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 17-77-10118

НазваниеСовершенствование аналитических подходов для повышения достоверности и временного разрешения палеоклиматических записей при оценке изменений окружающей среды по результатам анализа донных отложений озерных систем

РуководительПашкова Галина Валерьевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земной коры Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2019

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-701 - Палеогеография

Ключевые словаПалеогеография, палеоклиматические записи, рентгеноспектральные методы анализа, индикаторы изменения климата, озерные отложения

Код ГРНТИ39.19.29

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Анализ вещественного состава кернов донных отложений озер – неотъемлемая часть современных исследований по изменению окружающей среды и климата. Для получения данных о химическом составе осадков применяются различные аналитические методы, в том числе и рентгеновские методы анализа, которые дают информацию об элементном и фазовом составе вещества без использования химического разложения образца. Несмотря на заметный рост в последние годы палеоклиматических исследований, включающих изучение распределения элементных индикаторов по глубине керна донных отложений, имеется недостаточное количество работ, посвященных развитию методического обеспечения таких исследований. Известны лишь немногие работы, посвященные совершенствованию аналитических подходов при определении состава кернов донных осадков [Phedorin M.A., Goldberg E.L., 2005], [Minyuk P.S. et al., 2007]. Например, в ЦКП «Сибирский Центр Синхротронного и Терагерцового Излучения» (г. Новосибирск) разработаны методики, позволяющие проводить SRXRF анализ недеформированного влажного керна с шагом до 0,1 мм, но этот метод анализа не является общедоступным рутинным методом, что затрудняет его использование при геохимических исследованиях. Все более актуальной становится проблема сопоставления результатов палеоклиматических реконструкций, полученных разными методами, поскольку именно комплексный подход к созданию палеоклиматических моделей повышает их надежность и дает в руки сценаристов палеоклимата адекватную основу для улучшения качества прогнозных моделей. На наш взгляд, одной из важнейших причин этого, является отсутствие единых обоснованных критериев точности определения различных геохимических индикаторов. Поэтому разработка высокоточных методик с достоверно оцененными параметрами точности, направленных на получение надежных данных о содержаниях геохимических индикаторов, несомненно, важна. В данном проекте планируется разработать оптимальную схему элементного и фазового анализа донных отложений, позволяющую с максимально высокой разрешающей способностью определять индикаторы в донных отложениях пресноводных, соленых озер, а также озерных систем с переменной соленостью, наиболее чутко реагирующие на климатические изменения. Для этого планируется привлечь следующие рентгеновские методы анализа: традиционный рентгенофлуоресцентный анализ с волновой дисперсией (WDXRF), РФА с полным внешним отражением (TXRF), рентгенофазовый анализ (рентгеновская порошковая диффрактометрия, XRD). На современном уровне исследований, чтобы составить палеоклиматические записи высокого разрешения необходимо исследовать керн донных отложений с шагом менее 0.5-1 см в зависимости от мощности и возраста отложений. Масса пробы, поставляемой на анализ, часто ограничена (менее 500 мг), поэтому ключевым подходом в данном проекте является разработка и обоснование методик, направленных на анализ проб с минимально обоснованным объемом/навеской. В качестве объектов исследования выбраны керны донных отложений озер: Байкал, Хубсугул, Зун-Торей. Принципиальное отличие данных объектов очевидно – их формирование в различных условиях. Эти озера отличаются площадью бассейнов сноса вещества, мощностью осадочного чехла, пригодного к изучению, соленостью воды, возрастом образования их впадин, характером осадконакопления. Байкал, являясь центральным звеном величайшей в мире рифтовой системы, самое древнее пресноводное озеро из предложенных объектов исследования. Донные отложения водоема изучены комплексом методов и во многом являются реперными для работ с другими объектами, однако детализация макро- микроэлементных характеристик верхних горизонтов осадочной толщи водоема позволит проводить корреляции с другими объектами исследования. Озеро Хубсугул находится на юго-западном фланге Байкальской рифтовой зоны и является ее структурным элементом. Особенностью водоема является неоднократные изменения уровня солености [Fedotov A.P. et al., 2004]. Изучение изменений элементных характеристик при формировании осадочной толщи водоема позволит отработать методику и выявить особенности палеоклиматических сигналов при изменении физико-химических условий литогенеза. Зун-Торей – соленый бессточный водоем, расположенный на границе с Монголией. Данный объект выбран с перспективой отработки аналитических методик по работе с донными отложениями соленых водоемов. Донные отложения озера пока не исследовались суммой предложенных нами методов. Различие в генезисе перечисленных озерных систем предопределяет особенности состава донных отложений, характеризующихся широкой вариабельностью макро- и микро- состава, неравномерным распределением элементов по глубине керна. Поэтому выбранные объекты, несомненно, подходят для методических исследований с целью расширения возможностей рентгеновских методов анализа при определении состава разнообразных осадков. Важнейшим элементом новизны предлагаемых исследований станет расширение круга элементов-индикаторов, определяемых комплексом рентгеновских методов, а также полученных на их основе модулей, несущих палеоклиматические сигналы. Несмотря на все возрастающее количество исследованных озер недостаточно изученным остается вопрос о том, какую информацию несут те или иные элементы, поскольку закономерности их изменения пока не достаточно строго скоррелированы с известными изменениями климата. Поэтому другой важнейшей и новой для Байкальского региона задачей предлагаемого исследования является не только адаптация рентгеновских методов к палеоклиматическим исследованиям, но и разработка математических способов согласования аналитических данных между собой и другими палеоклиматическими данными. В мировой практике для изучения распределения элементов по глубине керна донных отложений широко используется рентгенофлуоресцентный сканер кернов (XRF Core Scanner). Этот метод позволяет проводить сканирование керна обычно с шагом от 0.5 до 10 мм, однако его недостатком являются довольно высокие пределы обнаружения – от 20000 мг/кг (в низкоэнергетической области спектра) до 5-10 мг/кг (в высокоэнергетической области), а также влияние на результаты анализа влажности, размера частиц, шероховатостей поверхности и неоднородностей керна [Rothwell R.G., 2006]. Результаты сканирования, как правило, носят полуколичественный характер (в импульсах или имп/с), тогда как для построения достоверных палеколиматических реконструкций требуются количественные результаты определения содержаний элементов. Поэтому третьей важной и новой задачей реализации предлагаемого проекта будет проведение оценки возможностей и разработка методики, позволяющей откалибровать данные сканирования кернов посредством точечного анализа.. Предлагаемое в проекте применение комплекса аналитических методов, которые не только дополняют друг друга, но и позволяют контролировать правильность результатов, даст возможность получить более полную информацию о составе кернов донных отложений и проводить полноценную интерпретацию данных при оценке изменчивости природной среды.

Ожидаемые результаты
У автора имеется доступ к необходимому керновому материалу для проведения исследований в рамках сотрудничества с сотрудниками, в первую очередь, ИЗК СО РАН и ИГХ СО РАН, а также других научных организаций России и зарубежья. В результате выполнения представленного проекта будут разработаны новые оригинальные методики определения элементного и фазового состава кернов донных отложений озер с различными геолого-литологическими параметрами состава, в частности, разной солености, возраста, с использованием современного комплекса рентгеновских методов. 1) Для проведения WDXRF в традиционном исполнении требуемая масса высушенной и измельченной пробы, как правило, составляет не менее 1 г, что затрудняет оценку распределения элементов по глубине керна с высоким временным разрешением. В рамках данного проекта будет усовершенствована методика WDXRF определения породообразующих компонентов (Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, K2O, CaO, TiO2, MnO, Fe2O3), элементов группы железа (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn), некоторых литофильных микроэлементов (Rb, Sr, Ba) и высокозарядных элементов (Y, Th, U, Pb, Zr, Nb) за счет возможности анализа образцов малой массы (<300 мг). Будут оценены возможности WDXRF при определении концентраций углерода, фтора, хлора и серы (биофильной и терригенной), присутствующих в осадках. Часто эти элементы не аттестованы в стандартных образцах осадочных горных пород, так как являются проблемными для многих методов анализа, поэтому разработка методики определения C, F, Cl и S в донных отложениях ограниченной массы, несомненно, будет иметь практическое значение. 2) Будет выбрана оптимальная схема анализа донных отложений и разработана методика одновременного определения микроэлементов (V, Cr, Ni, Cu, Zn, Ga, Br, Rb, Sr, Ba, La, Ce, Pb, U, Th) с помощью метода TXRF. Использование эффекта полного внешнего отражения в TXRF-спектрометрах позволяет значительно снизить уровень фона, пределы обнаружения элементов и массу анализируемого материала (< 50 мг), что, безусловно, перспективно для получения высокоразрешающих летописей. В мировой практике накоплен достаточно большой опыт применения TXRF: в экологии для анализа аэрозолей [Injuk J., 1995], природных и сточных вод [Pashkova G., Revenko A., 2015], почв [Stosnach H., 2006]; в биологии при исследовании биопленок, тканей, органов и жидкостей организмов [Szoboszlai N. et al., 2009], но при решении задач в геохимии этот метод пока еще не получил должного распространения, хотя имеются интересные результаты, полученные при использовании TXRF для изучения распределения брома по глубине кернов донных осадков, в том числе автором проекта [Pashkova G. et al., 2016]. В настоящее время в России установлено несколько спектрометров TXRF, однако число публикаций, посвященных исследованию микроколичеств порошковых образцов, весьма ограничено [Ревенко А.Г., 2010; Cherkashina T.Yu. et al., 2014]. Разработка методических подходов к определению элементного состава малых объемов донных отложений методом TXRF в рамках проекта, несомненно, будет соответствовать мировому уровню. 3) Будет разработана схема определения фазового состава донных отложений с помощью комбинации методов WDXRF и XRD. Метод XRD требует значительных временных затрат, поэтому он будет использован в ключевых точках, выбираемых на основе элементного состава. Для всего массива проб донных отложений озер, которые отличаются по солености и минеральному составу, будет апробирован математический метод (симплекс-метод), позволяющий по химическому составу, определенному с помощью WDXRF, оценить изменчивость минерального состав осадков. Комбинация XRF и XRD и стехиометрических расчетов позволит существенно (в десятки раз) уменьшить объем определений методом XRD, что приведет к сокращению времени анализа и повышению производительности определения состава донных отложений. 4) Будет разработана методика, позволяющая преобразовать полуколичественные данные, полученные с помощью XRF core scanner, в количественные результаты. 5) Будут оценены метрологические характеристики результатов измерений аналитических данных, и с их учетом выработаны критерии достоверности получаемых палеоклиматических летописей. 6) Для озера Зун-Торей впервые будут детально исследованы распределения макро- и микроэлементов в осадках и проведена геохимическая интерпретация сигналов индикаторов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---