— По запасам платины Россия ведь на одном из первых мест…
— Мы первые в мире по запасам палладия, драгоценного металла платиновой группы. Он нужен в автомобильной промышленности — в катализаторах дожигания выхлопных газов.
По платине вторые, уступаем только Южной Африке. Есть еще крупное месторождение в Канаде, необычное: в кратере, который образовался от упавшего около 2 млрд лет назад метеорита. Но ЮАР и Россия держат, наверное, 90 % мирового рынка по платиноидам. Платина чрезвычайно редкий металл: знаете, что считается удачным месторождением? Это если из горной породы объемом, скажем, с классную комнату можно извлечь платины хотя бы на полколечка.
В Африке платина сконцентрирована в небольшом горизонте — слое толщиной 15 см, который тянется на десятки километров. В России картина другая. Были знаменитые уральские россыпи: ничего дешевле в добыче быть просто не могло, бери лопату и сгребай самородки. На Урале платину начали добывать в XIX веке, и до 1920‑х годов, до открытия южноафриканских месторождений, мы были мировыми лидерами по ее поставке на мировой рынок.
Но сейчас россыпи практически все отработаны. Приходится добывать из коренных месторождений. Это гораздо дороже: если в россыпных тебе природа все раздробила, то тут надо породу самим взрывать, дробить, дифференцировать и извлекать нужное. Так делают, например, в Норильске, где платина содержится в сульфидах — это такие большие блестящие тела, из которых в основном добывают медь и никель, а попутно — платину и палладий. Норильской платины хватит еще надолго, но промышленность развивается, а значит, спрос на платиноиды будет только расти: это основа для разнообразных катализаторов множества химических реакций, в том числе практически значимых. Понадобятся новые объекты.
— Запасами считается то, что в принципе есть в недрах, или только то, что можно в случае надобности быстро добыть?
— Запасом считается то, до чего можно добраться. Другое дело, что не всегда эти ископаемые выгодно добывать.
Вот сейчас в мире бум лития. У нас на Кольском очень крупные его месторождения. Но все страны, и мы в том числе, покупают литий у Чили. Там запасы удобные — рассол: черпаешь водичку, выпариваешь, получаешь чистый литий. А что такое выколупывать литий из каменной породы Кольского полуострова? Надо взять камень, раздробить его, потратив на это энергию, выделить, растворить… Или уран: его в России очень много, но он тоже находится в твердой породе — кристаллическом фундаменте.
В общем, дешевле купить. Но если понадобится «любой ценой», мы сможем добывать свой.
Кстати, я совсем не исключаю, что в ближайшем будущем серьезными игроками на рынке могут становиться страны, которые раньше с точки зрения полезных ископаемых были «неинтересны». Статус ресурсов меняется: например, галлий и индий теперь необходимы в полупроводниковой технике и микроэлектронике и стали стратегическими, а раньше они были настолько не нужны, что галлий далеко не всегда указывали в отчетах. Разбурили месторождение, написали, сколько в нем алюминия, меди, цинка, а индий или галлий как бы «не считались».
Может меняться потребность и в более привычных минералах. К примеру, вся ветровая энергетика сейчас завязана на медь, она нужна для кабелей. Требуется огромное количество медной руды. Но доступные месторождения уже все найдены. Остаются регионы далекие, лесные, болотистые. И если в них удается найти многообещающий камень, то из него надо получить максимум информации. Здесь нужны методы дешевые, простые и быстрые. Наш — как раз такой.
То же самое с редкоземельными элементами. Они не были востребованы, а теперь нужны для высоких технологий, военной промышленности. Главный поставщик «редких земель» на мировой рынок — Китай. Если, условно, он завтра скажет: «Мы перестаем продавать редкоземельные элементы», — то весь мир будет сидеть и думать: что делать?
— А правда: что делать?
— Даже иностранные специалисты отмечают, что в России в этом смысле очень неплохая, грамотная политика. Составляется список стратегических полезных ископаемых. Еще со времен Советского Союза следят за тем, чтобы по всему необходимому у нас были свои объекты: разведанные, посчитанные. Даже того, что извлекать пока убыточно.
Грубо говоря, если вдруг Чили перестанет продавать нам литий или Китай — редкоземельные элементы, без них мы не останемся: есть свое сырье, хоть и более дорогое в добыче.
— Россия богата на полезные ископаемые просто потому, что территория огромная, или нам в чем‑то еще повезло? Скажем, как Канаде с ее метеоритом.
— Первая причина — большая территория. И очень разнообразная: где‑то горы, где‑то древний фундамент. Но вторая причина в том, что в советское время было сделано очень многое для того, чтобы эти богатства были найдены. Геологам выдавали бумагу: «оказывать всяческое содействие», и они в своих экспедициях могли попросить «на месте» транспорт, бензин, рабочих. Всю страну перепахали. Нынешний неплохой баланс держится на плечах тех людей, которые с молоточком протопали тысячи километров.
В наше время, конечно, таких благоприятствующих условий уже нет. И никто не будет добывать элемент, который некому продавать. Если у нас сейчас нет своего потребителя, то перед добычей надо интересоваться, кто намерен у нас его покупать. Но это уже сложная геологическая экономика. Все‑таки задача геологов — обеспечить саму возможность прирастить запасы с наименьшими вложениями. Чтобы жить не только заслугами прежних поколений.
— Часто говорят о добыче полезных ископаемых вне Земли. Насколько это реально?
— Наиболее известны три мировых проекта.
Первый — поиск полезных ископаемых на Марсе. Они понадобятся, чтобы строить там станцию на случай колонизации, чтобы не везти все с Земли. Но вопрос: способны ли нынешние методы дистанционного зондирования достоверно сообщить, что ставить базу надо, допустим, в кратере Игл, потому что там много железа? Да и не факт, что к моменту колонизации будет нужно именно железо — может, появятся совсем другие технологии.
Второй проект немного курьезный: добыча платиноидов с астероидов. Большинство метеоритов летает между Марсом и Юпитером, но некоторые куда только не заносит. Поэтому они, с одной стороны, представляют угрозу для Земли, но с другой — кажутся многообещающим источником полезных ископаемых. Например, железо-никелевый метеорит — это железо, никель и очень много платиноидов. Конечно, заманчиво взять кусок и доставить на Землю— но тут и риски велики: если что‑то пойдет не так, крупный осколок может полететь и к Земле.
Третий проект — добыча гелия-3 на Луне. Этот редкий химический элемент нужен для промышленности, в перспективе понадобится для термоядерных процессов. На Луне его много. Но целесообразно ли его доставлять — тоже вопрос. Нужны технологии. Нет технологий — нет месторождений.
— А у вас, как геолога, есть любимый камень?
— Лабрадорит. Но он просто красивый очень. Светится как будто изнутри.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 196 (7525) от 18.10.2023 под заголовком «Золото для умных».
Комментарии