Микроскопия в изучении природных твердых битумов - данные об их микро- и наноразмерном строении

Среди объектов минералогии довольно широко распространены разнообразные твердые образования, на протяжении практически всей минералогической практики относимые к некристаллическим вследствие их рентгеноаморфности. Однако уже с середины XX в. стали распространяться представления о том, что эти вещества в реальности представляют собой агрегаты кристаллитов и только малые размеры последних не позволяют получать их дифракционную рентгеновскую картину. Результаты более поздних исследований показали, что среди рентгеноаморфных природных веществ существуют как кристаллические вещества с нано- и микрораз-мерными индивидами, так и полностью минералоидные, в которых отсутствуют даже фрагменты трехмерной упорядоченности атомов. В силу этого структурные представления о минералоидах, прежде всего органичес- ких, остаются одними из наименее полных среди объектов минералогии. К ним относятся и природные твердые битумы — соединения с углеводородной основой — от смесей высокомолекулярных углеводородов (асфальтенов, смол, масел) до практически моноуглеродных разностей, имеющие твердую консистенцию и являющиеся продуктами геологических процессов.

Структурообразование в битумах происходит не только на уровне атомов и молекул, но и на уровне относительно крупных агрегатов последних (надмолекул), что приводит к микро- и нанодисперсному структурному состоянию вещества. Для его изучения эффективными оказались методы микроскопии, прежде всего атомно-силовая (АСМ). Она позволяет проводить детальные исследования в размерном диапазоне от единиц до сотен нанометров, который находит ся между возможностями сканирующей электронной микроскопии, выявляющей элементы строения вплоть до субмикронных размеров, и просвечивающей микроскопии, работающей на уровне атомарных решеток и межфазных границ.

Нами было изучено надмолекулярное строение битумов, составляющих термально-метаморфический ряд карбонизации: асфальты — асфальтиты — кериты (подразделяющиеся в свою очередь по степени преобразованности на низшие и высшие) — антраксолиты (низшие, средние и высшие). Основную роль в преобразовании углеводородного вещества в природе играл прогрев, обусловленный разнообразными геологическими факторами: вулканической деятельностью, гидротермальными процессами.

С помощью АСМ было раскрыто и детально описано субмикро- на-

^есЛЯак , сентябрь, 2010 г., № 9

Схематичное изображение эволюции надмолекулярного строения в ряду карбонизации природных твердых битумов

Схематичное изображение надмолекулярного структурирования в слабо- и среднепреобразованных природных битумах

Агрегация структурных элементов в высших антраксолитах

норазмерное строение асфальтитов, низших и высших керитов, высших антраксолитов. Элементы такого строения интерпретируются как надмолекулы, сложенные асфальтеновыми ассоциатами. Входящие в состав битумов смолы и масла являются вмещающей надмолекулярные элементы средой. Форма надмолекулярных элементов определяется агрегированием исходных асфальтеновых частиц в смолисто-масляной среде в различных физико-химических условиях, приводящих к формированию разнообразных по форме агрегатов. При этом чем выше содержание смол как дисперсионной среды, тем больше возможностей у асфальтенов создавать крупные надмолекулярные частицы. Высшие кериты являются уже более компактно структурированными на надмолекулярном уровне веществами, в которых разнообразие структурных элементов отражает разнообразие молекулярного состава — присутствие асфальтеновых ассоциатов при значительном содержании графеновых структурных элементов.

В высших антраксолитах реализуется наноглобулярная структура. Выявлена закономерность влияния температурного фактора на размеры частиц в высших антраксолитах, выражающаяся в их уменьшении при повышении температуры, воздействовавшей на исходное органическое вещество. Нами разработана многоуровневая модель строения высших антраксолитов шунгитовых пород Карелии, в которой объединяются все выявленные уровни агрегации структурных элементов в высших антраксолитах.