WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 5 02;10;12 Исследование состава и изотопов гелия в балтийских железомарганцевых конкрециях 2 © Г.С. Ануфриев,1 Л.Н. Блинов,2 Б.С. Болтенков,1 Мохаммад Ариф 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Поcтупило в Редакцию 30 августа 2004 г.) Разработаны методики обработки образцов железомарганцевых конкреций Финского залива Балтийского моря. Определено содержание и соотношение в них основных компонентов. Проведены изотопные исследования гелия в указанных конкрециях, определена скорость их роста — 7.5 mm/thousand years.

Показана возможность увеличения содержания космического вещества в конкрециях после их специальной химической обработки.

Введение с периодами полураспада 104-106 лет практически непригодны для определения скорости роста балтийЖелезомарганцевые конкреции (ЖМК), содержащие ских ЖМК. Однако предложенный „метод космического в промышленных концентрациях Mn, Fe, Co, Ni, Cu и др.

трассера“ [5,6] позволяет решить эту сложную задачу — металлы, вполне могут рассматриваться как перспекопределение скорости роста быстро растущих ЖМК.

тивные полиметаллические руды для металлургической Метод использует явление аккреции космической пыли и химической промышленности в недалеком будущем.

Землей и аккумулирование этой пыли осадочными пороПо химическому составу конкреции различных морей дами [7]. Космические пылинки за время существования и океанов существенно отличаются друг от друга. Их в открытом космосе насыщаются ионами Солнечного состав зависит от многих факторов, в частности, от ветра и „транспортируют“ в земные осадочные породы географического расположения водных объектов, их сосолнечный гелий с высоким изотопным отношением 3 4 лености, глубин, скоростей осадкообразования в целом He / He 10-4 по сравнению с земным гелией [8], и скоростей роста самих конкреций, а также окислительдля которого характерна величина этого отношения но-восстановительных свойств среды, взаимодействия 10-8-10-7. В результате, как показывает анализ, d-элементов с кислород- и серосодержащей природной концентрация изотопа He в образце осадочной породы водой. Как правило, железо и марганец в конкрециях имеет в основном космическое происхождение и сконаходятся в виде Fe3+ и Mn4+, меньше в виде Fe2+ рость роста (r) осадочной породы (в том числе и ЖМК) и Mn2+. Концентрация некоторых металлов в батийских может быть найдена из соотношения [7].

ЖМК несколько ниже, чем в глубоководных океанических конкрециях [1–3], однако балтийские конкреции в r = F/ · Hek, (1) ряде случаев более привлекательны своей доступностью в силу мелководности залегания (десятки метров от погде F = 1.2 · 10-15 cm3/cm2· year — поток изотопа верхности моря), близостью к промышленно развитым 3 Hek [5], = 1.6g/cm3 — плотность ЖМК, Hek — регионам и их технологическим базам.

концентрация легкого изотопа космического гелия.

Промышленное использование ЖМК предполагаТак как балтийские конкреции растут быстро, то не ет предварительную оценку скорости воспроизводства весь измеренный в образце He является космическим конкреций в природе, что в свою очередь требует гелием. В рамках двухкомпонентной модели можно знания скорости роста конкреций. При оценке этого определить долю космического гелия He по формуле параметра общепринятыми методами ядерной геохронологии [4] возникают серьезные трудности, состоящие (3He/4He)rad в следующем: 1) методы ядерной геохронологии воз- Hek 1 - (3He/4He) =, (2) можно применять только при априорном предположении 3 (3He/4He)rad He 1 (3He/4He)k о постоянстве скорости роста конкреций, нет никаких оснований предполагать, что это условие выполняется при росте балтийских конкреций; 2) геологические при- где (3He/4He)rad = 2 · 10-8 — изотопное отношение в земном (радиогенном [8]) гелии, (3He/4He)k = знаки позволяют считать, что балтийские конкреции с размерами 2-3 cm и менее растут сравнительно быстро = 4 · 10-4 — изотопное отношение в космическом (сол( 1 cm/thousand years). Последнее означает, что обычно нечном [9]) гелии, (3He/4He) — измеренное значение применяемые в ядерной геохронологии радиоизотопы изотопного отношения гелия.

134 Г.С. Ануфриев, Л.Н. Блинов, Б.С. Болтенков, Мохаммад Ариф Таблица 1. Содержание элементов в образце конкреции до и после химической обработки Относительное содержание Содержание, mass % Элемент кислоторастворимой формы,% до обработки после обработки до обработки после обработки Марганец 32.01 28.61 100 Железо 9.15 12.32 97.3 98.Кремний 5.14 4.71 14.4 5.Алюминий 2.7 2.4 48.1 45.Натрий 0.56 0.50 100 Кальций 1.47 1.45 88.4 89.Магний 1.28 0.93 93.8 93.Титан 0.105 0.09 38.1 44.Калий 0.81 0.73 100 Ванадий 0.012 0.004 100 Медь 0.010 0.016 80 Никель 0.03 0.03 100 Цинк 0.116 0.075 60.3 93.Свинец < 0.01 < 0.01 - Барий 0.235 0.227 97.9 96.Методика эксперимента соответственно. Величина соотношения марганца к железу 3.5. Последняя величина позволяет отнести [1,2] Для анализа образцы конкреций подготавливались конкреции Балтийского моря к группе железомарганцеследующим образом. Четыре примерно одних размеров вых конкреций. Для оптимизации изучения содержания конкреции сферической формы (в диаметре 25 mm) в конкрециях He необходимо было провести целемеханически измельчались до порошка с размером зернаправленное исследование образцов на содержание в на доли миллиметра. Далее для большего усреднения них Mn, Fe, а также других элементов до и после хичисла космических пылинок в единице объема поромической обработки их выбранным составом реагентов.

шок тщательно перемешивался. Общая масса порошка Время обработки составляло от 1 до 120 min, масса составила около 20 g. Из этого количества отбирались навески 1 g, объем 2%-го раствора HCl + H2O2 200 ml.

пробы (табл. 2) для анализа. Образцы конкреций обраРезультаты исследования показали, что содержание ряда батывались разбавленной соляной кислотой с перекисью элементов после обработки в мелкодисперсных образцах водорода без добавления и с добавлением плавиковой конкреций стало относительно меньше, в некоторых кислоты.

больше. Для примера в табл. 1 приведены результаты Химический состав конкреций определяли стандартиисследования по содержанию элементов одного из обзированным химическим методом с использованием на разцов конкреций до и после обработки, полученные завершающем этапе ЭШЕЛЛЕ-спектрометра ICP, имес помощью спектрометра PC 1000. В этой же таблице ющем источник высокочастотной индуктивно-связанной приведено содержание кислоторастворимых форм соедиплазмы (модель PC 1000 Leeman Labs. inc). Дополнинений этих же элементов. Из данных таблицы видно, тельно применялся метод атомно-абсорбционного аначто относительное содержание Mn, Si, Al, Mg, V в конлиза на приборе Perkin-Elmer 216. Относительная покрециях после обработки заметно снизилось, тогда как грешность методов не больше ±4% [10,11].

относительное содержание Fe и Cu увеличилось. СодерИзотопный анализ проводился при помощи магнитножание же ряда элементов не претерпело существенных го резонансного масс-спектрометра высокого разрешеизменений (Na, Ca, K, Ti, Ba). Полученные результаты ния [12]. Выделение гелия из образцов осуществлялось помимо количественных данных, важных для разработки путем их нагрева в вакууме с последующей геттерной технологических процессов, дают определенную базу очисткой от химически активных газов [13].

для выбора наиболее подходящих и „мягких“ условий химической обработки конкреций с целью сохранения изотопа He, содержащегося в космических силикатных Результаты экспериментов пылинках, входящих в состав ЖМК.

и их обсуждение Известно, что распространенность изотопа He в Определение Fe и Mn в конкрециях Балтийского земных породах и в атмосфере существенно меньше, моря проводилось указанными выше инструментальны- чем He [14]. Именно поэтому для обработки образми методами на пяти образцах. Среднее содержание цов конкреций в конечном итоге выбран раствор HCl марганца и железа в конкрециях составило 32 и 9% (при комнатной температуре). Использование же щеЖурнал технической физики, 2005, том 75, вып. Исследование состава и изотопов гелия в балтийских железомарганцевых конкрециях Таблица 2. Данные изотопных исследований гелия и химической обработки образцов 4 3 3 №опыта Навеска, g He ·106, cm3/g He ·1012, cm3/g He / He ·107 Примечание 1 0.5435 13.7 ± 1.4 1.3 ± 0.13 0.95 ± 0.15 Исходная необработанная смесь измельченных образцов конкреций 2 0.4442 46.8 ± 4.7 10.9 ± 1.1 2.3 ± 0.34 Травление HCl + H2O2, K = 4.3 0.3229 31.8 ± 3.2 1.01 ± 0.10 0.32 ± 0.04 Травление HCl + HF, K = 7.4 0.5908 8.5 ± 0.85 1.4 ± 0.14 1.70 ± 0.25 Травление HCl + H2O2 с добавлением HNO3, K = 2.5 0.4011 13 ± 1.3 1.3 ± 0.13 1.00 ± 0.14 Исходный порошок ЖМК (повтор опыта 1) Примечание. K — отношение начальной массы вещества конкреций к массе нерастворимого остатка, подвергаемого изотопному анализу.

лочных растворов и HF нецелесообразно, поскольку они рителем наши экспериментальные данные совпали с реприводят к растворению силикатов и потере He. зультатами работ [18,19], но в отличие от последних для Расчеты по выражению (2) с использованием экспе- ускорения и усиления процедуры обработки конкреций риментальных данных (табл. 1) показывают, что косми- нами использовалась разбавленная соляная кислота с добавлением перекиси водорода.

ческий гелий составляет 80% от измеренного. С учетом этого из выражения (1) можно найти скорость роста исследованных нами ЖМК Финского залива Балтийского Заключение моря r = 7.5 mm/thousand years. (3) Методами физико-химического анализа установлено содержание Mn и Fe в конкрециях Балтийского моря.

Это первое определение скорости роста конкреций Впервые определена скорость роста конкреций ФинФинского залива. Случайная ошибка определения соского залива. Определенное соотношение элементов Fe ставляет величину около 10%. Известны два опредеи Mn подтверждает отнесение указанных образований к ления скорости роста балтийских конкреций (западная группе железомарганцевых конкреций. Разработана мечасть Балтийского моря [15,16], вблизи берегов Дании):

тодика обработки этих конкреций конкретными раство7 и 20 mm/thousand years, выполненные различными мерами кислот, определены наиболее оптимальные („мягтодами. Наше определение согласуется с этими данныкие“) условия обработки. Растворитель HCl + H2O2 моми, но поддерживает меньшее значение.

жет быть использован на практике при извлечении, Вторая задача, которая решалась в этой работе, — это например, Mn из конкреций, а также для обогащения попытка поиска такой химической обработки вещества нерастворимого остатка легким изотопом He. Последконкреций, которая путем перевода основных компонее открывает новые возможности для концентриронентов конкреций — гидрооксидов Mn и Fe в раствор вания космического материала и его более глубокого повышала бы концентрацию космического вещества в изучения.

нерастворимом остатке. Основная цель этой задачи — получение космического материала в возможно более Список литературы чистом виде для его детального исследования. Экспериментальные данные изотопных исследований гелия [1] Андреев С.И. Металлогения железомарганцевых образоприведены в табл. 2.

ваний Тихого океана. СПб.: Недра, 1994. 191 с.

Как видно из табличных данных, концентрация изо[2] Атлас морфологических типов железомарганцевых контопа He в мелководных конкрециях Финского залива креций Мирового океана / Под ред. Б.Х. Егиазарова, практически такая же, как в глубоководных тихоокеанВ. Зыка. Брно, 1990. 211 с.

ских ЖМК [5], что, вероятнее всего, свидетельствует о [3] Волков И.И. // Химия океана. Т. 2. Геохимия донных слабой зависимости потока космической пыли на Землю осадков. М.: Наука, 1979. 536 с.

от географических координат. [4] Справочник по изотопной геохимии / Под ред. Э.В. Соботовича, Е.Н. Бертенского, О.Б. Цьоня, Л.В. Кононенко. М.:

Из данных табл. 2 следует также, что обработка Энергоиздат, 1982. 211 с.

конкреций соляной кислотой без добавления плавиковой [5] Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С., Волков И.И., Капитокислоты дает значительно большее обогащение легким нов И.Н. // Литология и полезные ископаемые. 1996. № 1.

изотопом гелия He нерастворимого остатка. ОптимизаС. 3–11.

ция данного подхода будет продолжена в последующих [6] Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С. // Российская наука: грани работах.

творчества на грани веков. М.: Научный мир, 2000. С. 310– Результаты настоящей работы хорошо согласуются с 321.

данными [17]. Следует отметить, что в поиске оптималь- [7] Ануфриев Г.С., Крылов А.Я., Павлов В.П., Мазина Т.И. // ного метода обработки конкреций конкретным раство- ДАН СССР. 1977. Т. 237. № 2. С. 284–287.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 136 Г.С. Ануфриев, Л.Н. Блинов, Б.С. Болтенков, Мохаммад Ариф [8] Ануфриев Г.С. // ДАН СССР. 1979. Т. 249. № 3. С. 1202– 1206.

[9] Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С., Усачева Л.В., Капитонов И.Н. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1983. Т. 47. № 9.

С. 1830–1837.

[10] Блинов Л.Н., Мохаммад Ариф, Ануфриев Г.С. // Материалы VIII Всероссийской конф. Фундаментальные исследования в технических университетах. Изд-во СПбГПУ, 2004. С. 224–225.

[11] Мохаммад Ариф, Блинов Л.Н. // Физ. и хим. стекла. 2004.

Т. 30. № 4. С. 488–491.

[12] Ануфриев Г.С., Афонина Г.И., Мамырин Г.А., Ненарокомова В.Т., Павленко В.А., Рафальсон А.Э. // ПТЭ. 1979.

№ 3. С. 244.

[13] Ануфриев Г.С., Гартманов В.Н., Мамырин Г.А., Павлов В.П. // ПТЭ. 1977. № 1. С. 248–250.

[14] Эмсли Дж. Элементы. Перевод с англ. М.: Мир, 1993.

256 с.

[15] Hlawatsch S., Garde-Schonberg C.D., Lechtenberg F., Mancua A., Tamura N., Kulik D.A., Kersten M. // Chemical Geology. 2002. Vol. 182. N 2-4. P. 697–709.

[16] Hlawatsch S., Neumann T., van den Berg C.M.G., Kristen M., Harff J., Suess. // Marine Geology. 2002. Vol. 182. N 3-4.

P. 373–387.

[17] Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С. // Тез. докл XVI симпозиум по геохимии изотопов. М., 2001. С. 13–14.

[18] Kanungo S.B. // Hydrometallurgy. 1999. Vol. 52. P. 313–330.

[19] Kanungo S.B. // Ibid. P. 331–347.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.