КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-77-10011
НазваниеЭлементы-загрязнители в природных водах горнодобывающих районов: формы миграции и гипергенные преобразования
РуководительСидкина Евгения Сергеевна, Кандидат геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-208 - Гидрогеохимия
Ключевые словатяжелые металлы, загрязнение, формы нахождения, органическое вещество, антропогенное воздействие, термодинамическое моделирование, подотвальные воды
Код ГРНТИ38.33.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Основной идеей проекта является оценка загрязнения природных вод Северного Приладожья. Актуальность Проекта обусловлена важностью сохранения природных вод высокого качества крупнейшего в Европе Ладожского озера, его экосистемы в целом. Озеро является местом обитания ценных видов животных, в том числе уникальных. В виду уникальности фауны и флоры Приладожье может развиваться как регион для экотуризма. Воды Ладожского озера используются в питьевых и хозяйственных целях, в сельском хозяйстве. На озере есть рыбные хозяйства.
Выбранный объект является уникальным с точки зрения истории геолого-разведочных и эксплуатационных работ. Наличие в районе исторических выработок и современных разрабатываемых месторождений позволит оценить вклад в загрязнение природных вод района разных типов объектов. Основной фундаментальной проблемой, рассматриваемой в проекте, будет изучение геохимических особенностей поведения элементов-загрязнителей, в первую очередь тяжелых металлов, в системе горные породы-природные воды, а также условий и факторов накопления выбранных химических элементов в природных водах. Задачей исследования является выявление наиболее опасных объектов с точки зрения загрязнения природных вод, будут изучены главные особенности поведения элементов-загрязнителей в миграционных цепях горные породы шахт/отвалов/карьеров – природные воды – донные отложения. Для решения поставленной задачи будет применен комплексный подход: масштабное опробование природных вод района (подотвальных, из шахт, карьеров, ручьев, рек, озер), горных пород, являющихся источником токсичных элементов, и донных отложений, в которых они могут осаждаться; детальное изучение химического состава проб природных вод, горных пород, донных отложений; обработка данных с применением традиционных и современных методов математической статистики; термодинамическое моделирование форм нахождения опасных элементов в природных водах и их возможных форм осаждения. Применение комплексного подхода к изучению поведения элементов-загрязнителей позволит не только оценить текущее состояние, но и дать прогноз нагрузки техногенной деятельности на природные воды района.
Ожидаемые результаты
В ходе проекта будет создана модель поведения элементов-загрязнителей в цепи горные породы шахт/отвалов/карьеров – природные воды – донные отложения на примере Северного Приладожья. Исследования позволят оценить вклад в загрязнение природных вод района исторических выработок и действующих разрабатываемых месторождений, выделить наиболее опасные с экологической точки зрения техногенные объекты. Для определения источников элементов-загрязнителей будут опробованы горные породы шахт, отвалов и карьеров. Будет собрана коллекция образцов каменного материала. Широкомасштабное опробование природных вод района позволит оценить текущую ситуацию. Изучение химического состава отобранных образцов будет проведено на современном оборудовании с использованием актуальных методик. Результаты аналитических определений будут сведены в единую базу данных и проанализированы с помощью статистических методов, что позволит выделить основные закономерности и связи.
В рамках задач Проекта будет проведены термодинамические расчеты форм нахождения выбранных химических элементов, в том числе с учетом органических лиганд, что позволит оценить роль органического вещества в накоплении токсичных элементов в природных водах. Термодинамический расчет вторичного минералообразования в совокупности с натурными экспериментами с седиментационными ловушками позволят создать модели осаждения (вывода) элементов из раствора. В целом применение термодинамического моделирования будет направлено на изучение поведения химических элементов, в первую очередь токсичных, а именно на их миграцию, накопление и переотложение.
С фундаментальной точки зрения результаты, полученные в ходе реализации Проекта, важны, поскольку внесут вклад в изучение геохимических закономерностей поведения элементов-загрязнителей в природных водах районов разработки месторождений полезных ископаемых. Предложенный комплексный подход в будущем может применяться на других объектах.
Мы надеемся, что данный Проект привлечет внимание к проблемам сохранения экосистемы Ладожского озера.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году на территории Питкярантского района республики Карелия были проведены полевые работы, за период которых было отобрано 28 проб природных вод и 21 образец горных пород, установлено 10 седиментационных ловушек в шахтах, малых озерах, в Ладожском озере и пегматитовом карьере. При пробоотборе проводились определения быстроменяющихся показателей (pH, Eh, содержание растворенного кислорода, углекислоты, температура воды), а также электропроводности. Химический состав проб природных вод определен методами атомно-эмиссионной спектрометрии и масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, ионной хроматографии, гидрокарбонат-ион определен методом потенциометрического титрования, содержание органического вещества - методом бихроматного окисления со спектрофотометрическим окончанием. Фазовый состав и минералогические особенности твердых образцов изучены c помощью СЭМ на электронном микроскопе, соединенном с энергодисперсионным спектрометром. Рыхлый материал отвала «Красная глинка» исследован методом XRF.
Всего за период с 2018 по 2022 годы коллективом авторов было отобрано 35 проб воды из исторических рудников, 4 – из выработок советских времен, 3 – на объекте «Красная глинка», 7 – из карьеров строительного камня, 2 – из затопленных пегматитовых карьеров, 11- из природных водных объектов. В первый год реализации проекта согласно плану исследований было проведено обобщение данных по химическому составу исторических рудников Питкярантского района. По нашим данным воды исторических рудников района являются весьма пресными, значения минерализации не превышают 350 мг/л. По химическому составу наиболее часто встречаются воды гидрокарбонатного кальциево-магниевого и магниево-кальциевого состава. Во многих пробах отмечается высокое содержание сульфат-иона, а в некоторых пробах (Люпикко IV южный ствол, Бекк восточный ствол) сульфат является преобладающим ионом. Изучаемые воды в основном являются нейтральными, реже – слабокислыми или слабощелочными. С увеличением глубины в шахтах замечено снижение температуры и величины pH, но наиболее значительные изменения связаны с величиной Eh: на глубине условия становятся восстановительными. Исследование широкого спектра химических элементов позволило выявить общие особенности: в водах исторических рудников Питкярантского района при низких содержаниях макрокомпонентов, а соответственно и низкой минерализации, концентрации широкого спектра микроэлементов высокие. Особое внимание уделено элементам рудной специализации в силу региональной специфики. Показано, что наиболее высокими содержаниями выделяются цинк и железо, в некоторых объектах также медь, мышьяк, никель, свинец, кобальт. Источником этих металлов как правило являются сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит, галенит), для мышьяка – также леллингит.
В водах исторических рудников, а также карьеров строительного камня и Ладожского озера, рассчитаны формы нахождения выбранных элементов. Моделирование проведено в программном комплексе HCh. В модели комплексообразования для объектов исторических рудников учтено органическое вещество. Согласно термодинамическим расчетам наибольшее влияние органическое вещество оказывает на накопление железа, а также меди и иттрия. В воде карьеров и Ладожском озере концентрации микроэлементов как правило более низкие. Согласно термодинамическим расчетам доминирующей формой нахождения цинка, кадмия, никеля, кобальта, стронция, рубидия бария, цезия в них является ионная, меди – карбонатная, а свинца – карбонатная и гидроксильная. Основные формы нахождения U представлены карбонатными комплексами. В водах исторических рудников для большинства металлов также преобладает ионная форма, однако заметна доля сульфатных, карбонатных и органических форм. Выявлено, что одним из наиболее опасных техногенных объектов в регионе является золошлакоотвал «Красная глинка» в первую очередь из-за его расположения в непосредственной близости от Ладожского озера и объектов индивидуального жилищного строительства. Согласно нашим данным воды, дренирующие отвал, содержат высокие количества цинка, меди, бария, кадмия и стронция – элементов потенциально токсичных для человека и животных. Вода карьеров, разрабатываемых на строительный камень богата ураном, литием, молибденом и рением, концентрации которых возрастают водах, взаимодействующих с мелкой фракцией дробленой породы.
По материалам реализации проекта в первый год опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в Scopus, а также сделано 8 докладов на научных мероприятиях, опубликовано 5 статей в материалах научных мероприятий.
Публикации
1. Сидкина Е.С., Солдатова Е.А., Черкасова Е.В., Конышев А.А., Воробей С.С., Мироненко М.В. Fate of Heavy Metals in the Surface Water-Dump Rock System of the Mine Lupikko I (Karelia): Field Observations and Geochemical Modeling Water, 14(21), 3382 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/w14213382
2. Сидкина Е.С., Торопов А.С., Конышев А.А. Геохимические особенности природных вод карьеров строительного камня Питкярантского района (Карелия) Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 334, № 4, С. 7–21 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18799/24131830/2023/4/3962
3. Воробей С.С., Конышев А.А., Сидкина Е.С. Минералогические особенности пород отвалов шахты Люпикко (Питкярантский рудный район) Материалы XXXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, г. Апатиты, 3-7 октября 2022. Издательство ФИЦ КНЦ РАН, С. 29 – 30 (год публикации - 2022)
4. Воробей С.С., Конышев А.А., Сидкина Е.С. Особенности минерального и химического состава пород на примере шахты Бекк и Люпикко (Питкярантский рудный район) Материалы Всероссийской конференции (с участием зарубежных ученых), посвящённой 65-летию Института геохимии им. А.П. Виноградова и 105-летию со дня рождения академика Л.В. Таусона. 21‒25ноября 2022 г, Т.1 - С. 114 – 116 (год публикации - 2022)
5. Сидкина Е.С., Солдатова Е.А., Конышев А.А., Воробей С.С. Природные наблюдения и компьютерное моделирование поведения тяжелых металлов в гипергенных процессах на примере техногенных объектов Люпикко-I (Карелия) Материалы XXXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, г. Апатиты, 3-7 октября 2022. Издательство ФИЦ КНЦ РАН, С. 180 – 183 (год публикации - 2022)
6. Торопов А.С., Конышев А.А., Сидкина Е.С. Формы нахождения естественных радионуклидов в природных водах Южной Карелии Материалы Всероссийской конференции (с участием зарубежных ученых), посвящённой 65-летию Института геохимии им. А.П. Виноградова и 105-летию со дня рождения академика Л.В. Таусона. 21‒25ноября 2022 г, Т. 2. –С. 175 – 177 (год публикации - 2022)
7. Торопов А.С., Сидкина Е.С., Конышев А.А. Формы нахождения элементов в подотвальных водах шахты Люпикко-I (Южная Карелия) Материалы XXXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, г. Апатиты, 3-7 октября 2022. Издательство ФИЦ КНЦ РАН, С. 215 – 218 (год публикации - 2022)
8. - Северное Приладожье – уникальная площадка для изучения поведения элементов рудной специализации Новостная лента на сайте ГЕОХИ РАН, - (год публикации - )