Минералога—геохимические критерии поисков и оценки Биологически активных кремней

Короткий опис

Содержание
Введение

Глава 1. Кремни и области их применения_____________________________________ 13

Глава 2. Минералого-геохимические особенности биологически активных кремней Центрального блока Русской платформы_______________________________________20

2.1. Методика исследований вещественного состава кремней____________________20

2.2. Геологические и морфогенетические особенности скоплений кремней_________25

2.3. Петрография и нанопетрография кремней________________________________31

2.4. Геохимические особенности кремней____________________________________35

2.5. Минералого-структурные особенности кремней (по результатам ИКС)_________40

2.6. Характеристика минерального состава микрофаз кремней по данным дифференциальной ИК спектроскопии______________________________________43

2.7. Принципы типизации кремней__________________________________________48

2.8. Сопоставительный анализ результатов исследований кремней Центрального и Западного блоков Русской платформы_______________________________________49

Глава 3. Биокосная система «кремни'- актиномицеты»____________________________54

3.1. Особенности бактериальных сообществ кремней___________________________54

3.2. Методика микробиологических исследований кремней______________________58

3.3. Численность и таксономический состав бактерий и актиномицетов в образцах кремней Московской синеклизы и сопредельных структур_______________________60

3.4. Основы биотехнологии кремней________________________________________63

3.5. Биологическая (антимикробная) активность кремней________________________70

3.6. Биологически активные кремни - новый многоцелевой вид минерального сырья 71 Глава 4. Факторы кремненакоиления и формирования биологически активных кремней 75

4.1. Геологические и литологические особенности структуры Московской синеклизы 75

4.2. Краткая характеристика основных эпох кремненакопления___________________79

4.3. Особенности фанерозойско-мезозойской эпохи кремненакопления (кембрий -нижний мел)____________________________________________________________ 80

4.4. Геолого-тектонические факторы кремненакоиления_________________________81

4.5. Климатические факторы кремненакопления______________________________84

4.6. Литолого-геохимические факторы кремненакопления_______________________86

4.7. Эндогенные факторы кремненакопления_________________________________88

4.8. Биогенные факторы образования биологически активных кремней____________90

4.9. Бактериальные факторы кремнеобразования______________________________92

3 4.10. Поисково-оценочные критерии скоплений кремней, обладающих биологической

активностью____________________________________________________________95

Глава 5. Практические рекомендации по поискам скоплений биологически активных

кремней_________________________________________________________________97

Заключение_____________________________________________________________101

Список использованной литературы__________________________________________ 109

Список наиболее часто встречающихся сокращений:

ВИМС - Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья

им. Н.М. Федоровского

ГГП - Государственное геологическое предприятие

ИКС - метод инфракрасной спектроскопии

ИПХФ РАН г. Черноголовка - Институт проблем химической физики РАН

Кк - коэффициент кристалличности а-кварца (халцедона)

ПАН РБ - Национальная Академия наук Республики Беларусь

НСОММИ - научный совет по методам минералогических исследований

РАЕН - Российская Академия естественных наук

РАН - Российская Академия наук

РБ - Республика Беларусь

РКФА (РФЛ) - рентгеновский количественный фазовый анализ

ФГУП - Федеральное геологическое унитарное предприятие

ЦРР - Центральный регион России

ЭМ - электронная микроскопия
Введение

Введение

Кремни являются одним из наиболее древних видов полезных ископаемых, когда-либо добывавшихся и использовавшихся человеком. Области применения кремней эволюционировали вместе с развитием социума, научной и технической мысли. Однако своеобразие вещественного состава и структуры кремней долгие годы находили свое отражение в использовании физико-механических свойств данных минерально-породных образований, которые применялись древними людьми для изготовления орудий труда и охоты - топоров, скребков, ножей, наконечников стрел, амулетов; позднее - мельничных жерновов, химической посуды и т. д. Основные области применения кремней сегодня -это футеровка мельниц для керамической шихты, отощающая добавка при производстве тонкой керамики, абразивные материалы. Осуществляются эксперименты по использованию кремней как модификаторов полиэтиленов при производстве металло-полимериых (композитных) материалов.

Необходимость решения вопросов, связанных с поисками и оценкой месторождений нетрадиционных видов полезных ископаемых, в существенной степени повысила интерес к кремням, обладающим биологической активностью. Биологически активными кремнями, по определению автора, являются кремни, образующие геологическую систему с бактериями, среди которых особое место занимают почвенные бактерии актиномицеты (стрептомицеты) - продуценты ряда биологически активных веществ.

Первые опыты белорусских ученых с кремнями из доломитов Главного девонского поля и меловых структур- запада Республики Беларусь позволили установить разновидности кремней, обладающих способностью улучшать потребительские свойства воды. Данное обстоятельство обусловливает практическое использование кремней с целью решения различных задач практической медицины, фармакологии, биологии, биотехнологии и прикладной экологии. Уже известны примеры использования кремней, обладающих биологической активностью, в качестве минеральной основы инженерно-экологических систем подготовки (активации) и очистки техиологических вод в пищевой промышленности. Применение водных настоев кремней в медицине повышает эффективность профилактики и лечения онкологических заболеваний, активизирует систему антиоксидантной защиты, повышает резистентность организма человека в условиях внешнего радиационного воздействия, предотвращает накопление и снижает уровень радионуклидов в организме.

5

Широкое распространение кремней во вмещающих карбонатных породах Центрального блока Русской платформы, слагающих структуры Московской синеклизы и Днепрово-Донецкой впадины, предполагают реальную возможность обнаружения скоплений кремней, обладающих биологической активностью, и в границах Российской Федерации. Данное обстоятельство явилось основополагающим при определении цели работы соискателя.

Актуальность работы

Кремни, обладающие биологической активностью, привлекли серьезное внимание ученых и практиков лишь в последнее десятилетие прошлого века. Вследствие этого геологические особенности скоплений кремней в пределах Московской синеклизы и сопредельных структур Русской платформы изучены недостаточно, не решены задачи выявления минералого-геохимических особенностей кремней. Кроме того, не установлена природа биологической активности кремней, что препятствует разработке потребительских характеристик данного вида минерального сырья.

Объект исследования

Скопления кремней, являющиеся объектом исследования в рамках диссертационной работы, распространены в границах Центрального региона России (ЦРР), сопредельных областей Российской Федерации (РФ) и Республики Беларусь (РБ) необычайно широко. Морфологически они представляют собой прослои, слойки, желваки, пласты, ленточные образования, секреции, конкреции и др. Повсеместно кремни тяготеют к карбонатным породным вмещающим комплексам, слагающим интракратонные отрицательные структуры Русской платформы - Московскую синеклизу, Днепрово-Донецкую впадину (синеклизу), северо-восточный сегмент Польско-Литовской синеклизы, Брестскую впадину и другие структуры (рис. 1). Данное обстоятельство объясняется близко синхронным осаждением кремнистого и карбонатного осадка, которое обусловлено комплексом факторов, характерных для фанерозойско-мезозойской эпохи осадконакопления. Возраст кремневмещающих пород датируется как верхний девон, нижний, средний и верхний карбон, верхний мел.

Выбор кремней как объекта исследований был обусловлен необходимостью изучения минерально-сырьевой базы кремней, обладающих биологической активностью, в пределах ЦРР (Московская синсклиза и Днепрово-Донецкая впадина) в связи с имеющимися положительными результатами изучения и использования кремней, обладающих биологической активностью, из сопредельных геологических структур запада Русской платформы (Витебской, Гродненской и Брестской областей РБ). Развитая инфраструктура Центрального региона России, наличие заинтересованных научных и

производственных организаций, отсутствие необходимости дополнительных капиталовложений определяют актуальность детальных исследований с целью разработки поисковых и оценочных критериев скоплений кремней, обладающих биологической активностью.

1 UCJ Схема тектонического районирования Русской платформы (по Н.С. Иголкиной, В.П. Кирикову, Т.Н. Спиржанскому, В.Д. Наливкину, К.Э. Якобсону).

1-9 — осно&иие типы геологических структур: / - шиты, 2 - кряжи, 3- моноклизы, *-сннсклизы, 5- впадины, 6— прогибы, 7~ краевые прогибы, 8— антеклизы, 9- сложные антек-лизы; 10, И — авлакогены: /0-дофа-нерозойскне, // - фанерозойские; 12, 13 - крупные массивы гранитов ра-пакнви (12) и шелочных пород (13), 14 — астороблемы; 15— 19- Гранины: 75 - Русской платформы. 16 - Тима-но-Псчорской плиты, 17 - структур первого порядка, 18- структур второго порялка: о- положительных (своди, поднятия, выступы и ар), 6 — отрицательных {впадины, депрессии, прогибы идр.). /9-авлакогенов: а -лофанеро-зойских, б - фанерозойских; 20 - наложенных мезозойско-кайнозойских структур.

Структуры первого (римская цифр.о и второго (арабская иифра) порядков: I — Балтийский шит, II — Украинский шит, III - Пхчтийская мо-ноклнза, IV, - Волыно-Поаолискан мо-

ноклиза (I - Брестская впадина, 2 -Львовская впадина), IV6 - Причерноморская моноклнза.У — Мезенская ппа-днна (I ~ Сафоновский прогиб, 1 — Ml-зенско-Вашкннския зона поднятий, 3 -Ксрсико-П ннежская система прогибов, 4 - Архангельская зона поднятий, 5 -Онежский прогиб, 6- Вычегодский прогиб), VI - Московская синеклиэа (I -Пошехонский прогиб, 2 - Галнчскин прогиб), VII - Балтийская синсклиза,

VIII - Днепроио-Донсикая синсклиза,

IX - Прикаспийская синсклиза (1 -Центрально-Прикаспийская депрессия, 2 - Астраханский свод, 3-9 - зоны сволов и подпитии: 3 - Волгоградско-Джалыбекская,4 - Алтинско-Озников-ская. S - Деркулиская, 6 - Карачаганак-ско-КобА1динская, 7 — Восточно-Прн-каспнйская, 8 — Южно-Прикаспийская, 9 - Карэгоиско-Тснгизская, 10 -Сариинский прогиб), X - Оршанская впадина, XI - Рязано-Саратовский прогиб, XII, - сспсрнос звено Предуралъс-кого краевого прогиба (ьпалнны: I -

Зерхнепечорская. 1 — Большесыпинс-кая, 3 - Косью-Роговская, 4 - Корота-ихинская), XIIq - южное крыло Преду-ральского прогиба (впадины: ] - Соликамская, 2 - Юрюзанско-Сылвснская,

3 - Вельская), XIII, - Прсдкарпатский краеЕюй прогиб,XIМб- Прсддобружин-СКИЙ краевой прогиб, XIV — Литовско-Белорусская антеклиы (седловины: I -Латвийская, 2 - Полесская. 3 - Жло-бинская), XV - Воронежикэя антсклн-за, XVI - сложная Вол го-Уральская ан-теклиза (]-7 - своды: I - Сысольсккй, 2 - Котельничский, 3 - Токмовский,

4 - Псрмско-Башкирский, 5 - Татарский, б — Жи гуле иско-Пугаче ас кий, 7 ~ Орсбургский, 8 - Соль-Илсикий выступ, 9 - Вятская система линейных дислокаций, 10 - Камская моноклиналь, 11 - Верхнекамская впадина, 12 - Бир-ская впадина. 13 - Уфимская моноклиналь, 14 - Мслекссская впадина, 15 — Бузулукская впадина), XVII - Тиманс-кий кряж(мспшалы: I — Капинско-Ссис-рогиманский,2 - Цилсмско-Чстласский,

3 - Восточно-Тиманский). XVIII - Пе-чорская синсклиза (I - Ижма-Печорская ппдлина. 2 — Псчоро-Колвинская тектоническая зона (авлакоген), 3 — Хорейвер-ская впадина, 4 - Варандей-Адзвинская тектоническая зона (авлакоген).

Авлэкогены (цифры в кружках): 1 -Ксрецко-Лсшуконский, 2 - Кандалакшский, 3 -Ладожский, 4 - Воже-Лачский, 5- Средне-Русский, 6- Кожимский, 7 -Кллтасинский,8-Сергжвско-А6лулин-ский. 9 - Пачслмскнй, 10 — К^тиниовс-кии, 11 - Припятско-Донеикий.

Наложенные мезоэойско-Kafi ¦ нозойскис структуры (цифрывразры-ее границ): 1 - Польско-Литовскач СИ-неклиза. 2 - Украинская си!ектиза, У -Причерноморская впалина, 4 - Улья-новско-Саратоаский прогиб.

Астроблемы: а - Карская; б -Янисъярви; а - Мишипогорская; г -Пучеж-Катунгская; д- Логойская; е -Калужская; ж — Карлинская; з — Курская; и - Илннецкая; к -Болтышская; а - Каменская

7 Цель и задачи работы

Цель диссертационной работы — с использованием минералого-геохимических методов, применяемых при поисково-оценочных работах, выявить особенности химического и минерального состава биологически активных кремней, уточнить условия генезиса и установить природу биологической активности кремней.

Для достижения поставленной цели необходимо было:

а) создать и апробировать оригинальную методику изучения вещественного состава кремней;

б) определить минералого-геохимические особенности и установить природные типы кремней;

в) установить зависимость между минералого-геохимическими и структурными особенностями вещества кремней и численностью и таксономическим составом бактериальных сообществ и, в первую очередь, актииомицетного (стрептомицетного) комплекса, населяющих кремни;

г) изучить особенности бактериальных сообществ, населяющих кремни установленных природных типов, и определить природу биологической (антимикробной) активности кремней,

д) изучить факторы формирования кремней, ' обладающих биологической активЕЮСтыо, с целью уточнения прогнозно-поисковых оценочных критериев их скоплений в пределах Московской синеклизы, сопредельных ей структур, а также территорий со схожими геологическими обстановками.

Фактический материал и методика исследований

Основой диссертационной работы послужили результаты аналитических исследований образцов кремней, отобранных автором в процессе прогнозно-поисковых работ в ГГП «Центргеология» но теме «Анализ перспективных площадей на нетрадиционные виды нерудных полезных ископаемых в пределах Московской синеклизы (северные области Центрального района). Изучение и оценка минерально-сырьевой базы биогенных пысококремиистых пород по территории деятельности ЦРГЦ». Результаты работы сведены в производственном отчете за 2001г., хранящемся в отделе фондов ФГУ «Центргеолфонд».

Каменный материал для исследований отбирался автором по стратиграфическому принципу на основании предварительной проработки фондовых и опубликованных работ по геологии, литологии и стратиграфии разрезов карбонатных кремневмещающих пород Центрального региона России (Московская сипеклиза и Днепрово-Донецкая впадина) и Республики Беларусь (девонские и меловые структуры северо-востока и запада

8

республики). Преимущество при отборе образцов отдавалось кремням желваковой формы в соответствии с критериями, установленными учеными РБ. Оценивались также кремни других морфогенетичёских типов, что в итоге было признано методически верным. Для проведения сравнительного анализа использовались образцы кварца и гидротермальных кремней (халцедонов), отобранные автором в Забайкальском регионе. Кроме того, автору любезно были предоставлены образцы кремней Центра России и Республики Беларусь, отобранные главным геологом участка ППР ГГП «Центргеология» В.П. Коваленко и советником РАЕН НЛО. Браташовым

Аналитической основой работы послужили высокоточные анализы, выполненные в лабораториях ГГП «Центргеология», ФГУП ВИМС, ИПХФ РАН (г. Черноголовка), ИГЕМ РАН. Изучение вещественного состава и типоморфных особенностей кремней осуществлялось с использованием методов химического и спектрального анализа; петрографического анализа, инфракрасной спектроскопии (ИКС), рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии. В процессе работы были визуально оценены порядка ста образцов кремней. Для детальных исследований по макроскопическим признакам - цвету, наличию ископаемых форм, проявленности фрагментов первично опаловых минеральных биогенных форм, наличию рудных минералов и т.д. отобраны пятьдесят образцов. В том числе изготовлены и описаны 30 прозрачных шлифов, проанализированы 40 проб химическим и спектральным методами анализа, осуществлены исследования 35 образцов методом ИКС, в том числе 20 методом дифференциальной фурье-спектроскопии, 15 образцов изучались методом РКФА, б образцов были изучены с помощью электронной микроскопии и микрозондового анализа.

Для проведения сравнительного анализа минералого-геохимических и геологических особенностей кремней были задействованы результаты исследований кремней РБ, опубликованные как в республиканской, так и в российской научной печати.

Разработка методики и непосредственно микробиологические исследования кремней осуществлялись на Кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (зав. кафедрой д. б. и., профессор Д.Г. Звягинцев) д. б. и. профессором Г.М. Зеиовой. Изучались численность и таксономический состав актиномицетов (стрептомицетов), биологическая (антимикробная) активность актиномицетов, выделенных на веществе кремней.

Научная новизна

1. Установлены минералого-геохимические и структурные особенности биологически активных кремней.

2. Изучен минеральнвтйхостав микрофаз кремней.

9

3. Выявлена зависимость между структурными особенностями кремней (степень кристалличности) и численностью актиномицетов (стрептомицетов) их населяющих.

4. Установлена природа биологической (антимикробной) активности мицелиальных бактерий актиномицетов (стрептомицетов), выделенных из вещества кремней, которая является частным проявлением биологической (антимикробной) активности кремней.

5. Впервые в качестве основного фактора образования биологически активных кремней научно обоснован бактериальный фактор.

Личный вклад автора

Автором детально изучены кремни Московской синеклизы и сопредельных структур Русской платформы и установлены минералого-геохимические и структурные особенности вещества данных минерально-породных образований. На основании полученных результатов определены три основных минеральных типа кремней, тяготеющих к карбонатным комплексам Центрального и Западного блоков Русской платформы. Выявлена тождественность мииералого-геохимических параметров кремней (степень кристалличности, элементный состав, минералы-примеси) с установленной биологической активностью из геологических структур Западного блоки Русской платформы (Главное Девонское поле, Польско-Литовская синеклиза, Подлясско-Брестская впадина, Республика Беларусь) и Центрального блока Русской платформы (Московская синеклиза, Днепрово-Донецкая впадина, Центральный регион России).

Автором установлена природа биологической активности кремней и сделаны выводы о тесной связи минералого-геохимических и структурных особенностей кремней и условий жизнедеятельности мицелиальных бактерий актиномицетов-продуцентов ряда биологически активных веществ. Доказана принципиальная возможность управления актиномицетами при решении задач биотехнологии силикатов, прикладной микробиологии.

Проведен анализ факторов кремненакопления и образования биологически активных кремней. Определены условия генезиса кремней: биогенно-хсмогенное осаждение кремневого геля в периферической зоне эвапоритового солеродного бассейна в конечные стадии трансгрессий и начальные регрессий в условиях аридного климата.

Уточнены факторы кремнеиакопления и научно обоснован в качестве одного из основных бактериальный фактор формирования кремней, обладающих биологической активностью.

Сформулированы минералого-геохимические критерии поисков и оценки кремней, обладающих биологической активностью.

10 Практическая значимость

1. Разработана и апробирована для решения поставленных задач методика ИК-спектроскопического исследования минералов тонкозернистого кремнезема (Методические рекомендации № 143, М.: НСОММИ, ВИМС, 2000 г., разработаны ГГП «Центргеология», участок ППР; Институт проблем химической физики РАН).

2. Проведен анализ факторов кремненакопления и кремнеобразования и определены поисково-оценочные критерии скоплений биологически активных кремней.

3. Полученные результаты использованы при составлении геолого-прогнозной карты масштаба 1:1 500 000 структуры Московской синеклизы, выполненной с использованием ГИС-технологий, с указанием мест скоплений биологически активных кремней и участков, перспективных для их обнаружения.

4. Актиномицеты (стрептомицеты), выделенные на веществе кремней, могут быть использованы в производстве антибиотиков.

5. Продукты жизнедеятельности актиномицетов могут быть использованы для повышения эффективности ' работы биотехнологических систем выщелачивания силикатов.

В диссертационной работе защищаются следующие основные положения:'

1. Сравнительный анализ кремней из карбонатных комплексов Центрального и Западного блоков Русской платформы по степени кристалличности тонкозернистых минералов кремнезема, минеральному составу примесей и микрофаз, по геохимическому спектру элементов позволил выявить сходство халцедоновых кремней Московской синеклизы и эталонных кремней с установленной биологической активностью из структур Главного Девонского поля и меловых отложений Польско-Литовской синеклизы (Республика Беларусь).

2. Структурные особенности вещества кремней и спектр содержащихся в них элементов Si, Ca, Al, Fe, P, S, Cr, Cu, Mo, Zn, V, Ni и др. определяют потребительские свойства данных минерально-породных образований, одним из главных среди которых является биологическая активность.

3. Генезис биологически активных кремней обусловлен геолого-тектоническим, литолого-геохимическим, парагснстичсским, биогенным, бактериальным факторами, проявленными на отдельных этапах фанерозойской эпохи кремненакопления. Эти факторы и определяют комплекс поисково-оценочных критериев данного вида минерального сырья.

11

Апробация работы

Методика исследований кремней, обладающих биологической активностью, и результаты работы были представлены впервые при защите производственного отчета по теме «Анализ перспективных площадей на нетрадиционные виды нерудных полезных ископаемых в пределах Московской синеклизы (северные области Центрального района). Изучение и оценка минерально-сырьевой базы биогенных высококремнистых пород по территории деятельности ЦРГЦ» за 2001 г., хранящемся в ФГУ «Центргеолфонд» (ответственный исполнитель Коваленко В.П., авторы Дашковский СИ., Вольфсон И.Ф.).

По заключению Кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ стрептомицеты рода Streptomyces секции Cinereus серии Achromogenes, выделенные из вещества кремней Польско-Литовской синеклизы (Волковысское месторождение, Гродненская обл.), могут быть использованы при создании таких антибиотических препаратов, как тетрациклины, стрептомицины, циклогексимид и др.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены на научно-практической конференции ВМО «Прикладная минералогия в решении проблем прогнозирования, поисков и оценки месторождений полезных ископаемых», 26-27 апреля 2001 г., г. Москва, годичном научном собрании ВМО «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем", 28-30 мая 2002 г., г. Москва, международном симпозиуме «Ресурсовоспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр», Российский университет дружбы народов, 15-18 сентября 2003 г., г. Москва, международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование», Санкт-Петербургский государственный университет, 6-10 октября 2003 г., г. Санкт-Петербург.

Организация выполнения работы

Работа была выполнена в ГГП «Центргеология» и завершена в инициативном порядке в ВИМСе по данным, собранным в процессе глубокой проработки опубликованных и фондовых материалов по геологии, минералогии и геохимии кремней, и но результатам, полученным в процессе поисково-исследовательских работ, осуществлявшихся автором на предприятии ГГП «Центргеология». Научное руководство диссертацией осуществлялось д. г.-м. н. профессором Г.А. Сидоренко, оказавшей автору неоценимую помощь, без человеческого и творческого участия которой данная работа вряд ли увидела бы свет.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу Кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ им. Ломоносова и лично д. б .н. Г.М. Зеновой за большую помощь при создании методики оценки кремней и проведенные микробиологические

12

исследования биологической активности кремней, результаты которых позволили сформулировать один из опорных тезисов диссертации, к. б . н. Т.П. Преображенской за ценные советы, позволившие внести уточнения при проведении микробиологических исследований кремней, д. г.-м. н. И.Г. Печенкину за большую помощь и ценные рекомендации, позволившие определить научные и методические задачи исследований, д. г.-м. н. В.Т. Дубинчуку, к. г.-м. н. Г.К. Кривоконевой, с. н. с. И.С. Наумовой (ВИМС), д. ф.-м. н. Н.В. Чуканову (ИПФХ РАН), которым обязан за внимательное отношение и творческую поддержку при проведении исследований минерального состава кремней, главному специалисту отдела комплексного геологического изучения и воспроизводства МСБ ДГК по Центральному федеральному округу Н.И. Прокофьевой, главному геологу ГГП «Центргеология» А.П. Литвиненко, начальнику участка ППР ГГП «Центргеология» СИ. Дашковскому, главному геологу участка ППР В.П. Коваленко, технику-геологу участка ППР В.М. Козловой за ценные советы, методическую и техническую помощь при проведении исследований, советнику РАЕН Н.Ю. Браташову за конструктивное участие и предоставленные образцы для исследований, главному геологу ГипродорНИИ (Смоленский филиал) В.И. Воронину за большую помощь и ценные советы при проведении полевых исследований в Смоленской области, к. г.-м. н. А.В. Мохову за методическую помощь при проведении эксперимента, коллективу Центральной лаборатории ГГП «Центргеология» (начальник лаборатории В.В.Соломатин) и особенно Н.П. Архангельской, В.Н. Евпловой, Г.И. Богатыревой, Л.А. Шишкиной, А.А. Горбаткиной за высокое качество аналитических работ, к. г.-м. н. А.В. Красных (ВИМС) за помощь в оформлении диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 118 страниц текста, 16 рисунков и 11 таблиц. Структура диссертационной работы отражает системный подход автора к изучению особенностей вещественного состава кремней как основы разработки параметров нового вида полезных ископаемых. Наряду с изучением тонких особенностей минерального строения кремней, влияющих на качество данного вида минерального сырья, - минеральный состав и структура породообразующих минералов, состав примесей и особенности минерального состава микрофаз, особенности геохимических спектров и микробиологические особенности -рассматривались возможные прикладные аспекты использования кремней в различных отраслях.

13

Глава 1. Кремни и области их применения

Кремнем (кремнями), как правило, называются минерально-породные образования кремнезема осадочного генезиса, тяготеющие к карбонатным платформенным толщам, формирующие в них желваковые, конкреционные, цепочечные, ленточные, послойные скопления. Исследования кремней современными методами свидетельствуют о том, что основными породообразующими минералами кремней являются халцедон, опал и кварц, в структуре которого отмечаются фрагменты кристобалита и тридимита. В составе примесей в кремнях могут присутствовать карбонаты, различные глинистые минералы, сульфаты, фосфаты, водные алюмосиликаты (аллофан), вода, твердые углеводороды и др., имеющие важное значение для изучения условий генезиса, а также потребительских свойств кремней.

В зависимости от условий генезиса, среды диагенеза степень присутствия тех или иных минералов тонкозернистого кремнезема в кремнях может существенно различаться, поэтому в природе встречаются кремни опаловые (чисто опаловые кремни для осадочных условий генезиса редки), опал-халцедоновые, халцедоновые и кварцевые.

Обсуждение вопросов об особенностях условий генезиса кремней, их минеральных, структурных, геохимических характеристиках и сферах применения кремней в свете их природных свойств по-прежнему остаются в центре внимания геологов различных направлений. Данное обстоятельство нельзя назвать случайностью. В последние десятилетия прошлого века в результате развития новых технологий, применения тонких методов изучения вещества существенно повысился уровень знаний о свойствах минералов и минерально-породных образований, в основе которых находится кремнезем, расширился круг их использования в различных отраслях науки и техники. Помимо известных и широко используемых как при поисковых геологических работах, так и для практических нужд типоморфных признаков минералов (внешние признаки, особенности состава, структуры, физических свойств, прочих характеристик), выявлены новые информативные особенности, связанные с тонкими особенностями реального строения минералов: дефектами их структуры, внеструктурными, в том числе ультрамикроскопическими примесями (Гинзбург, Сидоренко, Кузьмин, 1985; Яхонтова, Зверева, 2000). Этот методический арсенал позволяет успешно решать целый ряд сложных прогнозных и оценочных задач.

Своеобразие вещественного состава кремней, их структуры долгие годы находило свое отражение исключительно в физико-механических свойствах, в числе которых важно подчеркнуть следующие: 1) высокая твердость, близкая к средней твердости кварца (6,5-7

14

по шкале Мооса), 2) слабая истираемость, 3) химическая чистота (сложены преимущественно SiC2, малая примесь окислов железа, марганца и других красителей), 4) раковистый излом. Именно эти специфические свойства кремня определяли в прошлом и в настоящее время области применения данного полезного ископаемого (Черносвитов, 1963; Петров, 1987; табл. 1.1,1.2).

Таблица 1.1

Химический состав некоторых кремней, применяемых керамической промышленностью (содержания окислов в %%) (по Черносвитову, 1963)

Компоненты Украина Польша Бельгия Франция Дания

SiO2 86,0-95,62 98,0 68,75-96,00 98,16 99,25

АЬОз 0,55-1,08 0,45 0,5-1,22 0,25 0,20

Fc2O, 0,3-2,47 0,15 0,55-1,28 0,05 0,09

СаО 0,36-6,05 0,32 0-15,7 0,50 -

MrO 0,11-0,38 - 0,3 0,20 -

Na,0 - • 0,26-0,29 - -

SO3 0,05 - - 0,24 -

СО2 - • 12,50 - -

Потери при прокаливании 0,46 - 6,5 1,31 • - -

Н2О - - 0,8 0,52 0,35

Кремень является одним из наиболее древних видов полезных ископаемых использовавшихся человеком. Существуют свидетельства о добыче кремня в эпоху позднего палеолита (приблизительно 30 000 лет назад). В частности, на территории Западной Европы (Paul W., 1971) и Восточной Европы (Республика Беларусь) в эпоху неолита (середина 2-го тысячелетия до и. э.) были развиты обширные кремне добывающие промыслы. В пос. Ольбург (Бельгия), в Волковысском районе Гродненской области на р. Рось обнаружены археологические памятники - многочисленные шурфы-колодцы, пройденные в меловых породах с использованием примитивных горнотехнических средств. Объектом разработки служили желваковые кремни, залегающие в виде цепочек, реже в виде беспорядочных скоплений. Считается, что кремень, добывавшийся здесь, использовался исключительно для производства топоров и других средств труда и охоты - скребков, ножей, наконечников стрел и т. д. (Кужварт, 1986).

Области применения кремня эволюционировали в соответствии с требованиями времени. В более поздние эпохи он использовался для изготовления мельничных жерновов (отсюда еще одно название кремня — «мельничный камень»).

По сей день для оснащения лабораторий используется посуда, ступки и другие принадлежности, изготовленные из агатовых и халцедоновых кремней.

15

Поделочные, красиво окрашенные разновидности кремня в виде коллекционных образцов, всевозможных поделок и украшений всегда ценились любителями камня (эта разновидность кремней не являлась предметом специального исследования).

Кремни используются в различных отраслях промышленности. Лучшая футеровка мельниц для керамической шихты изготавливается из кремня. Кремень добавляется в качестве отощающей добавки при производстве тонкой керамики, он используется также как компонент некоторых глазурей. Кремень используется при производстве каменного товара, прочность которого он повышает вследствие увеличения количества тугоплавкой стекловидной фазы (Черносвитов, 1963).

За рубежом в качестве мелющих шаров используется, так называемая «датская» или «британская» халцедоновая галька из отложений формации писчего мела. В США кремень для облицовки мельниц добывают из карбоновых отложений штата Огайо. Дробильную гальку добывают в Миннесоте, Вашингтоне и Висконсине, а также импортируют, причем, в весьма существенных объемах, из Европы.

Упомянутые выше кремни Огайо добываются и используются, в том числе и как точильные камни, смачиваемые водой или маслом (Петров, 1987). Халцедоновая порода . новакулит (или арканзас - по местонахождению скоплений кремня в штате Арканзас), является ценнейшим абразивным материалом, основой аабразивной промышленности США. Кремни из отечественных месторождений используются в виде шлифовальных шкурок для обработки дерева, кож и иных материалов (Туй-Тюбинское месторождение, Романович, 1998).

В последнее десятилетие успешно осуществлены первые опыты по применению кремней в качестве модификаторов полиэтиленов, которые являются основой при создании композитных металло-полимерных материалов. Износоустойчивые композитные материалы применяются в машиностроении при создании ответственных узлов, устойчивых к длительному механическому воздействию (поиск в ИНТЕРНЕТе по ключевым словам «активированная кремнем вода»).

Обращаясь к техническим требованиям к качеству сырого кремня для изготовления футеровки и шаров, каменного товара следует отметить, что ни ГОСТов, ни общепринятых ведомственных ТУ на это сырье не существует. Поэтому в указанных случаях, как и для многих других видов нерудных полезных ископаемых приходится базироваться на данных практики. От кремня требуется плотность, однородность, определенная размерность, определенные химический состав и физические свойства (см. табл. 1.1).

16

Известно, что кремний относится к числу биологически важных элементов. Недостаток кремния в организме человека вызывает такие тяжелые заболевание как атеросклероз, туберкулез, рак и некоторые другие, в частности, преждевременное старение. Кремний принимает участие в нормализации многих физиологических процессов, участвует в синтезе белка, входит в структуру молекул ДНК и т. д. В научной печати, а также в исторических хрониках, достаточно давно рассматриваются вопросы использования таких кремнистых пород, как диатомиты, трепела и опоки в качестве лекарственных препаратов. Доказано, что трепела и опоки могут служить основой разработки биологически активных пищевых добавок, обладающих лечебным действием и аналогичных тем, которые выпускаются сейчас на базе цеолитов (Васильев, Скребков, 1998; Ефремов, Скребков, 1998). В этом ряду свое важное место занимают кремни. Имеются сведения о применении кремней в лечебных целях с далекой древности. Раймонд Уолтере (Уолтере, 1999) отмечает, что британцы использовали водные настои кремней, добытых из пород меловых впадин Британии, в целях создания первых лекарственных средств для излечивания ран и внутренних болезней. Крестьяне Германии защищали кремнями от действия «злых духов», а в реальности - консервировали от преждевременного скисания молоко. В последние годы свойство кремней - благотворно влиять на состояние и качество воды и других жидких сред, нашло свое подтверждение в многочисленных работах ученых и специалистов Республики Беларусь. Первые опыты с кремнями из доломитов Главного девонского поля (Витебская обл.) и меловых отложений Польско-Литовской синеклизы (Брестская обл., Гродненская обл.) позволили выявить биологически активные разновидности кремней, обладающих способностью позитивно воздействовать на воду и другие жидкие среды, консервировать их. Данное обстоятельство предполагает практическое использование этих минерально-породных образований для решения различных задач практической медицины, фармакологии, биологии, прикладной экологии (ИНТЕРНЕТ-сайты Минского ЛВЗ http://vvwvv.kristal.minsk.by и др, поиск: «активированная кремнем вода»). Уже известны примеры использования кремней в клинической ' медицине и фармакологии при приготовлении воды - бальнеологического средства и основы лекарственных препаратов. Нашли свое применение кремни для подготовки воды в пищевой промышленности -производство