ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Предлагаемый проект направлен на создание количественной модели миграции фтора в глобальном гидрологическом цикле и является вкладом в решение фундаментальной проблемы гидрохимии и геохимии в целом, связанной с установлением физико-химических механизмов и общих закономерностей водной миграции химических элементов в климатической системе Земли, включая разработку технологий геохимической мелиорации окружающей среды. Цель проекта состоит в установлении основных факторов и физико-химических механизмов процессов, контролирующих распределение и миграцию фтора в глобальном гидрологическом цикле.
The project is directed on creation of quantitative model of fluorine migration in the global hydrological cycle. It is the contribution to decision of the fundamental problem of hydrochemistry and geochemistry as a whole resided in determination of physicochemical mechanisms and the general laws of water migration of chemical elements in climatic system of the Earth, including development of technologies of geochemical land improvement of environment. The proposed approach is based on combination i) of the stated by V.I. Vernadsky system principle of interrelation of all natural waters of the Earth, forming a global planetary water cycle, and ii) of physicochemical modeling (experimental and theoretical) of the processes participating in formation of water chemical composition at the different stages of global hydrological cycle. Novelty of the proposed approach consists that subject matter of studying are not only properly physicochemical mechanisms of the separate processes participating in formation of water chemical composition, but also mechanisms of spatiotemporal conjunction of these processes generating as a whole the defined form of structural-functional organization of the global hydrological cycle (water cycle in the climatic system of the Earth). Methodical novelty of the project is joined as with carrying out of physicochemical modeling on the basis of system analysis of studied objects and processes, and with application of the original procedures of experimental studying of low-temperature processes developed by authors: 1) method of variable solid phase / solution mass ratio and 2) method of standard heterogeneous process. Carrying out of the planned researches will allow to receive a following primary result: the reservoir-flow model of fluorine migration in the global hydrological cycle on the basis of system approach in view of new data on fluorine geochemistry in the climatic system of the Earth and data of experimentally-theoretical modeling of mechanisms of separate processes will be developed and verified. The decision of tasks in view essentially meaningfully for progress of physicochemical direction in hydrochemistry also will bring the contribution to development of the general scientific problem of global change of climate and natural environment. The obtained results also will be demanded in a number of adjacent scientific disciplines: ecological geochemistry and rational nature management, oceanology, lithology, and medical geography. Contribution of the project to progress of the physicochemical hydrology (new scientific discipline) consists that it on an example of fluorine will allow opening and verifying mechanisms of the specific processes controlling migration of chemical elements at all stages of the global hydrological cycle.
1. Будет сделана количественная оценка источников растворимого фтора в атмосферных выпадениях и осадках и определена возможность эмиссии газообразного HF из кислых почв. 2. Методом экспериментального моделирования будут определены значения параметров процесса выщелачивания фтора из горных пород в широком диапазоне кислотности водной среды (рН = 2–12) и содержания органических кислот. 3. Будет определена растворимость основных акцессорных фторсодержащих минералов горных пород (флюорит, фторапатит) в пресных поверхностных водах суши. 4. Будут определены значения параметров сорбционно-десорбционных равновесий растворенных фторидов с основными гипергенными, в том числе почвообразующими минералами в широком диапазоне кислотности водной среды (рН = 2–12). 5. Будет определена скорость вымывания фтора атмосферными осадками из растительного опада. 6. Будет определена растворимость свежеосажденного и кристаллического флюорита в рассолах морского происхождения с разной соленостью и установлена критическая минерализация, выше которой начинается удаление фтора из раствора в результате осаждения флюорита. 7. Будет количественно охарактеризован процесс обмена фтора между терригенными минералами, с одной стороны, и морской водой и поровыми растворами морских осадков, с другой. 8. Будут разработаны и экспериментально верифицированы технологии геохимической мелиорации территорий, загрязненных подвижными фторидами, на основе применения магнезиальных горных пород.
Коллектив имеет 20–40-летний опыт изучения геохимии фтора в природных водах. В результате этих исследований впервые установлен квазиконсервативный тип распределения растворенных фторидов в зоне смешения речных и морских вод, показано определяющее влияние терригенного аэрозоля на содержание растворимого фтора в атмосферных осадках над океаном, определены значения коэффициентов активности и степени закомплексованности фторидов в морской воде разной солености и водах озер-морей (Каспий, Арал), определены параметры выщелачивания фтора из горных пород под воздействием органических кислот. В ходе предыдущих исследований была отработана оригинальная методика “переменных массовых отношений” для экспериментального изучения взаимодействия силикатов (алюмосиликатов) с морской водой и растворами, имитирующими поровые воды морских осадков с повышенным парциальным давлением СО2. Результаты проведенных экспериментов обосновывают возможность применения метода переменных массовых отношений для решения вопроса о возможности мобилизации фтора в процессе диагенетических преобразований терригенных силикатов. Опыт исследований в области экспериментального моделирования низкотемпературных геохимических процессов обобщен в работе Савенко В.С., Савенко А.В. Экспериментальные методы изучения низкотемпературных геохимических процессов, М.: ГЕОС, 2009, 303 с. – первой и пока единственной на данный момент монографии, посвященной методическим вопросам экспериментального моделирования геохимических процессов при низких температурах. По гидрохимии фтора членами коллектива опубликовано свыше 50 работ.
Выявление основных факторов и физико-химических механизмов процессов, контролирующих распределение и миграцию фтора в глобальном гидрологическом цикле, а также разработка технологий геохимической мелиорации, предназначенных для снижения уровня фторидного загрязнения окружающей среды.
РФФИ (RFBR) | Координатор |
МГУ, географический ф-т | Координатор |
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 февраля 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Промежуточный - 1 |
Результаты этапа: 1. Выполнены термодинамические расчеты, согласно которым значительное количество фтора поступает в атмосферу из кислых почв в форме газообразного HF. В поверхностном горизонте почв тундры и тайги с pH = 4.0–4.5 парциальное давление HF составляет (65–20)*10^–12 атм. Это соответствует концентрациям растворимого фтора в конденсате водяных паров 1.6–11 мкг F/л, что сравнимо с содержанием фтора в дождевой воде. 2. Экспериментально изучено выщелачивание фтора из горных пород (дацита, риодацита, трахириолита и грейзена, содержание фтора в которых составляло соответственно 0.05, 0.04, 0.24 и 3.37%) при различных значениях pH с использованием 0.01 N растворов соляной кислоты, уксуснокислого натрия, бикарбоната и карбоната натрия, а также дистиллированной воды. В опытах зафиксировано резкое усиление мобилизации фтора из всех пород в кислых растворах с pH = 2, где можно ожидать частичное разложение породообразующих силикатов, и в щелочной среде с высокими значениями pH, способствующими протеканию реакции замещения адсорбированного или находящегося в составе поверхностной минеральной фазы фтора гидроксил-ионами. Также абсолютные величины выщелачивания фтора возрастают с увеличением его содержания в породах и кислотности последних. 3. Определена степень насыщения пресных вод разной минерализации относительно фторапатита и флюорита. Показано, что все образцы поверхностных вод более чем на порядок (в 10–30 раз) недосыщены по флюориту. Более минерализованная грунтовая вода, исходно содержащая 0.70 мг F/л, имела наименьшую степень недосыщения – 3.7 раза. Концентрация фтора в поверхностных водах, равновесных с фторапатитом, примерно равна исходному содержанию фторидов в водах, составляя в среднем 0.27±0.07 мг F/л, что близко соответствует средней концентрации фтора в мировом речном стоке, превышая ее не более чем в 2 раза. В целом мировой речной сток недосыщен по основным акцессорным фторсодержащим минералам – флюориту и фторапатиту, которые должны растворяться и, следовательно, служить источниками фтора в речном стоке растворенных веществ. 4. Выполнены методические опыты по установлению уровня вымывания фторидов из свежего (осеннего) растительного опада. Показано, что вымывание фтора из растительного опада приводит к концентрациям фторидов 0.11–0.96 мг F/л, сравнимым с диапазоном его типичного содержания в поверхностных водах (0.05–0.2 мг F/л), и имеет тенденцию к увеличению эффективности с возрастанием количества перешедшего в раствор органического вещества. 5. Определено содержание водорастворимого фтора в образцах верхних горизонтов почв областей с засушливым климатом. Установлено, что количество водорастворимого фтора увеличивается с усилением степени засоления почв и плотно коррелирует с общим содержанием растворимых солей (r = 0.97), а также с концентрациями растворимых натрия (r = 0.98), сульфатов (r = 0.97) и бикарбонатов (r = 0.93). Щелочная среда способствует миграции фтора. 6. Изучено распределение фтора в поверхностных и подземных водах острова Матуа (Центральные Курилы). Содержание фтора в водах о. Матуа находится в диапазоне 9.2–307 мкг F/л при среднем значении ~95 мкг F/л. Это в 1.5–2 раза ниже средней концентрации фтора в речных водах близлежащих территорий (Япония, Камчатка), но соответствует среднему содержанию в реках мира. Основными источниками фтора на острове являются поступающие из атмосферы циклические морские соли, растворимые продукты выветривания горных пород и вулканические эксгаляции, играющие важную роль даже в период пониженной вулканической активности перед следующим извержением вулкана Пик Сарычева. 7. Получены первые данные по содержанию фтора в поверхностных водах о. Беринга (Командорские острова). Среднее содержание фтора составляет 0.23 мг F/л при диапазоне изменений 0.08–0.42 мг F/л, что примерно в 2 раза выше средней концентрации фтора в реках мира (~0.1 мг F/л), но соответствует его распространенности в реках Российской Восточной Арктики и Камчатки (0.15–0.21 мг F/л). Показано, что основными источниками фтора служат продукты выветривания и атмосферные выпадения. 8. Определено содержание фтора в поверхностных и подземных водах прибрежной части Государственного заповедника “Утриш”, а также в водах рек и временных водотоков в районе города-курорта Геленджик. Концентрация фтора находится в диапазоне 0.08–0.21 мг F/л при среднем содержании 0.15±0.04 мг F/л. Тесная корреляционная связь между содержанием фтора и минерализацией (r = 0.95) позволяет приближенно оценивать концентрацию фтора по данным о минерализации. | ||
2 | 21 марта 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Промежуточный - 2 |
Результаты этапа: 1. Экспериментально подтвержден факт уменьшения выщелачивания фтора органическими кислотами по сравнению с дистиллированной водой при увеличении кислотности растворов в диапазоне pH от 6.3 до 3.5. По выщелачивающей способности относительно дистиллированной воды изученные органические кислоты располагаются в ряд: щавелевая > лимонная > уксусная ≈ винная. Менее интенсивное по сравнению с дистиллированной водой выщелачивание фтора в кислой среде можно связать с сорбционной иммобилизацией фторид-ионов на твердой фазе. 2. Показано, что сорбция фтора Г на глинистых минералах линейно зависит от его равновесной концентрации [F]равн: Г = k[F]равн – b и принимает отрицательные значения, когда последняя становится меньше величины [F]0, при которой количество сорбированных фторидов, изначально содержащихся в поглощенном комплексе минералов, равно удельной сорбции Г. С наибольшей эффективностью сорбционная иммобилизация фторидов протекает при pH <8, тогда как в более щелочной среде происходит их десорбция из поглощенного комплекса природных минералов. Предложенная методика позволяет определять условия применения глинистых геохимических барьеров для регулирования и оптимизации содержания фтора в водах. 3. Определены параметры иммобилизации растворенного фтора магнезиальными горными породами. Показано, что в процессе взаимодействия дунита с водой происходит не сорбционная иммобилизация фторидов, которые, по-видимому, изоморфно замещают гидроксил-ионы в кристаллической решетке новообразованного водного силиката магния – серпентина. Сделан вывод о возможности практического использования ультраосновных пород при создании искусственных геохимических барьеров для снижения концентраций растворенных фторидов. 4. Изучена растворимость свежеосажденного и кристаллического фторида кальция в морской воде с соленостью 35, 70 и 105‰. Установлено, что осаждение фторида кальция из нормальной морской воды и морской воды повышенной солености происходит при концентрациях фторидов, значительно превышающих уровень, соответствующий произведению растворимости фторида кальция в разбавленных растворах. Показано, что при отношении концентраций магния и кальция больше 6.7 имеет место совместное осаждение фторидов кальция и магния. 5. Количественно оценена интенсивность биологической и водной миграции химических элементов в пределах континентального сектора биосферы. Отношение величины материкового стока элемента i к массе этого элемента, в течение года вовлекаемого на суше в биотический круговорот, характеризует соотношение водной и биологической миграции и служит количественной мерой степени разомкнутости биотического круговорота. Установлено, что высокая степень замкнутости биотического круговорота свойственна элементам как выполняющим, так и не выполняющим в организмах определенные физиологические функции. Показано, что для большинства химических элементов наблюдается относительно невысокая селективность биологического поглощения растениями. Фтор, наряду с Cl, Br, I, Li, Na, U, Se и Sb, входит в группу элементов-дискриминантов. Четко выраженное концентрирование присуще P, Mn, Rb, Co, K, Cu, Ba, Zn. | ||
3 | 24 марта 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Итоговый |
Результаты этапа: 1. Экспериментально изучено поведение фтора при взаимодействии нормальной морской воды с основными типами донных отложений океана: вулканическим тефрогенным илом, известковым илом, красной глубоководной глиной, кремнистым илом и терригенной глиной. Показано, что для всех образцов наблюдается поглощение растворенного фтора, возрастающее по мере увеличения содержания твердой фазы. Получена изотерма сорбции фтора на красной глубоководной глине, из анализа которой следует, что при массовом отношении твердая фаза : морская вода 1 : 20 «равновесная» концентрация фтора меньше природной (1.3 мг/л) и составляет ~1.0 мг/л. Результаты экспериментов свидетельствуют о неравновесном состоянии системы «морская вода – донные отложения» в отношении фтора. 2. Экспериментально определены условия хемогенного осаждения фторида кальция из вод с повышенной минерализацией (морской воды с соленостью 35, 70 и 105‰) и сделана количественная оценка ингибирующего воздействия ионов магния на этот процесс. Показано, что во всем изученном диапазоне солености равновесная концентрация фтора в морской воде была постоянна и составляла 7.6±0.3 мг/л для кристаллического флюорита и 50.2±2.0 мг/л для осажденного фторида кальция. Независимость содержания фторидов от солености связана с образованием прочных ионных пар MgF+, увеличение концентрации которых компенсирует возрастание концентрации кальция при увеличении солености. Определены условия образования фторида магния – минерала селлаита. Показано, что осаждение селлаита происходит только при очень высоких концентрациях фтора (свыше 37–51 мг/л), которые могут создаваться в эвапоритовых бассейнах, испытывающих сильное влияние речного стока. На примере вод Аральского моря и оз. Иссык-Куль выполнен анализ факторов миграции фтора в бессточных областях и условий осаждения фторидных минералов в водоемах с повышенной минерализацией. 3. Выявлены механизмы, контролирующие содержание фтора в термальных водах и конденсатах кальдеры Узон (Камчатка) и в водах грязевых вулканов Керченско-Таманского региона. Показано, что основным источником фтора в термальных водах и конденсатах кальдеры Узон служат пемзовые туфы, которые располагаются на глубинах 200–300 м и взаимодействуют с проникающими туда метеорными водами при температуре ~250ºС. Отношения концентраций фтора в конденсатах и водах находятся на примерно постоянном уровне для каждого из участков термальных полей и увеличиваются при pH <4, когда в водах появляются значительные количества недиссоциированных молекул HF. В водах грязевых вулканов Керченско-Таманского региона установлена достаточно плотная корреляция концентрации фтора с величиной pH (r = 0.80) при отсутствии взаимосвязи с минерализацией и содержанием компонентов основного солевого состава. Предполагается, что распределение фтора в грязевулканических водах контролируется реакцией обмена F–OH между глинистыми минералами и водной фазой. |
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".