XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Удивительный песок

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Васильев М.А. 1

---

1МБОУ гимназия «Эврика» им. В.А. Сухомлинского г.-к. Анапа

Салогуб Н.Е. 1

---

1МБОУ гимназия «Эврика» им. В.А. Сухомлинского г.-к. Анапа

Работа в формате PDF

3.3 MB

ВВЕДЕНИЕ

На школьных каникулах я посетил Минералогический музей кафедры минералогии Санкт-Петербургского государственного университета. Познакомился и послушал блестящую лекцию директора музея, минералога, кандидата геолого-минералогических наук — Галины Федоровны Анастасенко. Ее рассказы о минералах и экспедициях за ними, в которых она принимала участие, глубоко впечатлили и дали большой стимул к дальнейшему изучению темы минералов и их происхождения (Приложение №1, стр. 17).

Песок — это прекрасный материал для исследования геологического строения планеты и ее минералогического многообразия.

Актуальность. Современный взгляд на окружающий мир неразрывно связан с наблюдением и исследованием некоторых объектов в непосредственной близости от человека. Накопление и расширение знаний об этих объектах имеет огромное значение для сохранения экологической среды проживания. Изучение их свойств и характеристик дает возможность применения в различных областях практических и научных знаний. Эта исследовательская работа направлена на попытку взглянуть более широко на окружающий мир, сфокусировать понимание о причинах геологического формирования особенностей прибрежных территорий, возможность использования магнетитовых минералов, изучить вероятность наличия источника радиационных загрязнений и их воздействия на жизненную среду.

Объект исследования. В представленном проекте автор дает характеристику содержания прибрежного песка Азово - Черноморского бассейна, природные и социальные риски в береговой зоне, связанные с особенностями содержания в песке определенных минеральных элементов.

Предмет исследования. Минералы, содержащиеся в прибрежных песках - магнетит и монацит. Их свойства, характеристики, возможные воздействия на окружающую среду и практическое применение.

Цель. Изучить состав прибрежного песка, минералогическое содержание, его количество и свойства, возможные воздействия на живые организмы, применение в научных и промышленных интересах.

Задачи:

1. Изучить научные статьи и литературу, содержащую характеристики, применение, воздействие минералов, присутствующие в песках. Проанализировать и обобщить полученные знания.

2. Применить полученные знания на практике. Провести эксперименты по изучению объектов, собрать образцы, рассмотреть их в микроскоп, определить магнитные свойства, возможную радиоактивность.

3. На основание проведенного исследования сделать выводы.

4. Провести анкетирование.

5. Поделиться полученными знаниями с одноклассниками.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Минеральные ресурсы Черного моря.

Черное море — это довольно крупный внутриконтинентальный бассейн с обширной шельфовой зоной и глубинами, превышающими 2 км в центральной части. Минеральные и энергетические ресурсы побережья Черного моря представляют собой природные вещества, которые имеют экономическую ценность и используются в различных отраслях промышленности и производства. Эти ресурсы включают в себя различные виды полезных ископаемых, такие как нефть, газ, уголь, руды, соли и другие минералы. Здесь можно найти руды железа, марганца, цветных металлов и других полезных ископаемых. Эти ресурсы используются в металлургической промышленности и производстве различных товаров. Кроме того, на побережье Черного моря также находятся месторождения соли, которая используется в пищевой и химической промышленности. Лечебные грязи создают огромные возможности для развития курортного отдыха [3].

Минеральные ресурсы побережья Черного моря являются важным источником экономического развития региона. Однако их добыча и использование должны осуществляться с учетом экологических и социальных аспектов, чтобы минимизировать негативное воздействие на окружающую среду и обеспечить устойчивое развитие региона.

Черные пески.

Что такое песок? Песок — это рыхлая осадочная порода, состоящая из зерен, образовавшихся в результате разрушения горных пород. В зависимости от условий формирования источника могут быть морскими, озерными, речными (аллювиальными), пустынными. Практически все пески относятся к 1-му классу радиоактивности, то есть радиационно безопасны и пригодны для всех видов строительства без ограничений. Однако в природе существуют шлиховые черные пески, встречающиеся в различных уголках земного шара. Они состоят из темноцветных тяжелых минералов и образуются в результате вымывания более легких и светлых минералов, чаще всего основными их минералами являются ильменит, магнетит, гематит. Такие пески образуют россыпные месторождения [4], [6].

Азово - Черноморский бассейн - область широкого распространения морских россыпей тяжелых минералов - ильменита, магнетита, титано-магнетита, рутила, монацита, золота, и др. Своеобразие бассейна, его гидродинамический режим и геологическая история, состав осадочных и изверженных пород окружающих море регионов, наличие многочисленных рек, выносящих эти породы в море - все это определяет очень своеобразный минеральный состав россыпей в прибрежной зоне. В минералогический состав прибрежных песков входят: кварц, гранат, ильменит, магнетит, рутил, циркон, монацит, оливин, золото, кремний, железо, титан, марганец, магний, цинк, хром, кальций, калий, натрий, редкоземельные элементы, торий, уран. Темные минералы представлены более мелкими частицами. Более 70% исследованного материала состоит из кварца, граната, циркона. Ракушечник и обломочный материал составляет 3-13%. Во фракцию тяжелых металлов входят минералы черного цвета: ильменит и магнетит. Их – 10-13% от исходного материала. Они придают песку черный цвет. Черноморские россыпи с преобладанием магнетита в тяжелой фракции сформировались за счет размыва более молодых, чаще всего мезо-кайнозойских толщ, слагающих горы Кавказа, Крыма, Балкан. Магнетито-гранатовая залежь в районе Соленого озера на Таманском полуострове связана с перемывом аллювиальных отложений дельты реки Кубань [6].

Побережье Черного моря содержит два основных типа россыпей: 1) ильменит-рутил-цирконовые, с примесью монацита (Северное Приазовье); 2) магнетит-титаномагнетитовые с цирконом и ильменитом (Южная Болгария, Турция), гранатово-магнетитовые (розовые, бардовые) - район Таманского побережья (оз. Соленое - мыс Железный Рог), магнетитовые черные пески (Грузия, Турция) [6].

Определение геологического объекта.

Магнитный природный песок - рыхлая осадочная порода темного цвета, в которой содержится не менее 2% зерен магнетита. Магнетит - минерал и одна из основных железных руд с химической формулой Fe3O4. Представляет собой непрозрачные минеральные агрегаты черного цвета с металлическим блеском (Приложение №1, стр. 18). Это самый магнитный из всех природных минералов на Земле. Присутствует во всех магматических породах, которые образуются из раскаленной вязко текучей магмы земных недр. В промышленности легко обогащается путем магнитной сепарации [2].

Первые упоминания о минерале относят к 6 веку до н.э. в древних трудах и рукописях стран Азии, Центральной Америки и Европы, где рассказывается о природных камнях способных притягивать железо. Названия магнетита в те времена в каждой стране было различным, но практически все они переводились как камень «любящий железо». В летописях, относящихся ко 2 веку до н.э. находятся первые упоминания об использовании магнетитовых руд. Благодаря магнитным свойствам минерала удавалось извлекать наконечники стрел и другие железные осколки из ран воинов. Но по-настоящему важным древним изобретением стал компас. Магнетит был важнейшим инструментом в палеомагнетизме, науке, важной для понимания тектоники плит и других научных областей. Крупные скопления магнетита в земной коре вызывают магнитные аномалии [8].

Магнетитовые пески распространены по многим районам мира. Камчатское побережье Тихого океана изобилует скоплениями магнитного песка. В юго-западной части Таманского полуострова, в прибрежной полосе между мысом Железный Рог и озером Соленое обнаружены скопления черного, темно-розового песка. В береговой зоне Черного моря наиболее значительные по размерам и содержанию магнетита залежи песка существуют в Грузии (поселок Уреки) и на Юге Болгарии. Содержание магнетита и минералогический состав песка с побережья Грузии свидетельствуют о высоком качестве потенциального сырья для прикладных нужд [7].

Область применения магнетита.

Анализ многочисленных информационных источников позволил определить много новых областей практического применения магнитного песка.

Микро- и наночастицы магнетита применяются в самых разных областях, от биомедицинских до экологических. Магнитные порошки и пески используются для следующих целей:

- в магнитных системах;

- централизованная система подготовки питьевой воды для очистки;

- доочистка сточных и технических вод;

- обработки водных систем различного назначения, когда в фильтрах используются зернистые материалы;

- для изготовления: магнитного порошка, применяемого в качестве наполнителя при разработке постоянных твердых и гибких магнитов, композиционных материалов, магнитообразивных порошков;

- повышение прочностных характеристик изделий из цементных растворов;

- оздоровительно - лечебные процедуры [3].

К настоящему времени ограниченное практическое применение нашли только магнитные пески на грузинском побережье Черного моря, которые используются в лечебных целях как физиотерапевтическое средство на курорте Уреки.

На черноморском побережье, где обнаружены пока только небольшие скопления магнитного песка, необходимо проводить целенаправленные геолого-физические работы по выявлению его россыпей.

Проведенные минералогические исследования магнетитов различных участков Азово-Черноморского бассейна показывают существенные различия в морфологическом облике минерального состава [4].

Опасный Монацит.

В некоторых прибрежных областях земного шара, например, на пляжах Индии, Бразилии, на северном побережье Азовского моря встречаются радиоактивные чёрные пески. Радиоактивность таких песков в Приазовье в среднем — от полусотни до трёхсот микрорентген в час, но в некоторых случаях может достигать 1000 микрорентген в час. Основную их массу составляет не радиоактивный ильменит (содержит титан), однако основная часть радиации исходит от содержащегося в них монацита (Приложение №1, стр. 18). В результате детальных исследований последних лет черные пески стали фигурировать как опасный природный фактор побережий Черного и Азовского морей – источник существенных радиационных загрязнений прибрежной зоны, которому способствовал монацит.

Определение геологического объекта.

Монацит, монацитовый песок. Минерал, представляющий собой безводную смесь фосфатов редкоземельных металлов и тория. Обладает естественной радиоактивностью. Степень радиоактивности зависит от содержания тория и урана [2].

Впервые монацит был открыт в 1826 году на Южном Урале в Ильменских горах, в окрестностях города Миасса немецким минералогом Йоханнесом Менге и был принят им за циркон.

Образование камня происходит при высокотемпературном магматическом, метаморфическом процессе. Изначально он находится в магматических породах, гранитных пегматитах, альпийских жилах. Монацит не выветривается, реки, ручьи уносят его к крупным водоемам. Волны морей, океанов «разрушают и сортируют» камни, которые накапливаются у берега. Так появляются береговые монацитовые пески — образцы, перемешанные с кварцем, магнетитом, цирконом, ильменитом и другими минералами [1], [2].

Россыпи с содержанием не менее 1 кг монацита на 1 м3 песка считаются месторождениями и разрабатываются в Австралии, Бразилии, Китае, Индии, Малайзии, Шри-Ланке, Тайланде, Заире, ЮАР и США. В мире эти страны и являются основными производителями монацитового концентрата, который является сырьем для производства некоторых редкоземельных металлов.

Радиологические исследования учеными прибрежной зоны Азово- Черноморского бассейна позволило обнаружить несколько радиационных аномалий - участков местности, испускающих интенсивное ионизирующее излучение. Основные минералы, составляющие радиоактивные пески - ильменит, магнетит, гранаты, циркон, монацит. По массе монацит составляет всего лишь несколько процентов от общего состава песков. Впервые состав чёрных песков был описан профессором П. Н. Чирвинским в статье «Петрографическое исследование тёмных песков с северного побережья Азовского моря», вышедшей в журнале «Записки Минерального Общества» в 1925 году. Залежи монацитовых песков при размыве пляжных отложение проявляются в виде пятен и полос темного цвета.

Наибольшая концентрация монацита обнаружена в северной прибрежной части Азовского моря. Также они были обнаружены в районе поселка Пересыпь (Темрюкский район), и встречались вдоль береговой линии от поселка Веселовка до мыса Железный рог (Таманский полуостров). Сильные ветры, которые иногда принимают характер пыльных бурь, могут поднимать большие массы песка и влиять на радиационную ситуацию не только непосредственно побережья, но и других областей.

По мнению ученых монацитовые пески должны быть выявлены и взяты под строгий контроль с проведением защитных мероприятий, постоянного мониторинга радиационного фона. Наиболее радикальный метод снижения радонового риска связан с полным удалением монацитовых песков с курортных пляжей, однако это трудоемкое и дорогостоящее мероприятие [5].

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Экспедиция в область изучаемых объектов.

Автором проекта была проведена выездная экспедиция в район ближайшей от Анапы концентрации магнетитовых и монацитовых песков - на Таманский полуостров (район мыса Железный Рог), территория пляжной зоны, между поселком Волна и оз. Соленое (протяженность 13 км) (Приложение №1, 19-21).

Цель экспедиции - сбор образцов песка для дальнейшего визуального и магнитного изучения, фото — и видео фиксация местности, эксперимент с магнитами, измерение радиационного фона указанной территории пляжа полевым дозиметром Radex 1503.

Наблюдения и эксперименты.

1. Найдена локализация песка, визуально сильно отличавшегося от обычного цветом - от черного, бордового, до розового. И содержанием - большим количеством черных и розовых крупных включений.

2. На месте был проведен эксперимент с магнитными шариками - обнаружен сильный магнетизм черных фракций, который отделился и прилип к магнитам.

3. При тактильном контакте с песком было выяснено: песок темный и обычный светлый имеют разную температуру - темные пески намного теплее, что указывает на содержание магнетита и ильменита, которые быстрее и значительнее прогреваются при солнечной погоде за счет своего цвета (черного) и состава (оксид железа, железняк).

4. Работа с дозиметром Radex 1503 показала, что общий фон на пляже благоприятный, не превышает 0,10 мкз/час, и не отличается по показаниям от городского. При близком контакте дозиметра и темного песка было незначительное увеличение показаний — до 0,15 мкз/час, что находится в пределах экологической нормы радиационного фона. Причем, увеличение было зафиксировано в двух местах, вдалеке от населенных пунктов и обычного скопления людей в летний сезон.

5. Был визуально изучен береговой массив (представляющий собой достаточно детальный вертикальный срез). И на участке, где были обнаружены темные пески, нет их включений в грунте, то есть можно предположить наносный характер образования этого песка, как и было указано во многих научных статьях, используемых в данной работе. В основном он состоит из песчано - глиняной смеси. Но, поскольку изучаемая береговая полоса имеет довольно протяженный характер (около 13 км) и сложную доступность, пройти этот большой участок и в достаточной степени детально изучить было проблематично физически и временно. Что дает большой интерес и стимул к его дальнейшему исследованию.

6. Собраны образцы темных и светлых песков; обломки плотных агрегатов, которые представляют из себя сцементированные зерна темного песка для дальнейшего изучения. Образцы в дальнейшем были отсортированы в лабораторные колбы и пластиковые коробки, изучены под микроскопом, проверены на магнитные свойства.

Практические опыты.

Цель опытов: изучение образцов под микроскопом, отделение магнетита от основной массы песка, визуальная классификация состава, проверка на наличие радиационного излучения (Приложение №1, стр. 22)

Опыт 1. Под микроскопом был изучен образец темно — розового песка, светлого песка, обломочного плотного материала бардового цвета.

Визуальный состав темного песка: крупные черные зерна магнетита и ильменита, розовые зерна граната, светло-зеленые редкие зерна предположительно оливина, прозрачные зерна предположительно кварца и монацита. Преобладание черных и розовых зерен.

Визуальный состав светлого песка: малое количество раковистого материала; большое количество прозрачных и белых зерен, предположительно кварца - 95%; розовые зерна граната в малом количестве, отдельные зерна черного цвета — ильменита.

Визуальный состав обломочного материала: сцементированные зерна бардового цвета (гранат), редкие прозрачные и желтоватые зерна (кварц, монацит), зерна светло-зеленого цвета (оливин).

Опыт 2.

1. Темный песок был помещен на чистый лист бумаги, с помощью магнита отсортирован магнетит и остальная часть. Определено примерное количество магнетита от общего состава образца — примерно 40%.

2. Обломочный материал был проверен на магнетизм — он отсутствует.

3. Все образцы проверены на радиоактивность — она не превышает 0,13 мкз/час, что соответствует экологической норме.

Вывод: на основе наблюдения и проделанных опытов можно с уверенностью утверждать о наличии темных песков на прибрежном участке Черного моря — Таманский полуостров, район озера Соленое и мыса Железный Рог, в составе которых большое количество магнетита, ильменита, граната, кварца, и неизвестное количество монацита. Основная часть темных песков состоит из розового граната, магнетита и ильменита. Доказаны магнитные свойства магнетита и его примерный количественный состав (40%). Присутствие естественного радиоактивного фона из-за наличия монацита существует, на исследуемом участке и в данный промежуток календарного срока (февраль 2024 г) есть участки с показателями дозиметра: от 0,13 мкз/час до 0,60 мкз/ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования я узнал много интересного о прибрежных песках, их происхождении, структуре и содержании. О некоторых минералах, содержащиеся в этих песках, их физических свойствах, и их воздействии на окружающую среду.

Опираясь на статьи ученых было определено ближайшее местоположение интересующего участка с наличием необычного песка, и его дальнейшее подробное изучение. Доказано, что минерал магнетит и монацит, как и другие сопутствующие минералы действительно присутствуют в прибрежных песках изучаемой территории. На месте исследования проведены опыты с магнитом и бытовым дозиметром. Особое внимание уделено показаниям дозиметра, который давал различные данные на всей протяженности участка, иногда выходящие за рамки экологической нормы.

Во время экспедиции было выявлено, что концентрация магнетита в прибрежных песках отдельного участка достаточно большая, магнитные свойства сильные, минерал вызывает большой интерес к дальнейшему углубленному изучению. Наличие монацита частично визуально выявлена, радиоактивность зафиксирована. Учитывая особенность миграции прибрежных песков, особенно в период штормов и сильных ветров, что является нормой для нашего региона, радиологический мониторинг пляжей и оценка риска имеют большую актуальность.

Во взятых образцах под микроскопом частично классифицирован состав песка, определены магнитные свойства магнетита.

Место, где живет человек, имеет большое значение для его здоровья, качества и продолжительности жизни. Важно понимать, что это место должно быть безопасно, особенно при наличии потенциально повышенного радиационного фона. Если есть источник этого фона, необходим регулярный контроль и наблюдение, и в случае его превышения предельно допустимых границ — возможного устранения, или предупреждения населения о нарушении экологических норм.

Проект позволил узнать и изучить геологическую особенность Азово-Черноморского бассейна, некоторые минералы и их свойства, содержащиеся в песках. Понять магнитные и радиологические явления, научную особенность их изучения и обнаружения. Полученные знания и опыт стали бесценным багажом, вдохновляя на дальнейшее изучение геолого-минералогических особенностей нашей планеты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шуман В. Мир камня. Горные породы и минералы / Пер. Здорик Т. Б.,

Фельдман Л. Г. - М.: Мир, 1986.

2. Бетехтин А. Г. Курс минералогии. 2-е изд. - М.: КДУ, 2023.

3. Шлюков Е.Ф. Минеральные богатства Черного моря. - К.: Отд-ние мор. геологии и осадоч. рудообразования, 2004.

4. Афанасьев Г.Д. Геология магматических комплексов Северного Кавказа и основные черты связанной с ними минерализации. - М.: Академия наук СССР, 1958.

5. Рязанцев Г. Розовые пески Азовья. Наука и жизнь. № 12 - М.:. МГУ, 2020.

6. Долотов Ю.С. Динамическая обстановка прибрежно - морскогорельефообразования и осодконакопления. - М.: Наука, 1981.

7. Сафьянов Г.А. Геоморфология морских берегов.- М.: МГУ, 1996.

8. Рональд Л. Боневиц. Все о драгоценных камнях и минералах / Пер. Федорова М. Л. - М.: АСТ, 2006.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

ПРИЛОЖЕНИЕ №2

Анкета

1. Откуда взялся песок, знаешь ли ты его происхождение?

2. Знаешь ли ты состав песка, отличается ли он от местоположения?

3. Есть ли в песке что-то, что может быть опасным?

4. Существует ли лечебный песок?

Результат анкетирования показал, что очень небольшой процент ребят знает происхождение песка, его изначальное местоположение и состав. Опасность песка в их понимании представляет собой загрязнение отходами, выбросами после штормов, и жизнедеятельностью человека, что конечно является правдой. Про лечебный песок знают немного больше, учитывая наше проживание и наличие песчаных пляжей вблизи Анапы, которые любят все дети.