Сольфатарные поля: изучение и использование полученных знаний в народном хозяйстве

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Одинцовская гимназия № 4

Научно-исследовательская работа

Тема: «Сольфатарные поля: изучение и использование полученных знаний в народном хозяйстве».

                            Исполнитель: ученик 4 в класса

                                                    Ростислав М.

 Научный консультант: учитель начальных классов

                                         Биндюкова О.В.

2011 г.

Оглавление

Введение ……………………………………………….3

Основная часть

1. Изучение сольфатарных полей для обеспечения

безопасности людей, живущих в непосредствен-

ной близости от вулкана…………………………5

   2. Сольфатарные поля как место зарождения

       полезных ископаемых…………………………….6

   3. Термальные источники сольфатарных полей…...8

   4. Микроорганизмы сольфатарных полей и их роль

       в современной науке……………………………..10

Заключение. Выводы…………………………………12

Список литературы…………………………………...14

Визуальный ряд к работе………………………..…...15

Введение

        Вулканы, спокойно и длительное время выделяющие струи сернистых и сероводородных газов, образуют сольфатарные поля.  Сольфатарное поле – это групповое развитие сольфатар и холодных фумарол на месте «спящих» вулканов.  В данной работе будут рассмотрены основные проблемы изучения сольфатарных полей, а также использование этих знаний для блага человека.

           Сольфатары – это струи сернистого и сероводородного газа с температурой от 100 до 300 градусов, выделяющихся из трещин земной коры в вулканических районах.

            Фумаролы – это тоже струи газов, но менее горячих, чем сольфатары. Вместе с газами из фумарол

выделяются также  клубы водяного пара, который можно увидеть за несколько километров от самого вулкана. Неслучайно сам термин «фумарола» произошел от латинского слова Fumus – дым.

         Впервые термин «сольфатарные поля» появился в Италии. Здесь на окраине Флегрейских полей под Неаполем находится кратер вулкана Сольфатара. В переводе с латинского языка Sulpha Terra  - это серная земля.  Именно этот вулкан и дал название поствулканической деятельности в виде извержений вулканических газов.

          Температура вулканических газов в кратере вулкана Сольфатара достигает 120 – 400 градусов по Цельсию. Здесь можно наблюдать сразу несколько фумарол и сольфатар, откуда со свистом вырывается сернистых газ, оставляя на камнях желтые налеты серы. Данте считал это место входом в ад.

            Сольфатарные поля – это своеобразная экосистема, где тесно связываются живые и неживые предметы. В течение одного или нескольких столетий после возникновения сольфатарного поля нацело перерождаются десятки и сотни кубических метров вулканических пород.

           Сольфатарная деятельность вулкана, протекающая сотни лет, может привести к образованию месторождений полезных ископаемых. Чаще всего сольфатарная активность приводит к накоплению серы.

                      Многочисленные сольфатарные поля на территории нашей страны находятся на Курильских островах и Камчатке

           Изучение сольфатарных полей и использование их возможностей в народном хозяйстве очень интересная и  актуальная тема для исследования.

Основная часть.

1. Изучение сольфатарных полей для обеспечения безопасности людей, живущих в  непосредственной близости от вулкана.

            Изучение сольфатарных полей, прежде всего,  имеет большое значение для безопасности людей, живущих в непосредственной близости от вулкана.

          Выделение вулканических газов из кратера спящего вулкана очень важно. Эти газы не скапливаются внутри вулкана, не образуют там «пузыря» выталкивающего лаву на поверхность. Можно сказать, что через сольфатарные поля идет выделение «лишней» энергии вулкана. Вулкан в прямом смысле «выпускает пар».

           Ученые обследуют сольфатарные поля, замеряют активность газовых струй и термальных источников и делают прогнозы об активности вулкана на ближайшее время. Так, например, ученые наблюдают за сольфатарным полем вулкана Менделеева, который находится  на острове Кунашир (Курильские острова). Если активность сольфатар повысится, то люди, живущие рядом, будут заранее предупреждены об опасности, исходящей от вулкана.

           В апреле 2011 года вулкан Кизимен на Камчатке выбросил несколько столбов пепла с газом. Это вызвало обеспокоенность многих жителей земли, ведь высота наибольшего из столбов превысила 5 км  над уровнем моря.  Однако все это происходило в рамках сольфатарной активности вулкана, и было лишь выделением «лишней» энергии вулкана.

2. Сольфатарные поля как место зарождения полезных ископаемых.

           Сольфатарные поля – это место зарождения полезных ископаемых.  Газы, поднимающиеся из раскаленной магмы, несут большое количество соединений серы. Сера оседает в местах выхода газа на поверхности земли. Так образуются залежи самородной серы. С сольфатарных полей для нужд химической промышленности  ее и добывают.

           Но сера – не единственный вид полезного ископаемого, месторождения которого образуются на сольфатарном поле. В размытых стенках сольфатарных полей вулкана Менделеева можно наблюдать жилы черной тяжелой породы, обогащенной сернистым железом. В Индонезии на сольфатарном поле вулкана Савал залегают жилы руд, содержащих серебро, медь, цинк, свинец и немного золота.

          Вулканические газы и гидротермы выносят растворенные металлы на поверхность земли. С сольфатарных полей вытекают красные озера с кислой водой. Красный цвет предает этим озерам красная руда, которая откладывается на его дне и берегах. Десятки, сотни тонн железа накапливаются в кратере вулкана Кунтоминтара (остров Шиашкотан, Большой Курильской гряды). Здесь образуется два месторождения – серы и железа одновременно.

           Изучение сольфатарных полей вулкана Менделеева привело ученых к открытию отложений сульфурита, сульфидизированного туфа,  гейзерита, кремния, магния, железа и алюминия.

            Самая молодая нефть обнаружена  на территории сольфатарного поля вулкана Узона на Камчатке.  Ей всего полвека!

            На вулкане Узон происходят удивительные химические процесс. Здесь природа смешала все известные химические элементы. Это настоящая лаборатория по минерально-рудному образованию.   В кальдере вулкана Узон, размер  которой  9 на 12 км, несколько сольфатарных полей. Здесь обнаружено 100 тыс.тонн образовавшейся серы, 7 тыс.тонн мышьяка, 350 тонн сурьмы, 200 тонн ртути. Все это образуется прямо на глазах у исследователей благодаря сильной минерализации выходящей из сольфатар и фумарол воды (до 5 г/л) и при участии сероводорода.

             На Узоне есть озеро Хлоридное, дно которого заселено диатомовыми водорослями. Эти водоросли выделяют кислород, который, соединяясь с сероводородом, поступающим из глубин вулкана, образует зерна серы. Эти зерна, как песок, рассыпаны рядом с озером. Они же служат пищей для тионовых бактерий, вырабатывающих серную кислоту. В результате из озера Хлоридного вытекает ручей натуральной серной кислоты .

3. Термальные источники сольфатарных полей.

             Сольфатарные поля известны своими обжигающими термальными источниками. Еще древние римляне строили свои термы в кратере вулкана Сольфатара. Здесь была их санаторно-курортная зона. Сейчас в районах сольфатарных полей тоже можно открывать санатории, курорты, базы отдыха, где люди могли бы  отдыхать и поправлять свое здоровье.

           На островах Кунашир и Итуруп (Курильские острова) ведется исследование сольфатарных полей с целью создания здесь санаторно-курортной зоны. В озерах, заполненных сернистой водой, нагретой до 40 градусов, любят отдыхать не только люди, но и обитатели местных заповедников – бурые медведи.

            Многочисленные сольфатарные поля образуют одну из крупнейших на Камчатке гидротермальных систем на вулкане Большой Семячик. Гидротермальная деятельность проявляется в виде струй горячего пара, кипящих газовых котлов, горячих озер, подогретых пород. Самое примечательное поле называется «Парящая долина». Здесь все шипит, булькает, хлюпает. На поле Верхнее самые мощные паровые струи с температурой до 137 градусов по Цельсию и со скоростью течения 120 м/сек. Такую тепловую мощь необходимо использовать в народном хозяйстве.  Другая мощнейшая гидротермальная система Камчатки – это вулкан Узон. На узкой (ширина 200 – 350 м) зоне сосредоточены 1000 источников парогазовых струй!  

Они могли бы питать небольшую геотермическую электростанцию.

             Одним из важных направлений использования новых источников энергии является развитие геотермальной энергетики. Геотермальная энергия была впервые использована для получения электричества в Италии в 1904 г.  В настоящее время геотермальные станции построены во многих странах: США, Исландии, Новой Зеландии, Италии, Мексике, Японии и др. На сольфатарных полях строят высокотемпературные станции, так как здесь температура газов достигает 150 – 400 градусов. Такие станции  очень эффективны и выгодны с экономической точки зрения.

          На Камчатке для развития геотермальной энергетики есть все условия. Недалеко от города Петропавловск-Камчатский находится вулкан Мутновский. Здесь построена Мутновская ГеоЭС. Через специально пробуренные отверстия закачивается горячая вода в виде пара из недр вулкана. Горячий пар вращает лопасти турбин и вырабатывается электричество. Это отличный образец освоения альтернативных источников энергии.   Энергия получается дешевой. Не нужно сжигать дорогостоящее топливо, запасы которого на нашей планете   исчезают с каждым днем. Экологически этот процесс очень чистый и безопасный. Пар остужают, получают воду, которую  закачивают в недра земли обратно. Сегодня геотермальная энергетика обеспечивает более 25% потребностей в электроэнергии Камчатки, что позволяет ослабить зависимость полуострова от поставок дорогостоящего топлива.

4. Микроорганизмы сольфатарных полей и их роль в современной науке.

             На территории сольфатарных полей можно изучать, как зарождалась жизнь на планете Земля. В горячих источниках Узона микробиологи обнаружили археи – древнейшие микроорганизмы, не относящиеся ни к водорослям, ни к бактериям. Они живут при температуре 96 градусов, используют для дыхания серу и питаются сероводородом.

           В 1933 году были открыты тионовые бактерии, живущие при температуре 80 – 90 градусов и образующие колонии белого цвета. Они участвуют в образовании серной кислоты. Ручьи, где живут эти бактерии, белого цвета.

            В кальдере Узона обнаружены также сине-зеленые водоросли, которые стали фабрикой кислорода на нашей планете. Они живут при температуре менее 65 градусов. Сине-зеленые водоросли не только выделяют кислород, но и препятствуют доступу в атмосферу из термальных источников таких газов, как метан и углекислота.

               Современные ученые работают над проблемой получения «микробного электричества». Идея существования «микробных топливных элементов» была сформулирована в середине 90-х годов прошлого века американским микробиологом Дереком Лавли. Изучение сольфатарных полей тесно связано с этой проблемой.

             В горячих источниках сольфатарных полей живут  микроорганизмы – термофилы. Камчатка и Курильские острова - уникальные районы России, где развиваются термофильные микроорганизмы. Большая часть термальных источников с этими организмами до сих пор не изучена.            

                Термофильные микроорганизмы способны восстанавливать нерастворимое железо и различные металлы. Эти микроорганизмы способны переносить электроны на твердое вещество. Суть получения «микробного электричества» - «обмануть» бактерии, подменив железо топливным элементом. Ученые надеются создать «микробную батарейку» или микробный топливный элемент с помощью этих микроорганизмов. В  настоящее время это направление активно развивается различными научными группами.

                Кроме этого, способность термофильных микроорганизмов восстанавливать различные металлы можно использовать для очистки промышленных стоков от токсичных металлов и радионуклидов.

             Микробиологи активно изучают микробные сообщества на сольфатарных полях особенно в последнее десятилетие. Наша страна пытаемся преодолеть отставание отечественной науки в области молекулярной биологии. Применение знаний о развитии термофильных организмов очень широко: текстильная и пищевая промышленность, производство моющих средств и стиральных порошков, создание альтернативных источников энергии.

Заключение. Выводы.

              Изучение сольфатарных полей очень важно для человека.

              Во-первых, это необходимо для того, чтобы следить за активностью вулканических процессов, чтобы предупреждать людей, живущих рядом с вулканом о вулканической опасности.

           Во-вторых,  сольфатарные поля – это лаборатория по минерально-рудному образованию. Здесь на глазах у исследователей образуются зарождения полезных ископаемых: серы, железа, кремния, магния, алюминия, гейзерита, и даже нефти.

           В-третьих, гидротермальные системы сольфатарных полей – это не только  возможность создания курортно-оздоровительных баз, но и освоение новых источников энергии. Геотермальная энергетика – это экономически выгодный, экологически безопасный способ получения электроэнергии.

             В-четвертых, сольфатарные поля – это настоящая исследовательская лаборатория для современных микробиологов. Они изучают здесь древнейшие микроорганизмы археи, сине-зелёные водоросли, термофильные микроорганизмы. Здесь они работают над созданием «микробного электричества», новыми экологически безопасными способами очистки сточных вод. Микробиологи открывают для себя все  новые и новые направления для исследований. Область применения их открытий очень широка: химическая, текстильная, пищевая промышленность.

               Я был на небольшом сольфатарном поле в кратере вулкана Сольфатара, взял образец грунта, залезал в древнеримскую терму, наблюдал за сольфатарами и фумаролами. Все это произвело на меня большое впечатление. Надеюсь, вскоре, я поеду на Камчатку и Курильские острова, чтобы посмотреть на большие сольфатарные поля и их исследовать.

Список литературы.

1. ВикопедиЯ. Свободная энциклопедия.
2.  Большой энциклопедический словарь.
3. Горная энциклопедия.
4. Геологический толковый словарь.
5. Мархинин Е.К., Стратула Д.С. Гидротермы Курильских островов. М., Наука, 1977 г.
6. Кроноцкий государственный природный биосферный заповедник. Статья «Термофилы – прошлое планеты, будущее биотехники» Е.Бонч-Осмоловская.
7. Красная книга Камчатки. Т. 2. Термофильные микроорганизмы.
8. Вулкан Менделеева – История развития и современное состояние (о. Кунашир, Курильские острова). А.И.Абдурахманов, Н.Г.Разжигаева, А.В. Рыбин, В.Б.Гурьянов, Р.В.Жарков.
9. Первая полевая вулканологическая экскурсия молодых ученых на о. Кунашир (Курильские острова). Р.В.Жарков, Д.Н.Козлов. ж-л «Вестник Краунц. Науки о земле». 2009 г.,      № 2 выпуск № 14.
10. Журнал «Галилео».
11. Журнал «Минералы – сокровища Земли».
12. Журнал «Вокруг света».
13. Журнал «Новости энергетики».