Высшая проба: зачем ученым драгоценные металлы и как их искать

Золото, платина и другие драгоценные металлы — сегодня это не просто символы богатства, но и важные элементы, которые активно используют в научно-технологических и промышленных отраслях: от электроники и медицины до автомобилестроения и космических технологий. Чтобы обнаружить месторождения с ценными металлами, ученые разрабатывают и применяют инновационные методы в области геологии.

Как проводят такие исследования? С помощью каких технологий ищут месторождения драгоценных металлов? И опасны ли ювелирные украшения из платины? На эти и другие вопросы порталу Наука.РФ ответила лауреат премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2023 год, профессор кафедры геохимии Санкт-Петербургского Государственного Университета (СПбГУ), научный сотрудник лаборатории изотопной геологии Института геологии и геохронологии докембрия (ИГГД) РАН, кандидат геолого-минералогических наук Ольга Якубович.

— Что такое геохронология? Почему важна эта наука, какие задачи она решает?

 — Геохронология — это наука, которая изучает возраст и длительность геологических процессов на нашей планете. Отвечает на вопросы о том, когда сформировались те или иные породы, когда образовались горы и океаны. Чтобы объяснить важность этого научного направления, нужно отметить, как появление методов изотопной геохронологии изменило наши представления об эволюции Земли. Ведь еще 100 лет назад у людей было смутное представление о возрасте нашей планеты, никто и не мог подумать, что миру вокруг нас миллиарды лет! Только с открытием радиоактивности, когда мы научились изучать вещество на уровне изотопов, стало понятно, что Земле 4,5 миллиарда лет. И что она постоянно меняется, за это время на ней перемещались континенты, двигались тектонические плиты, менялся состав атмосферы и много чего еще.

Геохронология сегодня — это одно из базовых направлений в геологии. На основе возраста пород строятся современные геологические карты, разрабатываются стратегии поиска месторождений полезных ископаемых.

— Как ищут месторождения драгоценных камней и минералов?

 — Поиск новых месторождений — это сложная и комплексная задача, которая требует от специалистов знаний из самых разных областей науки. И, действительно, например, геологи-геохимики могут защищать свои кандидатские диссертации как по геолого-минералогическим, так и химическим, физико-математическим и техническим наукам. И это, если не рассматривать такое направление как экономическая геология.

Любая полевая работа начинается с подготовки: геологи изучают геологические карты, данные спутниковой съемки, пытаются разглядеть какие-нибудь разломы или другие структуры, которые могли бы послужить концентраторами рудных компонентов, изучают материалы предшественников и выполняют много другой организационной работы, связанной непосредственно с подготовкой к экспедиции.

На первых этапах геологической разведки применяют геохимические и геофизические методы. Например, в исследуемом районе запускают специальный дрон с датчиками, которые ловят сигналы о наличии того или иного типа горных пород.

Затем проводится геохимическая съемка: геологи берут образец породы и изучают ее химический и минеральный состав. Как правило, ценные элементы встречаются в очень низких концентрациях. Допустим, золото. Обычно его находят в содержаниях, составляющих менее грамма на тонну. Это примерно миллионная доля процента! Такие содержания в полевых условиях не определить. Поэтому собранный каменный материал привозят в лаборатории, научные центры, где уже он уже изучается самыми современными методами.

Для поисков месторождений применяют и методы изотопной геохронологии. С их помощью определяют возраст пород и минералов. Зная возраст рудообразования, мы можем привязать минерализацию к масштабным геологическим процессам и, тем самым, скорректировать стратегию поиска рудной залежи в районе исследований.

— Как ваш метод помогает обнаружить залежи золота и платины?

 — Дело в том, что большинство методов изотопной геохронологии помогают определять возраст магматических процессов, таких как извержение вулканов. Но рудообразование зачастую связано с другим типом геологических процессов — гидротермальными, когда, например, горячая вода (флюид) просачивается через толщу горных пород. Именно с такими процессами связано большое количество месторождений золота. Но определить их возраст классическими методами геохронологии сложно, долго и дорого.

Поэтому мы предложили свой метод. Мы определяем в пирите — очень распространенным в золоторудных месторождениях минерале — концентрацию гелия, урана и тория, и на основании закона радиоактивного распада рассчитываем его возраст. Этот подход относительно быстрый и простой. Эта информация помогает геологам скорректировать стратегию поиска в конкретном регионе. Например, если геолог знает, что в районе его работ главный рудообразующий этап был 150 миллионов лет назад, а возраст найденной им жилы такой же, то в этом месте имеет смысл поискать получше.

— Откуда в самородных минералах берется гелий?

 — Он возникает за счет радиоактивного распада. В природе не бывает идеально чистых соединений. В минералах всегда есть какое-то количество примесей, в том числе радиоактивных элементов.

Например, в пирите и золоте почти всегда есть примесь урана и тория. А в платине источником гелия является сама платина. Этот металл содержит шесть изотопов, один из которых — радиоактивный. К слову, любителям ювелирных украшений бояться этого не стоит: период полураспада платины составляет 450 миллиардов лет, поэтому за нашу жизнь ничего страшного не произойдет. Но за геологическую историю платина успевает распасться. Соответственно, в минералах платины мы видим гелий, который образовался при радиоактивном распаде самой платины.

— Как гелий сохраняется в этих минералах?

 — Хороший вопрос. Это те самые фундаментальные наблюдения, которые лежат в основе предложенного нами метода. Почему этим методом не занимались, например, 30-50 лет назад? Физика ведь здесь простая. Научное сообщество считало, что гелий не способен сохраняться в этих минералах в течение миллионов лет. Он маленький, инертный, поэтому с чего бы вдруг ему сохраняться в этих кристаллах? Мы изучали сохранность гелия в разных минералах и обнаружили, что в некоторых из них гелий на самом деле неплохо держится. В частности, в металлах и пирите. Когда это выяснилось, сразу появилась возможность предложить методы для решения задач в области прикладной геохронологии.

То есть, метод, который мы разработали — это следствие двух вещей. Первое: фундаментальные исследования сохранности гелия в минералах. Второе: комплекс оборудования, сделанный под нашу задачу. Благодаря этому у нас появилась гибкость исследований. Потому что, если бы мы вели работы на стандартном «покупном» оборудовании, модернизировать его для решения геохронологических задач было бы существенно сложнее.

— Какое это оборудование? В чем его особенность?

 — Это масс-спектрометр, который мы разработали с коллегами. С его помощью можно определять ультранизкие содержания гелия в минералах, а потом в этих самых минералах определять содержания урана и тория. Это стало возможно благодаря необычной конфигурации этого комплекса оборудования, в нем имеется специальная система ввода и вывода образцов без контакта с атмосферой. Мне кажется, это отличный пример того, насколько важно развивать научные исследования в тесной связке с отечественным приборостроением.

— Где впервые удалось протестировать метод?

 — На Южном Урале. Там находится Узельгинский рудник, довольно известное свинцово-цинковое месторождение. Мы хотели убедиться, что метод работает, поэтому решили его проверить на породах, возраст которых хорошо изучен. Позже провели аналогичные эксперименты на Полярном Урале, в Хабаровском крае, Якутии и на Алтае. Сейчас работаем уже и с объектами за рубежом. Интерес к нашему методу для геологоразведки есть не только в России, но и в странах Африки. Поэтому было бы здорово, если в будущем такие технологии масштабируют.

— Какие еще минералы можно найти с помощью вашей технологии?

 — Пирит встречается почти во всех типах месторождений, в том числе и других ценных металлов. Поэтому датирование пирита, в перспективе, может помочь и в поисках таких металлов, например, как индий, кобальт. Сейчас мы начинаем работу, связанную с изучением пирита из нефтематеринских пород. Это пирит, который образуется при термическом разложении органического вещества. Нам важно выяснить, можно ли определить возраст нефтегенерации по пириту и, оценит, насколько эта информация может помочь в поисках залежей нефти и газа. Планируем сейчас сфокусировать наши исследования в этом направлении.

— С минералами понятно. А могут ли они рассказать что-то о местности, в которой их обнаружили?

 — Конечно. Взяв небольшой фрагмент породы и изучив его в лаборатории разными методами, можно проследить историю региона до нескольких миллиардов лет. Например, выяснить, когда здесь формировались и разрушались горы, извергались вулканы. Мне особенно интересны исследования, «переносящие» нас на 3.5 — 4 миллиарда лет назад, когда на Земле зарождалась жизнь. Камней такого возраста, которые могли бы что-то рассказать об этом периоде, осталось очень мало. Поэтому современные исследователи изучают их с помощью самых передовых технологий, и реконструируют климат, состав атмосферы в то время и много других параметров. Однако это относится к области фундаментальных исследований. Недропользователи в такие задачи, как правило, не погружаются.

— Расскажите об актуальных тенденциях в геологии и геохимии. Что волнует современных геологов?

 — Все новые направления связаны с технологическим прогрессом. Сегодня мы можем изучать вещество на уровне отдельных изотопов, причем довольно быстро. Но нерешенных вопросов в области геохронологии еще очень много.

Например, человека интересует, что будет с климатом через 50 — 150 лет? Но современные геологи не могут ответить на эти вопросы. Геология сегодня мыслит в масштабах миллионов лет. Мы знаем, что в геологической летописи были моменты, когда содержание углекислого газа (СО₂) в атмосфере было на порядок выше, чем сейчас. Планету это не уничтожило — океан успешно поглотил избыточный СО₂. Но остается вопрос: как быстро это случилось? Если океан сделал это за несколько лет, то нам, людям, можно не переживать насчет увеличения содержания углекислого газа. Но если океан сделает это через миллион лет, то нам и нашим детям будет не сильно легче. Поэтому одно из ключевых направлений современной геологии — оценить не только, когда был процесс, но и его длительность, скорость. Благодаря новым методам мы начинаем это понимать.

— Что нужно сделать, чтобы ускорить развитие таких методов?

 — Во-первых, как я уже упоминала, нужен альянс с научным приборостроением. Необходимо совершенствовать материально-техническую базу, производить технологии под конкретные научные задачи. Во-вторых, современная наука — она междисциплинарная, необходимо развивать научные коллаборации с институтами, университетами, отраслевыми предприятиями и ведомствами, привлекать специалистов разного профиля.

— А искусственный интеллект как-то может помочь геологам?

 — Да, безусловно. Его потенциал я вижу в двух направлениях. Первое: ИИ может взять на себя рутинную геологическую работу. Например, описывать керн, шлифы и тому подобное. Пока с этими задачами человек справляется быстрее и лучше. Но в ближайшем будущем, часть подобной работы ИИ, вероятно, возьмет на себя. Второе: генерация идей. Искусственный интеллект имеет возможность анализировать большие объемы данных из самых разных областей геологии. Это может привести к тому, что ИИ сможет заметить что-то, что ранее ускользало от внимания исследователей.

— И напоследок. С какими мифами о науке вам чаще всего приходилось сталкиваться?

 — Главный миф — это, наверное, что геолог — бородатый мужчина в свитере с огромным рюкзаком, молотком и гитарой. Такие геологи, конечно, тоже есть, но это уже большая редкость. Современный геолог, в зависимости от направления, в котором он работает, может как ходить по горам, рассекать просторы страны на вездеходах, так и проводить время в лабораториях за самыми современными приборами. Может работать в полях молотком и лопатой, а может собирать и обрабатывать данные с летательных аппаратов и спутников. Геолог будущего — это уже и планетолог. Геология уже вышла за пределы нашей планеты — ведутся работы по изучению геологии Марса, Венеры, Луны и даже экзопланет (планет в других звездных системах). Поэтому не знаю, появится ли этот предмет когда-либо в школе, но в будущем человечеству без геологии точно нельзя будет обойтись.


Беседовала Анна Шиховец