Основы минералогии гипергенеза

Охваченная жизнью оболочка Земли - биосфера представляет собой совокупность биокосных систем, в каждой из которых осуществляется жизнеобеспечивающая связь между живой (организмы) и косной (минеральной) субстанциями. Известные гипергенные зоны (почвы, окисленные руды, коры выветривания пород), характеризуясь присущими им организмами, прежде всего микроорганизмами и специфическим минеральным субстратом, являются биокосными системами.

При изучении биокосных систем необходима совместная работа минералогов и микробиологов. К сожалению, пока имеется весьма мало данных о полных бактериальных обследованиях отдельных типов месторождений полезных ископаемых, кор выветривания и даже весьма богатых микро- и макроорганизмами почвенных образований. Пока нет ни одного примера привязки бактериальных данных к отдельным рудным телам, горизонтам кор выветривания и почвенным профилям, к формационным типам руд и месторождений. Лучше дело обстоит с зонами гипергенеза сульфидных месторождений, для которых уже имеются не только сводные работы (Яхонтова, Нестерович, 1983), но и первые характеристики энергетики биокосных связей (Яхонтова и др., 1994).

В настоящее время бактериально обследованы некоторые сульфидные месторождения. Из приведенной табл. 46, в которой обобщены данные по распространенности и концентрации широко распространенной в сульфидных рудах бактерии Th. ferrooxidans, видна прямая связь концентрации живых клеток в руде с температурой, с величинами Eh и pH циркулирующих в рудной массе растворов. Чем выше температура и кислотность растворов, тем больше бактериальных клеток в 1 г руды или 1 мл раствора. Соответственно и окислительный потенциал (Eh) таких вод выше. Вкрапленные руды, где электрохимические взаимодействия между минералами (сульфидами) затруднены, а также месторождения "холодных" районов (Co-Ni-вые месторождения Кольского и Норильского регионов) и при высокой роли карбонатного вещества в составе руд (Садонская группа Кавказа), снижающего кислотность вод, отличаются пониженной бактериальной активностью.

Для характеристики биокосной системы очень важны сведения о зональности рудного профиля месторождения, о наличии или отсутствии в нем смены горизонтов с разной аэрацией среды, с чем связано развитие аэробных или анаэробных бактериальных культур и принадлежность последних к автотрофам или гетеротрофам, т.е. усваивающих углерод из неорганического (СО₂, карбонаты в рудах) или органического источников.

Очень важны сведения не только о минеральном составе руд, но и наличии и характере контактирования в них минералов друг с другом с образованием гальванических пар, а также о возможной хрупкости и трещиноватости сульфидной массы. Что касается хрупкости минералов, то с этим связана возможность образования более тесных и более активных контактов организмов с частицами минералов. В этом отношении показательна удельная поверхность сульфидов (м²/г), отнесенная к поверхности частиц минерала одной и той же фракции, полученной при мокром помоле проб на планетарной мельнице (Кулебакин, 1978): халькозин (2,0)-висмутин (2,4)-пирротин (2,7-3,0)-кубанит (3,4)-антимонит (3,6)-борнит и пентландит (3,7)-галенит (4,3)-пирит (5,0)-арсенопирит (5,1)-халькопирит (5,6)-киноварь (7,3)-сфалерит (7,7-8,7)-молибденит (9,0). Чем правее в этом ряду стоит сульфид, тем больше удельная поверхность его частиц, тем меньше по размеру сульфидные частицы. К примеру, 1г халькопирита в одних и тех же условиях может образовать более тонкую суспензию, чем пирит, борнит, пирротин и другие минералы.

К числу важнейших характеристик сульфидов и других минералов в рудах, влияющих на результативность биокосного взаимодействия, относятся также сведения о их конституционном (структурном) состоянии. В случае с сульфидами важно учитывать их полупроводимость (дырочная или электронная), эффективные заряды слагающих структуру атомов, тип связей в кристаллической решетке, наличие кластерных позиций атомов (пирротин, пентландит), облегчающих биодеградацию сульфида, и другие структурные особенности минерального субстрата.

Нельзя также не оценивать состояние водной среды, в которой протекает процесс взаимодействия бактерий с минералами (химизм и кислотность вод, наличие в них компонентов, частично сказывающихся на жизнедеятельности организмов, концентрацию в водах газов, температурный режим среды, степень ее аэрации и др.). Все это должно входить в характеристику любой биокосной системы.