К МЕТОДИКЕ ОБНАРУЖЕНИЯ И ДИГНОСТИКИ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ В СОЛЯХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Сметанников А.Ф.¹, Коротченкова О.В.², Оносов Д.В.³

¹ORCID: 0000-0002-9444-7748, доктор геолого-минералогических наук, ²ORCID:0000-0001-5681-1599, кандидат геолого-минералогических наук, ³ORCID: 0000-0001-7136-7158,  инженер, Горный институт УрО РАН (ГИ УрО РАН) в г. Перми

К МЕТОДИКЕ ОБНАРУЖЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ В СОЛЯХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Аннотация

Обсуждается методика обнаружения и диагностики частиц космического происхождения в соляных породах на примере Верхнекамского месторождения солей. Приводятся традиционные методики обнаружения и идентификации космических частиц, в различных осадочных порода.  Рассматривается роль различных методов обнаружения и идентификации космических частиц, приводятся эмпирически найденные закономерности их классификации.

Обосновывается капиллярный метод обнаружения и диагностики частиц внеземного происхождения в нерастворимом в воде остатке (Н.О.) соляных пород. Рассмотрены и обсуждены приемы и методы анализа, объединенные в методику применимую для извлечения и диагностики минералов микропримесей из измельченного материала  горных пород и руд и продуктов их переработки. 

Ключевые слова: Нерастворимый остаток, соляные породы, капилляры, космические частицы, минералы микропримеси, адсорбция, десорбция, матричные минералы, микрозондовый метод, испарительная концентрация, графит.

SmetannikovA.F.¹, Kopotchenkova O.V.², Onosov D.V.³

¹ORCID: 0000-0002-9444-7748, PhD in Geology and Mineralogy, ²ORCID:0000-0001-5681-1599, PhD in Geology and Mineralogy, ³ORCID: 0000-0001-7136-7158, engineer, Mining Institute Ural Branch RAS

METHODS DETECTION AND DIAGNOSIS OF COSMIC PARTICLES IN SALTS VERKHNEKAMSKOYE DEPOSIT

Abstract

We discuss methods of detection and diagnosis of the origin of cosmic particles in the salt rocks on the example of salt of Verhnekamskoye deposit. We give the traditional methods of detection and identification of cosmic particles in a variety of sedimentary rock. The role of different methods for detection and identification of space particles are empirically found regularities of their classification. Substantiates the capillary method for the detection and diagnosis of extraterrestrial particles in the water-insoluble residue (NO) salt rocks. Examined and discussed the techniques and methods of analysis in the combined method is applicable for the extraction of minerals, trace and diagnosis of ground material of rocks and ores and products.

Keywords: insoluble residue, salt rock, capillaries, cosmic particles, trace minerals, adsorption, desorption, the matrix minerals microprobe method, evaporative concentration, graphite.

 

Распределение космических частиц в осадках, методы исследования и генезис частиц, освещены в многочисленных исследованиях. Установлено, обязательное присутствие в их составе Fe, Ni, Cr и Co. Частицы с содержанием Ni до 5–6% отнесены к космической пыли, с содержанием Ni более 20%, связываются с метеоритами. Микрочастицы неправильной формы чаще относятся к космической пыли [1, С.68-75], [2, С. 149-154],[3,С.354-356], [4, С. 42-57]. Впервые космические частицы в солях обнаружены Н.П.Юшкиным [5, С.5-7].

Цель настоящей работы разработка методологии изучения  поисков, извлечения, диагностики микрочастиц минералов, возможно имеющих внеземное происхождение, в толще солей Верхнекамского месторождения.

Соляные породы содержат нерастворимый в воде остаток (Н.О.) в количестве от 2 до 30%. В составе Н.О. присутствуют сульфаты кальция, карбонаты, кварц и полевые шпаты. В меньших количествах присутствуют магнезит, сульфиды Fe, Cu и др. минералы. Особый класс представляют минералы микропримеси, содержание которых оценивается в десятые, сотые и тысячные доли процента доли процента, представленные минералами редких, рассеянных элементов, тяжелых металлов, в том числе благороднометальной минерализации [6, С.99-113].  Все эти минералы и минеральные фазы были извлечены из Н.О. т. наз. капиллярным методом и диагностированы микрорентгеноспектральным методом (далее МРС-анализ или микрозондовый метод).

Исследования по поиску космических частиц были проведены в рамках интеграционного проект РАН в 2012-2014 годах. В 2016 году было предпринято экспериментальное исследование по поиску частиц внеземного происхождения  в соляных породах Верхнекамского месторождения [7, C.70-72]. Методически исследование  было основано на капиллярном методе извлечения микрочастиц. О сути капиллярного метода было доложено в 2014 году на  минералогическом семинаре в г Сыктывкаре [8,С.177,178].

Исследования частиц космического происхождения включают отбор проб и их подготовку, которая заключается в  измельчении, классификации материала и дальнейшей работе по выделению тяжелых фракций.

 Используется  выделение тяжелых фракций гравитационными методами и (или) выделение тяжелых фракций в тяжелых жидкостях (бромоформирование). Далее следует фракционирование по свойствам (немагнитным, магнитным, электромагнитным) с выделением частиц для собственно аналитических исследований. Практиковался также термомагнитный способ регистрации частиц. Был накоплен солидный опыт  и выявлены эмпирические закономерности по диагностике и ранжированию частиц космического происхождения. Из упомянутых выше работ, был заимствован аналогичный исследовательский цикл при исследовании соляных пород, включающий  бромоформирование и магнитную и электромагнитную сепарацию тяжелых фракций. Далее следовал микрозондовый анализ выделенных фракций. В силу специфики состава соляных пород вначале  выделялся Н.О. и потом проводился цикл выделения тяжелых фракций из Н.О.описанным выше способом.

Исследование проводилось на двух пробах соляных пород, отобранных в низах соляной толщи Верхнекамского месторождения солей. Это пробы ПКС-1 (сод. Н.О,0,46%) и ПКС-Г1 (сод. Н.О. 62%). Материал  Н.О. делился на две части. Одна часть подвергалась вышеупомянутому комплексу исследований.

В магнитной фракции были обнаружены обособления сфероидальной формы размером 50–250 мкм (рис.1). В отдельных участках эти обособлений содержания Ni составляли 0,61%, Fe-44,3%. Был сделан  вывод о том, что «сферулы», скорее всего, являются агрегатами отдельных фаз, среди которых

присутствует и Fe-Ni фаза.

Рис. 1. [8] - Микрофото: а - сферула с включениями частиц; б - обломок

Элемент	Ti	V	Mn	Fe	Si	Ca	Ni	Cu	Al
Сфероидальное обособление с включениями металлических частиц
1	21,53	0,26	7,73	12,83
2	25,76	0,37	8,51	9,3
3	5,17		1,47	45,2
4	0,67			0,94	9,29	14,4
5				2,39	36,85
Обломок сфероидального агрегата с включениями металлических частиц
1	25,87	0,37	8,93	9,63
2	2,01			44,31			0,61	0,43
3				3,24	37,26	0,36			5,43

Ко второй части проб Н.О. был применен капиллярный метод выделения металлических частиц и минералов микропримесей из тонких фракций Н.О. соляных пород.  Проводилась классификация материала Н.О. с выделением классов крупности -0.25, -0.1, -0.071 мм и приготовлением, суспензии на водной основе. Далее  суспензия наносилась на подложку  (капельным способом) в виде сферы.

 Использовалась способность частиц суспензии размером меньше частиц матричных минералов на 1-3 порядка экстрагироваться в раствор, в силу того, что раствор в капиллярном пространстве, являясь агрессивной средой, способствует десорбции частиц адсорбированных на матричных минералах.

Далее происходит процесс "испарительной" концентрации раствора  в  капиллярном пространстве и экстрагированные в раствор частицы оседают на подложке. В качестве подложки использовались пластинки изостатического графита площадью 15х15 мм и толщиной 5 мм.

Способ (методика) получил название «капиллярный метод» .

Технический результат достигался нанесением на пластинку графита капельным способом суспензии и выстаиванием до полного высыхания.

Далее сухая сфера смещалась, и на подложке оставался слой матричных минералов с высокой концентрацией микропримесей. В анализируемом слое представлены все матричные минералы и  микропримеси присутствующие в исходной пробе. Далее проводилась диагностика металлических частиц под микрозондом.  Стадии процесса подготовки исследуемой поверхности показаны на рис.2.

Рис. 2. [8] - Пластинки графита: пустая; с высохшей сферой; со снятой сферой; снятая сфера (слева направо)

МРС-анализ исследуемых поверхностей позволил выявить идентифицировать и проанализировать большое количество минералов-микропримесей, негомогенных фаз металлических и полиметаллических частиц, ранее диагностированных при исследованиях  Н.О. соляных пород.

 На этом фоне поиск  собственно космических частиц затруднен в связи с тем, что среди минералов-микропримесей, негомогенных фаз и полиметаллических частиц в их составе  присутствуют те же элементы, что и в космических частицах. Анализ литературных данных позволил ограничить набор элементов характеризующих именно космические частицы, т.е. выделить группу элементов в них преобладающих (Cr, Mn, Fe, Ni).

 Сравнительный анализ результатов позволил выделить четыре типа частиц, содержащих Cr, Mn, Fe, Ni, в ассоциации с другими элементами.

Первый тип – частицы, содержащие Cr, Mn, Fe, Ni, в количестве, характерном для космических частиц. Другие элементы присутствуют в переменных количествах (рис. 3а). Второй тип частиц также содержит Cr, Mn, Fe, Ni и до 70% углерода (рис. 3б). Присутствие углерода связано с захватом при анализе материала подложки. В третьем типе частиц, кроме железа и никеля, установлено присутствие кремния (рис. 4а). Эти частицы отнесены к силикатам железа. Четвертый тип – частицы, содержащие до 85% Ni, 4-6% Fe и 13% Cd (рис. 4б), представляет новый минерал для ВКМС.

Исходя из результатов анализа именно первый тип близок по составу космическим частицам (космической пыли).

Рис. 3.[7] - Микрофото: а - образец 0,071  04; б - образец 0,071 07

Элемент	O	F	Si	Al	Ca	Cr	Mn	Fe	Ni	C	Ti	V	Cd	Z
Образец 0,071  04
Т-1	1,16	1,45	0,65	-	0,38	16,62	0,99	70,42	8,33					100
Т-2	7,91	-	0,77	0,48	1,05	5,58	0,42	20,64	2,35					100
Образец 0,071 07
Т-1			-		0,112	1,94		21,15	1,33	70,33	0,13	0,09	4,9	100
Т-2			0,75		0,55	-		21,48	4,48	72,32	0,12	0,07	-	100
Т-3			1,13		0,09	-		16,09	4,82	77,68	-	0,19	-	100
Т-4			1,27		0,08	-		19,46	5,68	73,51	-	-	-	100

Рис. 4.[7] - Микрофото: а - образец 01.06; б - образец 0,071 к 07

Элемент	O	Si	Cl	Ca	Mn	Fe	Ni	Al	S	Cd	Z
Образец 01 06
01 06	6,76	49,31	2,9	0,38	1,44	38,54	1,27				100
Образец 0,071к 07
Т-1	3,76	0,86		0,5		4,34	76,97	0,37	0,4	12,8	100
Т-2	4,22	0,31		1,01		3,62	85,59	-	0,59	4,66	100

ВЫВОДЫ

Таким образом, разработанная методика извлечения металлических микрочастиц позволила установить в основании разреза подстилающей каменной соли (ПдКС) Верхнекамского месторождения частицы, которые с учетом результатов предыдущих исследований можно отнести к частицам внеземного происхождения (космической пыли). Данная методика позволяет извлекать из суспензии любых пород и руд минералы микропримеси, которые не могут быть проанализированы в исходных пробах.

 

Список литературы / References

1. Печерский Д. М. Железо из космоса / Д. М. Печерский // Земля и Вселенная. – 2010. – № 6. – С. 68–75.
2. Цельмович В. А. Микроскопическая диагностика магнитных частиц в изверженных и осадочных породах / В. А. Цельмович // Палеомагнетизм и магнетизм горных пород; теория, практика, эксперимент. Материалы семинара. – Борок, 2006. – С.149–154.
3. Цельмович В. А. О возможном импактном событии, записанном в вулканических породах Южно-Синегорской Дивы / В. А. Цельмович, Ю. С. Бретштейн // Материалы II Всероссийской молодежной научной конференции "Минералы: строение, свойства, методы исследования". – Екатеринбург-Миасс : УрО РАН, 2010. – С. 354–356.
4. Грачев А. Ф. Космическая пыль и микрометеориты в переходном слое глин на границе мела и палеогена в разрезе Гамс (Восточные Альпы): морфология и химический состав / А. Ф. Грачев, О. А. Корчагин, В. А. Цельмович, Х. А. Коллманн // Физика Земли. – 2008. – №7. – С. 42–57.
5. Юшкин Н. П. Космические узники озера Ларнака / Н. П. Юшкин // Вестник Института геологии Коми НЦ РАН. – 1997. – № 8. – С. 5–7.
6. Сметанников А. Ф. Некоторые особенности минерального состава соляных пород и продуктов их переработки (на примере Верхнекамского месторождения солей) / А. Ф. Сметанников, В. Н. Филиппов // Проблемы минералогии, петрографии, металлогении. Чтения памяти П.Н.Чирвинского: сб. статей. Вып.13. – Пермь, 2010.– С. 99-113.
7. О внеземной природе частиц желез-никель-хромового состава в соляных породах Верхнекамского месторождения / А. Ф. Сметанников, О. В. Коротченкова, Д. В. Оносов, С. Н. Шанина, З. П. Двойникова, С. С. Шевчук. // Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения 2016). – Сыктывкар, 2016. – С 70-72.
8. Сметанников А. Ф. Капиллярный метод извлечения микро - и наночастиц минералов из тонких фракций / А. Ф. Сметанников // Юшкинские чтения – Сыктывкар, 2014. – С.177-178.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Pecherskiy D. M. Zelezo iz kosmosa [Iron from space] / D. M. Pecherskiy // Zemlya I Wselennaja [The Earth and the Universe] – 2010. – № 6. – P. 68-75. [in Russian]
2. Tselmovich V.A..Mikroscopbcheskaja diagnostika mfgnitnich chastiz v izverzennich i osadochnich porodach [Microscopic diagnosis of the magnetic particles in igneous and sedimentary rocks] / V. A. Tselmovich // Paleomagnetizm i mfgnetizm gornich porod; teorija, practika, experiment. Materiali seminara [Paleomagnetism and magnetism of rocks; theory, practice, experiment. Proceedings of the seminar]. – Borokк, 2006. – P.149–154. [in Russian]
3. Tselmovich V.A. O vozmoznom impactnom sobitii, zapisannom v vulkanichescich porodach Yuzno-Sinegorscoi Divi [On the possible impact events recorded in the volcanic rocks of the South Sinegorskaya Diva] / V. A. Tselmovich, Y. S. Bretshteyn // Materiali II Vserossiiscoi molodeznoi nauchnoi konferencii "Minerali: stroenie, svoistva, metodi issledovanija" [Materials of II All-Russian Youth Scientific Conference "Minerals: structure, properties, methods of investigation,"]. – Yekaterinburg Miass: UB RAS, 2010. – P. 354–356. [in Russian]
4. Grachev A. F. Kosmichescaja pil I mikrometeoriti v perechodnom sloe glin na granice mela I paleogena v pasreze Gams (Vostochnie Alpi) morfologia I ximicesciyu sostav [Cosmic dust and micrometeorites in the transitional clay layer at the Cretaceous-Paleogene boundary in the Gams section (Eastern Alps): morphology and chemical composition] / A. F. Grachev, O. A. Korchagin, V. A. Tselmovich, H. A. Kollmann // Fizika Zemli [Physics of the Earth]. – 2008. – № 7. – P. 42–57. [in Russian]
5. Yuskin N P Kosmichescie uzniki ozera Larnaca [Space Prisoners of Lake Larnaca] / N. P. Yushkin // Vestnic Instituta Geologii Comi NZ RAN. [Bulletin of the Institute of Geology of Komi SC RAS]. –1997. – № 8. – P. 5–7. [in Russian]
6. Smetannikov A. F. Ntrjnjhie osobtnnosti mineralnogo n sostava soljanich porod I productov ich pererabotci (na primere Werchnecamscouj mestoro;denija soleyu) [Some features of the mineral composition of salt rocks and their products (for example, salts Verkhnekamskoye deposit)] / A. F. Smetannikov, V. N. Filippov // Problemi mineralogy, petrografii, metallogeni. Chenija pamjati P.N.Chirvinskogo. sb. Wip.13 [Problems of mineralogy, petrography and metallogeny. Memory Reading P.N.Chirvinskogo: Collection of articles. Iss. 13] – Perm, 2010. – С. 99-113. [in Russian]
7. O vnesemnoi prirode chastiz zeleze-nikel-chromovogo sostava v soljanch porodach Verchnecfmskogo mestorozdenia [About the nature of extraterrestrial particles of iron-nickel-chromium composition in salt rocks Verkhnekamskoye deposit] / A. F. Smetannikov, O. V. Korotchenkova, D. V. Onosov, S. N. Shanina, Z. P. Dvoinikova, S. S. Shevchuk // Sovremennie problem teoretichskoi, exsperimentalnoi I prikladnoi mineralogii (Yuchinscie chenia 2016) [Modern problems of theoretical, experimental and applied mineralogy (Yushkinskie reading 2016)]. – Syktyvkar 2016. – P 70-72. [in Russian]
8. Smetannikov A. F. Kapilljarnii metod ixvlechenia micro I nanochastic mineralov iz toncix fracciy [Capillary method of micro- and nanoparticles extract minerals from fines] / A. F. Smetannikov // Eyskinscie chtenia [Yushkinskie reading]. – Siktivkar, 2014. – P. 177-178. [in Russian]