Минералогия: ренессанс классической науки в XXI веке
Об успехах российской минералогии журналу «Поиск НН» рассказывает наш земляк, физик и минералог, д. ф. м. н. Никита Владимирович ЧУКАНОВ, в честь которого назван один из новых минералов и который является, по признанию немецкого издательства Springer, автором одной из трех лучших книг 2014 г. по наукам о Земле
Результаты анализа российских научных публикаций по наукам о Земле в международных базах данных были опубликованы в 2015 г. в «Вестнике РАН» № 1. В материале говорится, что доля научных публикаций отечественных ученых в этой области равна 5,13%, что более чем вдвое превышает показатель (2,44%), рекомендованный Президентом страны в майском указе. Более 68% этих работ опубликовано без участия соавторов из других стран. Правда, большая часть этих работ опубликована в журналах с относительно невысокими значениями импакт-фактора и за последние четыре года ситуация почти не изменилась.
— Минералогия — одна из немногих естественных наук, если не единственная, в которых Россия является мировым лидером, — говорит Никита Чуканов. — Об этом свидетельствует тот факт, что в ряде ведущих международных научных минералогических журналов авторы или соавторы 10–12% статей являются нашими соотечественниками, а 15-20% открытий новых минералов сделано с участием российских ученых. Из приблизительно 5500 минералов, открытых со времен Ломоносова и зарегистрированных Международной минералогической ассоциацией, около 1000 открыто отечественными минералогами или с их участием.
Конец 1960-х годов стал переломным временем с точки зрения «идеологии» работ, в результате которых происходит открытие большинства новых минералов. За последние полвека описано более 3/4 от всего количества новых минералов, открытых в России и других странах бывшего СССР, и большинство из них изучено в процессе специализированных минералогических работ, как правило, на уже известных геологических объектах, отличающихся минеральным разнообразием и своеобразием. В предыдущий двухвековой период большинство открытий, хотя и сделано по преимуществу минералогами, было связано с работами более общего характера: с исследованиями по развитию фундаментальной и прикладной геологии, с разведкой и освоением месторождений твердых полезных ископаемых.
— По заявкам, поданным в КНМНК в 2017 году, утверждены 117 новых минералов. Среди авторов этих заявок с сильным отрывом от других стран лидируют минералоги из России и США: 32 минерала были открыты с участием российских исследователей и 27 — с участием американских, — отмечает ученый. — Полной статистики по 2018 году еще нет, но, возможно, будет небольшой перевес в пользу США. В целом же, по данным российского минералога Игоря Пекова, за прошедшие 250 лет в России открыто 796 новых минеральных видов, на территории других республик бывшего СССР — 196 (итого 992 минерала). По числу новых минералов Россия сейчас уступает только США, где их открыто 825.
Наиболее активны в этом направлении пять исследователей, на долю каждого из которых приходится участие в открытии более 100 новых минералов. По данным на конец 2018 года это: Александр Хомяков (1933–2012 гг., Россия, 101 новый минерал); Питер Данн (1942–2017 гг., США, 135 новых минералов); Энтони Кампф (р. 1948 г., США, 221 новый минерал); Никита Чуканов (р. 1953 г., Россия, 223 новых минерала); Игорь Пеков (р. 1967 г., Россия, 246 новых минералов). Но в последние годы российские минералоги опережают американских по количеству открываемых минералов и скоро, я думаю, перегонят их по общему количеству минералов, открытых за всю историю. В знак признания заслуг российской минералогии в 2014 г. на съезде Международной минералогической ассоциации (он происходит раз в четыре года) президентом ассоциации был избран минералог и кристаллограф, профессор Санкт-Петербургского государственного университета Сергей Кривовичев.
— Причин успешного развития минералогии в России несколько, — продолжает собеседник. — Россия — это сырьевая держава, имеющая большую площадь с не полностью разведанными минеральными ресурсами и одна из немногих стран, где в средней школе в качестве обязательного курса преподавали минералогию и геологию (знаю, что мои родители изучали в школе этот предмет). На протяжении последнего столетия геологической разведке и наукам о Земле в нашей стране уделялось особое внимание, и до недавнего времени профессия геолога была популярна и овеяна романтизмом. И это не удивительно, если учесть, что СССР занимал 1/6 часть суши планеты Земля, а на долю современной России приходится 1/8 суши, и на этой территории, имеющей чрезвычайно сложное геологическое строение, сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых. Долгое время наиболее перспективными с точки зрения открытия новых минералов были щелочные магматические горные породы. Прежде всего в этом отношении лидировали Хибинский и Ловозерский массивы на Кольском полуострове, но в последнее время больше всего открытий новых минералов сделано в продуктах фумарольной деятельности вулкана Толбачик на Камчатке после мощного извержения, произошедшего там несколько лет назад.
Кроме того, минералогия — одна из наиболее интернациональных областей знания, так как геологические процессы не знают государственных и административных границ. Поскольку многие минералы известны лишь в виде микроскопических зерен или кристаллов и для их исследования необходимы тонкие приборы, количество которых в мире иногда исчисляется единицами, некоторые анализы делаются в крупных международных аналитических центрах, и их специалисты охотно идут на сотрудничество с российскими минералогами.
Выдающемуся минералогу и философу академику Николаю Павловичу Юшкину принадлежит высказывание: «Наиболее информативным показателем уровня развития минералогии является число известных ей на определенный исторический момент минеральных видов». В этой фразе кроется глубокий смысл. Количество минеральных видов, известных к моменту создания КНМНМ, едва ли достигало 2000. Сейчас это количество составляет более 5500 и быстро растет, особенно в последние пять-семь лет. Однако это число ничтожно по сравнению с количеством известных синтетических химических соединений, которое по разным оценкам составляет от пяти до 15 миллионов.
По словам Никиты Чуканова, одной из причин относительно небольшого количества официально зарегистрированных новых минералов являются жесткие требования, предъявляемые к их изученности. Заявка на новый минерал требует гораздо больше трудозатрат, чем, например, заявка на получение патента на изобретение; для этого надо определить полный химический состав минерала, нередко включающий десятки химических элементов, физические, химические, механические и спектроскопические свойства, дифрактометрические и оптические характеристики, сделать расшифровку его кристаллической структуры, реконструировать условия образования, сделать обзор литературы по близким по составу или структуре минералам и химическим соединениям и представить многие другие сведения. Эталонный образец предполагаемого нового минерала должен быть передан в научно-курируемый минералогический музей. Далее заявка на новый минерал проходит экспертизу в КНМНК Международной минералогической ассоциации, где аккредитованы эксперты из 38 стран, в том числе США, Канады, Бразилии, Австралии, Китая, Японии, Индии, Израиля, России и большинства европейских стран. Для предварительного утверждения нового минерала следует набрать не менее 2/3 голосов «за». Затем в течение двух лет статья с полным описанием нового минерала должна быть опубликована в одном из ведущих международных минералогических журналов, где она проходит жесткое рецензирование. Только после этого новый минерал считается окончательно утвержденным.
— Может показаться, что открытие новых минералов — это область «чистой» академической науки, не представляющая практического интереса. Однако это обманчивое впечатление, — заверяет исследователь. — Многие минералы, в том числе важные породообразующие и рудные, до сих пор не удалось синтезировать.
Природа же создает их с легкостью, предоставляя возможность изучить их свойства. В частности, минералы группы эвдиалита, являющиеся важными концентраторами циркония и ряда других редких элементов в некоторых типах щелочных горных пород, так и не были синтезированы, несмотря на многочисленные попытки. Эти минералы имеют сложные кристаллические структуры, состоящие из девяти- и трехчленных силикатных колец и шестичленных колец из атомов кальция, окруженных шестью атомами кислорода, а сборка кристаллических структур из этих элементов осуществляется связями через самые различные группы атомов. При всей сложности эти структуры легко образуются при отверждении щелочной магмы определенного состава.
Практическое значение редких минералов, не имеющих синтетических аналогов, заключается в том, что они могут рассматриваться как прототипы материалов с полезными свойствами. Некоторые минералы проявляют ионообменные свойства. Так, мурманит и терскит способны извлекать серебро и некоторые радиоактивные изотопы из разбавленных растворов, что указывает на возможность использования аналогичных материалов в сольвометаллургии и водоочистке. Минералы, содержащие уран и торий, являются важными моделями материалов для иммобилизации и захоронения радиоактивных элементов – актиноидов. По этим минералам, образовавшимся миллионы лет назад, можно судить, какие из них проявляют наибольшую стойкость по отношению к выветриванию и долговременному воздействию радиоактивного излучения.
Научное и практическое значение новых минералов в первую очередь заключается в том, что они служат источником нового знания о кристаллическом веществе, расширяя наши представления о кристаллохимии и структурном разнообразии неорганических соединений. Более 50 % минералов, открываемых в наши дни, не имеют синтетических аналогов, а многие из них относятся к новым, неизвестным ранее структурным типам. Открытия новых минералов позволяют установить новые формы концентрации в природе химических элементов, в первую очередь редких и рассеянных, служат развитию представлений о поведении элементов в геологических процессах. Обнаружение в геологической среде редкого или нового минерала является индикатором необычных физических и/или химических параметров среды образования, что важно учитывать при разведке месторождений полезных ископаемых.
Для современных технологий новые минералы представляют интерес как потенциальные носители важных свойств, прототипы новых материалов, используемых как молекулярные сита, иониты, сорбенты, катализаторы, пьезо- и пироэлектрики, ионные проводники, биоактивные вещества и другие соединения. Поиском подходов к созданию материалов, архитектурных ансамблей, произведений искусства, к разработке методов химического синтеза и т. д., при которых идеи и технологические схемы заимствуются при изучении геологических и космохимических процессов, строения и свойств минералов и горных пород, занимается наука геомиметика, практической задачей которой является оптимизация системы «Человек — материал — среда обитания».
— В настоящее время можно говорить о минералогии как старой науке, возрожденной на новом уровне, — поясняет ученый. — Дело в том, что до XVIII века все естественные науки существовали как единое целое, которое называлось натурфилософией. В XVIII веке стали все более отчетливо обособляться отдельные области — физика, химия, минералогия, биология. Теперь же происходит обратный процесс — интеграция различных областей науки. Родился термин «междисциплинарные исследования», научные фонды объявляют конкурсы междисциплинарных проектов. В минералогии это проявляется особенно ярко. Например, появились физико-химические методы, позволяющие исследовать строение вещества на молекулярном уровне (наноминералогия), при сверхвысоких давлениях в недрах Земли (минералогия мантии Земли), исследовать механизмы минералообразования в организмах человека и животных (биоминералогия).
Минералогов иногда спрашивают, зачем нужно изучать новые минералы, если они не образуют больших скоплений? Во-первых, некоторые минералы, которые в момент их открытия были известны в виде единичных зернышек, потом были найдены в гораздо больших количествах и теперь рассматриваются как ценное сырье. Во-вторых, многие из таких минералов до сих пор не удалось синтезировать в лаборатории, а природа уже дарит нам возможность изучить их свойства, которые могут оказаться полезными. В-третьих, редкие минералы часто являются индикаторами, по которым можно судить об условиях образования горных пород и руд — давлении, температуре, концентрациях различных элементов.
По итогам голосования членов Международной минералогической ассоциации открытый Никитой Чукановым и его коллегами новый минерал чанабаяит был объявлен «минералом 2015 года», так как он сочетает в себе уникальную кристаллическую структуру, необычный состав и совершенно необычный механизм образования и стал первым металлорганическим минералом, содержащим в своей структуре триазолятные кольца. Потребовалась виртуозная работа группы специалистов в области использования разных физико-химических методов для того, чтобы в этом разобраться. Чанабаяит назван по месту находки в органических отложениях на горе Пабельон-де-Пика, Чанабая, Чили в составе ассоциации, включающей нашатырь, галит, йоаннеумит, нитратин.
А в честь Никиты Чуканова назван новый минерал чукановит, Fe2CO3(OH)2, железистый аналог малахита, обнаруженный Игорем Пековым в метеорите, упавшем в доисторическое время близ деревни Дронино Касимовского района Рязанской области. Встречен в пустотах в камасите, космическом никелистом железе в составе железного метеорита, в виде игольчатых и волокнистых масс, сферолитов и радиально-волокнистых агрегатов, по морфологии похожих на малахит. Образовался как продукт наземного изменения метеоритного железа. Был установлен также среди антропогенных продуктов коррозии в горячей воде в теплообменниках промышленных предприятий в Берингене, Швейцария (Erdös & Altorfer, 1976). Цвет минерала — бледно-зеленый, переходящий в коричневато-зеленый; буреет от окисления в течение нескольких месяцев. Чукановит утвержден как новый минеральный вид в 2005 г.
