|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Трансформация химического состава материкового стока растворенных веществ в устьевых областях рек России: эмпирические закономерности и физико-химические механизмыНИР
Transformation of chemical composition of the continental runoff of dissolved substances in the mouth areas of Russian rivers: Empirical laws and physicochemical mechanisms
- Руководитель НИР: Савенко А.В.
- Участники НИР: Куликов В.А., Макарова М.А., Михайлов В.А., Михайлова Н.М.
- Подразделение: Лаборатория экспериментальной геохимии
- Срок исполнения: 19 февраля 2020 г. - 31 декабря 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 20-05-00802-а
- Номер ЦИТИС: АААА-А20-120012290146-2
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Комплексные фундаментальные исследования вещества и динамики геосфер Земли, разработка моделей ее глубинного строения, открытие минералов и создание новых материалов
- ПН России: Рациональное природопользование
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 38.33.19 Геохимия природных вод и рассолов
- 37.25.27 Химия океана
- 38.33.17 Геохимия природных процессов
- Классификатор OECD: Геохимия и геофизика
-
Ключевые слова:
устья рек, растворенные вещества, химическая трансформация, натурные наблюдения, россия, речной сток, экспериментальное моделирование
experimental modeling, chemical transformation, river runoff, dissolved substances, natural observations, river mouths -
Описание:
Цель проекта состоит в выявлении закономерностей, факторов и физико-химических механизмов процессов трансформации стока растворенных веществ (компоненты основного солевого состава, биогенные элементы, микроэлементы) в устьевых областях рек России. Реализация проекта является вкладом в разработку фундаментальной проблемы гидрохимии, связанной с установлением общих закономерностей и физико-химических механизмов водной миграции химических элементов на разных этапах глобального гидрологического цикла, а также имеет важное прикладное значение для оценок, прогнозов и разработки мероприятий по улучшению эколого-токсикологического состояния водной среды в устьях рек. При выполнении проекта будет использован комплексный подход, сочетающий: а) натурные наблюдения с применением прецизионных методов анализа, адаптированных для определения главных ионов и растворенных микроэлементов в водных объектах в широком диапазоне солености; б) геохимический анализ закономерностей распределения главных ионов и растворенных микроэлементов в зоне смешения речных и морских вод; в) экспериментальное моделирование для выявления механизмов трансформации стока растворенных веществ в зоне смешения речных и морских вод. Новизна предлагаемого подхода состоит в том, что механизмы химической трансформации стока растворенных веществ рассматриваются в контексте формирования гидролого-гидрохимической структуры зоны смешения речных и морских вод и верифицируются экспериментально.
-
Abstract:
The aim of the proposed project is to identify patterns, factors, and physicochemical mechanisms of the processes of transformation of dissolved substances runoff (components of the basic salt composition, nutrients, trace elements) in the mouth areas of Russian rivers. The implementation of the project is a contribution to the development of the fundamental problem of hydrochemistry related to the establishment of general laws and physicochemical mechanisms of water migration of chemical elements at different stages of the global hydrological cycle, and is also of great practical importance for assessing, forecasting, and developing measures to improve the ecological and toxicological state of aquatic environment in the river mouths. When implementing the project, an integrated approach will be used, combining: i) field observations using precision analysis methods adapted to determine the major ions and dissolved trace elements in water bodies in a wide range of salinity; ii) geochemical analysis of the patterns of distribution of major ions and dissolved trace elements in the mixing zone of river and sea waters; iii) use of experimental modeling to identify the mechanisms of transformation of the runoff of dissolved substances in the mixing zone of river and sea waters. The novelty of the proposed approach lies in the fact that the mechanisms of chemical transformation of the runoff of dissolved substances are considered in the context of the formation of the hydrological and hydrochemical structure of the mixing zone of river and sea waters and verified experimentally.
-
Планируемые результаты:
1. Будут установлены общие черты и различия трансформации стока растворенных макро- и микроэлементов (Na, K, Mg, Ca, Cl, S-SO4, C-HCO3, Si, P, Li, Rb, Cs, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, B, Ge, V, Cr, Mo, W, Al, Ga, Y, редкоземельные элементы, Ti, Zr, Hf, Th, U) в устьевых областях северных и южных рек России, обусловленные действием природно-климатических факторов. 2. Будут установлены общие черты и различия трансформации стока растворенных макро- и микроэлементов (Na, K, Mg, Ca, Cl, S-SO4, C-HCO3, Si, P, Li, Rb, Cs, Sr, Ba, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, B, Ge, V, Cr, Mo, W, Al, Ga, Y, редкоземельные элементы, Ti, Zr, Hf, Th, U) в устьевых областях малых и крупных рек, находящихся в сходных природно-климатических условиях. 3. Будет экспериментально определены количественные балансовые характеристики сорбционно-десорбционной трансформации стока растворенных микроэлементов (Mn, Co, Ni, Cd, Tl, Pb, Cs, Ba) при взаимодействии терригенных минералов с морской водой. 4. Будут экспериментально определены параметры фазового распределения микроэлементов (Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Tl, Ga, Y, редкоземельные элементы, V, As, Sb, U) между раствором и оксигидроксидами железа и алюминия в процессе нейтрализации кислых вулканических вод морской водой. 5. Будут экспериментально определены количественные характеристики химической трансформации материкового стока растворенных компонентов основного солевого состава, кремния и неорганического углерода (Na, K, Mg, Ca, Si) в результате взаимодействия морской воды с терригенными силикатами стока твердых веществ. 6. Будут экспериментально определены количественные характеристики миграционной подвижности микроэлементов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, V, Cr, Mo, W, U) пресноводных донных отложений в окислительной и восстановительной среде, а также будет сделана оценка вклада ледовой гипоксии в трансформацию стока микроэлементов в устьевых областях рек России.
-
Научный задел:
Руководитель проекта имеет 20-летний опыт исследований по гидрохимии устьевых областей рек, проводившихся при поддержке РФФИ (проекты 03-05-64600-а, 05-05-66810-НЦНИЛ_а, 09-05-00692-а и 12-05-93105-НЦНИЛ_а, 16-05-00369-а, 16-35-50051-мол_а), Минпромнауки РФ по ФЦП “Глобальные изменения природной среды и климата”, а также по программе LEAGE (2004–2013 гг.). Изучено распределение растворенных макро- и микроэлементов, а также изотопного состава воды в устьевых областях более чем 20 рек (Волга, Дунай, Кубань, Дон, малые реки Крыма и Черноморского побережья Кавказа, Северная Двина, Онега, Мезень, малые реки водосбора Белого моря, Обь, Енисей, малые реки водосбора Карского моря и Камчатки). В ходе проведения экспедиционных исследований разработана и апробирована простая и эффективная технология отбора проб воды, исключающая их загрязнение благодаря использованию подготовленных в чистой лаборатории одноразовых мембранных фильтров-насадок, герметичных емкостей с заранее внесенными консервантами и т.д. Также разработана и реализована методика прямого определения изменения состава поглощенного комплекса пресноводного терригенного материала, которое происходит при его поступлении в морскую среду. На примере ртути и урана экспериментально верифицирована теория комплексообразовательной десорбции микроэлементов с речных наносов в зоне смешения речных и морских вод. Экспериментально обоснована гипотеза о существовании в морской части устьевых областей мощного источника растворенных веществ, связанного с химической трансформацией и растворением терригенных силикатов материкового стока твердых веществ. Разработана оригинальная методика “переменных массовых отношений” для экспериментального изучения взаимодействия минералов с водными растворами, позволяющая определять стехиометрию реакций при реагировании менее 0.00n–0.0n% твердой фазы. По материалам экспедиционных и экспериментальных исследований опубликовано свыше 60 работ.
-
Основные результаты:
Выявление и количественная характеристика закономерностей трансформации стока растворенных веществ в устьевых областях малых и крупных рек России в разных природно-климатических условиях, а также получение новых данных о физико-химических механизмах трансформации стока растворенных форм химических элементов на геохимическом барьере река–море.
- Добавил в систему: Савенко Алла Витальевна
Соисполнители НИР
| МГУ, геологический ф-т | Координатор |
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 19 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Промежуточный - 1 |
| Результаты этапа: 1. По данным натурных наблюдений определены параметры зависимости “концентрация–хлорность” для растворенных форм макро- и микроэлементов в устьевых областях рек Черноморского побережья России (Анапка, Ашамба, Мезыбь, Хотецай, Вулан, Кудепста, Мзымта). Консервативное поведение (линейная форма зависимости концентрации компонента от содержания хлоридов) установлено для главных ионов, за исключением кальция и гидрокарбонатов, и ряда микроэлементов: Li, Rb, Cs, Sr, Co, Ni, Cu, Cd, Sb, Ga, B, V, As, Mo, U. Неконсервативное поведение (нелинейная форма зависимости концентрации компонента от содержания хлоридов, свидетельствующая о его участии во внутриводоемных процессах в зоне смешения речных и морских вод) характерно для компонентов карбонатной системы (Ca и HCO3); биогенных элементов (P, Si), вовлеченных в продукционно-деструкционные процессы; бария, в большей или меньшей степени десорбирующегося с речных взвесей (от 5 до 240% его концентрации в речных водах), а также для Mn, Fe, Pb, Al, Ti, Y и редкоземельных элементов, которые на 60–80% удаляются из раствора в процессе коагуляции и флоккуляции железо-органических коллоидов. Сопоставление с ранее полученными данными по устьевым областям Волги и Урала, несмотря на специфику химического состава вод Северного Каспия, показало сходство типов распределения растворенных макро- и микроэлементов в устьях крупных и малых рек российских секторов Черного и Каспийского морей, которое отличается только степенью вовлеченности элементов в те или иные внутриводоемные процессы и влияния пространственно-временной изменчивости химического состава речного стока и морской воды. 2. По экспериментальным данным количественно охарактеризована фазовая сорбционно-осадительная дифференциация биогенных элементов и микроэлементов в процессе взаимодействия вод кислых вулканических источников с морской водой, приводящем к осаждению гидроксидов железа (III) и алюминия, с первыми из которых преимущественно соосаждаются Ga, P, V, As и Sb, а со вторыми – Y, редкоземельные элементы, Si, U, Zn, Pb, Cu, Ni, Co, Cd, Mn и Tl. Обнаружено, что на степень соосаждения элементов, помимо величины pH, влияет относительная доля объема морской воды, с увеличением которой предположительно происходит смещение адсорбционных равновесий и, как следствие этого, изменение эффективности соосаждения. 3. Разработана методика прямого экспериментального определения изменения состава поглощенного комплекса пресноводного терригенного материала при его поступлении в морскую среду, исключающая побочные эффекты, вызванные смещением сорбционно-десорбционных равновесий на стадии удаления водорастворимых солей. Показано, что десорбция увеличивает речной сток в Мировой океан растворенных форм марганца, кобальта, никеля, кадмия, таллия и бария соответственно на 99–104, 21–22, 4, 16, 5 и 20–21%, тогда как сорбция снижает глобальный речной сток растворенных форм свинца и цезия на 9 и 3%. | ||
| 2 | 23 марта 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Промежуточный - 2 |
| Результаты этапа: 1. По данным авторов и литературных источников определены закономерности трансформации макро- и микроэлементного состава стока растворенных веществ в устьевых областях рек севера России (Онега, Кянда, Северная Двина, Мезень, малые реки водосбора Белого моря), выявлена их временнáя изменчивость и установлены общие черты и различия для разных устьев. 2. В устье р. Савушкина, впадающей в Охотское море с о. Парамушир, установлено консервативное поведение всех главных ионов и ряда растворенных микроэлементов (B, F, Rb, Cs, Sr, Mn, Cu, Cd, V, Cr, Ga, As, Mo, U), а также слабое потребление водной биотой кремния (не более 3% поступления с речным стоком), сорбция на терригенных взвесях растворенного бария (до 45% его содержания в речных водах) и удаление до 27, 33 и 46±11% стока условно растворенных форм титана, железа и редкоземельных элементов в процессе коагуляции и флоккуляции коллоидов. 3. Систематизированы и обобщены собственные и литературные данные по геохимии фосфора в материковом стоке растворенных и твердых веществ с отдельным рассмотрением процессов трансформации стока в устьевых областях рек мира. Установлено, что распределение растворенных форм минерального и общего фосфора в зоне смешения речных и морских вод в подавляющем большинстве случаев соответствует неконсервативному поведению. Консервативный тип распределения наблюдается редко и проявляется в устьях загрязненных рек с высокими концентрациями фосфора, которые существенно превышают возможные изменения, происходящие в результате протекания биологических и химических процессов. Снижение потоков растворенного минерального и общего растворенного фосфора на геохимическом барьере река–море составляет соответственно 40–80 и 7–38%. 4. Получены количественные характеристики химической трансформации стока растворенных компонентов (Na, K, Mg, Ca, Si, неорганический С) в результате взаимодействия морской воды с терригенными силикатами речного стока твердых веществ. Показано, что предельные концентрации переходящего в раствор кремния при выщелачивании основных породообразующих минералов (0.1–0.3 мМ) соответствуют типичным значениям для поровых вод пород дна океана. | ||
| 3 | 25 марта 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Итоговый |
| Результаты этапа: 1. По данным авторов и литературных источников выявлена пространственная и временнáя изменчивость закономерностей трансформации макро- и микроэлементного состава стока растворенных веществ в устьевых областях рек севера и юга России (Онега, Кянда, Северная Двина, Мезень, малые реки Кольского побережья Белого моря; реки Дальнего Востока; Волга, Урал, Кубань, малые реки Черноморского побережья). Установлены общие черты и различия в зависимости от природно-климатических условий, водности рек и специфических особенностей некоторых зон смешения. 2. Выделен новый условно неконсервативный тип распределения растворенных компонентов на геохимическом барьере река–море, характерный для устьев рек юга России (Волги, Кубани, Дона, малых рек Черноморского побережья), при котором нелинейность зависимости концентрация–хлорность обусловлена пространственной неоднородностью гидродинамической структуры зоны смешения речных и морских вод при отсутствии влияния внутриводоемных процессов. 3. По данным экспериментального моделирования восстановительного растворения оксигидроксидов марганца (IV) донных отложений в периоды ледовой гипоксии сделаны оценки количеств переходящих в раствор микроэлементов-примесей i/Mn*1000: Li 0.41, Rb 1.65, Cs 0.010, Sr 31.7, Ba 50.3, Co 0.093, Ni 0.65, Сd 0.046, Y 0.070, La 0.030, Ce 0.086, Tl 0.015, U 0.23. | ||
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".