Шунгит

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Запрос «Аспидный сланец»[d] перенаправляется сюда. На эту тему нужно создать отдельную статью.
Образцы шунгитовой породы
Внешние изображения
Карельский шунгит
Шунгит с жилками пирита
Керн шунгитовой породы

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

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

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

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

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

Различают две разновидности:

  1. Блестящая разновидность
    • C = 94 %
    • O, N = 1,9 %
    • H = 0,8 %
    • зольность = до 2,2 %
  2. Матово-серая разновидность
    • C = 64 %
    • O, N = 3,5 %
    • H = 6,7 %
    • зольность = до 3,3 %

Химический состав шунгита, используемого в качестве сорбента

№ Элемент, Компонент Формула компонента Содержание % массы
1 Оксид алюминия Al2O34,05
2 Оксид железа (III) Fe2O31,01
3 Оксид железа (II) FeO 0,32
4 Оксид калия K2O 1,23
5 Оксид кальция CaO 0,12
6 Оксид кремния SiO236,46
7 Оксид магния MgO 0,56
8 Оксид марганца MnO 0,12
9 Оксид натрия Na2O 0,36
10 Оксид титана TiO20,24
11 Оксид фосфора P2O30,03
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

Металлургия

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

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

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

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

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

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[].

Шунгизит

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

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

Внешние изображения
Фигурка медведя из шунгита.

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

  1. ↑ Борисов П. А. Карельские шунгиты. — Петрозаводск: Госиздат Карело-Финской ССР, 1956.
  2. ↑ 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.
  3. ↑ 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.
  4. ↑ 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.
  5. ↑ Шпилевский М. Э., Шпилевский Э. М., Стельмах В. Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры // Инженерно-физический журнал. — 2001. — Т. 76, № 6. — С. 25—28.
  6. ↑ Мосин О. В., Игнатов И. Состав и структурные свойства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита // Наноинженерия. — 2012. — № 6. — С. 17—23.
  7. ↑ Альтернатива коксу. МеталлТрейд (15 марта 2011). Дата обращения: 6 августа 2013. Архивировано из оригинала 6 марта 2016 года.
  8. ↑ Мосин О. В., Игнатов, И. Применение природного фуллеренсодержащего минерала шунгита в строительстве и строительных технологиях // Нанотехнологии в строительстве. — 2012. — № 6. — С. 22—34
  9. ↑ 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.
  10. ↑ Мосин О. В., Игнатов, И. Природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент шунгит в водоподготовке и водоочистке/Чистая вода: проблемы и решения. 2012. № 6. С. 109—115.
  11. ↑ Официальный портал органов государственной власти Республики Карелия. Дата обращения: 20 мая 2011. Архивировано 25 сентября 2011 года.
  12. ↑ Дмитрий Джагаров. Алхимия «волшебной сажи» — перспективы применения фуллерена C60 в медицине. Биомолекула. Дата обращения: 9 февраля 2021. Архивировано 14 февраля 2021 года.
  13. ↑ 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
  14. ↑ 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.
  15. ↑ drdisrespect on shungite. Дата обращения: 15 июня 2021. Архивировано 16 июня 2021 года.

Литература

  • 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