Шунгит

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Шунгит
Шунгит.jpg
Образцы шунгитовой породы
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]

Происхождение[править | править вики-текст]

Сувенирное изделие из шунгита

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 в 1792 году академиком Н. Я. Озерецковским и в 1848 году штабс-капитаном корпуса горных инженеров Н. К. Комаровым.

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», «Нигозерское» и «Мягрозерское», а также "Турастамозерское" (Медвежьегорский раон). 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.[3]

Порода обладает сорбционными и каталитическими свойствами.[4]

Твердое шунгитовое вещество, Ств, не является просто аморфным углеродом, а представляет собой смесь разнообразных углеродных аллотропов, чьи небольшие решётки соединены аморфным углеродом.[5]

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.[6][7]

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)[8].

Строительство[править | править вики-текст]

Другая область применения— строительство.[9] 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.[10][11] 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.[12]

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, которое научно не доказано.

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.

Шунгиты Турастамозерского месторождения по качеству сырья наиболее перспективны для производства шунгизита. Насыпная объемная масса шунгизита из сланцев Турастамозерского месторождения в среднем менее 350 кг/мЗ, а по отдельным блокам даже менее 250 кг/мЗ (высшая категория качества).

Шунгитовое вещество[править | править вики-текст]

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 %, 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., причем обращает на себя внимание однородность перемешивания веществ, составляющих шунгиты.

Надежно установлено, что твердый углерод шунгитов выстроен соединенными 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 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[13] 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, 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 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, 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 кремнезема в областях основного вулканизма обычно связано с глубоко преобразованным вулканическим пеплом (с пепловой седиментацией).

Примечания[править | править вики-текст]

  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. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Шпилевский М. Э., Шпилевский Э. М., Стельмах В. Ф. Фуллерены и фуллереноподобные структуры / Инженерно-физический журнал. 2001. Т. 76. № 6. С. 25-28.
  7. Мосин О. В., Игнатов, И. Состав и структурные своиства добываемого в России природного фуллеренсодержащего минерала шунгита//Наноинженерия.2012.№ 6. С. 17-23.
  8. Альтернатива коксу. МеталлТрейд (15 марта 2011). Архивировано из первоисточника 13 августа 2013.
  9. Мосин О. В., Игнатов, И. Применение природного фуллеренсодержащего минерала шунгита в строительстве и строительных технологиях // Нанотехнологии в строительстве. 2012. № 6. С. 22-34
  10. 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.
  11. Мосин О. В., Игнатов, И. Природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент шунгит в водоподготовке и водоочистке/Чистая вода: проблемы и решения. . 2012. № 6. С. 109—115.
  12. Официальный портал органов государственной власти Республики Карелия.
  13. 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 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. — 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. Шунгитоносные породы Карелии: черная олонецкая земля, аспидный сланец, антрацит, шунгит. — Петрозаводск, 2004. — 488 с.
  • 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»