Физическая геохимия эндогенных и экзогенных системНИР

Physical geochemistry of endogenous and exogenous systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем (этап 2016 г.)
Результаты этапа: Исследования по теме «Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем» (этап 2016 г.) проводились по трем основным направлениям: 1. Верификация разработанных ранее ликвидусных термобарометров для железорудных минералов на материале мафит-ультрамафитовых расслоенных плутонов. Выполнена верификация хромитового и магнетитового ликвидусных термобарометров на материале крупных расслоенных интрузивных комплексов. Смысл верификации состоял в сравнении действительной координаты появления в вертикальном разрезе интрузива соответствующего рудного минерала в качестве кумулятивной фазы с теоретическим уровнем его появления, рассчитанным по термобарометру. Расчёты температур ликвидуса железорудных минералов в программе КриМинал по разработанным термобарометрам с использованием результатов численного моделирования в программе КОМАГМАТ процессов формирования Ципрингского, Киваккского и Бураковского интрузивов предсказали уровень появления кумулятивных хромшпинелидов и магнетитов в вертикальных разрезах. Узкие доверительные интервалы для температур ликвидуса минералов позволили предсказать уровень появления кумулятивных рудных фаз в километровых вертикальных разрезах дифференцированных интрузивов с погрешностью не более, чем ±50 м. Верифицированные ликвидусные термобарометры включены в алгоритм термодинамического блока КриМинал. Областью применения верифицированных термобарометров является численное моделирование процессов кристаллизации базитовых силикатных систем с учётом кристаллизации хромшпинелидов и магнетита. 2. Геохимия редкоземельных элементов в гидротермальных системах, связанных с гранитоидами. Впервые для олово-вольфрамовых месторождений Иультин и Светлое проведено систематическое изучение содержаний РЗЭ в гидротермальных системах и дана оценка концентрации этих элементов в гидротермальном растворе с использованием коэффициентов распределения минерал-флюид. Полученные результаты позволили выявить эволюцию гидротермального флюида и определить его источник. Установлены закономерности эволюции состава минералов и гидротермальных растворов при рудообразовании на новом материале по месторождениям Иультин и Светлое. Разработанный подход может быть использован для анализа поведения РЗЭ при формировании гидротермальных месторождений различных типов. 3. Термодинамическое моделирование поведения микроэлементов в системе “вода – донные отложения” при изменении физико-химических условий. Проведен расчет форм нахождения микроэлементов в поровых водах донных отложений природных водоемов (Иваньковское и Вышневолоцкое водохранилища, озера Удомля и Песьво) и поверхностных водах водотоков в районах горнорудной промышленности (пруд-отстойник Урупского хвостохранилища, дренажные воды в районе Находкинского рудного поля), которые подвержены интенсивному загрязнению тяжелыми металлами и токсичными элементами. Для характеристики вод использован комплекс аналитических методов. Расчеты равновесного состава системы выполняли с помощью пакета программ HCh. Для первой группы объектов установлено, что большинство рассмотренных элементов (Mn, Cd, Zn, Ni, Co) присутствует в воде преимущественно в форме свободных ионов, а для Cu и Pb значительную роль играет комплексообразование. Для Pb характерны карбонатные, а для Cu – карбонатные и фульватные комплексы. Для всех объектов этой группы в последние годы характерно повышенное зарастание акватории (эвтрофикация). Полученная информация о формах нахождения металлов будет использована для моделирования результатов этого процесса. Во второй группе объектов повышенная сульфидность определяет опасность развития процессов кислотного дренажа. Кислые рудничные воды могут отрицательно влиять на качество вод принимающих водотоков, приводя к понижению pH, увеличению общей минерализации, содержаний сульфатов и растворенных форм металлов. Среди комплексов металлов ведущую роль играют сульфатные. Полученные данные можно использовать при разработке программы экологического мониторинга качества поверхностных вод при разведке месторождений руд.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем (этап 2017 г.)
Результаты этапа: Исследования по теме «Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем» (этап 2017 г.) проводились по трем основным направлениям: 1. Оценка вероятного влияния доли интеркумулятивного расплава в кумулусе на возможность образования "сульфидных ловушек" и локализацию сульфидной фазы в горизонтах с малосульфидной платинометальной минерализацией в расслоенных мафит-ультрамафитовых комплексах. Определены содержания редкоземельных и халькофильных элементов в породах из горизонтов с малосульфидной минерализацией из Киваккского расслоенного плутона. Концентрация халькофильных элементов является мерилом доли сульфидной фазы в породе, а содержание некогерентных РЗЭ отражает долю интеркумулятивного расплава. Установлено, что при одинаковой доле интеркумулятивного расплава в кумулатах содержания сульфидов выше в мелкозернистых породах, т.е. мелкозернистый кумулус создает своеобразные «ловушки» для сульфидных капель, мигрирующих в интеркумулусе. 2. Развитие методов термодинамического моделирования гидротермальных процессов с участием РЗЭ. По содержанию РЗЭ во флюиде реконструирована схема рудообразования на месторождении Иультин и Светлое. На первом этапе в гидротермальной системе преобладал магматогенный флюид. Продуктивная стадия характеризовалась смешением магматогенного флюида и экзогенных вод. В постпродуктивную стадию преобладали экзогенные воды. Расчет составов гидротермальных растворов показал, что развитие гидротермальных систем Иультин и Светлое сопровождалось изменением концентрации РЗЭ во флюиде. Такое изменение не наблюдается на месторождении Спокойнинское, что объясняется тем, что на всех стадиях концентрация РЗЭ во флюиде контролировалась растворимостью монацита гранитов. Рассчитана термодинамическая модель рудообразования на месторождениях Иультин и Светлое. Главным фактором отложения вольфрамита и касситерита является смешение магматогенного флюида с метеорными водами, прошедшими через взаимодействие с вмещающими породами. По пропорции смешения и отложения минералов рассчитано содержание РЗЭ в рудообразующем флюиде. Сопоставление составов, полученных в модели и реконструированных по составам минералов, позволило верифицировать результаты термодинамической модели. 3. Выявление факторов, способствующих накоплению золота в гидротермальных системах типа high sulfidation на примере подводных островодужных гидротерм. Влияние кипения на отложение золота в эпитермальных системах является предметом длительной дискуссии из-за многофакторности воздействия кипения гидротермальных растворов на состояние рудообразующих систем. Эффективным методом исследования такого процесса является термодинамическое моделирование. Задача исследований – определить влияние кипения на условия отложения золота в островодужных гидротермальных системах с разным типом питания. Рассчитано два варианта модели: конвективный, когда единственным источником флюида в системе была морская вода, и комбинированный, когда в систему добавлялся еще магматический газ в пропорции 1:20. Проведенные расчеты показали, что в конвективной модели золото полностью растворяется из породы в нисходящей ветви, а при охлаждении в восходящей ветви основная доля золота отлагается в узком интервале температур 290-250°С. В варианте модели с добавлением магматического флюида гидротермальный флюид при вскипании оказывается существенно более кислым и окислительным. Это приводит к большому дефициту насыщения раствора по золоту, и оно при вскипании не отлагается. Золото проносится флюидом без осаждения до Т=180°С, и только после этого начинает отлагаться. Применительно к природным объектам, полученное различие поведения золота имеет важное значение. В конвективных системах отложение золота при подповерхностном кипении начинается уже в подрудных каналах из растворов, не дошедших до поверхности дна, и в рудные постройки оно поступает в остаточном количестве. В модели с комбинированным (конвективным + магматическим) питанием отложение золота начинается не в момент вскипания флюида, а гораздо позже, при падении температуры ниже 200°С. Это соответствует области смешения гидротермального раствора с придонной водой, происходящего на поверхности и внутри растущей рудной постройки. Таким образом, отложение золота оказывается сконцентрированным и привязанным в пространстве к сульфидным рудам. Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации данных по золотоносности глубоководных сульфидных месторождений. При дальнейшем развитии работ планируется исследовать модель, описывающую распределение золота в объеме растущих сульфидных рудных тел на дне океана.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем (этап 2018 г.)
Результаты этапа: На основе уравнения Майера-Келли выполнена ревизия коэффициентов уравнения теплоёмкости силикатного расплава. Неопределённость при расчёте теплоёмкости силикатного расплава с использованием предлагаемого набора коэффициентов при уровне значимости 95% не превышает ± 0,7 Дж/моль•К. Установлена слабая, но статистически значимая температурная зависимость теплоёмкости. Проведено экспериментальное исследование коэффициентов распределения флюорит-раствор при температуре 350оС и давлении насыщенного пара воды. Результаты исследования показали, что в системе раствор-флюорит лантаноиды (РЗЭ) преимущественно концентрируются в кристаллической фазе. Получены численные значения коэффициентов распределения минерал-раствор для всех РЗЭ. Результаты позволят расширить индикаторные возможности применения РЗЭ в геохимических методах поисков полезных ископаемых. Разработанный подход может быть использован для анализа поведения РЗЭ при формировании гидротермальных месторождений различных типов. Методом ИСП-МС определены содержания РЗЭ элементов во флюоритах месторождений различного генезиса. На примере месторождения Шерлова Гора по составу флюорита проведена реконструкция содержания РЗЭ элементов в гидротермальном флюиде и показана его эволюция. С использованием селективных экстракций было проведено изучение форм нахождения микроэлементов в донных отложениях (ДО) Вышневолоцкого и Верхневолжского водохранилищ, озер Удомля и Песьво. На основании полученных данных, по разработанной нами ранее методике, был определен набор констант селективности и свободных энергий связанных форм микроэлементов (Zn, Co, Cd, Pb, Ni, Cu) на глинистом, железистом и органическом сорбентах отдельно для каждого из объектов. Показано, что учет литологической неоднородности осадков в пределах одного объекта позволяет улучшить качество моделирования. При этом применение при моделировании кажущихся термодинамических свойств, усредненных по всем изученным водоемам (для проб аналогичного гранулометрического состава), эмпирические данные воспроизводятся лишь качественно (правильно определяются преобладающие формы микроэлементов). Вероятные причины получаемых рассогласований – различия в минеральном составе глинистой фракции и качественные различия в составе органического вещества ДО объектов. Термодинамическое моделирование проводились с использованием пакета HCh. Практическая значимость данной работы заключается в возможности использования предложенной методики моделирования для прогноза миграции загрязнения в водоемах при изменении физико-химических условий.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем (этап 2019 г.)
Результаты этапа: Изучена краевая зона Западного блока Киваккского массива, сложенного габбро-норитами, в которой обнаружен малосульфидный горизонт норитов, содержащей в верхней части рассеянную сульфидную минерализацию, представленную пирротином, халькопиритом, пентландитом и пиритом. Породы этого горизонта характеризуются высокими содержаниями Cu, Ni, Cr, Pd, Ag, Te, Bi, сопоставимыми с их содержаниями в сульфидоносных породах верхнего уровня малосульфидной минерализации в норитовой зоне центрального опорного разреза интрузива, в которых ранее были обнаружены минералы Pd и Pt. Полученные результаты позволяют предположить возможность дополнительного поступления норитовой магмы, содержащей рудные компоненты, в интрузивную камеру в процессе кристаллизации интрузива. На основе данных о закономерностях распределения редкоземельных элементов (РЗЭ) в жилах месторождения Джими разработана новая методика и исследованы равновесно-динамические модели, позволяющие оценить влияние смешения флюидных потоков из разных источников на процессы жильного полиметаллического рудообразования (пакет программ HCh, система H-O-K-Na-Ca-Mg-Al-Si-Fe-C-Cl-S-Zn-Pb-Cu). Результаты моделирования со смещенными в пространстве областями мобилизации рудных компонентов из вмещающих пород позволяют получить значительно лучшее согласие с природными данными, чем предшествующие модели с комбинированными источниками. Верификация моделей проведена по геохимическим данным для месторождения Джими. На примере района Урупского хвостохранилища был выполнен расчет форм нахождения микроэлементов в поверхностных водах (пакет программ HCh (Шваров, 2008) и программа моделирования экзогенных процессов Visual-MINTEQ (Gustafson, 2004)). Сравнение расчетов комплексообразования Zn, Cu, Pb и Cd без учета органических комплексов показало схожие результаты. Максимальная разница значений характерна для тех форм, количество которых минимально, при этом различия не превышают 10 процентов. При учете комплексообразования с органическими кислотами результаты по Cu, для которой такие комплексы характерны, совпали достаточно близко, тогда как для остальных трех элементов разошлись существенно, при этом использование модели NICA-Donnan в программе Visual-MINTEQ показало более близкие результаты к значениям, полученным в программе HCh, чем использование модели SHM. При проведении дальнейших исследований планируется провести корректировку способа задания количества растворенного органического вещества в расчетах комплексообразования в пакете программ HCh.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Физическая геохимия эндогенных и экзогенных систем (этап 2020 г.)
Результаты этапа: Для корректного количественного анализа эволюции магматических систем в процессах плавления – кристаллизации необходимо оценивать изменения энтальпии гетерофазных (расплав + кристаллы) систем с учетом скрытой теплоты плавления минералов в широком диапазоне составов и температур. На основе уравнения Кирхгофа разработан метод расчета энтальпии силикатного расплава произвольного состава с учетом скрытой теплоты плавления. В основе метода лежит определение парциальных мольных энтальпий образования компонентов расплава из элементов в стандартном состоянии путём многомерной статистической обработкой имеющихся в литературе данных по энтальпиям силикатных расплавов. Энтальпии расплавов, рассчитанные с использованием предложенного метода, сопоставлены со значениями, полученными независимыми методами. Значение ошибки при вычислении на уровне значимости 95% не превышает ± 2% относительных. Построена и исследована модель подводной гидротермальной системы в островодужной коре, имеющая (в вариантах модели) конвективное (морское) и комбинированное (морское + магматическое) питание. Рассчитано распределение золота в растущем гидротермально-осадочном рудном теле (аналоге «черного курильщика») по методике, описанной в (Grichuk, 2012). Результаты моделирования показали, что при питании системы нагретой морской водой золото отлагается в периферической холодной части рудного тела в интервале температур 240-210°С. При добавке магматического газа золото выносится из рудного тела вследствие высокой кислотности флюида. Поскольку при таком режиме питания значительную часть отложенного вещества представляет самородная сера, сделан вывод о том, что наличие этого минерала в продуктах гидротермальной деятельности является негативным признаком на рудоносность (в том числе – золотоносность) рудного процесса. Выполнена комплексная гидрохимическая характеристика водных объектов канала имени Москвы и оценка распределения форм нахождения микроэлементов в их водах. Для характеристики вод использован комплекс аналитических методов (ИСП-МС, РФА, объемное титрование, фотометрия, потенциометрия). Расчеты форм нахождения микрокомпонентов в растворе выполны с помощью пакета программ термодинамического моделирования HCh (разработка кафедры геохимии МГУ). Установлено, что воды относятся к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе, второму типу; нейтральные; пресные. Присутствует нитрат-ион в количестве, не превышающем ПДК, но в силу невысокой общей минерализации воды он входит в состав главных анионов. Содержания большинства изученных микроэлементов ниже ПДК в водных объектах рыбохозяйственного значения. Превышения выявлены для Cu и Mn. Показано, что концентрации растворенных форм микроэлементов за последнее десятилетие либо не изменились, либо заметно снизились. Установлено, что для Sr, Ba, Mn, Zn, Ni, Co, Cd, преобладающими формами являются свободные ионы, для Cu – фульватные комплексы, для Pb – карбонатные и фульватные комплексы. Полученные на примере водохранилищ канала имени Москвы результаты позволяют детализировать представления о доминирующих формах нахождения микрокомпонентов в воде водных объектов хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения. Комплексные эколого-геохимические исследования, детализирующие знания о формах нахождения элементов в компонентах водохранилищ, прежде не проводилось.

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".