В современном мире добывается более 200 разнообразных полезных ископаемых, из которых около четырех десятков имеют стратегически важное значение для мировой экономики. В их числе природный газ, уголь, нефть, руды, содержащие железо, алюминий, медь, цинк, свинец, титан, олово, золото, уран.. В последние годы особое значение приобретают так называемые критические материалы — литий, кобальт, никель, редкоземельные элементы, необходимые для производства аккумуляторов и  электроники, технологий возобновляемой энергетики. И именно геологи помогают людям  найти это ценное сырье и подсказывают, как его легче добыть.

Находки новых полезных ископаемых способствовали не только появлению и освоению новых технологий, но и расселению человечества по земному шару, в том числе и в те регионы, которые раньше казались малопривлекательными. Например, благодаря многочисленным «золотым лихорадкам» цивилизация проникла в пустынные районы Австралии, Южной Африки и американского Дикого Запада — от Аляски до Калифорнии. Достаточно подобных примеров и в нашей стране. Урал осваивали вслед за открытиями новых месторождений поделочных камней, а ради медных и серебряных рудников пришли сюда первые промышленники. После открытия стратегических запасов меди и никеля за полярным кругом в зоне вечной мерзлоты вырос город Норильск с огромным горно-металлургическим комплексом, благодаря началу добычи ценнейших алмазов по всей Якутии появились новые поселки и города, а почти необитаемая ранее заболоченная тайга Западной Сибири была застроена и заселена всего за пару десятков лет, потому что геологи нашли там нефть и газ. А кстати, как они все это находили?

Как геологи находят полезные ископаемые?

Веками в арсенале искателей полезных ископаемых были разве что лопаты, молотки да накопленный веками опыт, передававшийся из поколения в поколение и позволявший по ряду мелких примет найти малахитовую или серебряную жилу или реку, несущую золотой песок. О таких мастерах горного поиска складывали легенды, подобные «сказам» Павла Бажова.

Поставить поиск полезных ископаемых в России на прочную научную базу пытался еще Михаил Ломоносов, в 1763 году писавший об этом в своей книге «Первые основания металлургии или рудных дел». Но только к началу XX века геология окончательно оформилась как научная дисциплина, и поиск полезных ископаемых, в том числе и в нашей стране, стал вестись на регулярной научной основе.

В 1920-х годах в СССР была создана Геологическая служба, в рамках которой вопросами разведки полезных ископаемых и научными исследованиями в области геологии занимался геологический комитет. Работы вели сотрудники геологических партий, число которых год от года стремительно увеличивалось: в 1923 году по всей стране работало 150 геологических партий, а к 1932 году эта цифра возросла до 1500.

В 30-70-е годы прошлого века растущая промышленность нашей страны требовала все новых и новых ресурсов, и профессия геолога переживала настоящий пик популярности. Геологические факультеты вузов не знали отбоя от абитуриентов, а само слово «геолог» была овеяно флером романтики: костры, походы, приключения, слава первооткрывателей… О геологах снимали фильмы и писали стихи. Сегодня куда больше этой романтической ауры впечатляют практические результаты работы отечественных геологов той поры. К 1970-м годам в СССР была сформирована основная сырьевая база по ключевым видам полезных ископаемых – залежи золота, алмазов, ценных металлических руд, природного газа и нефти.

К 1980-м годам в стране над вопросами геологии и геологоразведки работало около полутора десятков научно-исследовательских институтов, в том числе Всесоюзный научно-исследовательский геологический институт (ВСЕГЕИ), Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР), Всесоюзный научно-исследовательский институт разведочной геофизики (ВИРГ). В арсенале отечественных геологов были самые передовые исследовательские методы, которыми их коллеги пользуются и по сей день:

• Гравиметрические измерения. Проводятся при помощи гравиметров различной конструкции, но в основе их работы лежит измерение ускорения свободного падения у поверхности Земли. В школьных учебниках по физике для упрощения решения задач считают, что эта величина равна 9,81 м/с². На самом деле, эта цифра меняется в зависимости от того, какие горные породы находятся под землей в месте измерения. Геофизики при помощи гравиметра измеряли эту величину и выявляли отклонения от средних параметров, по которым предполагали наличие интересующих горных пород.

• Магниторазведка. При помощи магнитометра специалисты измеряют магнитную индукцию – характеристику магнитного поля Земли, на основании выявленных аномалий определяя предполагаемые перспективные места для дальнейшего поиска минеральных ресурсов. Особенно эффективен такой метод для металлических руд, в составе которых есть ферромагнетики, например магнетит, гематит или титаномагнетит.
• Сейсморазведка. Путем взрыва или при помощи специальных приборов геофизики искусственно создают сейсмические волны, а затем исследуют их прохождение через толщу земной коры. Неоднородные участки породы дают разные параметры прохождения волн, которые улавливаются специальными приборами – сейсмоприемниками.

• Геохимический метод. Геологи отбирают пробы горных пород, подземных вод, почвенного и атмосферного воздуха и при помощи анализа выявляют аномальное содержание химических веществ, которые указывают на присутствие полезных ископаемых. Например, присутствие метана в пробах грунта может быть признаком наличия углеводородов.
• Разведочное бурение. На основании вышеперечисленных методов выделяются перспективные участки, где проводилось разведочное бурение, по итогам которого геологи могут более подробно изучить состав горных пород, последовательность и глубину их залегания.

Сегодня к этим проверенным временем методам, разумеется, добавились и новые технологии.

• Дистанционное зондирование Земли. Очень помогают в работе с недрами данные, полученные с космических спутников. Структурный и спектральный анализы позволяют сделать предположения о залегании горных пород, их свойствах и параметрах, а также предварительно оценить потенциальные запасы месторождения. Ну и, конечно, снимки со спутников упрощают картографирование и сокращают наземные работы.

• BIM-технологии. Этот метод применяется не только для моделирования различных зданий и структур, но и для создания цифровых 3D моделей геологической среды. При помощи этой технологии можно визуализировать данные, анализировать, прогнозировать возможные риски при разведке и добыче полезных ископаемых. Суть технологии заключается в создании единой цифровой модели месторождения или геологической среды, в которой все параметры и показатели объединены в одну общую базу данных.

• Беспилотные летательные аппараты. БПЛА очень упрощают и ускоряют работу геофизиков: на них можно установить те же приборы, которыми пользуются на земле и, измеряя электромагнитные поля и радиационный фон, получать сведения о составе недр.
• Лазерная съемка. Лидары – приборы для лазерного сканирования, которые тоже удобно размещать на дронах. С их помощью геологи уточняют данные гравиметрических измерений и совершенствуют цифровые модели рельефа.
• Искусственный интеллект. Ну и куда же современным специалистам без искусственного интеллекта? Эти технологии помогают быстро и в автоматическом режиме интерпретировать данные сейсморазведки, гравитационной и магнитной съемок. Современные геологоразведочные проекты всё чаще строятся как data-driven системы: большие массивы геофизических и геохимических данных анализируются автоматически, а решения о бурении принимаются на основе цифровых моделей месторождений. Алгоритмы также помогают создавать визуализации и трехмерные модели подземных структур.

Несмотря на развитие технологий, базовые принципы геологоразведки и сегодня остаются прежними: специалисты ищут аномалии — отклонения от нормы, которые могут указывать на наличие полезных ископаемых. Меняются лишь инструменты, позволяющие выявлять такие аномалии быстрее и точнее.

Что еще умеют геологи?

В XXI веке работы у российских геологов меньше не становится. Современные специалисты в области геологоразведки по-прежнему решают важнейшие для страны задачи, среди которых:

• поиск новых месторождений;
• актуализация результатов ранее проведенной геологоразведки, то есть более детальное изучение тех месторождений, которые были найдены 50-60 лет назад, но отнесены к категории нерентабельных, а теперь, при современном уровне развития технологий, приобрели новые перспективы;
• дополнительная разведка более глубоких слоев на тех объектах, где давно идет добыча;
• оценка запасов сырья и перспектив добычи.

Немало забот у геологов и в других областях, ведь их компетенции не исчерпываются поиском полезных ископаемых. Вот еще несколько направлений, где без геологов не обойтись.

• Поиск водоносных горизонтов. Подземные запасы пресной воды зачастую являются основным источником питьевого и технического водоснабжения для крупных мегаполисов, особенно в засушливых регионах. Да и сельское хозяйство в таких местах возможно только за счет орошения из подземных водоносных горизонтов. С точки зрения геологии подземные воды – это тоже полезные ископаемые. Их поиском и определением качества заняты представители отдельной сферы геологии – гидрогеологи.
• Оценка геологической опасности при строительстве. Оползни, обвалы, просадки грунта: все эти риски необходимо учитывать при строительстве зданий, сооружений, дорог. И без геологов оценить их невозможно. Геологи участвуют в разработке СНиПов, экспертизе строительных проектов. В штате каждой крупной проектной организации всегда есть инженеры-геологи.
• Научные исследования в области геологии Земли. Строение планеты в целом и особенно земной коры – это фундаментальная основа геологии. И неугомонные геофизики в разных уголках Земли продолжают бурить сверхглубокие скважины, чтобы понять, как устроена Земная кора. До сих пор есть вопросы по ядру планеты, и с теорией литосферных плит и магнитным полем тоже не все ясно…

• Изучение прошлых геологических эпох. Это задача исторической геологии, которая тесно связана с другими науками: вместе с климатологами геологи изучают состав атмосферы по горным породам прошлых эпох, помогают палеонтологам разобраться в загадках животного и растительного мира древней Земли.
• Помощь в решении территориальных вопросов. На первый взгляд не совсем геологическая тематика, но привлечение специалистов из этой сферы для решения юридических вопросов уже не редкость в наше время. Например, благодаря работе геологов и данным, которые они предоставили, комиссия ООН в 2014 году признала спорную часть дна Охотского моря частью континентального шельфа России, а значит, закрепила за нашей страной право на ресурсы недр.  Заявки на расширение континентального шельфа в Арктике, поданные рядом стран, продолжают рассматриваться Комиссией ООН по границам континентального шельфа. При этом в зонах, где претензии пересекаются, окончательные границы должны определяться в ходе межгосударственных переговоров.

Что и как будут делать геологи завтра?

Похоже, российскую геологию в ближайшем будущем ждет «вторая молодость». Хотя бы просто потому, что другого не дано. Основной вызов современной геологии — истощение легкодоступных месторождений. Всё чаще поиск ведется в сложных условиях: на арктическом шельфе, на больших глубинах, в удаленных и слабо изученных регионах. В условиях ограниченного доступа к зарубежным технологиям и оборудованию особое значение приобретает развитие собственных методов геологоразведки и обработки данных. При участии Российской Академии наук разрабатывается Федеральная научно-техническая программа, направленная на ускорение процессов добычи металлических руд, а в 2021 году правительством был утвержден федеральный проект «Геология: возрождение легенды», приоритетная задача которого – поиск природного газа, нефти, титана, золота, серебра и других металлов. И эти работы успешно ведутся: несколько лет назад были определены балансовые запасы редкоземельных металлов на крупном месторождении Томтор, а по итогам 2024 года в России, на территории Сибири, было открыто 39 новых месторождений углеводородов. Сырьевой сектор – локомотив российской экономики, а доля нефтегазового сектора в доходах бюджета за январь-сентябрь 2024 года достигала 31,7 %. Поэтому специалисты в сфере геологоразведки востребованы и обеспечены работой на долгие годы вперед.

Но легкое и доступное сырье постепенно заканчивается, и это вынуждает геологов искать не только новые запасы, но и новые технологии. Например, специалисты из Казанского федерального университета разрабатывают технологию для извлечения тяжелой вязкой нефти из пластов с применением катализаторов, а компания «Роснефть» совместно с учеными из Московского государственного университета проводит стратиграфическое бурение и исследования на шельфе в морях Арктики, в том числе и с целью выявления запасов углеводородов. Геофизический центр РАН разрабатывает метод наклонно-направленного бурения, который позволяет вести многослойное и кустовое бурение пластов: этот способ весьма перспективен для добычи сырья на арктическом шельфе, потому что позволяет обходиться без строительства платформ и добывать ресурсы из ближайшей точки на суше.

Хочешь стать геологом? Будь им!

Успех геологоразведки, да и всей российской геологии напрямую зависит от привлечения новых высококвалифицированных кадров. Где же кузница этих самых кадров: геофизиков, гидрогеологов, сейсмологов, геохимиков, горных инженеров и геологов? На геологических факультетах, которые есть во многих ВУЗах нашей страны. И в первую очередь здесь можно назвать Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ), Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина, Санкт-Петербургский горный университет, Уральский государственный горный университет и Томский политехнический университет.

Автор текста Ольга Фролова

Изображение на обложке: Freepik

• Свинцовый карандаш, известный с XIII века, представлял собой остроконечный стержень, который сначала просто держали в руке, но потом, чтобы не пачкать пальцы, стали чем-нибудь оборачивать, например, бумагой. Написанные свинцовым карандашом буквы или сделанный им рисунок получались немного тусклыми, поэтому для таких карандашей часто использовали сплавы: например, к свинцу добавляли хорошо прокованное олово из расчета 2:1. Получавшийся инструмент устраивал всех, а его важная функция отразилась в языке: например, в немецком карандаш называется «bleistift», то есть «свинцовый стержень». Художники использовали свинцовый карандаш и для подготовительных рисунков, и для самостоятельных графических работ. Рисовали этим карандашом на дереве, пергаменте, бумаге, которые покрывали грунтом из мелко размолотых костей животных, смешанных с животным или растительным клеем. Правда, исправить нарисованное было трудно, но в качестве «ластика» годился хлебный мякиш. Со временем свинец как материал для письма или рисования был потеснен графитом, но тот стоил дорого, поэтому свинцовые карандаши оставались в ходу даже в XIX веке.
• Серебряный карандаш, а также серебряную иглу или серебряный штифт изготавливали следующим образом: стержень затачивали и закрепляли в каком-нибудь держателе или припаивали серебряную проволоку к металлической ручке. Карандашом с серебряным стержнем, так же как и свинцовым, писали и рисовали: в XV-XVII веках техника серебряного карандаша была особенно популярна в Италии, Германии и Нидерландах. Итальянский художник Раннего Возрождения Ченнино Ченнини в своем сочинении «Книга об искусстве, или Трактат о живописи» советовал работать серебряным штифтом по нанесенному на дерево, пергамент или бумагу костяному грунту, «легко касаясь… чтобы то, что ты начал рисовать, было едва заметно, постепенно усиливая штрихи, по нескольку раз возвращаясь к теням». «Серебряный стилус» требовал точности, поскольку выполненный им рисунок стереть было невозможно. Но его достоинство как материала для рисования заключалось в том, что линии получались тонкими, благородного серо-голубого цвета. По мере окисления серебра, также как и при использовании свинцового карандаша, штрихи становились коричневатыми, будто покрывались патиной времени.

• «Итальянский» карандаш, появившийся примерно в конце XIV века, сначала делали из «черного мела» — глинистого сланца, а позднее — из размельченных в порошок жженой кости или древесного угля. По этой причине данный вид карандаша и получил свое второе название: угольный. Для прочности и придания черному порошку формы стержня его смешивали с растительным клеем. В отличие от следа, оставляемого серебряным или свинцовым карандашом, итальянский позволяет проводить более толстую, насыщенную, мягкую линию, которая слегка размазывается, давая возможность делать растушевку и прорабатывать светотень. Штрих у итальянского карандаша темнее, чем у привычного графитового, и отличается большей однородностью, чем у угля для рисования.

Свинцовые, серебряные, «итальянские» карандаши сегодня используются в основном художниками, ценящими возможности именно этих инструментов, а в повседневности, да и в обычном рисовании их давно вытеснил всем известный карандаш со стержнем из графита.

Как появился графитовый карандаш

Графит представляет собой кристаллическую модификацию углерода и имеет одну важную особенность: в силу своей слоистой структуры он легко оставляет на поверхностях серые и черные следы. Название, происходящее от греческого слова «графо», что в переводе означает «писать», дал минералу немецкий геолог Абрахам Готлиб Вернер в 1789 году, хотя активное использование графита в качестве «пишущего» материала началось еще в XVI веке, когда в английском графстве Камберленд недалеко от деревушки Ситвейт, что в приходе Борроудейл, обнаружили крупное месторождение странного черного вещества. Его приняли за уголь, но он не горел, его назвали «черным свинцом», но он не плавился, зато сильно пачкал руки и одежду. Местные пастухи быстро сообразили, что кусочками такого минерала сподручно метить овец. К тому же графит оказался настолько мягким и слоистым, что его было легко распилить на палочки и использовать для письма или рисования. Художники охотно покупали такие стержни. Но из-за интенсивной разработки английского месторождения запасы минерала стали истощаться, а цена на карандаши — расти. 

Первыми подходящий способ экономить материал придумали в Германии, ныне оспаривающей у Англии первенство в изобретении карандашей. В XVII столетии в немецком Нюрнберге графит стали «облачать» в деревянную оправу, которая и продлевала жизнь грифелям, и защищала руки художников от пачкания. Несколько позже нюрнбергские предприниматели наладили выпуск карандашей в виде деревянных трубочек с грифелем из смеси графитовой пыли, серы, сурьмы и клея. Качество товара оказалось ниже, чем у настоящих графитовых карандашей, но изделия стоили дешевле и свою функцию в целом выполняли. Нюрнберг стал одним из центров карандашного производства.

Между тем поиски подходящего технического решения для производства графитовых карандашей продолжались. В конце XVIII века парламент Англии, которая вела военные действия, запретил экспортировать из страны графит, так как он шел на производство пушечных ядер. В разных странах стали искать возможность замены английского графита. 

В 1795 году Национальный конвент Франции, оставшейся из-за войны с Англией без поставок нужного минерала, обратился за помощью к ученому, изобретателю и художнику Николя-Жаку Конте. Тот разработал рецепт карандашного стержня из измельченного графита или графитной пыли, смешанных с белой глиной — каолином. Благодаря обжигу при высокой температуре смесь приобретала высокую прочность, а по своим рисовальным качествам не уступала цельному графиту. Кроме того, соотношение компонентов можно было варьировать и выпускать карандаши разной твердости. 

Вскоре после того, как Конте сделал свое изобретение, были открыты графитовые залежи в разных местах Европы, а также в России. Кстати, лучший в мире графит особой чистоты добывали в Иркутской губернии — в Ботогольском месторождении, находящемся в Восточном Саяне. Рудник выкупил и в 1847 году приступил к его разработке французский промышленник Жан-Пьер Алибер.

Как производят карандаши

По сути своей состав смесей, придуманных еще Конте, не изменился до сих пор. В их основе по-прежнему лежат графит, глина и связующее вещество, а для цветных карандашей вместо графита используют неорганические или органические пигменты. Приготовленную графитную массу, по консистенции напоминающую тесто, продавливают через матрицу, на выходе нарезая на кусочки в длину будущего стержня. Заготовки обжигают в специальной печи при температуре от 800 до 1200 ^оС, чтобы выжечь связующее вещество и плотно спечь глину. После чего проводится «жировка» грифелей: образовавшиеся при тепловой обработке поры заполняют жиром, стеарином или воском. 

Для корпуса, или «рубашки», карандаша берут древесину кедра, ели или липы, которую очищают от коры, шлифуют, нарезают на одинаковые узкие планки и пропитывают восковым раствором. В планках вынимают сердцевину, вставляют в образовавшуюся продольную полость грифель, склеивают две половинки между собой и помещают под пресс для затвердевания клея и во избежание деформации карандаша.

Кто придумал граненый корпус карандаша

В XVIII веке немецкий плотник из знаменитого своим карандашным производством города Нюрнберга, Каспар Фабер, открыл небольшую фабрику по выпуску этих популярных изделий и продавал их на местном рынке. А его правнук Иоганн Лотар фон Фабер расширил дело предков до крупной компании, получившей имя ее владельцев — Faber-Castell, ставшей известной во всем мире.

Предприниматель выпускал графитовые карандаши с грифелями разной жесткости и цветные карандаши в 60 оттенках, соответствовавших оттенкам акварельных красок. В 1856 году Фабер подписал с Жаном Пьером Алибером, владельцем саянского графитового месторождения, монопольный контракт на использование добывавшегося там высококачественного графита. 

Именно Фабер, заметив, что карандаш круглого сечения легко скатывается с наклонной поверхности, отчего ломается грифель, предложил делать деревянный карандашный корпус шестигранным. Граненый карандаш до сих пор пользуется большой популярностью.

Когда появились механические карандаши

Один из недостатков карандаша с деревянным корпусом заключается в том, что значительная его часть идет в отходы при затачивании. Поэтому производители карандашей давно задумывались над изделием, которое не надо было бы очинивать. 

Впервые карандаш с выдвигающимся стержнем запатентовали в 1822 году англичане Сэмпсон Мордан и Джон Айзек Хокинс. С тех пор патенты на необычные карандаши сыпались как из рога изобилия: только за последующие 50 лет их выдали более полутора десятков. Однако лишь в 1916 году японский изобретатель Токудзи Хаякава придумал механизм выдвижения грифеля с помощью кнопки на конце корпуса. 

Механический карандаш, кроме отсутствия необходимости в заточке, позволил вставлять в него все более тонкие стержни. Сейчас их прочность и одновременно эластичность обеспечивают полимеры, поэтому грифели могут напоминать иголку с тупым концом, оставляющую на бумаге след в долю миллиметра и при этом не ломающуюся. Но при всех преимуществах механической конструкции никуда не делся и старый добрый карандаш.

Интересные факты о карандашах

• Первое производство деревянных карандашей в России организовал Михаил Васильевич Ломоносов.
• В 1866 году американский изобретатель Эдсон Кларк запатентовал химический карандаш для копирования документов. Особенностью нового канцелярского инструмента были специальные добавки, которые входили в состав стержня. При использовании грифель увлажняли, и он оставлял на бумаге след, напоминающий чернильный. Написанное химическим карандашом нельзя было стереть, что и требовалось для официальной документации.
• Первый патент на точилку для карандашей в том виде, в каком мы её знаем  сегодня, получил в 1828 году французский математик Бернард Лассимон. 
• Использовать в качестве ластика застывший каучук предложил в 1752 году французский ученый-натурфилософ Жан-Гиацинт де Магеллан.
• На северо-западе Англии, в городе Кесвике, близ которого было обнаружено первое месторождение графита и построена карандашная фабрика, в 1981 году открылся Музей карандаша.

• Сегодня популярность набирают «вечные» карандаши, в которых опять используется металл. Состав сплава производители, как правило, держат в секрете, но чаще всего в нем содержатся висмут и нетоксичное олово. Еще один материал для стержня в таком карандаше — изостатический графит, получаемый в специальных печах при высокой температуре и идущем со всех сторон давлении. «Вечный» карандаш на самом деле тоже имеет свой срок службы, однако писать и рисовать им можно намного дольше, чем графитовым.

Автор текста Ирина Кравченко

Изображение на обложке: Freepik