Лаборатория технологии добычи и переработки сырья мамонтовой фауны ФИЦ «ЯНЦ СО РАН»

Лаборатория технологий добычи и переработки сырья мамонтовой фауны сформирована и начала функционировать 11 июня 2019 года.

Исполняющий обязанности руководителя лаборатории — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ФИЦ «ЯНЦ СО РАН», старший научный сотрудник Института проблем нефти и газа ФИЦ «ЯНЦ СО РАН» Петухова Евгения Спартаковна.

На момент создания в лаборатории работало 19 человек (в.н.с. – 1,5 ставки, н.с. – 2,5 ставки, м.н.с. – 9,3 ставки, ст.-иссл. – 1 ставка), в том числе 3 кандидата наук, возрастной состав: до 39 лет — 18 человек, до 35 лет — 14 человек.

Актуальность открытия данной лаборатории обусловлена тем, что до 80% мировых запасов ископаемой мамонтовой кости (ИМК) сосредоточено на территории Республики Саха (Якутия). Рассматриваемый вид сырья в последние годы приобрел высокий рыночный спрос, обусловленный полным запретом охоты на слонов («Международное соглашение о запрете торговли слоновой костью», подписанное по инициативе ЮНЕСКО в 1990 году). В настоящее время все исследования ископаемой фауны позднего плейстоцена направлены на выявления видового состава млекопитающих, их распространения, филогенетических связей вымерших и современных животных, морфологических и генетических особенностей, условий обитания и др. Методы поиска и добычи ИМК рассматриваются косвенно, а геологоразведочные работы произведены СПО «Северкварцсамоцветы» однократно в 1980-1989 годах. Кроме того, открытыми остаются вопросы, связанные с сохранением уникального сырья после добычи, в процессе транспортировки к месту стационарного хранения, а также в области обеспечения ресурсосбережения ИМК при изготовлении продукции.

Целью работы данной лаборатории является разработка эффективных экологических технологий освоения месторождений мамонтовой фауны для повышения социально-экономического и культурно-этнического престижа Восточной Арктики Российской Федерации в мире.

Задачей первого года исследований являлось выделить наиболее перспективные, экономически целесообразные направления деятельности. В связи с этим на 2019 год был поставлен широкий круг вопросов, охватывающих значимость представляемой тематики:

1. Анализ технологий разработки местоположений мамонтовой фауны в РФ и мире;
2. Анализ технологий бальзамирования останков уникальных животных;
3. Анализ технологий переработки мамонтовой фауны в предметы сувенирной продукции;
4. Поиск путей эффективных технологий бальзамирования останков мамонтовой фауны, обеспечивающих максимально долговременное хранение;
5. Поиск путей применения новых композиционных материалов (керамических, полимерных и т.д.) для изготовления продукции, включающих останки мамонтовой фауны, в т.ч. с применением 3D-технологий. Разработка инструментов для обработки останков мамонтовой фауны с учетом наибольшей сохранности полезного ископаемого и использования их отходов;
6. Разработка эффективных экологических методов освоения месторождений мамонтовой фауны в криолитозоне. Разработка технологий бальзамирования мамонтовой фауны. Разработка 3D-моделей сувенирной продукции из останков мамонтовой фауны.

Проведенный на первом этапе анализ имеющейся информации по представляемой тематике позволил выделить наиболее значимые вопросы в связи с чем на 2020-2021 гг. были поставлены более узкие задачи:

2020 год:

1. Проведение модельных экспериментов (физического и натурного моделирования) георадиолокационного зондирования костных остатков мамонтовой фауны.
2. Анализ подходов к сохранению и обработке бивня мамонта. Климатические испытания костного сырья. Анализ возможностей внедрения 3D-технологий в производство сувенирных изделий из костного сырья.
3. Сбор информации о существующих местонахождениях остатков мамонтовой фауны и их систематизация в виде базы данных. 

2021 год:

1. Научное обоснование параметров георадиолокации при поиске ископаемой мамонтовой кости.
2. Разработка рекомендаций по сохранению бивня мамонта после добычи и в период хранения до художественной обработки. Исследование влияния различных факторов на сохранность изделий из бивня мамонта. Разработка методик лазерной и фрезерной обработки бивня мамонта; использование 3D-технологий для моделирования и производства изделий из костного сырья.
3. Составление физико-географической карты местонахождений остатков мамонтовой фауны с использованием ГИС-технологий и разработка рекомендаций по их поиску на потенциально перспективных участках.

Соответственно объектом исследования является ископаемая мамонтовая кость (ИМК) и методы её обнаружения, добычи, обработки и сохранения, территории возможного обнаружения ИМК. Предметом исследования являются подходы к поиску, добыче, переработке и сохранению ИМК.

В рамках выполнения проектной деятельности по апробации метода георадиолокации для обнаружения ИМК были проведены экспедиционные работы: в 2020 году в качестве ключевых для проведения натурных георадиолокационных экспериментов выбраны участки, расположенные в Нижнеколымском районе Республики Саха (Якутия), а именно водоемы местности Дуванный Яр и Халерчинской тундры.

В 2021 году экспедиционные исследования были проведены в Олеринской тундре Нижнеколымского района и лесотундре Верхнеколымского района с целью проведения опытно-методических работ по изучению эффективности применения геофизических методов для поиска и обнаружения объектов мамонтовой фауны (МФ).

В рамках экспедиционных работ расширены и уточнены характеристики георадиолокационных сигналов, отраженных от костных остатков, расположенных на дне и в донных отложениях пресноводных водоемов. Разработана методика георадиолокационного измерения, позволяющая отсечь прямолинейные объекты (палеодеревья) на начальном этапе обработки и интерпретации данных.

В области ресурсосбережения и внедрения новых методов обработки сырья выполнена апробация методов лазерного нанесения изображений на бивнях мамонта (БМ) и фрезерования с использованием приборов с числовым программным управлением.

Бивень мамонта всесторонне исследован методами рентгенофазового анализа (РФА), термогравиметрического анализа (ТГА), инфракрасной спектроскопии (ИКС) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с приставкой для элементного анализа.

Термогравиметрический анализ позволил оценить количественный состав образца бивня мамонта: внешняя адсорбированная влага – 4,98%, органическая часть — 27,51%, минеральная часть — 67,51%. Методом рентгенофазового анализа было показано, что минеральная часть бивня мамонта состоит из гидроксиапатита (ГАП), как и большинство костных материалов. Данный факт подтверждает, что гидроксиапатит в процессе длительного залегания в многолетней мерзлоте сохраняют свою структуру. С помощью ИК-спектроскопии (рис. 10) выявлен весь комплекс функциональных групп компонентов бивня – ГАП, коллагена и воды. Колебаниям характерным для органической фазы (коллагена) соответствуют колебания амидных группировок (А и В, I, II, III) и колебаний С-Н связи алифатических групп (СН, СН2 и СН3). Пикам, характерным для ГАП, соответствуют колебания ортофосфорных группировок РО43-, гидроксид анионов, карбонат-ионов СО32- (в случае карбонатзамещенного ГАП) и воды.

Проведены модельные исследования по определению эффективности различных способов обработки и изоляции БМ в полевых условиях и при длительном хранении.

Выявлена обратно пропорциональная зависимость прочности образцов от изменения их массы. Полученный результат обусловлен тем, что вода играет роль пластификатора: при влагонасыщении материал становится пластичным, о чем также свидетельствуют характер деформации и разрушения образцов при их сжатии. «Сухие» образцы, которые показали наибольшее значение прочности при сжатии, практически не деформировались, при этом видны признаки хрупкого разрушения: многочисленные острые трещины и следы сколов. Влагонасыщенные образцы при сжатии сильно деформировались и вязко расслаивались вдоль так называемых конусов роста.

В ходе микробиологических исследований установлено, что все образцы в той или иной степени контаминированы плесневыми грибами или спорообразующими бактериями. По культурально-морфологическим и физико-биохимическим признакам, выделенные плесневые грибы принадлежат родам: Aspergillus, Mucor, Acremonium, Penicillium. Выделенные культуры бактерий отнесены к роду Bacillus (В. Subtilis, B. Cereus). Данные виды бактерий обладают свойством криофильности и характеризуются одинаковыми биохимическими свойствами, что свидетельствует о возможном биозаражении бивней мамонта при длительном нахождении в почве, поскольку бактерии рода Bacillus являются типичными представителями почвенной микрофлоры.

Показано, что на родовой состав и общую численность микрофлоры, контаминирующей образцы, существенное влияние оказывают условия хранения. Наименьшей численностью микроорганизмов, выделенных с одинаковой площади поверхности исследуемых объектов, характеризуются образцы из БМ, хранившиеся в отапливаемом и не отапливаемом помещениях, а также в холодильной камере. Наибольшее количество микроорганизмов выявлено после хранения образов на открытом испытательном полигоне, а также образцов, экспонировавшихся на полигоне и обернутых в пленку. Вероятно, полученный результат обусловлен тем, что качественный и количественный состав микроорганизмов существенно зависит от состояния воздуха в выбранных условиях экспонирования. Так, оборачивание образцов в пленку приводит к парниковому эффекту с повышенной влажностью и более высокой температурой под пленкой, что вызывает более интенсивное размножение микроорганизмов.

Таким образом, экспериментальные исследования показали, что хранить образцы следует в стационарных условиях при постоянной температуре и влажности. Установлено, что при длительном хранении микробное загрязнение за счет возрастания биомассы грибного мицелия в микро- и кракелюрных трещинах может привести к биоповреждению костного сырья. Выявлена взаимосвязь выделенной микрофлоры с объектами внешней среды (почва, атмосферный воздух, воздух закрытых помещений, холодильные установки).

Составлены обзорные карты местонахождений остатков мамонтовой фауны и отдельных особей шерстистого мамонта на территории Республики Саха (Якутия).

Для анализа грунтовых составляющих местонахождений остатков животных мамонтовой фауны координаты их обнаружения были сопоставлены с данными Инженерно-геологической карты Республики Саха (Якутия). Анализ полученных данных показывает, что для шерстистых мамонтов, погибших в разные временные интервалы конца позднего плейстоцена, характерно залегание в сплошной мерзлоте дисперсных и скальных грунтов с разной степенью льдистости.  Из грунтов преобладают пески и супеси. В меньшей степени алевриты, песчаники, суглинки, конгломераты и др. виды отложений.

В результате исследований, проведенных лабораторией технологий добычи и переработки сырья мамонтовой фауны в 2019-2021 гг. сделаны следующие основные выводы:

1. Сбор и анализ характеристик георадиолокационного зондирования ископаемых костей мамонта в естественной среде, позволил систематизировать и выявить средние значения характеристик амплитудно-частотного спектра: для георадара АБ 250 МГц средняя частота спектра 129 МГц (бивень) и 160 МГц (кость), среднее значение ширины спектра по энергетическому уровню – 203 МГц (бивень) и 212 МГц (кость). Для георадара АБ 400 МГц средняя частота спектра 178 МГц (бивень) и 160 МГц (кость), среднее значение ширины спектра по энергетическому уровню – 126 МГц (бивень) и 261 МГц (кость). Фаза вступления для всех сигналов, отраженных от бивня, отрицательна, амплитуда сигналов варьируется от 150 до 350 относительных единиц. На радарограммах низкочастотных антенн АБ 50 МГц берцовая кость практически не видна, а гиперболы, отраженные от бивня, сливаются с сигналами, отраженные от поверхности дна. Выявленные особенности отражения, в частности длина «усов» гиперболы, а также низкая амплитуда или полное отсутствие сигналов при георадиолокационном зондировании на частотах 25-75 МГц дают основание обнаруживать относительно крупный локальный объект, что при поиске бивней дает возможность отсечь множество мелких костей, включая крупные бедренные кости, от крупных экземпляров бивня. Установлено, что применение параллельной ориентации двух георадаров с одинаковыми частотами позволяет идентифицировать изгиб бивней мамонта и отличить искомый объект от часто встречающихся прямолинейных объектов (бревен) на дне и в донных отложениях рек и озер.
2. Проведены подробные структурные исследования бивня мамонта как многокомпонентного композитного материала. Установлены все функциональные группы составляющих исследуемого материала – гидроксиапатита, коллагена и воды. Показано, что гидроксиапатит в бивне мамонта имеет ионные замещения виде катионов магния и карбонат-анионов. Ионные замещения приводят к снижению температур преобразования минеральной составляющей бивня из апатитоподобной в витлокитовую, а также температур декарбоксилирования и дегидроксилирования. Показано, что результаты электронно-микроскопического исследования термообработанных образцов из бивня мамонта могут использоваться для построения трехмерной модели строения системы гидроксиапатит/коллаген.
3. Предложены эффективные методики сохранения сырья непосредственно после добычи и в процессе хранения. После добычи в полевых условиях добытое сырье рекомендуется хранить при погружении в водную среду. При хранении на открытом воздухе эффективными являются приемы, заключающиеся в окрашивании бивней, либо их оборачивании в очень плотную пленку, содержащую пигмент, препятствующий проникновению солнечного излучения. Длительное хранение следует осуществлять в условиях отапливаемого помещения с постоянным уровнем температуры и влажности с применением изоляции в виде окрашивания либо обертывания в плотную пленку. В обоих случаях рекомендуется применение антибактериальных составов, учитывающих род и вид микроорганизмов, наиболее часто обнаруживаемых на их поверхности, однако обработка такими средствами должна осуществляться после стабилизации свойств материала бивня (достижения оптимального уровня влажности).
4. Разработаны технологические режимы фрезерования серийных сувенирных изделий из бивня мамонта, обеспечивающие минимизацию требований к послефрезерной обработке поверхности, обеспечивающие стабильный температурный фон в течение всего процесса и оптимальную продолжительность изготовления изделий. Предложена технологическая схема полуавтоматизированного процесса изготовления изделий, включающая формирование и корректировку 3D-модели, фрезерование изделий, финишную обработку.
5. Составлены обзорные карты местонахождений костных остатков животных мамонтовой фауны и отдельных уникальных находок, в том числе с мягкими тканями, шерстистого мамонта, непарнокопытных, парнокопытных и хищных животных. Выполнен анализ грунтовых и геокриологических составляющих захоронений в соответствии с имеющимися литературными данными и данными, полученными при привязке координат находок к инженерно-геологической карте РС(Я). Установлено, что основными видами вмещающих пород являются едомные отложения, сложенные лёссовидными суглинками, супесями, песками и мощными жильными льдами, составляющими до 70–80% объема «ледниковой» толщи. Выявлены несоответствия данных по грунтовым условиям захоронения находок, обнаруженных на одном местонахождении, но имеющих разный геологический возраст. Для наиболее точного определения условий захоронения остатков мамонтовой фауны рекомендуется применение карт четвертичных отложений и обследование места обнаружения находок с тафономическим описанием in situ.

Более подробно с результатами исследований можно ознакомиться в публикациях сотрудников лаборатории.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ЛАБОРАТОРИИ ЗА 2019-2021 ГОДЫ:

1. Chlachula Jiri, Cheprasov Maksim, Novgorodov Gavril, Obada Theodor, Little Edward. The MIS 3-2 Environment of the Middle Kolyma Basin: Implications for the Ice Age Peopling of Northeast Arctic Siberia // Boreas. — 2021.- Vol. 50. — №2. — P. 556-581. DOI: 10.1111/bor.12504. (WoS, Q3)
2. Kolesova E.S., Markova M.A., Chirikov A.A., Petrov V.V., Petukhova E.S. 3D Technologies and Polymer Material Science in Zero Waste Processing of a Mammoth Tusk of Various Grades // IOP Conference Series: Material Sciences and Engineering. – 2021. — Vol. 1079. — P. 042029. DOI:10.1088/1757-899X/1079/4/042029 Scopus
3. Solovev T. M., Petukhova E. S., Botvin G. V., Isakova T. A., Pavlova V. V. Investigation of Mammoth Tusk Mammuthus Primigenius by Thermogravimetry and X-ray Diffraction Analysis // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1079. – P. 042011. DOI: 10.1088/1757-899X/1079/4/042011Scopus
4. Соловьев Т.М., Петухова Е.С., Ботвин Г.В., Исакова Т.А., Павлова В.В. Анализ состава и структуры бивня мамонта Mammuthus Primigenius методами термогравиметрического и рентгенофазового анализа // Журнал «Материаловедение», №2. 2021. (RSCI, ВАК, РИНЦ).
5. Khristoforov I.I., Danilov K.P., Gorokhov I.V., Cheprasov M.Y., Petrova T.N., Petukhova E.S. GPR Sounding of Fossil Mammoth Bones from The Surface of Freshwater Lakes and Rivers // Conference Proceedings, Engineering and Mining Geophysics 2021.- 2021.- Vol. 2021.- P. 1-10. Publisher: European Association of Geoscientists & Engineers. DOI: 10.3997/2214-4609.202152205 (Scopus)
6. Khristoforov I.I., Danilov K.P., Gorokhov I.V., Omelyanenko A.V. Influence of Hummocks on The Accuracy of GPR determination of The River Ice Cover Thickness // Conference Proceedings, Engineering and Mining Geophysics 2021.- 2021.- Vol. 2021.- P. 1-8. Publisher: European Association of Geoscientists & Engineers. DOI: 3997/2214-4609.202152206 (Scopus)
7. Solov’ev, T.M., Petukhova, E.S., Botvin, G.V., Isakova T.A., Pavlova V.V.Analyzing the Composition and Structure of Mammuthus primigenius Tusk by Methods of Thermogravimetric and X-Ray Analysis // Inorganic Materials: Applied Research. — 2021.- T.12.- № 4.- P. 1083-1086. DOI: 1134/S2075113321040420 (Scopus, WoS)
8. Соловьев Т.М., Петухова Е.С., Ботвин Г.В., Исакова Т.А., Павлова В.В. Анализ состава и структуры бивня мамонта Mammuthus primigenius методами термогравиметрического и рентгенофазового анализа // Материаловедение. — 2021. — № 2. — С. 9-12. DOI: 10.31044/1684-579X-2021-0-2-9-12 (RSCI, ВАК)
9. Соловьев Т.М., Петухова Е.С., Ботвин Г.В., Колесова Е.С., Петров В.В. Влияние условий хранения на физические свойства бивней мамонтов // Все материалы. Энциклопедический словарь. — 2021. — №11. — С.14-19. DOI: 10.31044/1994-6260-2021-0-11-14-19 (RSCI, ВАК)
10. Исакова Т.А., Петухова Е.С., Павлова В.В., Ерофеевская Л.А. Исследование особенностей биозаражения бивней мамонта при длительном хранении в различных условиях // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. — 2021. — №3. — С.75-85. DOI31242/2618-9712-2021-26-3-75-85 (RSCI, ВАК)

Кроме того, сотрудники лаборатории приняли участие и опубликовали материалы в сборниках более чем 40 конференций.

На 2022-2024 годы перед лабораторией поставлены следующие задачи:

2022 год:

— Разработать методические особенности георадарного исследования для повышения эффективности поиска и идентификации выявленных локальных неоднородностей в толщах донных отложений пресноводных водоемов;

— Изучить особенности деградации ископаемой мамонтовой кости в естественных природных условиях и при различных способах хранения сырья; рассмотреть подходы к обработке бивня мамонта, обеспечивающие возможность переработки сырья, включая низкосортное сырье, в изделия с использованием современных трудо- и ресурсосберегающих технологий.

2023 год:

— Провести численное моделирование георадиолокационного зондирования локальных объектов на дне водоёма для определения волновой картины при различных физических параметрах костных остатков;

— Изучить влияние различных способов защиты ИМК после добычи, в процессе хранения и транспортировки на ее свойства; выявить и обосновать технологические режимы обработки костного сырья с использованием фрезерного и лазерного оборудования с числовым программным управлением, обосновать выбор соответствующего программного обеспечения.

2024 год:

— Разработать методические рекомендации применения метода георадиолокации для эффективного поиска косных остатков мамонта в донных отложениях пресноводных водоемов Арктической части криолитозоны;

— Разработать рекомендации по обеспечению сохранности костных остатков после добычи, в период хранения и сушки до художественной обработки, учитывающие сортность сырья, назначение, продолжительность хранения; разработать технологические схемы изготовления сувенирной художественной продукции из костного сырья различного сорта и формы, обеспечивающих ресурсо- и трудосбережение.