Владимир Иванов: «Уголь под микроскопом очень красивый: в красных, бордовых, оранжевых тонах»

2 апреля геологи и люди, чья профессия связана с геологическими науками отметили профессиональный праздник – День геолога. Те, кто к геологии никакого отношения не имеют, с трудом представляют себе, чем же занимаются целые институты. PRIMPRESS побеседовал с Владимиром Ивановым, кандидат геолого-минералогических наук, ведущим научным сотрудником, руководителем лаборатории микро- и наноисследований  Дальневосточного геологического института ДВО РАН.

– Расскажите, с чем связана ваша работа? И какое практическое применение она приносит людям?

– В настоящее время, мы занимаемся изучением природы накопления редкоземельных элементов в процессе формирования углей. Эти исследования скорее относятся к фундаментальной науке, но они имеют и практическое значение. В настоящее время мы участвуем в международном проекте при финансовой поддержке РФФИ. С российской стороны проект выполняется ДВГИ ДВО РАН и Томским политехническим университетом, а с китайской стороны работают преподаватели и научные сотрудники Хэбейского инженерного университета.

Наши исследования необходимы для определения механизмов накопления и распределения ценных элементов в залежах угля. Предметом исследования в нашем проекте являются разновозрастные осадочные бассейны угля  южной Сибири, юга Дальнего Востока и Северного Китая.  Специалисты изучают разновозрастные бассейны угля, чтобы определить геохимический фон и природу источников металлов в  угле.   Необходимо понимать, что разные угольные месторождения формировались при разных обстановках и при различных условиях, что отразилось на химическом составе ресурсов.

Интерес исследований заключается в том, что редкоземельные элементы содержатся в залежах угля в очень небольших количествах. Но в продуктах сжигания углей содержание редких и благородных металлов может достигать промышленно значимых величин. В таких случаях золы служат техногенным сырьем для извлечения из них ценных компонентов. Поэтому при использовании углей в теплоэнергетике учитывают и возможности освоения  редкометалльно-угольных месторождений на предмет ценных редкоземельных элементов. Нужно понять, в каком количестве и в каком виде они там содержатся, и имеется ли практический смысл в их извлечении. Основное внимание направлено на изучение потенциально-промышленных типов рудной минерализации редкоземельных элементов, германия, галлия и лития. В повышенных количествах эти элементы были выявлены в последние годы в ряде новых угольных объектов России и Китая.

– Для чего же необходимы эти исследования? В чем ценность редкоземельных элементов, которые в небольшом количестве встречаются в угле?

– Редкоземельные элементы используются в ракетно-космической промышленности,  в высокотехнологичной технике. Обычный человек может и не знать, что каждый день он носит с собой немного редкоземельных элементов, которые входят в детали мобильного телефона. Для России очень важно наладить собственные каналы добычи ценных элементов, потому что на сегодняшний день Китай является монополистом в данной области. Более 90% редкоземельных элементов добывают именно в КНР.

Редкоземельными называются 17 элементов в таблице Менделеева, все они серебристо-белого цвета, имеют сходные химические свойства.

– Как проходит исследование угля на предмет ценных примесей?

– Сначала в полевых условиях проводят  опробование угольных пластов. Затем, пробы угля  доставляют в лабораторию, где  из них приготавливают различного рода препараты, в том числе в оборудовании измельчают до состояния пудры. Вид препаратов зависит от того, какое исследование мы проводим.

Есть методы, когда изучается химический состав угля или включений в него, а есть методы, когда сразу известно, какое вещество перед вами. Например, сахар и крахмал состоят из одних элементов, но имеют разный молекулярный состав. Поэтому при идентификации вещества нужен дополнительный анализ, чтобы понять, что это за вещество, каких компонентов содержится больше, а каких меньше. Даже если в веществе содержится десятитысячная, миллионная или миллиардная доля процента, это может быть очень информативно.

Например, на плазменном масс-спектрометре определяют весьма, можно сказать, исчезающие,  низкие концентрации элементов, практически всех, которые есть в таблице Менделеева.

Прежде чем измерять на приборе, уголь определенным образом озоляют в муфельной печи, потом эту золу обрабатывают и переводят в раствор, с помощью кислот. Затем раствор вводится в прибор, в котором при высокой температуре горит аргоновая плазма, вещество ионизируется, а система регистрации фиксирует необходимые сигналы. Прибор настолько чувствителен, что после каждого опыта приходится менять посуду на новую. Даже если очень хорошо вымыть  ее,  химическая память о прошлом веществе остается,  и прибор даст результат с этим учетом.

У нас есть приборы, которые могут работать в автоматическом режиме, даже круглосуточно. Для них мы вещество спрессовываем в такие «таблетки», которые помещаются в специальные держатели, компьютер управляет и производит многокомпонентный анализ. Так определяются макрокомпоненты, которых в угле достаточно много – первые проценты. Здесь можно не только золу изучать, но и сам уголь. Золу мы используем потому, что ее можно разложить и убрать органику. Это зависит от того, какой компонент мы хотим получить. На этом оборудовании мы проводим также судебные экспертизы, если об этом просят. Сейчас нам из одного города привезли пробы угля, чтобы мы определили, было ли хищение из вагона. Кто-то выгрузил и отвез к себе на участок уголь, а следователь взял пробы из кучи, от которой похитили часть и из угля, который нашли у подозреваемого. Мы определяем, похожи ли по составу два этих образца.

Важно не только определить количество, но и минеральную форму вещества. Например, олово может быть в сульфидной форме и в оксидной. В одном случае его можно легко извлечь, в другом  нет. Нужно определить, в виде какого минерала или соединения элемент представлен. Для этого существуют всевозможные микроскопы – световые, электронные и другие.

Световые классические и люминесцентные микроскопы позволяют исследовать горную породу в падающем, отраженном и  проходящем свете. Если взять уголь, то он не прозрачный, но если его сошлифовать, то получается прозрачный шлиф. Его помещают на предметный столик микроскопа. Поляризованный свет, проходя через кристалл, преломляется и получается разноцветная картинка. Уголь под микроскопом очень красивый: в красных, бордовых, оранжевых тонах.

Если раньше даже электронные микроскопы служили для визуализации тонких частиц минералов при высоких увеличениях, то сейчас они оснащены еще и спектрометрами, которые позволяют определить их состав. На дисплее можно увидеть, из каких элементов состоят микровключения в угле или другой горной породе. Электронные микроскопы увеличивают в сотни тысяч раз. Даже во включении меньше одного микрона мы определяем состав. Кроме того, у нас есть устройство к сканирующему электронному микроскопу, когда мы можем с помощью ионного пучка «распиливать» минеральные зерна и исследовать их зональность и состав в разрезе.  Это только один из множества современных инструментальных методов, которые используются в Аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН.

Есть у нас и инфракрасные спектрометры, для которых достаточно двух миллиграммов пробы, чтобы диагностировать вещество. Эти приборы аналогичны тем, которые определяют наличие допинга: есть эталоны, которые загружены в библиотеку спектрометра. Прибор определяет по спектру и сверяет образец с эталоном. Если крахмал и сахар имеют один набор элементов, то этот аппарат сразу определяет, что есть что.

Кроме элементного анализа в Аналитическом центре института выполняют и  изотопный анализ природных и искусственных веществ. Как известно, бывают изотопы радиоактивные и стабильные. У нас занимаются стабильными – теми, которые не облучают. Для этого мы располагаем очень высокотехнологичным оборудованием по определению состава изотопов. Это сложный процесс исследования. Когда нас хорошо финансировали, мы закупили эти приборы от мировых производителей оборудования. Тут не только серийные аппараты, но и те, которые мы сами усовершенствовали. Так, по соотношению изотопов кислорода и углерода в арагоните древних ракушек можно определять температуру моря, которая была несколько миллионов лет назад. От температуры зависит соотношение изотопов в твердом веществе.

– Как вы решили стать геологом?

– Благодаря геологии я увидел мир. Я был на Чукотке, на Камчатке, на Курилах, в Америке на месторождениях, в Китае, в Корее, в Забайкалье. Это то, что дала мне работа в ДВО РАН. Участковый же геолог может ходить всю жизнь в одну шахту.

Вообще, я собирался быть химиком, а эти специальности смежные. В геологии нужно многое знать из разных областей. В молодости мы в экспедициях на лошадях передвигались, на вездеходах, на вертолетах, сплавлялись по рекам. Были и морские экспедиции. На самом деле, интересная профессия.

– Расскажите, как складывалась ваша научная карьера?

– Все постепенно: сначала я работал на Колыме, на знаменитых месторождениях золота. Работал я и на практике, документировал канавы. Когда ищут золото, рудных тела  нужно вскрыть горными выработками, просто с поверхности руду золота трудно увидеть.

– Как вы считаете, сейчас молодым геологам легче начинать заниматься классической геологией?

– Нам было легче. Геолог, прежде всего, должен работать в поле, на объекте. Это не кабинетная работа. А сейчас сложно с финансированием, поэтому молодежь  редко бывает на реальных объектах. Когда я начинал, бурно развивалась горная промышленность. Государство это финансировало. Все,  что открыто, было сделано при советской власти. Поиск месторождения – это финансовый риск: можно деньги вложить и ничего не найти. Тогда у нас было мощное государство, которое могло себе это позволить. Месторождение не просто открывается: шел и нашел. Это кропотливая работа, которая идет медленно. И на все нужны деньги. Так, крупное многовершинное месторождение золота «делалось» десять лет. Месторождение не открывают, его, можно сказать, делают. Немножко зацепили, начали изучать и оценивать, затем эту площадь разбуривали, было пройдено много подземных горных выработок. Сейчас мало разведывают новых месторождений. Например, в Хабаровске сейчас привлекают иностранный капитал. Инвестируют канадцы и американцы. Нужны инвестиции, а простой геолог сначала изучает карты, потом на место едут - это долгий процесс. Молодым сейчас предоставляют гранты на исследования, это несомненный плюс. Геолог уже сильно отличается от того, который был пятьдесят лет назад. Появились переносные спектрометры, GPS и фототехника. Даже фотоаппараты с привязкой к геолокации. В прошлые годы мы могли какой-то интересный объект отснять, вернуться в город, а пленка неверно отразила цветопередачу. Сейчас все можно смотреть сразу, очень удобно.

– В представлении многих людей, геолог – это мужчина с бородой, в свитере и с молотком. Верны ли эти представления?

– Геолог уже не  только с бородой и в свитере, сейчас необходимы новые технологии. Анализируются космические снимки, по ним выделяются перспективные участки. На полевых работах геологи, конечно, ходят с бородой и тоже с молотком. Все начинается с прогнозирования, с науки. Если есть научные обоснования, соответствие месторождения критериям. В поле никто никогда и не выходил просто копать. Только на заре геологии ходили с лотком, промывали речной песок, видели золотинку и шли вверх по руслу реки к коренным проявлениям руды. В полевых условиях в лучшую  сторону меняется быт. Сейчас идет переоценка, но молодым тяжело, практики у них нет. Но у молодых геологов  появились колоссальные возможности  углубленного изучения вещества с применением передового современного оборудования, о котором ранее мы и не могли мечтать.

– А правда, что геолог – профессия семейная, когда все члены семью связаны с наукой?

– Все как везде: есть и династии, но это не носит массовый характер. Мои сын и дочь тоже работают в сфере наук о Земле,  мой внук сильно заинтересовался геологией. В детском садике кто-то рассказал про алмазы, он заинтересовался.. Сейчас изучаем с  ним строение Земли – ядро, мантия, земная кора.

– Считается ли профессия геолога востребованной в современном мире?

– Все пользуются нефтью, газом. Страна в определенном смысле сырьевая, за счет прежних открытий геологов живет, а на День геолога толком и не поздравляют. День каких-то служб – концерты, оркестры, про геологов  и не заговаривает. А геология – это и градообразующая отрасль. Именно благодаря ей есть Дальнегорск. В районе Кавалерово нашли руды – расцвел поселок, а потом гремела слава и комбината. Геолог –  древнейшая профессия. По идее, когда отрабатывается месторождение, должны выделяться деньги на воспроизводство, но тут кризис. В этом году я был в Кавалерово, там стоят разрушенные комбинаты. А ведь шахта – живой организм, там нужно откачивать воду. Вот в Партизанске сейчас начинаются обвалы, загазованность. Геологию и геохимию важно знать народу. Вот пример: во время войны в отдельных местах люди самостоятельно добывали уголь в сопках и топили им, не зная, что там повышенное содержание урана. А потом дорожки золой посыпали. Конечно, это привело к онкологии. От знания геохимии угля зависит и экология.