МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ УРОЛИТОВ

Севостьянова О.А.¹, Полиенко А.К.²

¹Кандидат геолого-минералогических наук, старший преподаватель,

²Кандидат геолого-минералогических наук, доцент,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ УРОЛИТОВ

Аннотация

Описана методика комплексного исследования минерального состава и структуры уролитов. Рассмотрены особенности различных методов; приведены формулы расчета кларка концентрации и суммарного показателя содержания элементов в уролитах. Показаны результаты исследования минерального состава и структуры уролитов жителей Томского района.

Ключевые слова: уролиты, состав, структура, кларк концентрации.

Sevostyanova O.A.¹, Poliyenko A.K.²

¹Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, assistant Professor,

²Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, associate Professor,

National Research Tomsk Polytechnic University

METHODS AND RESULTS OF COMPLEX RESEARCH OF MINERAL COMPOSITION AND STRUCTURE UROLITHS

Abstract

The methods of the complex research of the mineral composition and of the urolith′s structure have been described. The  peculiarities of the various methods have been considered; the formulas of the calculation of concentration Clark and the total indicator of the elements′s maintenance in the uroliths  have been given. The results of the research in the mineral composition and the structure of the uroliths in an inhabitants of the Tomsk area have been given.

Keywords: uroliths, composition, structure, concentration′s Clark.

Введение

Особенности образования биоминералов в организме человека долгое время оставались исключительно в сфере интересов медицины. Главное внимание уделялось диагностике и лечению заболеваний, ведущих к возникновению патогенных образований. В то же время совершенно очевидно, что важно иметь четкое представление о причинах появления патогенных образований, механизмах их дальнейшего формирования, составе и структуре. Сейчас эти вопросы широко изучаются во всем мире минералогами, биохимиками, геоэкологами с использованием минералогических методов исследований.

Значительную роль в развитии учения о биоминералогии и в исследовании конкретных органо-минеральных агрегатов (ОМА) в организме человека сыграли работы российских и зарубежных ученых: Н.П. Юшкина [1], А.А. Кораго [2], А.К. Полиенко [3], В.И. Катковой [4], Ф.В. Зузук [5] и других. Существуют различные теории формирования уролитов, но пока не выработан единый подход для объяснения механизма зарождения и роста уролитов. Механизмы образования и роста кристаллических фаз в организме человека, связанные со сложным взаимодействием живого и косного вещества, на данный момент изучены недостаточно, и представления о них являются дискуссионными.

В связи с этим представляет интерес исследование заболеваемости мочекаменной болезнью населения в медицинских округах Томского района Томской области, изучение минерального состава, морфологии и структуры уролитов. В статье приведено описание комплексной методики исследований уролитов жителей Томского района (по медицинским округам) и результаты, полученные с использованием этой методики.

Объект и методы исследований. Для диагностики мочекаменной болезни (МКБ), успешного лечения и профилактики заболевания необходимо комплексное исследование состава и строения уролитов, основанное на использовании современных методов анализа.

При исследовании морфологии, минерального состава и структуры уролитов использовались следующие методы: спектральный, рентгеноструктурный, инструментальный нейтронно-активационный (ИНАА), электронно-микроскопический, кристалломорфологический [6-10].

Изучение уролитов осуществлялось в три последовательных этапа:

Первый этап предусматривал проведение макроскопических исследований уролитов. На этом этапе определялся вес, размеры, цвет уролитов, механическая прочность (монолитность, рыхлость, трещиноватость, твёрдость, плотность). Производилась цифровая фотосъёмка уролитов, информативных в отношении изучения морфологии, и занесение информации в банк данных.

При извлечении индивида приходилось применять электрофизический метод разделения индивидов или метод термодробления.  В конце первого этапа образец (уролит) можно было осторожно раскалывать на части для выполнения последующих исследований.

Второй этап связан с процедурой подготовки проб для исследований, в частности: изготовление шлифов и пришлифовок участков уролита; нанесение электропроводящего слоя на уролит; подготовка проб для спектрального, химического, рентгеноструктурного, нейтронно-активационного, люминесцентного, электронно-микроскопического и других видов анализов.

Шлифы являются основным препаратом для изучения минерального состава уролита, характера распределения минеральных зёрен в агрегате, характера межзерновых границ, особенностей распределения газовых и газово-жидких включений в индивидах и т.п.

Результаты микроскопического изучения текстурно-структурных особенностей уролитов систематизировались, выделялись наиболее характерные типы структур как уролита в целом, так и отдельных его частей. При этом уточнялся минеральный состав, выяснялись количественные соотношения различных минералов в образце. Определялся характер границ между зёрнами минералов, в том числе и между микросферолитами, намечалась последовательность выделения индивидов в процессе формирования агрегата.

Третий этап – микроскопические исследования уролитов:

1. Изучение морфологии агрегатов и индивидов под бинокулярным микроскопом с выявлением дефектов (несовершенств в структуре кристаллов), минерального состава, характера взаимоотношений между минеральными индивидами, отсутствия или наличия закономерных срастаний кристаллов.

При изучении несовершенств морфологии и дефектов индивидов главное внимание обращалось на неравенство граней одной простой формы, их количественное отклонение, скульптуру граней одной простой формы, поверхности соприкосновения кристаллов и прочие дефекты (следы растворения, деформации и т.п.). Выполнялись зарисовки отдельных кристаллов и их сростков, наиболее интересные участки уролита фотографировались.

2. Изучение минерального состава и текстурно-структурных особенностей уролитов в шлифах с использованием поляризационно-оптического микроскопа.

При этом уточнялся минеральный состав, определялся характер взаимоотношений  минералов друг с другом, изучалась структура агрегата,  отмечалось наличие следов растворения. Исследовались несовершенства в структуре индивидов (кристаллов): секториальность, зональность, мозаичность, двойники, поры, разнообразные включения, деформации и прочие дефекты (структурные, неоднородность состава и строения без чётких границ и т.п.).

3. Изучение уролитов электронно-микроскопическими методами, включающими: электронную микрорадиографию, позволяющую выявить локализацию рассеянных радиоактивных элементов; микрорадиографию – определение фазового состава микровключений в минералах, их ориентационных взаимоотношений с органической матрицей, степени окристаллизованности, дефектности и т.д.; качественный и количественный рентгеноспектральный микроанализ с изучением состава вещества по первичным рентгеновским спектрам; растровую электронную микроскопию с нанесением на поверхность образца или его скола электропроводящего слоя (при различных увеличениях выбирались наиболее интересные в морфологическом, текстурном и структурном отношениях участки поверхности образца) с последующим цифровым фотографированием.

По фотографиям, полученным со сканирующего (растрового) электронного микроскопа, выявлялись признаки роста и растворения кристаллов; эти признаки запечатлевались на отдельных гранях и рёбрах индивидов в виде ямок, штрихов и выражались в чередовании выступов и впадин. При рассмотрении названных элементов изучался их характер, глубина, высота и т.п. Кроме того, детально описывался характер индукционных поверхностей в местах совместного роста кристаллов и микросферолитов.

Для анализа использовались пробы уролитов, удаленных у жителей Томского района (по медицинским округам). Исследовалось 100 проб, приготовленных из уролитов   различного минерального состава. Обработка аналитических данных проводилась на IBM PC/AT совместимых компьютерах с использованием программ «Statistika». При статистической обработке данных определялись: пределы значений параметра, математическое ожидание (среднее значение), стандарт и вариация.

Уролиты предварительно подвергались дроблению и истиранию в агатовой ступке. Затем полученный порошок запаковывался по 100–200 мг в фольгу и отправлялся на научно-исследовательский ядерный реактор для проведения анализа.

Для количественного анализа на радиоактивные, редкоземельные, благородные и другие элементы использовался современный высокочувствительный ядерно-физический метод ИНАА с облучением тепловыми нейтронами на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т.

Показателем уровня аномальности содержания элементов является кларк концентрации (КК), который рассчитывался как отношение содержания элемента в уролитах (С) к его кларку (Кл. ноосф.):

Кларк концентрации рассчитывался по формуле:

Кк = С/Кл. ноосф.,

где С– среднее содержание по выборке;

Кл. ноосф.– кларк ноосферы.

Поскольку антропогенные аномалии чаще всего имеют полиэлементный состав, то для них рассчитывался суммарный показатель содержания элементов в уролитах (Zспз).

Суммарный показатель содержания элементов в уролитах рассчитывается по формуле:

Zспз = Σкл.к–(n-1),

где Σкл.к – сумма кларка концентрации;

n – число проб.

Результаты исследований. С использованием комплексной методики были проведены исследования минерального состава и структуры уролитов жителей Томского района (по медицинским округам). Средние содержания элементов в уролитах (г/т) приведены в таблице 1; в таблице 2 показаны элементы, нормированные по кларкам концентрации.

Таблица 1 – Среднее содержание элементов в уролитах (г/т)

* ниже предела определения – элемент во всех пробах ниже предела определения: Hf, Ba, Cs, Ta, Eu – элементы во всех пробах ниже предела определения; Sr, Rb, Sb – индивидуальная особенность организма или ошибка при анализе уролитов. По IV-му Турунтаевскому медицинскому округу данные отсутствуют, т.к. не были получены пробы уролитов.

Таблица 2 – Нормированные по кларкам концентрации элементы

Элементы	Концентрации элементов
	I мед. округ (Томский) (54 уролита)	II мед. округ (Светленский) (19 уролитов)	III мед. округ (Октябрьский) (14 уролитов)	V мед. округ (Лоскутовский) (13 уролитов)
Ca	6,79	6	31,31	2,88
Lu	0,0113	0,0113	0,0113	0,0113
U	0,016	0,016	0,016	0,118
Yb	0,0606	0,0606	0,0606	0,0606
Au	14,42	5,81	35,12	2,79
As	0,024	0,024	0,024	0,024
Br	7,1	4,3	3,86	1,6
Na	0,2	0,09	0,28	0,02
La	0,0058	0,0036	0,0459	0,0031
Ce	0,002	0,0017	0,0004	0,0001
Se	5,4	7	14	0,2
Hg	1,69	8,07	1,08	1,08
Tb	0,0116	0,0116	0,0116	0,0116
Sm	0,0109	0,0069	0,003	0,0008
Th	0,0042	0,0046	0,0092	0,0018
Cr	0,0017	0,0012	0,053	0,0001
Ag	0,71	5,14	0,71	0,71
Fe	0,001	0,0006	0,011	0,0006
Zn	9,82	6,24	4,26	6,5
Co	0,0028	0,0017	0,0061	0,0017
Sc	0,004	0,004	0,004	0,0004

После расчета концентрации были сформированы геохимические ассоциативные ряды элементов:

I медицинский округ (Томский) – Au_14,42, Zn_9,82, Br_7,1 , Ca_6,79, Se_5,4, Hg_1,69, Ag_0,71, Na, Yb, As, U, Tb, Lu, Sm, La, Th, Sc, Co, Ce, Cr, Fe.

II медицинский округ (Светленский) – Hg_8,07, Se₇, Zn_6,24, Ca_6, Au_5,81, Br_4,3, Ag_5,14, Na, Yb, As, U, Tb, Lu, Sm, Th, Sc, La, Co, Ce, Cr, Fe.

III медицинский округ (Октябрьский) – Au_35,12, Ca_31,31, Se₁₄, Zn_4,26, Br_3,86 , Hg_1,08, Ag_0,71, Na_0,28, Yb, Cr, La, As, U, Tb, Lu, Fe, Th, Co, Sc, Sm, Ce.

V медицинский округ (Лоскутовский) – Zn_6,5, Ca_2,88, Au_2,79, Hg_1,08, Br_1,6, Ag_0,71, Se, U, Yb, As, Na, Tb, Lu, La, Th, Co, Sm, Fe, Sc, Cr, Ce.

По особенностям морфологии агрегатов выделены:

Уролиты с друзовидной морфологией (рис.1 а,б); с микросферолитовой (рис.1 в); с неровной, пористой (рис.2 а); «коралловидные» образования (рис.2 б); со гладкой поверхностью (рис.2 в).

Рис. 1- Морфология уролитов: друзовидная (а, б), микросферолитовая (в)

Рис.2 - Морфология уролитов: пористая (а), коралловидная (б), сглаженная (г)

Рис. 3 - Комбинированная морфология (а, б); сросток кристаллов уэвеллита (в)

Структура уролитов очень разнообразна и определяется их минеральным составом, а также морфологией минеральных индивидов, образующих уролиты.

Рис. 4 - Структура уролитов: кристаллически-зернистая (а), сферолитовая (б), комбинированная (в)

По структурным особенностям выделено три группы уролитов: кристаллически-зернистые, сферолитовые и комбинированные.

Кристаллически-зернистое строение имеют уролиты, состоящие из оксалатов и некоторых других минералов (струвит, ураты и др.). В их состав входят зерна в виде дендритовидных образований. Отдельные кристаллы уэвеллита, уэдделлита, струвита и других минералов отделены друг от друга тончайшими пленками органического вещества.

Кристаллы оксалатов в уролитах часто достигают значительных размеров – до 1,5–2 мм (рис. 3в). Размеры исследуемых кристаллов уэвеллита не превышали 2 мм. Для изучения на электронном микроскопе отбирались кристаллы, предварительно исследованные под бинокулярным микроскопом. В ходе исследований микроморфологии кристаллов уэвеллита было получено 120 различных снимков. Главной целью микроморфологического анализа кристаллов было выявление особенностей формирования их гранного микрорельефа.

При изучении микроморфологии поверхности граней кристаллов уэвеллита наблюдались признаки растворения отдельных участков граней. При значительных увеличениях (от 1150 до 6400) можно наблюдать натечные образования и участки, подвергшиеся растворению.

Сферолитовое строение чаще характерно для уролитов фосфатного и уратного состава, хотя нередки примеры образования сферолитов оксалатного состава (рис. 4 б,в).

 Уролиты обычно представлены одним крупным сферолитом, центром которого является сгусток органического вещества. Сферолиты сложены концентрически располагающимися слоями, в которых встречаются индивиды призматического вида, направленные по радиусам от центра к периферии. Встречаются и пластинчатые индивиды.

Выводы

Исследования по определению минерального состава и структуры уролитов жителей Томского района позволили рассчитать реальную величину содержания элементов, входящих в состав уролитов, нормированную по кларкам ноосферы. В результате анализа геохимических рядов выделены специфичные элементы, содержащиеся в уролитах различных медицинских округов Томского района. В каждом медицинском округе имеется своя специфика геохимического ряда, которая зависит,  вероятно, от факторов природно-техногенного воздействия.

Наибольшим значением суммарного показателя содержания элементов в уролитах характеризуется Октябрьский медицинский округ (Zспз = 70,8), на втором месте Томский медицинский округ (26,3), затем Светленский округ (22,8) и наименее «напряженным» является Лоскутовский медицинский округ (– 4).

Литература

1. Юшкин Н.П. Теория и методы минералогии. – Л.: Недра, 1977. – 290 с.
2. Кораго А.А. Введение в биоминералогию. –СПб.: Недра, 1992. – 280 с.
3. Полиенко А.К., Шубин Г.В., Ермолаев В.А. Онтогения уролитов. – Томск: РИО "Пресс-Интеграл" ЦПК ЖК, 1997. – 128 с.
4. Каткова В.И. Минеральная эволюция мочевых камней: Автореф. дис. канд. геол.-минер. наук. – Сыктывкар, 1995. – 23 с.
5. Зузук Ф.В. Минералогия уролитов: Монография, в 3-х т. Т.1: Распространение мочекаменной болезни среди населения мира (на укр. языке). –Луцк: Изд-во «Вежа» Волынского гос. ун-та, 2002.–408 с.
6. Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа. –М.: Горячая линия–Телеком, 2006. – 224 с.
7. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ. 1950. – 651 с.
8. Современная кристаллография: В 4 т. / АН СССР. Ин-т кристаллографии. – М.: Наука. – Т. 3: Образование кристаллов / А.А. Чернов, Е.И. Гиваргизов, Х.С. Багдасаров и др., 1980. – 407 с.
9. Полиенко А.К., Севостьянова О.А., Орлов А.А. Симбиоз живого и косного вещества в уролитах // Известия Томского политехнического университета – 2010. –Т. 317. – № 1. – С. 10–15.
10. Полиенко А.К., Бощенко В.С., Севостьянова О.А. Взаимосвязь органических и неорганических веществ при формировании мочевых камней // Бюллетень сибирской медицины. – 2012 – Т. 11.– № 2. – C. 52–58.
11. Севостьянова О.А. Минералого-геохимические особенности уролитов Томского района и их связь с факторами природной среды и техногенного воздействия. Автореф. дис… канд. геол.-минер.наук. – Томск, 2012. – 20 с.

References

1. Yushkin N.P. Biomineral interactions. From biomineralogy to a vitamineralogiya//Mineralogy and life: biomineral interactions: Materials II of the international seminar. Syktyvkar, 1996. – P. 7.
2. Korago A.A. Introduction to biomineralogy//St. Petersburg: Subsoil, 1992. – 280 p.
3. Poliyenko A.K., Choubin G. V., Yermolaev of V.A. Ontogenie of the uroliths. – Tomsk: RIO TPK ZhK "Press Integral", 1997. – 128 p.
4. Katkova V. I. Mineral evolution of the uric stones: Theses… candidate of geologic and mineralogy sciences. – Syktyvkar, 1995. – 23 p.
5. Zuzuk F.V. Mineralogy of uroliths: The monograph, in 3 t. T.1: Distribution of an urolithic illness among a world′s population (in Ukrain).–Lutsk: Publishing house of "Vezha" of the Volynsk state university, 2002. - V 1. – 408 p.
6. Rausher K., Yanssen F., Minikhold R. Bases of the spectral analysis. – M.: Hot line-Telecom, 2006. – 224 p.
7. Kitaigorodsky A.I. X-ray diffraction analysis. 1950. – 651 p.
8. Modern crystallography: In 4 t. / Academy of Sciences of the USSR. Formation of the crystallography. – M.: Science. – T. 3: Formation of crystals / A.A. Chernov, E.I. Givargizov, H.S. Bagdasarov, etc., 1980. – 407 p.
9. Poliyenko A.K., Sevostyanova O.A., Orlov A.A. Symbiosis of live and inert substance in urolithes //News of Tomsk polytechnic university, 2010, V.317, № 1, 10-15 pp.
10. Polienko A.K., Boshchenko V.S., Sevostyanova O.A. The relationship of organic and inorganic substances in the formation of urinary stones //Bulletin of the Siberian medicine. – 2012, V.1. – № 2. – 52-58 pp.
11. Sevostyanova O. A. Mineralogo-geochemistry peculiarities of the uroliths of the Tomsk region and their communication with the factors of environment and technogenic influence. Theses… candidate of geologic and mineralogy sciences. – Tomsk, 2012. – 20 p.