Путешествие к центру конкреции.

Название, конечно, претенциозное, но, наверное, не так уж и далеко от того, о чем будет сказано ниже. Ну и еще из сложностей, вторгаюсь в совершенно незнакомую и ненавистную еще со школьных времен химию, хотя как уже давно понял, что в палеонтологии без этой самой химии никуда.
Ранее в публикации говорилось, что большая часть коллекции устроилась в Институте нефти и газа на кафедре геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.

Устроилось успешно и с ней уже ознакомилось достаточное количество студентов и преподавателей, естественно и я в какой-то мере познакомился и с замечательными сотрудниками кафедры и с уникальным оборудованием, которое используется для практической и научной деятельности при разведке и поиске полезных ископаемых.
Разведка и разработка месторождений нефти и газа тесно связаны с геологией, ну а геология, как известно – мать палеонтологии, поэтому методы и задачи, решаемые научно-исследовательским комплексом кафедры вполне применимы и для большинства вопросов палеонтологии.
Особое уважение и интерес у меня вызвали два прибора – один небольшой и компактный портативный XRF анализатор - Olympus Innov-X DELTA Series, и второй более массивный и стационарный рентгеновский дифрактометр - ARL X/ TRA x-ray Diffractometer.
Сразу же хочу сказать для уважаемых специалистов, что пишу для себя, человека очень далекого от химии и физики твердого тела, и надеюсь, понятное мне изложение будет понятно и пользователям ресурса.
Итак, портативный XRF анализатор Olympus Innov-X DELTA Series- позволяет провести Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) - это один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа.
Звучит страшно, но на самом деле не так уж и сложно. Если по-простому – в приборе установлена рентгеновская трубка, которая своим излучением воздействует на атомы исследуемого материала. При облучении атом возбуждается (электрон переходит на более высокий квантовый уровень), а затем через короткий промежуток времени возвращается в основное состояние. Этот процесс и сопровождается излучением фотонов строго определенной энергии (флуоресценция).
Вот эти фотоны (кванты электромагнитного поля) и ловит приемный детектор прибора, учитывая значение энергии и количество квантов. Вся суть в том, что каждый атом из таблицы Менделеева испускает фотоны с энергией строго определённого значения. Т.е. у железа это одно значение, у кислорода, другое, у кремния третье и т.д. Получается, что в какой бы сложной связке не находилось то же железо в исследуемом образце – пирит, лимонит и пр., прибор достаточно четко извлечет информацию о процентном содержании именно чистого железа. А затем компьютерная программа прибора, сравнив данные с базой эталонных значений, выдаст подробные и точные данные по всему спектру элементов.

Для исследования была представлена конкреция из ааленских отложений средней юры разрез у села Хусса-Кардоникская, республики КЧР. Нижняя часть разреза (верхи тоара – аален) относится к верхней подсвите джигиатской свиты и представлена преимущественно песчаниками серыми и желтовато-бурыми массивными с сидеритовыми конкрециями. Вверх по разрезу песчаники становятся все более глинистыми, и в кровле замещаются глинами песчанистыми. Вмещающей породой для конкреции являются плотные желтовато-бурые песчаники, а её собственный состав достаточно сложный и разнородный. Проблема и в том, что само тело конкреции бывает плотно набито фрагментами ядер и ископаемых раковин аммонитов, а это в свою очередь могло бы исказить достоверность элементарного состава именно образующего тела конкреции, и сдвинулось бы в сторону её ископаемого наполнения. Но вопрос решился достаточно просто – рабочее поле для прибора меньше размера спичечного коробка, а найти такой участок в теле конкреции, более или менее свободный от раковин моллюсков при желании можно. В публикации изображена другая часть конкреции с аммонитами, рабочий же материал выглядел более скромно и без видимых остатков ископаемых, но являлся частью той же конкреции.
После недолгой подготовки и калибровки прибора образец был исследован и на экран были выведены следующие результаты. Для наглядности ниже приведен скриншот – или моментальный снимок монитора.

Это только один блок данных, самый важный и значимый, а всего же их было несколько, и прибор показал присутствие в конкреции более тридцати элементов таблицы Менделеева.
Ну и теперь немного разоблачений, из чего же «сделана» эта самая конкреция:
Кальция в ней чуть больше 20% , наверное, мелкие осколки раковин все же добавили этого элемента в состав, затем кремний -19.9%, железо-5.6%.магний-4%.аллюминий -3.4%. сера – почти 1%, марганца -0,2%.
Есть еще один сборный показатель LE - 44%. Это оказались легкие элементы (опять школьная химия) – водород, углерод, кислород, азот, фтор – те самые, которые легко образую оксиды, соли, кислоты и прочие соединения. Почему-то прибор не делит их на элементы, а собирает в одну отдельную группу. Скорее всего, это плата за портативность и оперативность получения данных.
Последующие блоки информации по составу оказались уж слишком экзотическими – наряду с цинком и фосфором, в конкреции присутствуют цирконий, рубидий, ванадий, иттрий, и окончательно добила меня платина. Но пришлось быстро успокоиться, так как оказалось, что в девяти из десяти обыкновенных булыжниках, подобранных на улице можно кроме платины обнаружить еще и золото и серебро, все дело в простой запятой и количестве нулей после этой запятой. Т.е. сотые и тысячные доли процента драгоценных металлов в породе мало кого интересуют.

Следующий прибор, куда отправилась часть конкреции, называется РЕНТГЕНОВСКИЙ ДИФРАКТОМЕТР,служащий для анализа схемы расположения атомов, которая определяет кристаллическую структуру минерала.
По-простому объяснить тут уже тяжелее, но если прибор выше показывал нам процентное соотношение элементов из таблицы Менделеева в образце, то этот уже может определить минеральный состав, т.е. какие минералы входят в состав породообразующего тела конкреции.
Те же самые атомы, которые ранее были «просчитаны» как элементы при первом исследование, рентгеновским дифрактометром, теперь «считаются» уже во взаимосвязи между собой, а именно как минералы.
Минералы представляют собой кристаллические вещества, свойства которых определяются геометрическим расположением составляющих их атомов и типом химической связи между ними.
Долго пытался упростить это определение, получается достаточно нескладно, но все же:
-определенное количество атомов при определенных условиях могут создать устойчивую симметричную пространственную структуру. Эти мельчайшие пространственные структуры называются элементарными ячейками, а бесконечно повторяющиеся в трехмерном пространстве эти ячейки образуют кристалл. Размеры элементарных ячеек в разных минералах различны и зависят от размеров, числа и взаимного расположения атомов в пределах ячейки.
Т.е. обыкновенная мелкая кварцевая песчинка состоит из бесконечно громадного количества повторяющихся элементарных ячеек, а в каждой из этих ячеек присутствуют атомы кремния и кислорода – SiO2, причем не просто присутствуют, а расположены в строго одинаковом порядке.
Причем, эта симметричная форма решетки присуща именно минералу кварц. Любой другой минерал будет иметь и другой набор атомов, и другую форму кристаллической решетки. Обычная поваренная соль на нашем столе то же минерал, в элементарной ячейке которого присутствуют атомы натрия и хлора - NaCl, но ориентация их относительно друг друга уже совершенно иная. Разность рисунка или пространственной формы кристаллической решетки каждого минерала и лежит в основе работы рентгеновского дифрактометра.
Индивидуальность кристаллических решеток определяет широкое разнообразие минералов и наряду с достаточно скромными, кварцем и солью, можно наблюдать и вот таких представителей группы:

Два первых сфотографировал на кафедре, первый - флюорит, следующий - гидроксиаппатит, третий – это агат, «родственник» той самой скромной кварцевой песчинки. Агат получил в подарок от уважаемого walter-а Владимира еще в прошлом году. Специалист в нашем городе распилил и заполировал торец, так что теперь любуюсь красотой.
Ну и обратно к рентгеновскому дифрактометру. В этом приборе, так же как и в первом работают рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи, проходя через симметричновыстроенные атомы кристалла, отражаются и создают определенный рисунок. Кроме всего прочего этот прибор проводит не разовое облучение, а непрерывное, меняя угол, и это позволяет, получит размеры межатомного расстояния и объемную модель расположения атомов в элементарной ячейке кристалла. Собрав информацию, программное обеспечение выдает блок результатов, и, оператор может самостоятельно сравнить данные с базой эталонных образцов, подобрать наиболее близкие и определить набор минералов, присутствующих в исследуемом объекте.
Непосредственно в конкреции из ааленских отложений обнаружено:
1. Карбонат кальция-магния (твердый раствор (Ca,Mg)CO3).
2. Кварц – в виде кварцевого песка (SiO2).
3.Примеси гематита Fe3O4.

Конечно, чтобы достаточно полно интерпретировать данные даже о составе только одной этой ааленской конкреции в палеонтологическом контексте, нужны соответствующие знания и опыт. Объем материалов, полученных с помощью этих двух приборов, на самом деле гораздо шире и серьезнее, с разнообразными графиками, таблицами и пр. Выше представлено только самое основное. Нужно будет еще самому понять и дифрактограммуи

другие результаты. Но главное, что они есть и есть с чем разбираться.
Оказывается, геохимические данные могут рассказать о многих событиях и процессах, происходивших во время формирования донных отложений. Точность и достоверность выводов базируется и на правилах отбора проб и на их количестве.Например, к показателям изменения глубины бассейна относится отношение Fe/Mn. По значению отношения Fe/Mn осадочные породы можно разделить на глубоководные, мелководные и прибрежные. Если подробнее, то поглощение марганца осадочными породами увеличивается по мере увеличения глубины. Для анализа изменения солености используются значения отношений Sr/Ba и Ca/Sr. Палеотермометрические исследования можно оценить с помощью отношений Ca/Mg, Sr/Ba, Zn/Nb, (Ce, Nd, La,Ba)/Yb (Y, Zr).
Поняв боле или менее принцип работы приборов и возможные результаты, все же решил продолжить изучение этого разрезу у села Хусса-Кардонникская, но теперь уже более основательно. Получилось, что, в данном случае предположение о формировании конкреций в прибрежном мелководье не совпадает с данными о соотношении Fe/Mn и требует дальнейшего изучения на основании большего кол-ва проб и сравнения с показателями вмещающей породы. Сама конкреция несет в себе ограниченную информацию о локальном образовании, состав которого, как правило, отличается от основного массива, кроме того, она (конкреция) может быть и переотложена и не связана с геологическими процессами на этом участке. Поэтому следующий этап - это исследование образцов коренной породы, взятых из подошвы разреза-1, средней части-2 и кровли-3. Дополнительное изучение может помочь разобраться с закономерностями захоронения и образования слоев с аммонитами, а они оказались не совсем простыми в этой зоне. Также, появится возможность сравнить состав уже изученной конкреции с составом вмещающей породы этого же слоя и решить вопрос о переотложении или сохранении in situ (когда остатки организмов могут оставаться на месте своей смерти в момент захоронения).

Каждому участку разреза уже соответствует определенная группа ископаемой фауны и будет интересно связать геохимические данные с условиями тафономии и седиментации конкретного горизонта дна древнего океана. Особый интерес вызывает кровля разреза, где песчаники становятся менее плотными, глинистыми, и уже в самых верхах видимой части обнажения замещаются глинами песчанистыми. Здесь найдена аммонитовая фауна, которая отлична от нижней и средней части разреза и возможно, в верхней части удастся найти границу базальной и следующей зоны ааленского яруса.
В заключении хочу выразить глубокую благодарность сотрудникам кафедры, уважаемым Якушеву Валерию Михайловичу, доценту, кандидату физ.-мат. наук и Соколенко Евгению Валентиновичу, доценту, кандидату химических наук за неоценимую помощь в проведении исследований. К сожалению, формат публикации не дает возможности представить весь увлекательный процесс работы с этими замечательными специалистами и может быть в будущем представиться возможность рассказать обо всем более подробно.

КЧР. Зеленчукский р-н. с. Хусса-Кардоникское.
ноябрь-декабрь 2017г.

Возраст окаменелости: Мезозой, Юра, Средняя юра, Ааленский ярус Место находки: Россия, Карачаево-Черкесия, Долина рек Хусса - Кардоник. Тип окаменелости: Беспозвоночные, Моллюски, Головоногие моллюски, Аммониты