Научные результаты институтов КНЦ РАН, включенные в научные достижения РАН в 2011 г

НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТИТУТОВ КНЦ РАН, ВКЛЮЧЕННЫЕ В НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ РАН В 2012 г.

Геологический институт КНЦ РАН

По результатам новых изотопно-геохимических исследований установлены главные этапы докембрийской эволюции Фенноскандии. Развитие континентальной коры в пределах Фенноскандинавского щита было дискретным, основные эпохи корообразования происходили в неоархее, но отдельные ядра кратонизации формировались в мезо- и палеоархее. Установлены две эпохи формирования ранне-докембрийских обогащенных резервуаров в мантии Лаврентий-Балтики: 2.1—2.3 млрд лет (в ходе деламинирования и последующего рециклинга литосферных килей) и 2.8-3.0 млрд лет (в ходе субдукции терригенных осадков). Они были источником древнейших в мире магматогенных редкометалльных ^г-КЕЕ-У -№) и апатитовых месторождений.

Установлен высокий металлогенический потенциал кианитовых сланцев Больших Кейв (Кольский п-ов) в отношении редких металлов и редкоземельных элементов. По предварительной оценке, ресурсы РМ и РЗЭ в контурах кианитовых руд до глубины 100 м составляют порядка нескольких миллионов тонн. Определены минералы-носители РМ и РЗЭ, экспериментально доказана возможность их выделения в концентрат (совместно с ИХТРЭМС КНЦ РАН).

Построена 3D модель Ковдорского фоскорит-карбонатитового комплекса, отражающая закономерности размещения и характера выделений, извлекаемых в концентрат (магнетит, апатит и бадделеит) и сопутствующих (шпинель, гейкилит, пирохлор, цирконолит, пирротин) минералов. Трехмерное минералогическое картирование выявило закономерное изменение состава всех минералов в естественной последовательности пород. Карбонатсодержащие фоскориты осевой зоны рудной трубки обогащены легкими лантаноидами и скандием.

На основе детального исследования месторождений кианита в метаморфических комплексах Урала, Карелии и Кольского полуострова выделены три морфогенетических типа кианитов: метаморфогенные, метаморфогенно-метасоматические и метасоматические. Изучены закономерности размещения месторождений высокоглиноземистого сырья на Урале, Карелии и Кольского полуострова (кианита, силлиманита, андалузита). Показано, что кианиты месторождений Урала по качеству не уступают кианитам Кольского п-ова (свита Кейв) и являются высокоперспективными рудами на огнеупорное сырье (совместно с ИГГ УрО РАН, ИГ Кар НЦ РАН, УГГУ).

Разработана инновационная технология электроразведочных работ с применением контролируемых источников и промышленных ЛЭП для прогнозно-поисковых изысканий на нефть и газ в условиях ЯмалоНенецкого автономного округа (совместно с ПГИ, ЦФТПЭС, СПбФ ИЗМИ РАН).

Горный институт КНЦ РАН

Обоснована экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли, заключающаяся в повышении эффективности добычи и переработки минерального сырья при снижении техногенной нагрузки на природную среду за счет: прироста запасов и уменьшения среднего коэффициента вскрыши; повышения комплексности и полноты извлечения полезных компонентов; уменьшения отходов производства; вовлечения в эксплуатацию техногенных месторождений, сокращения складированных отходов; уменьшения объемов сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы, восстановления техногенно-нарушенных объектов природной среды. Для реализации стратегии разработаны новые реагенты и реагентные режимы, новые технологии и оборудование (на примере Кольского горнопромышленного комплекса).

Разработана информационная система, предназначенная для моделирования и выбора параметров технологии добычи и обогащения твердых полезных ископаемых по стадиям производственного процесса. В основе системы лежат программные средства трехмерного моделирования горно-геологических и технологических процессов, а также инструменты и средства формирования распределенных баз данных и баз знаний.

На основании комплексного исследования накопления радиотоксичных долгоживущих актинидов и осколков деления в активных зонах реакторных установок ОК-150, ОК-900 и ОК-900А атомных ледоколов «Ленин», <А.рктика» и «Сибирь» оценен изотопный состав и 0-, у- и а-активности отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), хранящегося на плавучей технической базе «Лепсе», признанной одной из самых опасных объектов в Северо-Западном регионе России и на Севере Европы. Полученные данные могут быть использованы при выполнении предстоящих в 2013-2016 гг. работ по утилизации «Лепсе», а также в оценках безопасности долговременного хранения неперерабатываемого ОЯТ на Кольском полуострове.

Установлена взаимосвязь параметров электромагнитных характеристик георадарного зондирования с состоянием и структурой пород уступов карьера. Комплексный анализ данных высокочастотного электромагнитного зондирования, натурных измерений методом разгрузки и компьютерного моделирования напряженно деформированного состояния позволил выявить существенное изменение амплитудных характеристик электромагнитного сигнала вблизи контура уступов карьера, что хорошо коррелируется с данными измерений в глубоких скважинах: возрастание в приконтурной зоне (до 4-5 м), некоторое снижение в зоне уплотнения (4-20 м) и в зоне разгрузки (20-40 м).

Разработан способ извлечения тонкодисперсных частиц полезных компонентов из сливов сгустителей обогатительных фабрик флотацией флоккул, образующихся в результате коагуляции неорганическими коагулянтами. По изменению формы полос ИК-поглощения, идентифицирующих минералы, установлен нижний предел крупности при их извлечении. Способ обеспечивает получение дополнительных объемов готовой продукции и исключает операцию осаждения, требующую больших площадей и используемую при извлечении тонкодисперсных частиц.

Разработан способ флотации руд с использованием труднорастворимых низкооксиэтилированных изононилфенолов, основанный на увеличении их растворимости за счет эффекта солюбилизации в мицеллярных дисперсиях ионогенных ПАВ, изменении условий их применения и, как следствие, более эффективном проявлении их специфических флотационных свойств. На примере труднообогатимых апатитсодержащих руд Ковдорского месторождения показано, что применение способа позволяет повысить стабильность флотационного процесса и извлечение апатита на 1.5-2.0%, уменьшить затраты на реагенты на 25%, снизить энерго- и трудозатраты. Разработка реализуется на ОАО «Ковдорский ГОК».

Разработана комбинированная флотационно-магнитная технология обогащения апатит-магнетит-бадделеитовых руд глубоких горизонтов Ковдорского месторождения, отвечающая задачам комплексного выделения концентратов высокого качества в условиях полного оборотного водоснабжения.

Разработана комбинированная технология переработки кианитовых руд, включающая тяжело-средную сепарацию и флотацию в щелочной среде на оборотной воде с использованием сочетания полиалкилбензолсульфонатов и жирнокислотных собирателей. Предложенная схема позволяет значительно упростить технологию переработки кианитовых руд по сравнению с ранее разработанной технологией, более чем на 10% повысить извлечение, снизить в 1.5 раза себестоимость концентрата.

Предложен способ флотации кианита из руды, содержащей графит и сульфиды, в кислой среде с предварительным их выделением на основании естественной гидрофобности графита и флотируемости сульфидов, что позволило упростить технологию, исключив предварительное обесшламливание, сократив потери кианита и повысив до 58% глинозема качество кианитового концентрата. Предложенная технология позволяет получить кианитовый концентрат при высоком извлечении глинозема ~ 90%.

Для повышения промышленной безопасности при ведении открытых горных работ разработана технология создания полимерного покрытия, обеспечивающая снижение интенсивности выветривания горных пород на два порядка.

Разработана информационная система, предназначенная для моделирования и выбора параметров технологии добычи и обогащения твердых полезных ископаемых по стадиям производственного процесса.

Разработан комплексный методический подход по обоснованию границы перехода с открытого на подземный способ разработки мощных глубокозалегающих рудных месторождений.

Выявлен краткосрочный предвестник возникновения серии сейсмических событий при ведении горных работ в Хибинском массиве, заключающийся в росте значений комплексной оценки (от 0.50 до 0.55) по ряду отдельных прогностических критериев (фрактальный, угол наклона графика повторяемости, концентрационный, суммарная длина трещин) и в увеличении площади сейсмоактивной зоны более чем в 1.5 раза в течение суток за 3 дня до основного события.

Установлен механизм разрушения горных пород с трещиной на границе раздела геологических блоков, отличающийся тем, что образование вторичных трещин отрыва в окрестности исходной трещины происходит не симметрично, а только в одном из концов (справа или слева). При этом трещины прорастают либо в сторону более жёсткого блока, либо в сторону более мягкого - в зависимости от угла ориентации границы раздела блоков относительно направления действия наибольшего сжимающего напряжения.

Создан экспериментальный полигон для мониторинга гидротехнического сооружения «хвостохранилище-ограждающие дамбы» ГОК «Олений ручей» с широким комплексом наблюдений. Проведены первые циклы измерений для целей мониторинга состояния ограждающих дамб при выводе хвостохранилища на рабочий режим.

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН

Применительно к квантовохимическому моделированию процессов переноса заряда в расплавах неорганических солей разработан новый подход, позволяющий рассчитать для единого электрохимического процесса соотношение скоростей переноса электрона на частицы с различным составом второй координационной сферы. Данный подход позволяет выявить истинную электроактивную частицу и провести расчет присущих ей параметров, в т.ч. энергии активации переноса заряда. Эти данные, в свою очередь, позволяют углубить понимание механизма электрохимического переноса заряда. Практическим результатом применения разработанного подхода явилось выявление различия в механизме переноса заряда в чисто хлоридных и хлоридно-фторидных расплавленных системах и соответствующая интерпретация, основанная на сравнении рассчитанных теоретических значений энергии активации с экспериментальными аналогами для реальных систем.

Разработан способ геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала, содержащего цветные металлы, преимущественно медь, никель, кобальт, и железо (совместно с ИППЭС).

Разработаны керамические материалы на основе хвостов обогащения медно-никелевых руд без использования первичного сырья с теплопроводностью 0.33-0.36 Вт/м °С и морозостойкостью более 40 циклов (совместно с ИППЭС).

Разработаны условия синтеза и составы наноструктурированных композитов, образованных двумя полупроводниками с различным типом проводимости - диоксидом титана, легированным иновалентным компонентом (алюминием, железом, ниобием, вольфрамом и другими элементами) и простыми или сложными оксидами легирующего компонента, содержащими катион титана. Найдены составы, проявляющие высокую фотокаталитическую активность при облучении светом с длиной волны свыше 900 нм, демонстрирующие в отличие от известных коммерческих образцов устойчивый рабочий ресурс в циклическом процессе фотокатализа в водной среде. Доказана перспективность их использования в качестве анодных материалов высокой емкости литиевых ионных аккумуляторов (до 470 мА^ч^г"1).

Установлен высокий металлогенический потенциал кианитовых сланцев Больших Кейв (Кольский п-ов) в отношении редких металлов и редкоземельных элементов. По предварительной оценке, ресурсы РМ и РЗЭ в контурах кианитовых руд до глубины 100 м составляют порядка нескольких миллионов тонн. Определены минералы-носители РМ и РЗЭ, экспериментально доказана возможность их выделения в концентрат (совместно с ГИ КНЦ РАН).

В целях выполнения приоритетных задач создания инновационных технологий комплексного извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из минерального сырья и техногенных образований обоснованы подходы к вскрытию и переработке хибинского апатитового концентрата и фосфогипса.

Переработка хибинского апатитового концентрата, совместимого с основным производством минеральных удобрений, включает экстракционное извлечение РЗЭ из фосфорнокислых сред с последующим получением карбонатного концентрата с удельной эффективной радиоактивностью 50 Бк/кг и содержанием суммы РЗЭ в пересчете на оксиды примерно 60%, существенно большим, чем в лопаритовом концентрате - единственном перерабатываемом в России сырьевым источником РЗЭ. С применением разработанного подхода на предприятиях России может быть произведено ежегодно около 1950 т оксидов РЗЭ из продукционной ЭФК и более 4000 т из оборотной ЭФК, что обеспечит, в частности, потребности атомной промышленности в гадолинии, самарии, эрбии.

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Выполнен анализ воздействия чрезвычайно мощной солнечной вспышки в октябре-ноябре 2003 г. на земную термосферу с использованием результатов измерений аэродинамического торможения низкоорбитальных спутников. Показано, что корональные выбросы массы вызвали заметно более сильные возмущения плотности атмосферы, чем те, которые обусловлены увеличением потока ЕЦУ-излучения во вспышке. Данный результат указывает, что вторжение энергичных частиц в верхнюю атмосферу могло иметь гораздо более сильный эффект на эволюцию ранних атмосфер планет солнечной системы, чем интенсивные потоки ЕЦУ -излучения раннего Солнца. Это может приводить

к значительным изменениям тепловой структуры, плотности и химического состава верхней атмосферы. Такие эффекты могли быть особенно сильными внутри зон обитания звезд М-класса (совместно ИНАСАН, Институт космических исследований Австрийской академии наук, Институт физики Университета Граца, Институт космических исследований Каталонии, Испания).

Разработана инновационная технология электроразведочных работ с применением контролируемых источников и промышленных ЛЭП для прогнозно-поисковых изысканий на нефть и газ в условиях ЯмалоНенецкого автономного округа (совместно с ГИ, ЦФТПЭС, СПбФ ИЗМИ РАН).

Создана и внедрена система мониторинга геоиндуцированных токов, наведенных возмущениями магнитного поля Земли в системообразующих линиях и подстанциях энергосистем северо-запада России. Данные длительного мониторинга использованы для анализа устойчивости оборудования энергосистемы к геомагнитным воздействиям, разработки системы предупреждения развития аварий, вызываемых геомагнитными бурями, и средств защиты энергосистем от них (совместно с ЦФТПЭС).

Мурманский морской биологический институт КНЦ РАН

Установлено, что при эвтрофикации арктических эстуарных водоемов в пелагических альгоценозах на фоне сохранения базовой структуры сукцессионного цикла происходит расширение спектра массовых форм за счет развития отдельных, ранее малочисленных видов микроводорослей.

В результате 10-летних экспедиционных исследований определен современный состав и структура ихтиофауны северо-восточной Гренландии. В данном районе встречается 56 видов рыб, относящихся к 31 роду, 17 семействам, 10 отрядам, 2 классам. Установлено, что глубоководный пролив Фрама между Шпицбергеном и Гренландией не является барьером в распространении рыб, как считалось ранее, что подтверждено находками на шельфе северо-восточной Гренландии неполовозрелых особей нескольких видов, воспроизводство которых осуществляется у берегов северо-западной Европы.

Издана книга «Кубанский паводковый кризис. Климат, геоморфология, прогноз. Крымск, июль 2012 г.». По результатам экспедиционных работ установлены причины и последствия

катастрофического паводка в Краснодарском крае 6-7 июля 2012 года, определены параметры водного потока в бассейнах основных рек пострадавшей территории (Абин, Адагум, Адерба, Яшамба, Цемес) и выявлены следы прохождения паводковой волны. Основной причиной масштабных разрушений в г. Крымск и ст. Нижнебаканская явилось большое количество осадков, выпавших на водосборах рек Адагум и Баканка, и особенности орографии долин (совместно с ЮНЦ РАН, ИАЗ ЮНЦ РАН).

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН

Обобщены многолетние результаты изучения разнообразия цианопрокариот в пресноводных и наземных экосистемах российской Арктики и Субарктики, составлен список видов, насчитывающий 448 таксонов. Наибольшим видовым богатством характеризуются флоры Мурманской области (310 видов), Большеземельской тундры (191 вид) и Полярного Урала (119 видов). Выявлены новые для России виды.

Проведена координация между существующими единицами эколого-флористической классификации старовозрастных лесов Мурманской области и типами местообитаний Палеарктики, предложена типология лесов для дальнейшего совмещения с данными дистанционного зондирования.

Составлен аннотированный список цианопрокариот Лапландского заповедника, проанализирована структура флоры резервата и горных массивов, входящих в его состав. Флора цианопрокариот Лапландского заповедника насчитывает 140 видов, что составляет 45% флоры Мурманской области. Выявлено 29 новых для России из 59 новых для Мурманской области видов.

Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН

Установлено, что в условиях современных изменений окружающей среды структурные перестройки пресноводных экосистем Евро-Арктического региона проявляются в снижении видового разнообразия гидробионтов, смене доминирующих комплексов, замещении реликтовых и олигосапробных видов эврибионтными с простыми жизненными циклами и высокой скоростью размножения и формирования сообществ из устойчивых к загрязнению форм.

Расширены современные представления о структурных перестройках рыбной части сообществ пресноводных экосистем Евро-Арктического региона в условиях их трансформации под

воздействием природных и антропогенных факторов. В стрессовых для аборигенных стенобионтных видов условиях доминируют виды рыб, обладающие широкой экологической валентностью, включая вселенцев, сокращаются доли лососевых и сиговых видов, снижается ресурсный потенциал.

Методом физико-химического моделирования найдены оптимальные условия цементации меди и селективного осаждения железа из никельсодержащих сульфатных растворов термоактивированным карбонатитом, что необходимо для разработки способа геотехнологической переработки некондиционных медно-никелевых продуктов. Предложен метод геотехнологической переработки некондиционного сульфидного концентрата.

Разработана стратегия восстановления естественных водоёмов, расположенных в зоне влияния горно-металлургических предприятий путём создания благоприятных условий для развития сульфид-редуцирующих бактериальных сообществ как на территории водосбора, так и в толще донных отложений. Это обеспечит переход цветных и тяжёлых металлов в нерастворимые формы (сульфиды) и будет препятствовать их миграции в водную среду.

Разработаны композиционные материалы на основе природных карбонатитов путём модифицирования их поверхности углеродсодержащими соединениями переходных металлов для создания защитных геохимических барьеров в местах поступления технологических стоков или природных водотоков в условиях Субарктики.

Разработан способ геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала, содержащего цветные металлы, преимущественно медь, никель, кобальт, и железо (совместно с ИХТРЭМС).

Разработаны керамические материалы на основе хвостов обогащения медно-никелевых руд без использования первичного сырья с теплопроводностью 0.33-0.36 Вт/м °С и морозостойкостью более 40 циклов (совместно с ИХТРЭМС).

Для озер £вро-Арктического региона экспериментально выявлены устойчивые долговременные тренды накопления в их экосистемах ряда тяжелых металлов, как следствие процессов глобального и регионального загрязнения окружающей среды, повышающие токсичность вод, отрицательно сказывающиеся на состоянии водной биоты и снижающие ресурсный потенциал поверхностных вод.

В результате исследований закономерностей формирования качества поверхностных вод фоновых районов Евро-Арктического региона выявлена роль природных (морские аэрозоли, тип ландшафта, геохимия подстилающих пород) и антропогенных (региональное и глобальное загрязнение) факторов. Установлены региональные фоновые уровни содержания ряда тяжелых металлов в поверхностных водах и донных отложениях для оценки степени трансформации водоемов импактных зон региона.

С помощью физико-химического моделирования (ПК Селектор) определены особенности взаимодействия «нефть-вода» с морскими и пресными водами. Выявлены сходства и различия во взаимодействии «вода-нефть» в морских и пресных системах относительно основных гидрогеохимических показателей.

Выявлена биогенная деструкция минералов, входящих в состав несульфидных руд, под действием метаболитов кислотообразующих бактерий и грибов. Показано образование оксалатов кальция и алюминия на поверхности апатита, нефелина и кианита, что вызывает уменьшение контрастности поверхностных свойств минералов и приводит к негативным последствиям при доизвлечении полезных элементов из техногенных месторождений.

Для измерения ширины годичных колец деревьев создан программно-аппаратный комплекс, состоящий из сканера с высокими оптическими характеристиками, компьютерной системы и соответствующего программного обеспечения. Этот комплекс позволяет обрабатывать образцы различного типа (керны, спилы), в том числе трудно поддающиеся обработке образцы можжевельника, имеющие сложную древесную структуру (неоднородность роста в различных направлениях, пропущенные кольца и т.д.). Созданный комплекс универсален и может быть использован для решения различных проблем в экологии, климатологии и биологии.

Завершены и обобщены исследования выявленных закономерностей трансформации состава атмосферных выпадений, почвенных вод и почв под действием доминирующих растений и лишайников в лесах на северном пределе их распространения, формирующихся в различных экологических условиях (совместно с ЦПЭПЛ РАН).

Исследовано изменение состава и структуры сообществ микроорганизмов (бактерии, грибы) в почвах, загрязненных углеводородами в высокой концентрации.

Изучено воздействие нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо, стабильный газовый конденсат, топочный мазут) на биоразнообразие грибов в условиях полевых опытов, на окультуренном и лесном гумусовом подзоле.

На основе аборигенных видов бактерий составлен эффективный консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов (за 3 сут. разлагается около 70% нефти от исходной величины).

Проведены численные эксперименты с целью оценки влияния высоты пляжа хвостохранилища на потенциальное загрязнение воздушной среды при переносе сдуваемой сильным ветром мультидисперсной примеси. С ростом высоты пляжа прогнозируется существенное (от 50 до 150%) возрастание концентрации загрязнения в приземном слое атмосферы.

Разработана стратегия восстановления естественных водоёмов, расположенных в зоне влияния горно-металлургических предприятий, путём создания благоприятных условий для развития сульфат-редуцирующих бактериальных сообществ как на территории водосбора, так и в толще донных отложений. Это обеспечивает переход цветных и тяжёлых металлов в нерастворимые формы (сульфиды) и препятствует их миграции в водную среду, береговая линия и мелководье засаживается многолетними растениями, концентрирующими цветные металлы (Со, N1, С^ Бе, РЬ, 2п и др.).

Институт экономических проблем им. Г.П. Лузина КНЦ РАН

Определены основные инновационные факторы, тенденции и проблемы индустриализации промышленности Севера России с выходом сырьевых отраслей на инновационный уровень развития.

Обоснованы экономические и институциональные меры, стимулирующие переход рыбохозяйственного комплекса от экспортно-сырьевого к инновационному типу развития.

Активизация инвестиционных процессов в регионах Севера возможна при условии разрешения противоречий между государством и крупным бизнесом и между финансовым и реальным сектором экономики.

Разработана система модернизации учета и управления затратами на горнопромышленных предприятиях Севера России, обеспечивающая повышение эффективности и конкурентоспособности сырьевой продукции.

Определены стратегическая цель и приоритетные направления муниципальной социальной политики на Севере и в Арктике РФ - рост и ожидаемая продолжительность жизни населения.

На основе системного анализа методологии районирования территорий Севера России предложен метод комплексного природохозяйственного районирования с выделением южной границы российской Арктики.

Дана комплексная оценка и теоретическое обоснование системных проблем развития российской Арктики, с учетом изменений в глобальной расстановке сил последнего двадцатилетия.

Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Создана и внедрена система мониторинга геоиндуцированных токов, наведенных возмущениями магнитного поля Земли в системообразующих линиях и подстанциях энергосистем северо-запада России. Данные длительного мониторинга использованы для анализа устойчивости оборудования энергосистемы к геомагнитным воздействиям, разработки системы предупреждения развития аварий, вызываемых геомагнитными бурями, и средств защиты энергосистем от них (совместно с ПГИ).

Разработана инновационная технология электроразведочных работ с применением контролируемых источников и промышленных ЛЭП для прогнозно-поисковых изысканий на нефть и газ в условиях Ямало-Ненецкого автономного округа (совместно с ГИ, ПГИ, СПбФ ИЗМИ РАН).