Минерал-универсал из Слюдянки: почему этот апатит назвали «ювелирным» и отправили в лаборатории мира

Иркутские ученые из Института земной коры Сибирского отделения РАН совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили и аттестовали редкий по своим свойствам образец апатита, который может служить эталонным материалом для элементного микроанализа. Результаты работы опубликованы в авторитетном научном журнале Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy.

По словам старшего научного сотрудника ИЗК СО РАН, кандидата химических наук Артема Мальцева, апатит встречается в самых разных горных породах — магматических, метаморфических и осадочных. Уникальность минерала в том, что его кристаллическая решетка способна вмещать огромное количество примесей — от редкоземельных элементов до летучих компонентов. Изучая состав апатита, ученые могут восстанавливать условия формирования породы: температуры, давления и циркулировавшие в ней флюиды. Кроме того, минерал часто сопровождает месторождения редких металлов, в частности ниобия и редкоземельных элементов, которые критически важны для зеленых технологий, электроники и оборонной промышленности. По составу апатита, добавил исследователь, можно оценивать потенциал рудного тела.

В современной геохимии для анализа апатита чаще всего применяют масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС). Метод позволяет точечно «выжигать» участок минерала размером в сотню микрон и определять его элементный состав — быстро и без сложной пробоподготовки. Однако для получения точных количественных результатов требуется стандарт: образец с заранее известным составом, с которым сравнивают измерения. Если стандарт не совпадает по свойствам (матрице) с изучаемым веществом, возникает систематическая ошибка.

Артем Мальцев пояснил, что многие геохимики сегодня используют в качестве стандарта синтетические стекла, например NIST SRM 610. Это удобно, но у стекла и природного апатита разная матрица, что приводит к ошибкам в 5–10%. Чтобы избежать этого, нужен стандарт с подходящей матрицей — то есть тоже апатит, но с гарантированной однородностью. Образец из Слюдянки, получивший обозначение SlyudAP, как раз и должен стать таким эталоном.

Для исследования ученые отобрали семь крупных кристаллов апатита из коллекции Института земной коры СО РАН, собранной еще в 1980-х годах сотрудником Леонидом Зиновьевичем Резницким. Только один образец оказался однородным. Чтобы проверить его пригодность в качестве стандарта, кристалл разделили на фрагменты и разослали в несколько лабораторий. Каждый фрагмент изучали разными методами: лазерная абляция, масс-спектрометрия растворов, рентгенофлуоресцентный анализ, сканирующая электронная микроскопия. Такой подход позволил получить максимально точные данные и доказать, что все фрагменты идентичны.

SlyudAP представляет собой кристалл ювелирного качества с высокими концентрациями стронция, тория и мышьяка, а также промежуточными концентрациями редкоземельных элементов. Главное достоинство образца, по словам Мальцева, — уникальная гомогенность. В мире существуют эталонные образцы апатита, например мексиканский Durango, но у него часто встречаются зональность и неоднородности по содержанию редких элементов. SlyudAP, напротив, удивительно стабилен: на картах распределения элементов, построенных с помощью лазерной абляции, нет пятен или зон обогащения. Вариации содержания большинства элементов не превышают 2–5%, что для природного минерала является отличным показателем.

В исследовании приняли участие несколько организаций. Основные работы прошли в Институте земной коры СО РАН (отбор материала, концепция исследования, анализы методами рентгенофлуоресцентного анализа и масс-спектрометрии). Ученые Геологического института РАН (Москва) провели независимый анализ растворов, подтвердив данные иркутских коллег. Сотрудники Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН выполнили высокодетальную съемку на электронном микроскопе, доказав однородность на микроуровне. В Институте геологии и геохронологии докембрия РАН (Санкт-Петербург) получили уникальные данные по изотопному составу урана и свинца методом ID-TIMS. Зарубежные исследователи участвовали в межлабораторных сличениях, подтвердив, что метод стабильно работает в разных условиях на разных приборах.

Артем Мальцев сообщил, что исследования будут продолжены. Во-первых, ученые намерены развивать использование слюдянского апатита в качестве геохронологического стандарта. Минерал часто применяют для определения возраста пород по уран-свинцовому методу. Предварительные измерения дали возраст апатита — 467 миллионов лет. В будущем исследователи хотят уточнить эти данные, чтобы образец можно было использовать как стандарт и для элементного состава, и для определения возраста. Во-вторых, образец уже предложен геохимикам. Любая лаборатория, занимающаяся анализом апатита, сможет применять его для проверки правильности своих измерений. Это вторичный стандарт, повышающий надежность данных, особенно при поиске редкоземельных металлов или реконструкции сложных геологических процессов. Образцы уже доступны для научного сообщества.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-77-30006).