Сибирские ученые продолжают исследовать Попигайский метеоритный кратер с месторождениями уникальных алмазов

Еще в советские годы в Попигайской астроблеме (Красноярский край на границе с Якутией), появившейся миллионы лет назад в результате метеоритного удара, нашли необычные алмазы. Они не представляют ювелирной ценности, но имеют уникальные абразивные качества, ценные для промышленности. В нашей стране уже неоднократно пытались организовать добычу этих алмазов, но всегда что-то шло не так. Получится ли в этот раз?

Их сотворил взрыв

Около 35,7 миллиона лет назад в Землю в 200 километрах от побережья Северного Ледовитого океана в районе бассейна реки Попигай — там, где Якутия граничит с Красноярским краем, — врезался крупный астероид диаметром около 5 километров. В результате удара произошел мощнейший взрыв, сопровождавшийся огромными температурами (более 2000°C) и немыслимым давлением. Породами мишени были гнейсы. От взрыва содержащийся в них графит перешел в алмазы, которые оказались разбросаны на огромные расстояния. На месте происшествия осталась воронка диаметром около 100 километров. Она получила название Попигайский метеоритный кратер, или Попигайская астроблема.

В результате удара космического тела в атмосферу было выброшено такое количество пыли и газа, что оно на многие годы уменьшило приток солнечного тепла к поверхности Земли. Это привело к резкому похолоданию на всей планете, ледниковому периоду, уничтожавшему огромное количество видов флоры и фауны.

Котловина Попигайского кратера была открыта в 1946 году советским геологом Д.В. Кожевиным и стала местом геологоразведочных работ. В 1971 году Виктор Людвигович Масайтис (Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского) доказал метеоритное происхождение астроблемы. В том же году внутри кратера обнаружили алмазы, названные импактными и представляющие собой композит алмазной кубической и лонсдейлитовой гексагональной фаз. Было разведано два крупных алмазных месторождения: Ударное и Скальное. Запасы первого оценили в 7 миллиардов карат, второго — в 140 миллиардов карат. Интересно, что еще до открытия кратера, в 1969 году, за его пределами были найдены странные алмазы, названные якутитами, и лишь позднее была обоснована их связь с Попигайской астроблемой.

Сверхсекретность. Перерыв

Попигайские алмазы оказались непригодными для ювелирной обработки, но выяснилось, что они обладают удивительной абразивной способностью, в среднем в два раза превышающей обычные монокристальные и синтетические алмазы. Это делает их перспективными для использования в инструментальной промышленности.

В Хатанге, поселке на севере Красноярского края, построили обогатительную фабрику. Там дробили тагамиты — алмазсодержащие переплавленные породы мишени. Дробленый материал поступал на флотацию, откуда уже выходил концентрат, содержащий графит и алмазы. Извлечение последних происходило в других городах СССР. Все эти работы были засекречены. Тогда было добыто около 200 тысяч карат импактных алмазов, часть из них использовали для технологических испытаний. 

Однако в 1986 году проект неожиданно закрыли. По подсчетам специалистов, выгоднее было сосредоточиться на производстве синтетических алмазов, чем организовывать добычу натуральных камней в условиях Севера.

На сегодняшний день Попигайская астроблема остается единственным в мире месторождением импактных алмазов с извлекаемыми запасами.

Попигайское месторождение было рассекречено в 2012 году. Летом 2013 года туда отправилась экспедиция Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, сотрудники которого уже несколько лет по собственной инициативе изучали концентрат попигайских алмазов, добытый в 1970-х годах. Экспедицию спонсировала компания «Алмазы Анабара». Нужно было отобрать образцы для минералогических, петрографических и технологических исследований.  

До 2014 года технологическое изучение попигайских алмазов ИГМ СО РАН проводил совместно с Институтом сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля Национальной академии наук Украины (Киев). После эти работы были продолжены с Национальной академией наук Беларуси. Исследования ученых подтвердили, что импактные алмазы в среднем вдвое превосходят природные кимберлитовые и синтетические по абразивной стойкости, а вдобавок имеют повышенную термостойкость. Это делает их чрезвычайно перспективными конкурентами синтетическим алмазам. Однако месторождение до сих пор не разрабатывается, импактные алмазы не представлены на рынке и не используются пока в технологиях. 

Следующая научная экспедиция ИГМ СО РАН на Попигайский кратер состоялась лишь в 2021 году, когда импактными алмазами заинтересовались компании АФК «Система» и АО «Поиск Золото».

«Мы занимаемся всеми аспектами изучения Попигайского кратера. Это геология, геологоразведка, лицензирование территорий для детального изучения, технологические аспекты обогащения алмазоносных пород, а также технология и экономика использования импактных алмазов», — рассказывает главный научный сотрудник лаборатории литосферной мантии и алмазных месторождений ИГМ СО РАН Валентин Петрович Афанасьев.

Сверхпрочный абразив

По авторской оценке В.Л. Масайтиса, общие запасы импактных алмазов на Попигае оцениваются в 1129 миллиардов карат. Они должны составить конкуренцию синтетическим алмазам, а в некоторых отраслях — и вовсе заменить их.

«В год мировая промышленность потребляет около 15—17 миллиардов карат синтетических алмазов. Сегодня почти все они закупаются в Китае, монополисте в этой области. Однако большую часть этой продукции составляет дешевая синтетика с обычной алмазной абразивной способностью, но низкой термической устойчивостью. Дело в том, что такие алмазы формируются в металлической среде в аппаратах высокого давления, и металл-катализатор мельчайшими капельками входит в сами кристаллы. При нагреве эти капельки расширяются и разрушают алмаз», — рассказывает Валентин Афанасьев.

Таким образом, китайские синтетические алмазы отлично подходят для шлифовки тротуарных плит, но гораздо хуже работают в высоких технологиях, например в буровом инструменте, при обработке трудношлифуемых материалов и так далее. 

По сравнению с синтетическими, попигайские алмазы выдерживают температуры на 250°C выше и имеют в два раза лучшую абразивную способность. По словам исследователей, они смогут выдержать любые параметры бурения.  

В 2014 году ученые ИГМ СО РАН совместно с коллегами из Института сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля, соединив импактные алмазы с кремнием, смогли изготовить из них композит, который по устойчивости на 20—53% превосходит аналоги из синтетических алмазов. Это позволяет разработать перспективный инструмент для буровых работ, металлообработки и так далее.

Уже получен патент на использование импактных алмазов для магнитоабразивной обработки трудношлифуемых поверхностей. «К ним относятся твердые материалы типа чистого кремния или топливные элементы для атомных электростанций, которые изготавливаются из циркониевого сплава, очень трудного для шлифовки. Оказывается, что импактные алмазы здесь в два с лишним раза эффективней, чем синтетические», — говорит Валентин Афанасьев.

В ходе опытов в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси выяснилось, что сам дробленый тагамит, из которого добываются импактные алмазы, можно использовать в качестве абразивного материала. Сейчас на эту технологию готовится патент. Более того, оказалось, что концентрат после флотации содержит около 25% графита, который подходит для использования в электротехнической промышленности. Это резко повышает эффективность отработки Попигайского месторождения. 

Также перспективной с промышленной точки зрения может оказаться более крупная, монокристальная алмазная фракция — якутиты. Они пока технологически не изучены, поскольку у исследователей нет достаточного количества материала. 

«Предполагается, что себестоимость уже готовых для использования импактных алмазов будет составлять от доллара до двух за карат. Рыночную стоимость еще предстоит определить», — отмечает Валентин Афанасьев.

Это и составляет одну из основных проблем выхода на рынок: пока нет рыночной стоимости, невозможно посчитать, насколько рентабельной окажется добыча этого сырья. Узнать же это можно только после того, как будет введена в эксплуатацию обогатительная фабрика (ученые предлагают построить ее прямо на Попигайском месторождении).

«Еще одна причина, почему важно развивать Попигайское месторождение, — санкционное давление Запада. Значительная часть высокотехнологичных инструментов, без которых не может функционировать промышленность, поступала из Германии, Швеции и других развитых стран. В России нет своего абразивного материала, который бы лег в основу инструментальной промышленности, мы закупаем синтетические алмазы у Китая, монополиста в этой области, — говорит Валентин Афанасьев. — Поэтому введение в эксплуатацию Попигайского месторождения импактных алмазов не только обеспечит российскую промышленность, но и даст важный экспортный материал, который будет востребован за рубежом из-за уникальности своих свойств. А запасы импактных алмазов можно считать неисчерпаемыми».

Экспедиция-2021

Инвесторами экспедиции 2021 года выступили компании АФК «Система» и АО «Поиск Золото». Специально для изучения Попигая было создано ООО «Флагман», долю в котором, помимо вышеупомянутых компаний, получило АНО «Центр содействия развитию инновационных технологий» (Новосибирск), учрежденное Сибирским отделением РАН и фондом «Технопарк Академгородка». 

Главной задачей экспедиции было набрать материал, чтобы отработать методику обогащения — для этого технологи запросили не менее трех тонн тагамита. Экспедиция проходила с конца июля по начало сентября 2021 года в юго-западной части Попигайского кратера. До места назначения из Хатанги добирались вертолетами. Почти половина из 12,5 миллионов рублей финансирования ушла на обеспечение транспорта.

«Перед нами была поставлена задача, во-первых, привезти так называемую технологическую пробу — около трех тонн породы, чтобы с ее помощью впоследствии можно было наладить процессы обогащения. Во-вторых, нам нужно было обработать 30 кубометров речных отложений в районе месторождения Скальное. На этом участке еще во время исследований в советские годы было обнаружено повышенное содержание якутитов», — рассказывает начальник экспедиции, заведующий лабораторией литосферной мантии и алмазных месторождений ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Николай Сергеевич Тычков. 

Якутиты представляют собой импактные алмазы, сформированные в эпицентре удара, выброшенные за пределы кратера и выпавшие на его поверхность. Из них также можно изготавливать различный абразивный инструмент. Речные отложения нужно было набирать по разным ручьям, сортировать по крупности специальными ситами, а затем с помощью обогатительного оборудования отделять тяжелые минералы, среди которых содержатся якутиты.

«Следующей частью нашей работы в экспедиции была рекогносцировка территории вокруг месторождения Скальное. Стояла задача задокументировать обнажения, узнать условия проходимости. Это необходимо, чтобы понять, как в дальнейшем организовывать работы на Попигайском кратере», — говорит Николай Тычков.

Что потом?

Сейчас в НАН Беларуси изучают технологические свойства попигайских алмазов. Технологию обогащения отрабатывают в Сибирском федеральном университете (Красноярск). Институт геологии и минералогии СО РАН занимается геологическими и минералогическими аспектами изучения Попигайского кратера, а кроме того, координирует все исследовательские работы. Экономическую целесообразность использования импактных алмазов просчитывает Институт экономики и организации промышленного производства СО РАН. 

Для того чтобы начать добычу, помимо экономических расчетов и отработанной технологии обогащения, ООО «Флагман» нужно получить лицензию на освоение месторождений Попигайского кратера. Пока промышленников интересуют наиболее изученные из них — Скальное и Ударное. 

Однако на сегодняшний день оба этих участка находятся в нераспределенном фонде и не переданы в освоение. Кроме того, запасы, поставленные на баланс, отнесены к категории «алмазное сырье», что делает лицензию очень дорогой. В 2019 году сотрудники ИГМ СО РАН предложили перевести запасы Попигайской астроблемы в категорию абразивного материала, чтобы придать проекту большую инвестиционную привлекательность. 

«Пока мы планируем взять три лицензии на геологическое доизучение, которые стоят гораздо меньше. Это позволит проводить на Попигайском кратере полевые и разведочные работы», — говорит Валентин Афанасьев.

По подсчетам ученых, если добыча на кратере будет организована, примерно через десять лет спрос на импактные алмазы может достигнуть около одного миллиарда карат в год.

Диана Хомякова

Фото Алексея Котлярова

Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН