Шунгит
Шунги́т, устар. синоним «аспидный камень», «пробирный камень», лидит или парагон[1] — докембрийская горная порода, состоящая в основном из углерода и занимающая по составу и свойствам промежуточное положение между антрацитами и графитом. Встречаются разновидности шунгита чёрного, тёмно-серого и коричневого цветов.
Происхождение
[править | править код]Шунгит образовался из органических донных отложений — сапропеля. Эти органические осадки, прикрываемые сверху всё новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шёл медленный процесс метаморфизации. В результате этого процесса образовался распылённый в минеральной матрице аморфный углерод в виде характерных именно для шунгита глобул.
Исторические сведения
[править | править код]Первые эпизодические описания горных пород «чёрной Олонецкой земли» были предприняты в 1792 году академиком Николаем Озерецковским и в 1848 году штабс-капитаном Корпуса горных инженеров Н. К. Комаровым.
В 1877 году доктор минералогии и геологии Александр Иностранцев определил породу как новый крайний член в ряду природных некристаллических углеродов, не являющихся каменным углём, и дал название шунгит по названию заонежского села Шуньга, где порода впервые была обнаружена и действовала штольня.
В 1928—1937 годах на базе созданного государственного треста «Шунгит» осуществлялось изучение шунгитовых пород как предполагаемых аналогов горючих углей, были проведены первые структурные исследования.
Месторождение
[править | править код]Чистый шунгит встречается в природе довольно редко, в основном в виде тонких, до 30 см шириной, прожилок. Чаще он присутствует в качестве примеси в шунгитовых сланцах и доломитах, распространённых в Карелии на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера — от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке.
Промышленная ценность шунгитов определена наиболее полно для месторождений «Шуньгское» (Кондопожский район), «Мягрозерское» (Кондопожский район), «Нигозерское», «Максово» и «Зажогино», а также «Турастамозерское» (Медвежьегорский район). Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд тонн.
Физические свойства
[править | править код]Цвет — чёрный, тёмно-серый, коричневый. Твёрдость — 3,5…4. Излом ступенчатый, раковистый. Плотность — 1,80…2,84 г/см3 в зависимости от состава; пористость — 0,5…5 %; прочность на сжатие 100—276 МПа; модуль упругости (Е) — 0,31·105 МПа. Электропроводен, электропроводность — (1—3) × 103 См/м; теплопроводность — 3,8 Вт/м·K. Среднее значение коэффициента теплового расширения в интервале температур от +20 до +600 °С — 12·10−6 К−1. Теплотворная способность 7500 ккал/кг[2].
Порода обладает сорбционными и каталитическими свойствами[3].
Твёрдое шунгитовое вещество представляет собой смесь разнообразных углеродных аллотропов, чьи кристаллические решётки соединены аморфным углеродом[4].
Разновидности
[править | править код]Различают две разновидности:
- Блестящая разновидность
- C = 94 %
- O, N = 1,9 %
- H = 0,8 %
- зольность = до 2,2 %
- Матово-серая разновидность
- C = 64 %
- O, N = 3,5 %
- H = 6,7 %
- зольность = до 3,3 %
Химический состав шунгита, используемого в качестве сорбента
[править | править код]| № | Элемент, Компонент | Формула компонента | Содержание % массы |
|---|---|---|---|
| 1 | Оксид алюминия | Al2O3 | 4,05 |
| 2 | Оксид железа (III) | Fe2O3 | 1,01 |
| 3 | Оксид железа (II) | FeO | 0,32 |
| 4 | Оксид калия | K2O | 1,23 |
| 5 | Оксид кальция | CaO | 0,12 |
| 6 | Оксид кремния | SiO2 | 36,46 |
| 7 | Оксид магния | MgO | 0,56 |
| 8 | Оксид марганца | MnO | 0,12 |
| 9 | Оксид натрия | Na2O | 0,36 |
| 10 | Оксид титана | TiO2 | 0,24 |
| 11 | Оксид фосфора | P2O3 | 0,03 |
| 12 | Барий | Ba | 0,32 |
| 13 | Бор | B | 0,004 |
| 14 | Ванадий | V | 0,015 |
| 15 | Кобальт | Co | 0,00014 |
| 16 | Медь | Cu | 0,0037 |
| 17 | Молибден | Mo | 0,0031 |
| 18 | Мышьяк | As | 0,00035 |
| 19 | Никель | Ni | 0,0085 |
| 20 | Свинец | Pb | 0,0225 |
| 21 | Сера | S | 0,37 |
| 22 | Стронций | Sr | 0,001 |
| 23 | Углерод | C | 26,26 |
| 24 | Хром | Cr | 0,0072 |
| 25 | Цинк | Zn | 0,0067 |
| 26 | Вода | H2O | 2,18 |
| 27 | Потеря при прокаливании | ППП | 32,78 |
В золе шунгита (как и у всех природных углей и битумов, содержащих примеси) содержится ванадий, никель, молибден, медь и др. Благодаря относительной лёгкости получения разнообразных углеродных аллотропов, шунгит категорирован как перспективный материал для развития нанотехнологий и является объектом изучения в институтах нанотехнологий[5][6].
Применение
[править | править код]Металлургия
[править | править код]Шунгит содержит как твёрдый углерод, так и значительные количества оксида кремния; оба эти компонента в нём представлены весьма химически активными формами. В связи с этим он может быть использован в металлургии как восстановитель и — одновременно — как SiO2-содержащий флюс и источник кремния (например, при производстве чугуна, феррохрома, ферросиликохрома или карбида кремния)[7].
Механика
[править | править код]Шунгит используется как основной компонент восстановительных составов для двигателей внутреннего сгорания, коробок передач, редукторов автомобилей и механизмов, в том числе промышленного назначения. Советские разработки в этой области начались в 1970-х годах. На рынок продукты были выведены совместной финско-российской компанией RVS в 2001 году, после чего, с переменным успехом, копировались конкурентами.
Строительство
[править | править код]Другая область применения — строительство[8]. Полированные плиты смоляно-чёрного цвета с редкими белыми прожилками, не тускнеющие со временем, украшают интерьеры Исаакиевского и Казанского соборов в Санкт-Петербурге и станции Московского метрополитена. В современной строительной промышленности шунгит используется также для производства шунгизита — лёгкого заполнителя бетона.
Фильтрация воды
[править | править код]Дроблёный шунгит обладает достаточной для загрузки фильтров механической прочностью, химически стоек, не загрязняет воду, которая фильтруется через него, и, таким образом, пригоден для загрузки фильтров[9][10]. В настоящее время МП «Петрозаводскводоканал» использует дроблёный шунгит на водопроводных очистных сооружениях в качестве загрузки скорых фильтров на основании разрешения, выданного Министерством здравоохранения СССР за № 121-5/873-6 от 30.10.81 года[11].
Данное свойство шунгита не является уникальным: для подобных целей (насадка для закрепления микроорганизмов, образующих активный ил) также используют керамзит, пластмассы, щебень и прочие доступные и дешёвые материалы; в том числе и в данном регионе. Сорбционные особенности шунгита ничем не отличаются от других угольных загрузок, используемых для очистки питьевой воды от остатков хлора.
Нетрадиционная медицина
[править | править код]Изделиям, пастам и фильтрам на основе шунгита приписывается лечебное воздействие, которое научно не доказано. Несмотря на то, что содержащиеся в нём в малых количествах фуллерены действительно обладают антиоксидантными свойствами[12], применение шунгита может быть опасно для здоровья из-за выраженного канцерогенного действия полициклических ароматических углеводородов.
Живопись
[править | править код]Шунгит выпускается промышленностью и как сухой пигмент и в составе стандартных тюбиков с краской для художников. Цвет красителя — чёрный. Многие другие краски этого цвета обладают негативными для живописи характеристиками: например, самый известный краситель чёрного цвета, сажа газовая, представляет собой атомарный углерод и со временем способна зачернить картину, диффундируя прямо сквозь прочие красочные слои. А применявшиеся классиками живописи альтернативы газовой сажи не лишены собственных недостатков: в частности, Айвазовский использовал пигмент на основе асфальта, который окончательно не полимеризовался и так и остался мягким до нашего времени; варианты же классических замен на основе жжёной кости не полностью чёрные. И то и другое требует специальных мер при написании картины (например, изолирующих лаковых прослоек), которые не советуют применять неопытным или начинающим художникам. Шунгит лишён всех этих недостатков и является рекомендуемой современной заменой[источник не указан 45 дней].
Шунгизит
[править | править код]Шунгизит — искусственный пористый материал, получаемый при обжиге шунгитсодержащих пород. Шунгизит используется в качестве заполнителя для лёгких бетонов (шунгизитобетон) и в качестве теплоизоляционной засыпки.
Шунгиты Турастамозерского месторождения по качеству сырья наиболее перспективны для производства шунгизита. Насыпная объёмная масса шунгизита из сланцев Турастамозерского месторождения в среднем менее 350 кг/м3, а по отдельным блокам даже менее 250 кг/м3 (высшая категория качества).
Шунгитовое вещество
[править | править код]Шунгитовое вещество, Ств, считается органическим веществом в очень высокой стадии метаморфизма. Его стандартный состав очень прост и включает элементарный углерод в количестве C 98,6…99,6 масс. % со следами N, O, S и H.
Обычное содержание (N+O): 0,15…0,90 %; Н: 0,15…0,50 %; S: 0,20…0,83 %.
Плотность шунгитового вещества обычно лежит в пределах 1,8…2,0 г/см3. Поскольку содержание углерода в шунгитовом веществе близко к 100 %, то при классификации пород зачастую не различают С и Ств.
Классифицировать породы принято по массовому содержанию углерода, определяемому по характеристикам горения (остаточной зольности, количеству выделяющегося СО2 и других летучих веществ). В этой связи различают пять разновидностей шунгитов.
В шунгите-V углерода C < 10 %, так что фактически это шунгитсодержащая порода; в шунгите-IV C ~ 10…20 %; шунгите-III C ~ 20…35 %; в шунгите-II С ~ 35…80 %; наконец, шунгит-I содержит C > 95…98 %, то есть почти полностью состоит из шунгитового вещества.
Вторым основным компонентом шунгитов является главная составляющая горных пород, то есть SiO2, представленная обычно в виде кварца или в составе различных силикатных образований. В целом шунгитовые породы имеют разнообразный минеральный состав, куда входят карбонаты, алюмосиликаты и т. д., причём обращает на себя внимание однородность перемешивания веществ, составляющих шунгиты.
Надёжно установлено, что твёрдый углерод шунгитов выстроен соединёнными между собой глобулами, то есть частицами шаровой в основном формы. Диаметр шунгитовых глобул — порядка 10 нм. Такое строение уникально, поскольку не наблюдается ни в каких других объектах естественного твёрдого углерода. При этом у исследователей шунгитов к настоящему времени пока не выработано общепризнанных взглядов на природу углеродных глобул, их структуру, способ объединения. Причиной является отсутствие единой точки зрения на тип исходного органического вещества и протошунгитового материала, на процесс его карбонизации, на термодинамические характеристики среды преобразования, на особенности возникновения и эволюции крупных шунгитовых геологических структур и т. д. Иначе говоря, нет ясного представления о том, что такое шунгиты вообще и из чего они образовались. Всё это не позволяет в отличие от других представителей природного твёрдого углерода уверенно судить о возможных источниках и механизмах возникновения в естественной среде твёрдого углерода данного типа и не даёт также в достаточно полной мере оценить потенциальные возможности шунгитов для практических применений. Поэтому многие специалисты до сих пор считают шунгиты научной загадкой. Как следствие, на тему шунгитов в ненаучной среде нередко возникают необоснованные фантазии и спекуляции.
В монографии[13] собраны и проанализированы практически все известные основные факты и модельные представления о шунгитах. Рассмотрена реальная ситуация с практическим применением пород.
Показано, что наиболее распространённую сапропелевую точку зрения на происхождение шунгитов очень трудно (практически невозможно) согласовать с их структурой, составом, физико-химическими свойствами, геологией месторождений, возрастом пород (2 млрд лет), с историей появления и развития жизни на Земле, со многими другими данными.
Представлено обоснование того, что основа структуры шунгитового углерода, то есть шунгитовые глобулы, идентичны сажевым частицам. Данное обстоятельство и целый ряд других фактов позволяют сделать вывод о том, что углерод шунгитов возник в результате формирования огромных сажевых массивов в природных процессах разгрузки и термического преобразования (пиролиза, неполного сгорания) гигантских скоплений первичного углеводородного сырья преимущественно в виде природного газа, то есть метана. Выход глубинных углеводородов был обусловлен или сочетался с активной вулканической деятельностью, которая, как известно, имела место в Карелии в период возникновения пород. Поскольку для сажеобразования из метана характерно интенсивное синтезирование тяжёлых смолистых углеводородов, постольку протошунгитовое углеродное вещество представляло собой вязкотекучую композицию сажевых масс с углеводородными связующими веществами, которая со временем окаменела.
Минеральная (неуглеродная) часть пород сформирована в результате того, что выбросы метана и других углеводородов с неизбежностью сопровождались попутными потоками вулканического пепла (и иных взвесей), вулканических газов, гидротерм в паровой фазе. Такой процесс обеспечил наблюдающуюся высокую степень однородности перемешивания всех компонентов, входящих в состав шунгитовых пород, и определил уровень разбавления метана и итоговое соотношение Ств и остальных компонентов шунгитовых пород, в том числе максимальную концентрацию углерода, то есть 80 % в шунгитах-II. Предпосылки для формирования крайне редкого шунгита-I могли создаваться случайными лакунами гетеровеществ в потоках метана или в результате плохого локального перемешивания образовавшегося протошунгитового вещества с сопутствующими неуглеродными составляющими частями.
Преимущественное представительство в породах кремния по сравнению с другими элементами (если не считать углерод) объясняется тем, что в докембрийских высококремнистых породах происхождение кремнезёма в областях основного вулканизма обычно связано с глубоко преобразованным вулканическим пеплом (с пепловой седиментацией).
Шунгит в культуре
[править | править код]В 2016 году в Петрозаводске появилась улица под названием Шунгитовый проезд[14].
Шунгит получил широкую известность на Западе в мае 2020 года благодаря бывшему американскому Twitch стримеру под псевдонимом Dr DisRespect[15].
Примечания
[править | править код]- ↑ Борисов П. А. Карельские шунгиты. — Петрозаводск: Госиздат Карело-Финской ССР, 1956.
- ↑ Парфенева (sic) Л. С., Волконская Т. И., Тихонов В. В., Куликова И. Н., Смирнов И. А., Рожкова Н. Н., Зайденберг А. З. Теплопроводность, теплоёмкость и термоэдс шунгитового углерода Архивная копия от 15 января 2014 на Wayback Machine // Физика твёрдого тела. — 1994. — Т. 36, № 4. — С. 1150—1153.
- ↑ Горштейн А. Е., Барон Н. Ю., Сыркина М. Л. Адсорбционные свойства шунгитов // Известия вузов. Химия и химич. технология. — 1979. — Т. 22, № 6. — С. 711—715.
- ↑ Парфеньева (sic) Л. С., Смирнов И. А., Зайденберг А. З., Рожкова Н. Н., Стефанович Г. Б. Электропроводность шунгитового углерода Архивная копия от 15 января 2014 на Wayback Machine // Физика твёрдого тела. — 1994. — Т. 36, № 1. — С. 234—236.
- ↑ Шпилевский М. Э., Шпилевский Э. М., Стельмах В. Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры // Инженерно-физический журнал. — 2001. — Т. 76, № 6. — С. 25—28.
- ↑ Мосин О. В., Игнатов И. Состав и структурные свойства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита // Наноинженерия. — 2012. — № 6. — С. 17—23.
- ↑ Альтернатива коксу. МеталлТрейд (15 марта 2011). Дата обращения: 6 августа 2013. Архивировано из оригинала 6 марта 2016 года.
- ↑ Мосин О. В., Игнатов, И. Применение природного фуллеренсодержащего минерала шунгита в строительстве и строительных технологиях // Нанотехнологии в строительстве. — 2012. — № 6. — С. 22—34
- ↑ Панов П. Б., Калинин А. И., Сороколетова Е. Ф., Кравченко Е. В., Плахотская Ж. В., Андреев В. П. Использование шунгитов для очистки питьевой воды. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. с.103.
- ↑ Мосин О. В., Игнатов, И. Природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент шунгит в водоподготовке и водоочистке/Чистая вода: проблемы и решения. 2012. № 6. С. 109—115.
- ↑ Официальный портал органов государственной власти Республики Карелия. Дата обращения: 20 мая 2011. Архивировано 25 сентября 2011 года.
- ↑ Дмитрий Джагаров. Алхимия «волшебной сажи» — перспективы применения фуллерена C60 в медицине. Биомолекула. Дата обращения: 9 февраля 2021. Архивировано 14 февраля 2021 года.
- ↑ Берёзкин В. И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы Архивная копия от 7 января 2014 на Wayback Machine. — СПб.: АРТЭГО, 2013. — 450 с. — ISBN 978-5-91014-051-0
- ↑ О присвоении наименований элементам улично-дорожной сети Петрозаводского городского округа и внесении изменений в постановление Администрации Петрозаводского городского округа от 10.05.2016 № 1900 - Администрация Петрозаводского городского округа. petrozavodsk-mo.ru (4 июля 2016). Дата обращения: 12 ноября 2016. Архивировано 12 ноября 2016 года.
- ↑ drdisrespect on shungite. Дата обращения: 15 июня 2021. Архивировано 16 июня 2021 года.
Литература
[править | править код]- Шунгит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Иностранцев А. А. Новый крайний член в ряду аморфного углерода // Горн. журн. — 1879. — Т. 11, 5-6. — С. 314—342.
- П. А. Борисов. Карельские шунгиты. — Петрозаводск. — 1956 г. — 92 с.
- Шунгиты Карелии и пути их комплексного исследования. Под ред. В. А. Соколова и Ю. К. Калинина. — Петрозаводск, 1975. — 240 с.
- Шунгиты — новое углеродистое сырьё. Под ред. В. А. Соколова, Ю. К. Калинина, Е. Ф. Дюккиева. — Петрозаводск, «Карелия», 1984. — 182 с.
- Геология шунгитоносных, вулканогенно-осадочных образований протерозоя Карелии. — Петрозаводск. — Институт геологии КФАН СССР, — 1982. — 175 с.
- Филиппов М. М. Шунгитоносные породы Онежской структуры. — Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2002. — С. 7-32.
- Kovalevski V. V., Prikhodko A. V., Buseck P. R. Diamagnetism of natural fullerene-like carbon // Carbon. 2005. Vol. 43/2. — pp. 401—405.
- Соловов В. К. Радиоэкранирующие свойства композиционных материалов на основе шунгитовых пород и сооружений из этих материалов, Дисс. канд. техн. наук. — Петрозаводск, 1990. — 155 с.
- V. V. Kovalevski, P. R. Buseck and J. M. Cowley Comparison of carbon in shungite rocks to other natural carbons: An X-ray and TEM study // Carbon. — 2001. — Vol. 39, No. 2. — pp. 243—256.
- N. N. Rozhkova, Role of Fullerene-like Structures in the Reactivity of Shungite Carbon as Used in New Materials with Advanced Properties. E. Osawa (ed.) in Perspectives of Fullerene Nanotechnology, —Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Pub. 2002, 237.
- Филиппов М. М. Шунгитоносные породы Карелии: чёрная олонецкая земля, аспидный сланец, антрацит, шунгит. — Петрозаводск, 2004. — 488 с. Архивная копия от 27 декабря 2014 на Wayback Machine
- А. В. Бархатов, В. А. Шеков. Основы стоимостной оценки минерально-сырьевых ресурсов Карелии. — Петрозаводск, 2002. — 334 с.
- Рафиенко В. А. Технология переработки шунгитовых пород. — М.: ГЕОС, 2008. — 214 с.
- Субпластовый тип месторождений шунгитов Карелии / М. М. Филиппов, Ю. Е. Дейнес. — Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2018. — 261 с.: ил. 176, табл. 40. Библиогр. 326 назв. ISBN 978-5-9274-0832-0
Ссылки
[править | править код]
- Шунгит в GeoWiki Архивная копия от 11 апреля 2021 на Wayback Machine
- Шунгит в Каталоге Минералов Архивная копия от 23 сентября 2015 на Wayback Machine
- Шунгит — статья из Большой советской энциклопедии.
- Шунгит — богатство Карелии Архивная копия от 5 мая 2014 на Wayback Machine
- Электронная библиотека КарНЦ РАН. Общие сведения о шунгите. Архивная копия от 16 июля 2014 на Wayback Machine
- Электронная библиотека КарНЦ РАН. Характеристика месторождений шунгита. Архивная копия от 17 июня 2020 на Wayback Machine
