Шунгит

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Шунгит
Изделие из шунгита.jpg
Сувенирное изделие из шунгита, добытого в Зажогинском месторождении
Формула C — аморфный углерод
Цвет чёрный, тёмно-серый, коричневый
Твёрдость 3,5 – 4
Излом Ступенчатый, раковистый
Плотность 2,1 – 2,4 г/см3 г/см³
Images.png Внешние изображения
Image-silk.png Карельский шунгит
Image-silk.png Шунгит с жилками пирита
Image-silk.png Керн шунгитовой породы

Шунги́т — докембрийская горная порода, занимающая по составу и свойствам промежуточное положение между антрацитами и графитом. Встречаются разновидности шунгита чёрного, тёмно-серого и коричневого цвета.[1][2][3]

Происхождение[править | править вики-текст]

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 вики-текст]

Первые эпизодические описания горных пород «чёрной Олонецкой земли» были предприняты Н. Я. Озерецковым в 1792 году и Н. К. Комаровым в 1848 году.

В 1877 году А. А. Иностранцев определил породу как новый крайний член в ряду природных некристаллических углеродов, не являющихся каменным углем 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 вики-текст]

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 по всему Заонежью — от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке.

Основные запасы шунгитов находятся на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера, промышленная их ценность определена наиболее полно для месторождений «Шуньгское», «Максово», «Зажогино», а также «Нигозерское» и «Мягрозерское». Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд.тонн.

К настоящему времени разведано «Коксуйское месторождение» в Казахстане с подтверждённым запасом 49 млн.тонн.

Физические свойства[править | править вики-текст]

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.[4]

Порода обладает сорбционными и каталитическими свойствами.[5]

Твердое шунгитовое вещество, Ств, не является просто аморфным углеродом, а представляет собой смесь разнообразных углеродных аллотропов, чьи небольшие решётки соединены аморфным углеродом.[6]

Разновидности[править | править вики-текст]

Различают две разновидности:
1) Блестящая разновидность

  • С = 94 %
  • O, N = 1,9 %
  • H = 0,8 %
  • зольность= до 2,2 %

2) Матово-серая разновидность

  • С = 64 %
  • O, N = 3,5 %
  • H = 6,7 %
  • зольность = до 3,3 %

Химический состав шунгита, используемого в качестве сорбента[править | править вики-текст]

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 0,78
27 Вода H2O 1,40
28 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 легкости получения разнообразных углеродных аллотропов, шунгит категоризирован как перспективный материал для развития нанотехнологий и является объектом изучения в институтах нанотехнологий.[7][8]

Применение[править | править вики-текст]

Металлургия[править | править вики-текст]

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)[9].

Строительство[править | править вики-текст]

Другая область применения— строительство.[10] 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 заменителя бетона.

Фильтрация воды[править | править вики-текст]

Дроблёный шунгизит обладает достаточной для загрузки фильтров механической прочностью, химически стоек, не загрязняет фильтруемую через него воду и, таким образом, — пригоден для загрузки фильтров.[11][12] 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.[13]

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 вики-текст]

Изделиям, пастам и фильтрам на основе шунгита приписывается лечебное воздействие.

Шунгизит[править | править вики-текст]

Шунгизит — искусственный пористый материал, получаемый при обжиге шунгитсодержащих пород. Шунгизит используется в качестве заполнителя для лёгких бетонов (шунгизитобетон) и в качестве теплоизоляционной засыпки.

Примечания[править | править вики-текст]

Упомянутое выше шунгитовое вещество, Ств, считается органическим веществом в очень высокой стадии метаморфизма. Его стандартный состав очень прост и включает элементарный углерод в количестве С=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 С<10 %, так что фактически это шунгитсодержащая порода; в шунгите-IV С~10–20 %; шунгите-III С~20–35 %; в шунгите-II С~35–80 %; наконец, шунгит-I содержит С>95–98 %, т. е. почти полностью состоит из шунгитового вещества.  

Вторым основным компонентом шунгитов является главная составляющая горных пород, т. е. 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., причем обращает на себя внимание однородность перемешивания веществ, составляющих шунгиты.   

Надежно установлено, что твердый углерод шунгитов выстроен соединенными между собой глобулами, т. е. частицами шаровой в основном формы. Диаметр шунгитовых глобул порядка 10 нм. Такое строение уникально, поскольку не наблюдается ни в каких других объектах естественного твердого 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. Все это не позволяет в отличие от других представителей природного твердого углерода уверенно судить о возможных источниках и механизмах возникновения в естественной среде твердого углерода данного типа и не дает 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[14] собраны и проанализированы практически все известные основные факты и модельные представления о шунгитах. Рассмотрена реальная ситуация с практическим применением пород.  

Показано, что наиболее распространенную 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, с многими другими данными.  

Представлено обоснование того, что основа структуры шунгитового углерода, т. е. 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, т. е. 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 тяжелых 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, т. е. 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 кремнезема в областях основного вулканизма обычно связано с глубоко преобразованным вулканическим пеплом (с пепловой седиментацией).  

  1. Andrievsky G. V., Bruskov V. I., Tykhomyrov A. A., Gudkov S. V. Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated С60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo // Free Radical Biology & Medicine. 2009. V. 47. pp. 786—793.
  2. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C. C60: Buckminsterfullerene // Nature. 1985. V. 318. pp. 162—168.
  3. Волкова И. Б., Богданова М. В. Шунгиты Карелии // Сов. геология. 1985. № 10. С. 93-100.
  4. Парфенева (sic) Л. С., Волконская Т. И., Тихонов В. В., Куликова И. Н., Смирнов И. А., Рожкова Н. Н., Зайденберг А. З. Теплопроводность, теплоемкость и термоэдс шунгитового углерода // Физика твердого тела. 1994. Т. 36. № 4. С. 1150—1153.
  5. Горштейн А. Е., Барон Н. Ю., Сыркина М. Л. Адсорбционные свойства шунгитов // Изв. вузов, химия и химич. технология. 1979. Т. 22. № 6. С. 711—715.
  6. Парфеньева (sic) Л. С., Смирнов И. А., Зайденберг А. З., Рожкова Н. Н., Стефанович Г. Б. Электропроводность шунгитового углерода // Физика твердого тела. 1994. Т. 36. № 1. С. 234—236.
  7. Шпилевский М. Э., Шпилевский Э. М., Стельмах В. Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры / Инженерно-физический журнал. 2001. Т. 76. № 6. С. 25-28.
  8. Мосин О. В., Игнатов, И. Состав и структурные своиства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита//Наноинженерия.2012.№ 6. С. 17-23.
  9. Альтернатива коксу. МеталлТрейд (15 марта 2011). Архивировано из первоисточника 13 августа 2013.
  10. Мосин О. В., Игнатов, И. Применение природного фуллеренсодержащего минерала шунгита в строительстве и строительных технологиях // Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 6. С. 22-34
  11. 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.
  12. Мосин О. В., Игнатов, И. Природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент шунгит в водоподготовке и водоочистке/Чистая вода: проблемы и решения. . 2012. № 6. С. 109—115.
  13. Официальный портал органов государственной власти Республики Карелия.
  14. Берёзкин В.И. Углерод: замкнутые наночастицы, макроструктуры, материалы. — СПб.: АРТЭГО, 2013. — 450 с. — ISBN 978-5-91014-051-0

Литература[править | править вики-текст]

  • Шунгит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (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. — 175с.
  • 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. Шунгитовые породы Карелии: чёрная Олонецкая земля, аспидный сланец, антрацит, шунгит. — Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004, 488с, ил. 32, табл.4. Бибилеогр. 238 назв.
  • А. В. Бархатов, В. А. Шеков. Основы стоимостной оценки минерально-сырьевых ресурсов Карелии. 2002, — Петрозаводск, 334 с.
  • Рафиенко В. А. Технология переработки шунгитовых пород. М.: ГЕОС, 2008. — 214 с.

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «шунгит»