Заглянуть глубже

В основе модели месторождения, которую используют для добычи и переработки руды, лежит точное знание о химическом составе, структуре и расположении минералов в породе. Чем точнее модель, тем больше полезных веществ из месторождения можно извлечь.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Знать, какие минералы образовались при определенных условиях, как ассоциируются и влияют друг на друга, также важно для понимания генезиса породы. Это, в свою очередь, позволяет предсказывать и объяснять поведение геологических объектов. Глубокое понимание природных процессов может помочь и в решении технологических задач. Например, карбонатитовые лавы, такие как в осадочно-вулканогенном комплексе Контозеро на Кольском полуострове, имеют невысокую температуру образования (примерно 600 градусов по Цельсию), поэтому изучать минералы в такой лаве полезно для поиска технологий синтеза низкотемпературных материалов и разработки энергосберегающих технологий. Но сейчас большинство исследователей геологических образцов получают информацию или с усредненного объема (при этом теряется понимание взаимного расположения минералов и их влияния на конечный результат), или с двумерной плоскости (тогда не видно объемное распределение структур, необходимое для наиболее корректного построения модели месторождения).

Чтобы закрыть этот пробел, собралась большая команда авторов из Московского государственного университета, Сколковского института науки и технологий, Инженерной школы Мурманского арктического университета, Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья и Геологического института Кольского научного центра РАН, которая впервые исследовала реальный геологический образец породы под названием меймечит из комплекса Контозеро с помощью рентгеновского 3D-микротомографа, а затем математическими топологическими методами воспроизвела распределение минералов в нем. В работе был усовершенствован и применен к реальному объекту метод алгебраической топологии и интегральной геометрии, основанный на анализе функционалов Минковского. Именно поэтому исследовался меймечит, для которого хорошо известны генеалогия, количество видов минералов и их взаимное расположение. Научный отчет об исследовании опубликован в журнале Scientific Reports.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Предыдущая фотография

Следующая фотография

1 / 2

Фото: Предоставлено Минобороннауки

Система компьютерной томографии

Фото: Предоставлено Минобороннауки

Функционалы Минковского — на самом деле хорошо известные всем величины. Это объем объекта, площадь его поверхности, характеристика Эйлера—Пуанкаре (она показывает степень ребристости и изогнутости поверхности) и числа Бетти (количество объектов, количество сквозных туннелей в объектах и количество полностью закрытых пор или полостей). Однако правильное сочетание этих величин и их тщательный анализ дает очень мощный инструмент для исследования распределения в пространстве почти чего угодно. Усовершенствованный метод в дальнейшем применим везде, где важно исследовать распределение структур в объеме: в геологии, горном деле, материаловедении, биологии, археологии и даже при анализе данных. Применимость метода не ограничивается масштабом, еще одно преимущество — образец не требуется разрушать.

Минералогическое строение исследованного образца выглядит следующим образом. Из оливинов состоят большие зерна, пронизанные сквозными каналами. Каналы заполнены серпентином и ассоциацией мелких зерен магнетита и минералов матрицы. Серпентин образует каймы вдоль зерен оливина, но покрывает их не целиком. Эти выводы подтвердили известные данные о происхождении породы: оливины образовались раньше, изменялись вдоль трещин и по поверхности в серпентины, а потом были залиты карбонатной лавой с содержанием магнетита, которая проникла в трещины. Примечательно, что результат подтвердил и перевел в трехмерный формат имеющиеся сведения о форме и распределении минералов в меймечитах. На плоских срезах меймечитов зерна оливина представлялись отдельными мелкими кристаллитами, разделенными каналами с серпентином. 3D-исследование расширило эти знания и показало, что зерна оливина большие, а серпентин не разделяет отдельные кристаллиты, а входит в сквозные каналы в этих больших зернах.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Полученные исключительно расчетными топологическими методами результаты согласовались с известными геологическими данными о происхождении такого рода меймечитов. Результатом исследования стал способ заглянуть внутрь образца и не только понять его происхождение, а применять полученные данные для более точного и полного планирования добычи полезных ископаемых.

Пример потенциального применения этого метода: на каком-то участке месторождения содержание требуемого химического элемента достаточно для начала разработки, но все зерна полезных минералов заключены в оболочку из более твердого и менее растворимого вещества. Химический метод не покажет, где эти оболочки, а срезы не определят, полная это оболочка или частичная. Новый метод выявит эти оболочки, и при планировании разработки месторождения пользователь поймет, что на этом участке нужно применять другие технологические схемы для извлечения полезных веществ, а потом решит, выгодно их применять или нет. Это открывает новые перспективы для применения в горном деле.

Для «Ъ-Науки» — комментарий академика РАН Ивана Тананаева, заместителя генерального директора Кольского научного центра РАН по научной работе:

— Нам постоянно навязывают неверную мысль о том, что науки можно и даже нужно делить на фундаментальные и прикладные. Часто на веру принимается шутливое утверждение академика Арцимовича, что фундаментальная наука — удел ученых, которые всего лишь удовлетворяют свое любопытство в рабочее время и за государственный счет. Прикладники, напротив, кажутся усердными муравьями, которые направляют свои усилия на создание необходимых цивилизации батареек, таблеток и материалов в отличие от «стрекоз»-фундаменталистов. Однако это совершенно неправильно. Никто и никогда не может определить дату и запланировать научный прорыв, ведущий к практическому производству целевых компонентов. Стенли Уиттенгейм, создавший «литиевый катод», в 1970 году по такой классификации наверняка воспринимался «стрекозой». «Это фиаско, братан!» — совсем скоро литий стал «белой нефтью» и объектом миллиардного рынка, и фундаментальные исследования легли в основу максимально практических разработок.

«Scientia potentia est!» или «Знание — сила!» — эти слова приписывают английскому философу и государственному деятелю Фрэнсису Бэкону. Знание — это формирование научных основ, а не создание колеса, рельса, технологий — это не знание, а умение. Данная статья четко хорошо иллюстрирует тот факт, что в красивых решениях фронтирных прикладных и даже сугубо технологических задач всегда и обязательно заложены первичные фундаментальные знания.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки