Обогащение высокодисперсных частиц металлами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР Кабардино-Балкарский государственный универститет

«1 1 0 9 О

■1 >

На правах рукописи УДК 539.215.4; 543.53

АЛЕКСЕЕВА Нина Григорьевна

ОБОГАЩЕНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ МЕТАЛЛАМИ

01.04.07 — Физика твердого тела

Автореферат . диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нальчик 1990

Работа вдаодне-ш в Ьшиаав ощеиа Лы-ика, и ордена ОстйбрьсгоЯ Ревоязцш Иг¡с»игу?а агорой обертки $2а. И. В. Цуркато Еа.

Научный русоЕоднгсдь: игедеда? фнзкко-ыазецагкчеездх кс-ук, ведущий кау®Ей еоярудша

О^щкшышо оппонеата: доктор фкэиио-4эд?ша?Ечее2ЕЖ клук, профессор

казднда® ф»шхо-ыагсазякчвсаш: ' наук ^доцг::?

Еэдуцая организация: Киевский государственный университет ш. Ивана 8рашо

Защита состоится Ш . Ю. ? О на васедашш Специализированного Совета Кабардешо-Еалхарекого государственного университета (г.Нальчик, ул.Чэрндазвского, 173, индекс 330004).

Ваа отзыв в двух огзозшяраг, доверенный печатьз, просш направлять в адрес КШ?.

С диссертацией когно ознакомиться в библиотеке университета.

• Автореферат разослан /<? (¿йН/^^йЯ 1990 г.

Учений секретарь Специализированного

Совета КЕТУ, к.ф.-м.н. СЬ^^у А.А.Ахкубеков

сезв

В.Й.Пр0Х0ршЕ0 Б. В» Аетагцров

. . !

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность томы диссертации. К вопросам образования а соста-а высокодиеперсныя частиц приковано внимание специалистов разных вправлений науки и техники: физики твердого тела и иикроолектрош!-и, химии и технологии, физики Земли и экологии. Этот интерес сти-улируется решением проблем прочности н разрушения тверды* тел, ди-пергирования металлов и силикатов в газовых потоках, переноса и акопления металлов на высокодисперсньпс частицах. Для практических елей важно установить количественные соотноиения исяду обогащением астиц различных размеров металлами, их составом и средой, где ча-тици образуются.

В последнее десятилетие дисперсный состав аэрозолей изучался в вязи с моделированием последствий ядерной аимы. Неутешительность яиматических прогнозов с учетом длительности существования в атш-$ере микронных частиц вызвала сдвиг общественного мнения и меаду-ародной политики х сокращении воорунекий и уменьшении угрозы войны.

Актуальность работы заключается в необходимости исследования Зразования высоходисперсных частиц при разрушении твердых тел и аяснения роли таких частиц природного и техногенного происхоадония переносе и накоплении металлов в разных средах. В силу трудности элучения больших потоков частиц в лаборатории, их можно успешно

зучать в полевых условиях при изверкениях магматичеоких и грязевых

>

рлканов. Интерес к динамике этих потоков частиц во времени, нвоб-эдимых для построения климатических моделей, заставляет наряду о {струиентальными методами применять накопление частиц и металлов ;тественными сорбентами, такими как снег, почвы, растения.

Цель работы состоит в изучении образования высокодисперсных 1СТИЦ при разрушении твердых тел и выяснении роли частиц в перено-э и накоплении металлов в природных процессах. Были ршены следую-«е задачи:

1. Изучение образования выеокодксларскызг частиц при раэруш ЧГорнвд; пород в области разшров 1-1000 кан. Еибор функции и оо г раыетров для описания распределения.

2. Методом радиоантивньк квдияаторов моделирование поведена соединений металлов в водной среде г содержащей дисперсную фазу.

3. Изучение фракционирования металлов на частицах разных ра мэров в атмосфере.

4. Оценка поступления металлов и обогащение частиц разных р меров ври осаздении из раствора., диспергировании из расплава и к донсации из газовой фазы на примере природных источников - грязе и магматических вулканов.

5. Определение накопления металлов в почвах и растениях в т тонически активных районах.

Научная новизна. В работе впервые построено распределение ч< стиц по размерам в экспериментах по разрушению горных пород в об; сти спектра 1-115 мкм. Для описания распределения найдена функца Вейбулла (Роэина-Раммлера), подобраны ее параметры.

Моделированием методом радиоактивных индикаторов впервые по1 зано, что соединения некоторых металлов, например, ртути, кадмия марганца быстро переходят из раствора на частицы разных фракций донные отложения, играшцие роль естественных сорбентов в природш условиях. Скорость сорбции почти не зависит от концентраций соле! возрастает при уменьшении размеров частиц.

Изучен дисперсный и химический состав аэрозолей, отобранных пактором, в фоновом районе. Показано, что обогащение частиц разл! ными металлами зависит от размеров аэрозолей.

Впервые для оценки потоков металлов в районах действия прирс ных источников, в условиях активного вулканизма использован метод осаадения аэрозолей снегом и разделения их по размерам. Показано, что в природных процессах происходит фракционирование металлов ъ

зов.

Практическая ценность работы. Изучэние образования высокодис-рсных частиц при разрушении твердых тел необходимо для развития, ории прочности и механических свойств твердого тела. Это имеет льшое значение для получения новых материалов с заданной структу-й и дисперсностью. Миграция вещества, скорость его рассеяния во. огоы определяется его дисперсным составом. Наиболее подвижка фра-«я высокодисперсных частиц, способных сорбировать примеси и нахо-гься во взвешенном состоянии неограниченное время. Оценка вклада. эй фракции при разрушении необходима, например, для расчета пос-;ствий аварий адерных установок, Осаздение металлов из раствора :тицани вазно внать для прогноза поведения примеси от источников трязнения и проектирования систем очистки загрязненных вод, в: тоы 5Л9 и радиоактивными элементами. Накопление их в донных отлоаени-водоемов при изменении гидрологического режима может вызвать ост> экологическую ситуацию, особенно опасную непредсказуемостью.

Вынос металлов в составе частиц из глубин в тектонически актив: районах имеет принципиальное значение для развития представлений эволюции планет, формировании месторождений ископаемых, разработ-новых методов прогноза землетрясений, проблем глобального клима-Исследование потоков частиц при извертениях магматических и гря-ых вулканов дает воэмояность построить более реальные модели кру-орота металлов в природных и антропогенных циклах, точнее оценить ь техногенного загрязнения. Накопление металлов биологическими ектами позволяет ввделить классы, пригодные для биоиндикации, и альнейшем сократить затраты на контроль окружающей среды.

Основные положения, выносимые на защиту:

I. Установлено, что при разрушении твердых тел (горных пород) дуются высокодисперсные частицы размерами 1-100 мки, распредале-

' • з

нио которых удовлетворительно описывается функцией Вайбуяла (Розл на-Рашдера).

2. Показано, что б водных н газовых средах частицы могут воет себя в роли сорбентов. В воде некоторые 1:аталлы быстро переходят к раствора на частицы и донныз отложения, и скорость сорбции возрастает при уменьшении размеров частиц.

®ракционированне металлов на частицах в природных условиях та, чалось в районах, характерных для основных типов процессов обогаще ния.

3. Исследования состава частиц в фоновом высокогорной района показали, что состав высокодиспарсных и крупных фракций различен. Крупные содержат больше К, Са, И , Мп , Ее , Си , Эг , гг , нъ , чем высокодисперсные, которые в свою очередь содержат больше 0« ,

Ав, Зе , Вг .

4. Для изучения накопления металлов частицами разных размеров из раствора были выбраны грязевые вулканы. Впервые с помощью снего с"емки исследован дисперсный и химический состав аэрозолей при гри фоновой деятельности. Показано, что при грязевом вулканизме поотуп ет дисперсное вещество, обогащенное металлами.

5. Фракционирование металлов при распылении расплавов силикат ных пород исследовалось определением элементного состава частиц пе пла и магматических пород при извержениях вулканов. Установлено, что вынос 0е , Аа , 39 связан с высокодисперсной фракцией, и , с Зг 1 гг находятся преимущественно на крупной.

6. Перенос и накопление металлов частицами разных размеров V газовой ¡Ьазы изучалось методом снегос"емки при фумарольной деятел* ности магматических вулканов. Сделаны оценки поступлений в атмосфе ру металлов, подсчитаны коэффициенты обогащения, для Aa.Se , Ое

они достигают Ю^-104. „ „ у>

7. Для индикации выноса металлов в районах действия природньо источников проанализирован состав почв, разных видов мхов, лишайш

ов и высших растений. Установлено, что почвы и растения в района бйствия природных источников накапливают частицы, обогащенные ш~ аллами. Высокие значения коэффициентов обогащения для растений моли элементы М1 , гп , Ав , За , Вг , са , Аи , ,

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на онференциях и совещаниях: I, П, Ш "Ядерно-физические методы анали-а в контроле окружающей среды" /Ташкент 1979, Рига 1962, Томск 995/; "Аморфные металлы" /Москва 1983/; "Дегазация Земли и геотек-оника" /Москва 1985/; У1 Вулканологическом совещании /Петропавловск ' Камчатский 1965/; Л! Школе по морской геологии /Москва 1966/; на тяюзиуме специалистов стран-членов СЭВ "Комплексные методы конт-оля качества природной среды" /Москва 1986/; на конференции "Поро-ковая металлургия" /Свердловск 1989/; на П Американско-Советском импозиуме "Влияние атмосферных загрязнений на растительность" 'Огайо 1969, ОНА/.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, список редставлен в конце автореферата.

Структура и об"ем работы. Диссертация состоит из введения, се-[и глав, выводов, списка литературы из ¡0$ наименований. Работа из-южена на |15Г" страницах, содержит 17 рисунков, 20 таблиц«.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ... >

Во ВВЕДЕНИИ сформулирована цель работы, дана логическая связь мяжду сериями проводимых экспериментов и полевых исследований, обо-;нован выбор изучения, глубинных источников вещества приведены поло-Еения, выносимые на защиту.

§_П§2Э£Й_ЕЗЙ5в описаны методы исследований дисперсного и элегантного состава частиц. Представлена методика выделения фракций в «спериментах по разрушению твердых тел, состоящая из ситового шна-

5

лиза и последовательного филирования через мембранные фильтры с р^ным* размером пор. Аэрозоли отбирали с помощью импантора, т ЩИ осазедении снегом. Распредед ение по размерам построено с приз нением оптической и электронной микроскопии.

Для определения обогащения частиц необходим анализ их химш кого состава, большого числа элементов в широком диапазоне конц< траций. Эти задачи успешно решаются ядерно-физическими методами нейтрак-активационным и рентген-флворесцентным (НАД. и РМ), Их г нцип заключается в возбуждении адер или электронов внутренних ос лочек и регистрации излучения при возвращении в стабильное состс ние. При облучении пробы постоянным потоком нейтронов количество образовавшихся в пробе возбувденных атомов определяется выраяенк

_ * - I (1)

где ^ - плотность потока нейтронов, п/си^;

6 - сечение, б;

Л = 6,02*10^ - число Авогадро;

0 - доля нуклида, участвующего в ядерной реакций, в естест венной смеси изотопов определяемого элемента;

т - масса определяемого элемента в пробе, г;

М - массовое число;

% - постоянная радиоактивного распада образующегося нуклид

Облучение образцов и эталонов проводилось тепловыми нейтрон ми на реакторе Института ядерной физики Казахской ССР. Гамма-епе: измерялся полупроводниковым детектором и выводился после различи! временной ввдержки на амплитудный анализатор.

Частицы разных размеров на фильтрах, образцы биологического характера предпочтительно исследовать методом-рентген-флюоресцен' ного анализа, так как при этом не происходит нагревание образцов вызывающее потери летучих элементов. Измерения методом знергодис1 сного РВД проводились на установке Института экспериментальной м< 6

рологии. Радиоактивный источник возбуждает элементы, &

бе, сигнал от которых улавливается детектором и усиливается бло-детеотнрования ЕЩРК-1-25 с энергетическим разрешением 270 эв " линии 5,9 кэв4 Спекорвыводился на 512-канальный амплитудный ана-атор ЬИ -4050 и с него на двухкоординатный планшетный графэпо-оитвль. Спектры обрабатывались по высоте соответствующих пиков четом интерферирующих линий. Пароход к массе интересующих элет гов осуществлялся относительным методом с использованием искусанных эталонов с известным количеством определяемых элементов в з чистых солей.

Чувствительность методов зависит от ядерных характеристик эле-сов, условий облучения и измерения образцов, точность определя-I случайными и систематическими погрешностями и геометрическими юрами и составляет от Щ> до 30$. Чувствительность лежит для раз-элеыонтов в пределах относительных единиц. Ядерно-

гаескиа методы позволяли одновременно измерять концентрации 12-(лементов.

Во второй главе описаны эксперименты по изучению дисперсного

ава частиц при разрушении твердых тел сжатием. Цель экеперимен-

- установить,образуются ли частицы микронных размеров при раз-

нии горных пород и металлов. До настоящего времени бьии только

ты с распределением по размерам крупных кусков при дроблении

ых пород. Прямые эксперименты по изучению дисперсного состава

иц при разрушении в области размеров 1-100 мкм проведены впер-

Стандартные образцы горных пород разрушались на прессе внутри

ндра из оргстекла для предотвращения потери мелкой фракции. По-

разрушения внутрь цилиндра впрыскивалась вода. Крупные осколки

эляли набором сит, взвешивали, строили распределение по размерам.

/ю фракцию изучали отдельно, промывая водой разрушенный образец

1ьтруя воду с мелкими частицами последовательно через мембран-

^ильтры с разными размерами пор. Распределение частиц построено

7

для области 5-115 мкм с помощью оптической, 1-30 мкм - электронно микроскопии при выборке 200-500 частиц для каждого образца. Обраб ка заключалась в построении дифференциального и интегрального спе тра относительной массы частиц с размером более заданного. Для оп сания осколкообразования применяются различные вероятностные функ ции, одна из наиболее универсальных - функция Вейбулла (Розина-Ра млера) имеет вид:

й. (х ■) = е~ ( л/Хо ^

(2)

К и Х0 - параметры, определяемые из графика.

Чтобы убедиться, подходит ли эта функция для описания получе кого экспериментального распределения,построили его в координатах 1пХ; 1п1п1/к . Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются п мой, наклон которой дает К, пересечение с горизонтальной осью - X /рис.1/. Таким образом, функция Вейбулла (Розина-Раммлера) удовле ворительно описывает распределение частиц, полученных разрушение« в области размеров 1-1000 мкм. Представительность выборок проверя лась отбрасыванием крайних значений распределения, при этом для с ласти Х-П5 мкм параметры функции не изменялись.

Проведены эксперименты по изучению дисперсного состава метал ческих порошков, полученных методом быстрой релаксации напряжена сжатия. Под электронным микроскопом частицы имели скругленные ш угловатые формы, распределение по размерам имело максимумы, хара* терные для каждого металла при заданных условиях разрушения.

показана роль высокодисперсных частиц в пер<

се металлов. Проведены эксперименты с радиоактивными индикатора»«

по изучению динамики сорбции соединений металлов частицами разныз

размеров и донными отложениями в воде. Методика состояла в следу.

¡цем: в воду, содержащую частицы или разные типы донных отложений

(песок, глину,ил) вводили раствор солей металлов, меченных соота< 8

1п 1*1/к

О

У0=г Я - 115 мкм Г ^90 мкм К- 2 87 ' Хок=105 мкм Кк=3,64 • '

1-30 мкм г 23 К э= 3,3

красшй образец -К белые образцы

Рио. I Распределение по размерам частиц при разрушении горных пород в области 5-115 мкм / Е й 2 / и в области Г-30 мкм / 3/

•ствувщимн изотопами. Концентрации элементов в воде изменялись от 0,1 до Ю мкг/л. После определенной экспозиции (от 15 мин до 3 су измеряли активность частиц и раствора. Результаты экспериментов с казали, что скорость сорбции н процент поглощения для ртути и кед мия при концентрациях 0,1-1,0 нкг/л заметно не меняются, тогда к« при Ю мкг/л несколько увеличиваются. К концу эксперимента поглои ние металла из раствора составило:

са песок глина ил песок глина ил

42-47% 52-64% 56-68$ 54-67$ 86-97$ 65-78?

Разные типы донных отложений формируются из частиц, отличаю-цкхся размерами и соотношением минерального и органического вещее ва. На рис.2 представлены результаты серии экспериментов по изуче нию динамики сорбции металлов взвешенными частицами. Скорость со{ цш высокодисперсными частицами для всех рассмотренных металлов I чти в 2 раза выше", чем крупными, что верятно связано с большей с< бционной поверхностью и химическим составом. За время 3 суток из раствора на взвеси перешло 70% ртути и кадмия, 9С$ марганца, 205 цинка. Мышьяк остался в растворе почти полностью. Таким образом, воде, содержащей частицы, ряд металлов достаточно быстро сорбиру< ся ими. Те же процессы происходят и в атмосфере, которая являете: многофазной средой в самом общем случае, содержит воду, аэрозоли газы. ,

В четвертой главе представлены краткий обзор по составу и : ведению частиц в атмосфере, а также результаты полевых исследоаа дисперсного и химического состава аэрозолей в высокогорном район вдали от источников возможного загрязнения. Аэрозоли отбирали с мощью пятикаскадного импактора, распределение по размерам строил

применением электронного микроскопа. Микрозлементный состав част

определяли методом рентген-флюоресцентного анализа. Для каждого

када импактора построено распределение частиц по размерам. На пе ю ■

Ряс. 2 Распределение ртути /а/ ,цинка и кадмия /6/ и марганца /в/ между пзветенннмй частипами различных размеров и водой, т-содерианке в вода, 2,3-содерка-ние в крупной я мелкой фракциях соответственно.

ром и втором каскаде 60-65% составляла фракция 2-7 мкм, на посж них каскадах оседали частицы 1-3 мкм и менее I мкм. Вклад высокс дисперсных частиц возрастает почти экспоненциаольно при переходе от первого к последним каскадам. Изучен микроэлементный состав * стиц на каждом каскаде и подсчитаны отношения доли элемента на г ледних двух каскадах к.доле на первых двух. Получено, что крут« частицы обогащены К, Са, и. , Иа , Ре , Си , Эг , гг, хп>. А высс дисперсные обогащены ' ее, Аз , Бе , Ш> . Равномерно между каск£ дами распределены Сг, гп , Вт , рь, X , Мо.

Для сравнения концентраций элементов в различных обиектах 1 лесообразно пользоваться относительными величинами, а именно, кс эффициентами обогащения К0, представляющими собой отношения концентраций данного элемента к концентрации реперного элемента, но мированные на те же отношения в какой-либо среде:

К0 « ЪЛш , (3)

КУ «реп

где С1 и Среп - концентрации данного и реперного элемента в про и ^реп ~ клаРки данного и реперного элемента в литосфере

В качестве реперного при НМ принимается скандий, для РФА железо, в ряде работ - алюминий.

Подсчитаны значения К0 микроэлементов аэрозолей на ступенях импактора, результаты показаны на рис.3.

В пятой главе показано обогащение частиц разных размеров п осавдении из растворенного состояния в природных процессах - при грязевом вулканизме, гидротермальной деятельности, в подземных в дах в зонах сейсмической активности. Процессы сорбции металлов ; частицах интенсивно вдут в природных средах. При грязевом вулкан ме происходит измельчание горных пород до высокодисперсных фракц в потоке природных газов, таких как водород, С0%, метан. Диспер

ю5 #

ш4

■ I

I * *

Лй

I

I:

г

I

л

I

*

I

I 1

* 1 х

I I >1 *

-!-1 „I_I_!_I_'III_I_1_I_1_1_I

И С& Т» Сг Мп Си и А* Зе & Яь 5»- У 2г Нь М* РЬ

Рис.5. Коэффициенты обогащения элементов в аэрозолях отобранных иипактороы

в высокогорной районе. К—ЦК0 на 1У,У ступенях, д -суица на всех ступенях.

ный состав частиц грязевулканическо го ила более чем на представлен фракциями размером менее 0,01 мм, поэтому грязевый вулканизм является удобнш об"ектом для изучения распределения металлов на высокодисперсных частицах. В отличии от лабораторных условий в природе осуществляются крупномасштабные процессы, которые происходят десятки тысяч лет. Вынос металлов при грязевом и магматическом вулканизме в течение геологического периода может быть столь масштабным, что может приводить к образованию месторождений полезных ископаемых.

Исследования были проведены на грязевых вулканах Керченского полуострова - Б/лганакском и вул. Восход, Методом снегосиемки после снегопада на разных расстояниях от выходов газов изучался состав аэрозолей. Снег имеет высокую сорбционную емкость и эффективно осаж дает частицы из атмосферы. После таяния разделяли фракции последовательным фильтрованием. Массу частиц в снеге за вычетом фона вокруг источника приравнивали выбросу источника за время снегопада.

Температура грязевулканических выбросов низкая, равна температуре почв, благодаря этоцу частицы выносят на поверхность микроэлементы без потерь летучих соединений. Исследовался состав грязевулка' нической брекчии различных вулканов и аэрозоли, попадающие в воздух Сделаны оценки потоков металлов при грязевом вулканизме при грифо-новой деятельности и, с учетом статистики извержений, при извержениях. Показано, что грязевый вулканизм является крупным источником металлов.

Частицы, обогащенные металлами, поступают не только при вулканизме, но и по разломам земной коры в тектонически активных районах В подземных водах таких регионов существует подвижное равновесие между растворенными и адсорбированными формами металлов. При измене нии сейсмической обстановки это равновесие нарушается, что можно ис пользовать как предвестник землетрясения. Разрушение горных пород начинается раньше, чем происходит толчок, при этом крупные осколки

остаются на месте, а микронные частицы поступают в подземные воды.

Вынос и перераспределение металлов из растворов интенсивно идет в гидротермальном процессе. Магматический очаг вулкана, расположенный на глубине, не только разогревает подземные воды, но и насыщает их агрессивными компонентами, серой, газами и др. Термальные воды растворяют и выносят к поверхности соединения металлов, где при снижении температуры начинается обратный процесс - сорбция металлов дисперсными породами. При соответствующих условиях могут формиро-^ ваться месторождения различных металлов.

В_шестой_главе рассмотрено распределение металлов при диспергировании из расплава и конденсации из газовой фазы на примере магматического вулканизма. Вулканизм широко распространен на Земле, большая часть магматических пород представляет собой продукты распыления расплава раскаленными газами. При диспергировании магмы происходит перераспределение элементов между газовой фазой, пепло-выми частицами и расплавом. Условия диспергирования, полученные Слв-зиным (1976) имеют вид:

15 иг) п*/3 & >1

где V - скорость под"ема магш;

<7 - ее вязкость;

п - расстояние мевду пузырьками газа; - '

6 и с - коэффициенты, определяющие растворимость газа в расплаве.

Интенсивность извержений и выброс в атмосферу, вулканических продуктов оказывают большое влияние на климат. Кроме активной фазы извержения деятельность вулканов проявляется в фумарольной деятельности, где происходит образование частиц из высокотемпературных газов, содержащих кроме паров воды сернистый газ и другие агрессивные соединения. Поэтому при вулканизме необходимо отдельно изучать перераспределение металлов из расплава и из газовой фазы.

В качестве полигона для исследований был выбран вулкан Авачин-ский (Камчатка) в период активной фумарольной деятельности. Методом снегоснемки, впервые проведенной на активном вулкане, удалось оценить масштабы поступления металлов. Средний вес частиц крупной фракции в свежем снеге вне кратера составлял 0,01 г/л, на кратере -0,02 г/л; средний вес высокодисперсных частиц вне кратера - 0,0005 г/л, на кратере - 0,001г/л.

Вклад микронных частиц составляет примерно 5$,

Состав частиц на фильтрах изучался рентген-флюоресцентным методом. Для сравнения исследовали состав взвешенных частиц в реках, стекающих с вулкана, источниках. Дня всех образцов подсчитывали К0, сравнивая значения которых, все элементы можно разделить на две группы. К первой относятся элементы к, Са, 11, Зг, '¿г , имеющие Кд близкое к единице. Ко второй относятся элементы N1, си, ги, у, Аз, Эе , вг, ръ , еь , ыь, Ко. Как правило, мелкая фракция для элементов из второй группы имеет К0 на 1-2 порядка выше, чем крупная, рис.4.

Самые высокие значения К0 получены для высокодисперсных частиц, отобранных вблизи фумарол на кратере вулкана, и даже для элементов из первой группы значения К0 возрастают до 4-10, К0 мышьяка, германия для крупных частиц составляет 10^-10^, для мелких - I0^-10^,

4 5

К0 селена достигает 10 -10 . Аэрозоли сезонного снега имеют более низкие значения К0, чем свежего. Взвешенные частицы поверхностных вод содержат на уровне следов на мелкой фракции такие элементы как бром, мышьяк, свинец и только термальные воды по некоторым элементам. сравнимы с концентрациями елементов в снеге. На поверхности и в атмосфере частицы быстро рассеиваются, разбавляются частицами иной природы. Значения К0 зависят от условий отбора образцов, при извержениях вулканов взрывом вулканические частицы рассеиваются на большом пространстве. Так как пробы, как правило, отбираются из горизонтального шлейфа, потерявшего вертикальную скорость и часть ве-16

ю5 104

юг ю2 Ю1 10°

ш

-I

я *

2?

и

' ' ■ « '

' I I._^_I_I__'

к Са Т4 Мл № СIX С-е А* 5е Бк ЙЬ & У Ъг ЦЬ М» Рис.4 Коэффициенты обогащения элементов в аэрозолям снега в районе вулкана Авачинский. Фракция частиц от 2,5 до 0,2 ики. л—X сезонный, .—< свеяий снег.

щества, редко удается получить высокие значения К&.

Сделаны оценки поступления элементов при фумарольной деятельно стивулкена Авачкдохрй и при изверяениях вулканов.

В главе седьмой рассматривается возможность накопления металлов почвами и растениями, которые являются сорбентами для высокодислер-сныэс частиц. Эта фракция в атмосфере, подземных и поверхностных водах не накапливается. Поступление металлов от природных и техногенных источников, кроме метода снегос"еыки, можно изучать по составу почв и растений, особенно, когда стоит вопрос о средних в течение длительного времени поступлениях или импульсном процессе, например, землетрясении, который трудно прогнозировать и инструментальные исследования практически не возможны. Поэтому целесообразно изучение потоков металлов по составу сред, где происходит накопление частиц, таких,как почва и растения. Почвы имеют высокую сорбционную емкость, но физико-химические и биологические процессы изменяют исходный состав почв, не позволяя определять потоки элементов. Удобными об"ек-тами для этих целей являются растения, для которых известна скорость роста и время жизни. Накопление металлов в зеленой массе растений позволяет сделать сценки потоков за летний период, так же, как по накоплению в снеге за зимний. Дрлгоживущие растения, - мхи, лишайники, могут служить индикаторами временных и пространственных изменений природных и антропогенных потоков частиц, обогащенных металлами.

Изучено содержание металлов в почвах и растениях вблизи грязевых вулканов, концентрации элементов определялись нейтрон-активаци-онным анализом, подсчитаны коэффициенты обогащения почв и растений. Максимальные значения К0 получены для лишайников по следующим элементам: , 2п , Аа , Эе , Вт , Сй , ЗЬ , Аи , Не , ЭТИ значения на порядок * более превшают К0 для почв, хотя концентрации в почвах более высокие.

Исследован состав лишайников в районе Гарма, в окрестностях

сейсмологического полигона. Для образцов, отобранных в эпицентраль-

18 •'•.•.•.

ной зоне Гармского землетрясения, получены статистически обоснованные превышения концентраций микроэлементов в лишайниках, возраст которых более 50 лет.

осношые тагаътАты и вывода

1. Впервые экспериментально установлено, что при разрушении твердых тел образуются высокодисперсныэ частицы. Получено распределение частиц по размерам при разрушении горных пород а области размеров 1-1000 мкм, которое удовлетворительно описывается функцией Вейбулла (Роэина-Раммлера), найдены ее параметры.

2. Изучение состава высокодисперсных частиц возможно с применением чувствительных ядерно-физических методов исследований, позволяющих проводить многоэлементный анализ образцов малых размеров.

3. Методом радиоактивных индикаторов показано, что твердые.высокодисперсные частицы в водных и газовых средах могут вести себя

в роли сорбентов. В воде некоторые металлы быстро переходят из раствора на частицы и донные отлсаения, скорость сорбции возрастает при уменьшении размеров частиц.

4. Исследования состава аэрозолей в фоновом высокогорном районе показали, что состав фракций различен, В крупных частицах содержится больше к, Са, м , Мп , Ре , Си # Зг, йг ., нь , чем в высокодисперсных, которые содержат больше бе , Аз , Бе , Рв. Коэффициенты обогащения высокодисперсных частиц выше почти на порядок. Равномерно между каскадами импактора распределены Сг , гп , Вг У ,

МО, РЬ.

5. Для изучения обогащения металлов при осааденш из раствора частицами разных размеров в природных условиях были выбраны грязевые вулканы. Впервые методом снегос'*емки изучен дисперсный и химический состав аэрозолей при грифоновой деятельности. Показано, что

грязевый вулканизм является крупным источником дисперсного вещества,

19

обогащенного металлами, коэффициенты обогащения аэрозолей достигал! 10-200 на крупной фракции: и 20-1300 на высокодисперсной фракции да Си, гп , Се, Аа , Вг ,

6. Исследовано фракционирование металлов при распылении расплава в условиях извержений магматических вулканов. Сделаны оценки поступления в атмосферу металлов в составе твердых частиц.

7. Изучены перенос и накопление металлов аэрозолями разных ра: меров из газовой фазы при фумарольной деятельности вулканов. Методом снегос"емки сделаны оценки потоков металлов в атмосферу в составе аэрозолей, коэффициенты обогащения которых для чв, ав , Зв,

3 4

Рв составляли 10 -10 .

8. Установлено, что почвы н растения в районе действия источников накапливают частицы, обогащенные металлами. Растения можно использовать в качестве биоиндикаторов при определении потоков металлов. Высокие значения коэффициентов обогащения для растений имели элементы Си, Мо, Ал , Зв , Вг , СЛ , ЗЬ , Аи , % . Самые высокие значения получены для лишайников, они почти на порядок выше, чем для почв.

ОСНОШЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУНШСОВАНЫ В РАБОТАХ:

. Николишин И.Я., Воронская Г.Н., Кук Л.И., Данилова Е.А., Алексеева Н.Г. Аятивационный анализ сфагновых мхов и их использование как индикатора загрязнения атмосферы. Тезисы доклада 1У Республиканской конференции молодых физиков. Ташкент, 1978, с.37-38.

. Николипин И.Я., Воронская Г.Н., Алексеева Н.Г» Исторический.мониторинг состояния загрязнения окруяаящой природной среды Соб-зор методов). Проблевд экологгтоюкого мониторинга и моделирования экосистем, Л-д, Гцдрометеоиздат, 1979, т.II, с.125-133.

Алексэоаа Н.Р., Воронская Т.Н., Николииин И.Я., Гаврилоэ Н.И. Изучение распредолония тяжелых металлов в природных водах с применением радиоактивных шаднкатороэ. Дцарно-физическиз методы анализа в контроле окруааищей среды. Тр. I Всесоюзного совещания, Л-д, Гвдрометеоиздат, IS80, с.I4&-I53.

I. Николишин И.Я., Алексеева Н,Г., Голенецхий С.П., Малахов С.Г. Распрадзление ¡микроэлементов в аэрозольных частицах различных размеров о высокогорном районе. Ядерно-физические методы анализа э контроле окрукавщей среды. Тр. П Всесоюзного совещания. Л-д, Гвдрометеоиздат, 1985, с.173-179,

5. Алексеева Н.Г., Алексеев В,А. Изучение состава атмосферных выпадений в районе активного вулканизма. Ддорно-фиэические методы анализа в контроле окружающей среды. Тезисы доклада П Всесоюзного совещания, Рига, 1282, с.92.

5. Алексеева Н.Г., Алексеев В,А, Изучение содержания некоторых химических элементов в тонких фракциях магматических и грязевых вулканов о применением реитгено-флюоресцентного анализа. Ддерно-физичеекие методы анализа э контроле окруяаидей среды. Тезисы доклада П Всесоюзного совещания, Рига., 1982, с,93.

7. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г. К вопросу о поступлении тяаелых металлов при дегазации Земли. Ццерно-физические методы анализа в контроле окружающей среды. Тр. П Всесоюзного совещания, Л-д, Гид-рометеоиздат, 1985, с.243-250.

8. Алексеев В.А,, Алексеева Н.Г., Пиковский D.H., Росоловская C.B. Некоторые особенности распределения 3,4-бенэпирена в продуктах лавового и грязевого вулканизма. Дегазация земли и геотектоника. Тезисы доклада П Всесоюзного совещания, M., 1985, с.174-175.

9. Алексеева Н.Г., Алексеев В.А., Федорова А.Ф. Проблема поступления

21

и накопления металлов в зонах тектонической активности при дегазации Земли. Дагазация земли и геотектоника. Тезисы доклада П Всесоюзного совещания« М., 1985, о.178-180.

10. Алексеев В,А., Алексеева Н.Г. Распределение микроэлементов на разных фракциях взвешенных частиц горячих термальных источников %ерно-физичэские методы анализа о контроле о кружащей среды. Тезисы доклада Ш Всесоюзного совещания, Томск, 1985, с.32.

11. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г. Распределение микроэлементов в почвенном разрезе Фанагорин. Ддерно-физическиэ кетоды анализа

в контроле окружающей среды. Тезисы доклада Ш Всесоюзного совещания, Томое, 1965, с.48-50.

12. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г. Проблема оценки потоков вещества, поступающих на поверхность Земли 9 результате тектонической деятельности; вопросы районирования. Цулканизы и связанные с ним процессы. Тезисы докдада У1 Всесоюзного вулканологического совещания. Петропавловск-Камчатский, 1985, с.67-68.

13. Алексеев В,А., Алексеева Н.Г. Мелкодисперсная фракция частиц в подземных.водах и б атмосфере как прогностический признак землетрясений. Геология Корей и океанов. Тезисы доклада 7 Всесоюзной школило ксрской геологии, М,, 1966, c.IO-II.

14. Алексеева Н, Г., Поступление микроэлементов при фумарольной деятельности вулкана Авача. Геология морей и океанов. Тезисы доклада 7 Всесоюзной шкшыпо«рекой геологии, П., 1966, с. 12.

15. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Федорова А.Ф. Накопление металлов в дисперсной фазе воадуха в зонах тектонической активности при

. дегазации Земли. Комплексные метода контроля качества природной среды. Тезисы доклада на симпозиуме специалистов стран-членов СЭВ., М., 1986, с.6.

16. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Казачевский Й.В., Лашкул H.H., Никонов A.A., Шебалина Т.О. Лишайники как индикаторы естественных потоков металлов на фоновом уровне. Комплексные методы контроля качества природной среды. Тезисы доклада на симпозиуме специалистов стран-членов СЭВ, М., 1986, с.7.

17. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Пиковский D.O., Алексеева Т.А. Вклад природных источников полициклических ароматических угле, водородов /ПАУ/ в окрукапдей среде. Комплексные методы контроля . качества.природной среды. Тезисы доклада на симпозиуме специалистов стран-членов СЭВ, М., 1986, с.8.

IB. Алексеев В.А., Алексеева Н,Г., Прокопенко В.А. Определение микроэлементов состава взвеси термальных источников и грязевых вулканов. Комплексные методы контроля качества природной среды. Тезисы доклада на симпозиуме специалистов стран-членов СЭВ, M., 1986, с.9.

19. Alexayev V., Alexeyeva Я., Martin J., Kazaohevoky A., eta., Element Aoounulation In Llohena, Попала and Soils Connsot»d with Hud Volcano Aotivity. Air Pollution Effects on Vegetation. Proceedings of 2 US-USSR Synpoaium. Ohio 1989, 205-209.

20. Алексеев В.А., Алексеева H.Г. Поступление микроэлементов при фумарольной деятельности вулкана Авачинский и их распределение в свежевыпавпгем и сезонном снеге и в природных водах. Вулканология и сейсмология,.1989, J? 3, с.30-37.

21. Шмырева Т.П., Алексеев В.А., Алексеева Н.Г,, Мачуская Н.Д. . Распределение примесей, структура и свойства массивных металлических и силикатных стекол. В кн. Аморфные металлические материалы, Н., Наука, 1984, с.143-146.

22. Алексеева Н.Г., Лившиц Л.Д., Алексеев В.А, Статистика мелких фракций, образующихся при разрушении горных пород осевым сжатием. Деформирование среды при импульсном нагружении. Ин-т Геофизики АН УССР, Киев, Наукова Думка, 1990, с.63-68.