Какими свойствами обладает шунгит

Шунги́т, устар. синоним «аспидный камень», «пробирный камень», лидит или парагон[1] — докембрийская горная порода, занимающая по составу и свойствам промежуточное положение между антрацитами и графитом. Встречаются разновидности шунгита чёрного, тёмно-серого и коричневого цвета.

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, прожилков. 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», «Мягрозерское», «Нигозерское», «Максово» и «Зажогино», а также «Турастамозерское» (Медвежьегорский район). Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд тонн.

К настоящему времени разведано Коксуское месторождение в Казахстане с подтверждённым запасом 49 млн 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)×103См/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:

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[править | править код]

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 категоризирован 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].

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 индустрии шунгит используется также для производства шунгизита — лёгкого заполнителя бетона.

Фильтрация воды[править | править код]

Дроблёный шунгизит обладает достаточной для загрузки фильтров механической прочностью, химически стоек, не загрязняет фильтруемую через него воду и, таким образом, пригоден для загрузки фильтров.[9][10] В настоящее время МП «Петрозаводскводоканал» использует дроблёный шунгизит 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.

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[12] 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[13].

Примечания[править | править код]

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.
• 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
• Шунгит в Каталоге Минералов
• Шунгит — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Шунгит — богатство Карелии
• Электронная библиотека КарНЦ РАН. Общие сведения о шунгите.
• Электронная библиотека КарНЦ РАН. Характеристика месторождений шунгита.