Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферыНИР

Experimental studies of the forms of location, adsorption, migration and geochemical cycles of microelements in hydrothermal systems and waters of the continental lithosphere

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2021 г.)
Результаты этапа: Полученные результаты экспериментального исследования миграционной подвижности микроэлементов в донных осадках типичного водохранилища бореальной климатической зоны показывают, что при фильтрации природной воды последовательности элементов в рядах подвижности для донных осадков и илистой фракции схожи между собой. При фильтрации загрязненной природной воды по рассчитанным значениям интегральных коэффициентов взаимодействия видно, что элементы более активно сорбируются илистой фракцией. Самые высокие значения коэффициентов взаимодействия были получены для Be, U, Zn, Sr, Mn, V, Ni. Ряды миграционной подвижности в этом случае для донных осадков и илистой фракции сильно отличаются. Для ряда элементов процесс адсорбции довольно быстро сменяется десорбцией. В отношении редкоземельных элементов можно сказать, что более прочно связываются легкие элементы. Проведение экспериментов по изучению миграционной подвижности элементов в динамических условиях, когда тонкослойная мембрана из донных осадков и взвеси рассматривается как отдельная адсорбционно-осадительная хроматографическая колонка, позволяет количественно оценить миграцию элементов по коэффициентам взаимодействия в качестве коэффициентов экстракции и задержки и получить ряды миграционной подвижности элементов при взаимодействии поверхностных вод с донными осадками и взвесью. Результаты доложены на Всероссийском ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ВСЕСЭМПГ-2021) и опубликованы в журнале «Experiment in Geosciences» 2021, Vol 27 № 1, стр. 111-114, Grishantseva E.S., Alekhin Yu.V. статья « Experimental study of migration mobility of microelements in bottom sediments of Ivankovo reservoir». Исследование биогеохимической аккумуляции микроэлементов ВВР показало, что зарастающие заливы водохранилища являются естественными природными биогеохимическими барьерами на пути загрязнения, поступающего в экосистему водохранилищ. В общем виде ряд накопления микроэлементов ВВР выглядит так Fe>Mn>Sr>Zn>Cu>Cr>Ni>V>Pb>Mo>Co>РЗЭ. Т.е. высшая водная растительность в наибольшей степени переводит в биологически связанное состояние и меняет формы нахождения следующих элементов Fe, Mn, Sr, Zn, Cu, Cr, Ni, V, Pb. Для остальных микроэлементов, в том числе для редкоземельных элементов, биологическое поглощение играет подчиненную роль. Из экологической группы водно-болотных растений манник водяной является специфическим групповым концентратором Fe, Ni, Zn, Cu, Mo, Co, Cr, Pb, V. В экологической группе погруженных видов наибольшая биогеохимическая аккумуляция получена для телореза алоэвидного в отношении Mn, Sr, Fe, Ni, Zn, Cu, Co, Cr, Pb, V. Результаты доложены на II Международной научно-практической конференции “Биологическое разнообразие природных и антропогенных ландшафтов: изучение и охрана» и опубликованы в сборнике материалов конференции Федорова Л.П., Гришанцева Е.С. Изучение процессов зарастания водной растительностью заливов Иваньковского водохранилища», стр. 250-256. Участниками госбюджетной темы было сделано 10 докладов по теме исследования и защищена 1 диссертация (Хвостикова Е.А. Геохимия микроэлементов в водных объектах с различным уровнем трофности).
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2022 г.)
Результаты этапа: В ходе выполнения этапа исследований были получены следующие результаты: 1. Изучение закономерностей миграции химических элементов адсорбированных на взвешенном веществе рек показало, что при поступлении терригенного материала в морскую среду в результате процесса десорбции возрастает поступление Ca, а поступление Na, K, Mg, напротив, снижается от их выноса в составе водного речного стока. За счет сорбционно-десорбционных процессов значительно увеличивается сток растворенных форм Mn, Co, Ni, Tl, Ba, NH4 и уменьшается растворенный сток Pb, Cs. 2. Хозяйственная деятельность на территории водосбора является одним из главных факторов формирования речного стока фосфора. Поведение P на геохимическом барьере река-море подчиняется неконсервативному распределению, которое связано с продукционно-деструкционными процессами на водосборе. Для устьев рек, находящихся под антропогенным влиянием, с аномально высокими концентрациями этого элемента, характерно консервативное поведение P. 3. Экспериментальные данные по адсорбции ртути из раствора NaCl-NaHCO3 на природных сорбентах лучше всего описываются уравнениями Редлиха-Петерсона и Тота, что свидетельствует о преимущественно химической природе адсорбции и что адсорбционные центры не одинаковы по своим свойствам. Процесс адсорбции ртути на глинах майкопской серии происходит интенсивнее, чем на глинах, преобразованных в ходе процессов грязевого вулканизма, что связано, с их минералогическим составом и с тем, что глины майкопской серии подвержены набуханию в большей степени, чем измененные глины. 4. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о значительном гидротермальном переносе Pd в кислых хлоридных и хлоридно-сульфидных растворах при высоких (сверхкритических) температурах и давлениях. Экспериментальное исследование форм переноса золота показало, что главными процессами, влияющими на поведение Au в золотоносном пирите месторождений Дарасунского рудного поля, являются: кристаллизация из ненасыщенных по Au флюидов; перекристаллизация и укрупнение первичного пирита с высвобождением Au в виде металла, разница в температуре и содержании растворенных хлоридов. 5. Изучение геохимических закономерностей распределения и роли различных факторов латеритного бокситообразования на примере месторождении бокситов Центральное Чадобецкого поднятия (в РФ) и в провинции Фута Джалон-Мандинго (в Западной Африке) показало, что интенсивность водообмена является базовым фактором, который контролирует направленность эволюции всех гидрогеохимических процессов в системе вода-порода при образовании латеритных кор выветривания. Главным реагентом и транспортом для перераспределения вещества являются поровые растворы, которые образуют медленно просачивающийся гидравлический фронт, активно взаимодействуя с растительными остатками и биотой. Интенсивность водообмена определяет содержание химических элементов в поровом растворе и соответственно является главным фактором вторичного минералообразования. Трехвалентное железо может использоваться как типоморфный элемент для выявления геохимической направленности процессов в пределах автономного латеритного ландшафта. Показана перспектива использования бокситов для попутного извлечения РЗЭ при их добыче. 6. Самое высокое содержание биодоступных форм металлов в донных осадках Иваньковского водохранилища было получено для Cd, Cu, Pb, Zn, Mn. Для Fe, Cr, Co и Ni доля биодоступных форм не превышает 24%. Результаты исследований были опубликованы в 17 статьях и монографии, а также доложены на 7 Международных и Всероссийских конференциях. Для выполнения исследований были привлечены средства гранта РФФИ № 20-05-00802-а “Трансформация химического состава материкового стока растворенных веществ в устьевых областях рек России: эмпирические закономерности и физико-химические механизмы” (2020–2022 гг., руководитель Савенко А.В.). Савенко А.В. присуждена премия по Программе развития МГУ в номинации “Выдающиеся научные статьи”. Исполнители госбюджетной темы принимали активное участие в учебном процессе на геологическом и географическом факультетах МГУ. Сотрудники читали лекции по курсу “Морская геохимия” студентам 5-го курса кафедры геохимии геологического факультета МГУ; проводили лабораторный практикума по курсу “Основы гидрохимии” у студентов 2-го курса кафедры океанологии географического факультета МГУ; читали лекции и проводили семинары по курсу «Основы биогеохимии» для студентов магистратуры, обучающихся по программе «Экологическая геология» и по курсу «Биогеохимия» для студентов 4 курса кафедры геохимии геологического факультета МГУ; читали лекции и проводили практические занятия по курсу «Методы аналитической химии» и «Практикум по методам анализа вещества» для студентов 3 курса кафедры геохимии и студентов 3 курса профиля «Экологическая геология»; проводили семинарские занятия по курсу «Физическая геохимия» для студентов 3 курса геохимического отделения; читали лекции и проводили семинарские занятия по курсу «Основы физической геохимии» для студентов 3 курса профиля «Экологическая геология»; осуществляли научное руководство дипломными и курсовыми работами студентов геохимического направления геологического факультета МГУ.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2023г.)
Результаты этапа: В ходе выполнения третьего этапа госбюджетной темы были получены следующие важные выводы и результаты: 1. Анализ содержания ионов основного солевого состава и 50 растворенных микроэлементов (Li, Rb, Cs, Be, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Tl, Pb, Al, Sc, Ga, Y, редкоземельные элементы, Ti, Zr, Hf, Th, U, F, B, Si, Ge, P, V, As, Sb, Cr, Se, Mo, W) в водах устьевого участка р. Колымы в 2019–2021 гг. показал, что воды р.Колымы характеризуются в несколько раз меньшими концентрациями растворенных микроэлементов по сравнению со средними концентрациями, полученными для рек мира. При этом средняя минерализация вод р. Колымы близка к среднемировому значению для рек. Концентрации растворенных микроэлементов в водах р. Колымы тесно коррелируют с таковыми в речном стоке с других арктических территорий России - водосборов Белого и Карского морей. Установленные закономерности позволяют сделать вывод о том, что нормированные на минерализацию концентрации растворенных микроэлементов в речных водах крупных арктических водосборов характеризуют химический состав речного стока с арктического побережья в целом, величина которого ограничивается пониженной интенсивностью водной миграции микроэлементов в данных климатических условиях одновременно с низкой скоростью процессов химического и биологического выветривания в ландшафтах арктической зоны при возрастающей относительной роли сорбционной иммобилизации. 2. Изучение внутригодовой изменчивости концентраций растворенных микроэлементов в Можайском водохранилище по данным за 2019–2020 гидрологический год показало, что элементы со сходными физико-химическими свойствами обладают чертами подобия внутригодовой изменчивости концентраций, которая формируется под действием двух основных факторов: 1) различие величин и соотношения притока подземных и поверхностных вод в зависимости от сезона года, 2) ограничение поступления кислорода из атмосферы в периоды летней стратификации и наличия ледового покрова. 3. Изучение адсорбционных свойств глин майкопской серии и грязевулканических глин в отношении ионов ртути (II) показало, что адсорбция ртути активнее идет на глинах майкопской серии, что объясняется их более высокой способностью к набуханию в связи с наличием смектита в составе глин. Сорбированная майкопскими глинами ртуть, способна высвобождаться и выноситься в метановой газовой фазе в случае погружения глин в зону грязевулканического очага, которое сопровождается трансформацией минералогического состава глин и переходом смектита в иллит. 4.Разработаны методики определения химического состава горных пород и экспериментальных растворов на квадрупольном масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой SUPEC 7000 (Focused Photonics Inc), адаптированном для работы с системой лазерного пробоотбора, приобретенном по Программе развития МГУ. Применение нового современного аналитического оборудования позволило изучить геохимию редкоземельных элементов в составе марганцевых руд Чиатурского месторождения (Грузия), для которых была получена отрицательная аномалия церия (Ce/Ce*PAAS) и отсутствие аномалии европия (Eu/Eu*PAAS). Было установлено, что оксидные оолитовые марганцевые руды формировались в кислородных мелководных морских условиях. Содержание и распределение РЗЭ (в частности Ce и Eu) в этих рудах связаны главным образом с оксидами железа. Оолитовые и массивные марганцевые карбонаты образовались при участии изотопно легкого СО2, являющегося результатом окисления органического вещества в толще осадков восстановительными средами зона раннего диагенеза. Полученные отрицательные аномалии церия в изученных карбонатных рудах отражают специфический характер распределения РЗЭ в поровых водах отложений более ранней зоны исдиагенеза олигоценовой Чиатурской впадины. Дефицит церия в этой зоне остается дискуссионным и требует дальнейшего изучения. Образование карбонатов марганца происходило многоэтапно за счет поступления в морские придонные воды и осадки инициирующих растворов различного химического состава. Отсутствие аномалии европия свидетельствует об отсутствии поступления гидротермального раствора. Кроме того, на этом же приборе отработана методика определения содержаний элементов в экспериментальных растворах по переносу металлов в гидротермальных флюидах. Изучение совместной растворимости меди и серебра в хлоридных гидротермальных флюидах при 3500С, 1000-1500 Бар позволило получить значения константы реакции совместного растворения металлов, связывающей основные формы переноса меди и серебра, значения которой зависят от содержания хлоридов. Согласно полученным данным, в хлоридных растворах медь существенно более растворима по сравнению с серебром, но разница в растворимости уменьшается с ростом температуры. Рассчитана растворимость халькопирита в системе с минеральными буферами пирит–гематит–магнетит и калиевый полевой шпат–мусковит–кварц. С использованием нового масс-спектрометра также было проведено экспериментальное определение форм переноса палладия и их устойчивости в сверхкритических хлоридных гидротермальных флюидах позволило рассчитать значения термодинамических констант реакций растворения палладия. При 450°C/1000 бар рассчитанное авторами значение lgK°Pd-PdCl3-=-3.9±0.4 хорошо согласуется с известными значениями, а lgК°Pd-PdCl42-=-4.9±0.4 демонстрирует существенно меньшую устойчивость, чем считалось ранее. Согласно нашим данным, комплекс PdCl42- преобладает при этих параметрах в растворах с концентрацией NaCl> 4.95 моль/кг H2O. При 350°C/500 бар также показана более существенная роль PdCl3- и меньшая значимость PdCl42- в гидротермальном переносе палладия высокотемпературными кислыми хлоридными и хлоридно-сульфидными флюидами. 5. Установлено, что образование высококачественных бокситов в латеритной коре выветривания происходило следующим образом. В материнских коренных породах, из которых в последствии образовались бокситы, происходило восстановление и вынос железа. Поскольку железо практически не поступало из вышезалегающих обеленных ранее осадочно-латеритных бокситов, в бокситах под отложениями серии Сангареди также было очень низкое содержание железа. Инфильтрация поверхностных вод через мощную толщу светлых маложелезистых осадочно-латеритных бокситов приводит к мобилизации и перераспределению с поровыми растворами в нижние горизонты преимущественно соединений алюминия. Высокая концентрация алюминия в поровых растворах приводит к образованию криптокристаллического бёмита. Бокситы, выделяемые как химически-преобразованные, несмотря на схожий характер процессов латеритизации и перераспределения вещества с классическими бокситоносными латеритными покровами, имеют ряд отличий, которые позволяют их выделить в самостоятельный генетический тип. Это, прежде всего, очень высокое качество и повышенные содержания моногидрата алюминия, обратная геохимическая зональность в пределах собственно латеритного покрова и отсутствие реликтов текстур материнских пород в наиболее интенсивно гелеморфных их разновидностях. Это обусловлено тем, что образованием бокситов происходит по обеленному глинизированному коренному субстрату под отложениями серии Сангареди. Осадочно-латеритные и бёмитсодержащие бокситы к настоящему времени большей частью уничтожены эрозионно-денудационными процессами, но их остаточная сохранность повлияла в целом на более высокое качество бокситов Фута Джаллон-Мандинго. 6. Изучение биогеохимических особенностей накопления микроэлементов в системе донные отложения – вода – гидробионты Иваньковского водохранилища позволило установить уровни содержания микроэлементов в двустворчатых моллюсках вида Dreissena polymorpha Pallas Иваньковского водохранилища, отражающие физиологическую потребность элементов для данного вида гидробионтов. Биоаккумуляция большинства исследованных микроэлементов в мягких тканях и раковинах моллюсков происходит одинаково для особей различного возраста и размера. Элементы Pb, Mn, Co, Ni, Zn, Sr, As составляют исключение, для них получены более высокие концентрации в мягких тканях крупных 4-х летних особей по сравнению с мелкими 1-2х летними, что можно объяснить сложностью извлечения дисперсных частиц взвеси с сорбированными на ней микроэлементами из внутренних органов при пробоподготовке. Более высокие концентрации Mn были получены в раковинах крупных особей по сравнению с мелкими. Средние значения коэффициентов биологического поглощения в системе гидробионт-вода для мягких тканей составили n*10 5 для Mn; n*10 4 для Cd, Co, Ni, Cu; n*10 3 для Ag, Pb, V, Cr, Cu, As; n*10 2 для Sr; для раковин: n*10 5 для Mn; n*104 для V, Co, Ni, Cu; n*10 3 для Ag, Cd, Pb, Cr, Zn, Sr, As. В системе гидробионт- донные осадки в мягких тканях коэффициенты биологического поглощения были меньше 1 для всех элементов и находились в диапазоне n*10-1 n*10-2. КБПдо в раковинах относительно донных отложений также находится в пределах n*10-1 n*10-2. Исключение составляет Sr для которого в раковинах был получен КБПдо =3.7. Проведенный сравнительный анализ распределения микроэлементов между органами дрейссен показывает, что в мягких тканях более активно накапливаются Cd, Pb, Zn, в то время как V, Cu, Sr в большей степени аккумулируются в раковинах дрейссен. Для Cr, Mn, Co, Ni, As получены одинаковые показатели биоаккумуляции в мягких тканях и раковинах. В направлении развития методических подходов к оценке потенциальной биодоступности тяжелых металлов, содержащихся в донных отложениях впервые были проведены эксперименты по оценке доли биодоступных для человека форм микроэлементов в составе донных осадков Иваньковского водохранилища. Было установлено, что содержание потенциально биодоступных форм элементов в среднем составило: 15-24 % для Fe, Cr, Co, Ni; 50-60% для Cu и Pb; 74-80% для Zn, Mn и Cd. Для донных осадков створов испытывающих высокую антропогенную нагрузку получены более высокие содержания биодоступных форм по сравнению с фоновыми, незагрязненными створами. Экспериментально установлено, что количество биодоступных для человека форм большинства исследованных элементов в 2-3 раза более высокое, по сравнению с содержанием фитодоступных форм. Было установлено что среди всех физико-химических свойств донных осадков наибольшее влияние на биодоступность металлов оказывает содержание органического вещества. С ростом содержания Сорг повышается биодоступность Mn, Co, Pb, Cd, для которых были получены высокие, значимые, положительные значения коэффициентов корреляции между содержанием биодоступных форм и Сорг. Результаты исследований были опубликованы в 9 статьях из списка WoS-Scopus и ВАК-МГУ; в 8 статьях в сборниках, индексируемых в РИНЦ; а также доложены на 6 всероссийских и международных конференциях. Сотрудниками лаборатории эксперименальной геохимии Пчелинцевой Н.Ф. и Макаровой М.А. было разработано и опубликовано учебно-методическое пособие «Методы геохимических исследований. Часть 3. Атомно-абсорбционный метод анализа». Сотрудники лаборатории экспериментальной геохимии в 2023г. являлись исполнителями по проектам РНФ № 21-77-10028 «Органическое вещество поверхностных вод и его взаимодействие с металлами и биотой» (руководитель Дроздова О.Ю.), по проекту «Исследование компенсационного потенциала выбросов парниковых газов за счет карбонизации отработанного кимберлита на рудниках, разрабатываемых группой компаний «АЛРОСА»» (руководитель Бычков А.Ю.). На 2024-2025 гг. поддержан грант РНФ № 24-27-00275 «Закономерности миграции растворенных микроэлементов в устьевых областях малых рек России», руководителем которого является Савенко А.В., исполнителем Фяйзуллина Р.В. Савенко А.В. присуждена премия по Программе развития МГУ в номинации «Выдающиеся научные статьи». Савенко А.В. защитила докторскую диссертацию на тему «Экспериментальное моделирование природных сорбционно-осадительных геохимических барьеров» по специальности 1.6.4 – «Минералогия, кристаллография. Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых». Салаватова Д.С. сдала кандидатские экзамены по дисциплинам «История и философия науки» и «Иностранный язык». Исполнители госбюджетной темы принимали активное участие в учебном процессе на геологическом и географическом факультетах МГУ: проводили лабораторный практикум по курсу «Основы гидрохимии» у студентов 2-го курса кафедры океанологии географического факультета МГУ; читали лекции и проводили семинары по курсу «Основы биогеохимии» для студентов магистратуры, обучающихся по программе «Экологическая геология» и по курсу «Биогеохимия» для студентов 4 курса кафедры геохимии геологического факультета МГУ; читали лекции и проводили практические занятия по курсу «Методы геохимических исследований» и «Практикум по методам анализа вещества» для студентов 3 курса профиля «Геохимия» и профиля «Экологическая геология»; проводили семинары, коллоквиумы по курсу «Физическая геохимия» для студентов 3 курса геохимического отделения; читали лекции, проводили семинары, коллоквиумы по курсу «Основы физической геохимии» для студентов 3 курса профиля «Экологическая геология»; проводили лекции, семинары, коллоквиумы по курсу «Коллоидная геохимия» для студентов 4 курса профиля «Экологическая геология»; проводили практические занятия по курсу «Экспериментальная геохимия» у студентов 3-го курса профиля «Геохимия»; руководили дипломными и курсовыми работами студентов экологического и геохимического направления геологического факультета МГУ.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2024 г.)
Результаты этапа:
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2025г.)
Результаты этапа:
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Экспериментальные исследования форм нахождения, адсорбции, миграции и геохимических циклов микроэлементов в гидротермальных системах и водах континентальной литосферы (этап 2026г.)
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен