Найти алмазы с помощью самых малых частиц. Как ученый без раздумий уехал в высокие широты
Евгений родился на юге Чувашии, в небольшой деревне Яблоновка, где не набиралось и 150 жителей. В его классе было четверо учеников. Потом школу закрыли, и в старших классах ребят возили на автобусе в соседнюю деревню. Еще в школе ему нравилась география, так что он поехал в Чебоксары поступать на геофак Чувашского госуниверситета им. И.Н. Ульянова.
На практике студент попал в лабораторию радиологии научно-исследовательского института, и вскоре молодого человека пригласили туда работать.
"Студентом я уже начал работать на полную ставку, — рассказывает Яковлев. — Принимал участие в работах по Астраханскому газоконденсатному месторождению — крупнейшему в Европе".
Тогда перед учеными стояла задача определить причину сильной обводненности скважин, найдя источник этих вод. Чтобы ее решить, они изучали их изотопный состав. "Изотопные данные дают хорошую информацию об источнике воды", — вспоминает Евгений.
После окончания вуза Евгений ушел в армию, планируя вернуться в тот же институт, где за ним зарезервировали место. Но институт к тому времени закрылся.
"И мне мой начальник Анатолий Иванович Тихонов сказал, что есть возможность продолжить работу по этому же направлению, изучению радиоактивности природной среды, в Архангельске. Что здесь его давний коллега возглавляет лабораторию экологической радиологии, вместе они работали в Киргизской академии наук. Но СССР распался, и в 1993-м их пути разошлись. Георгий Петрович Киселев уехал в Архангельск, его пригласили сюда для создания новых направлений исследований в Арктике. А Тихонов вернулся на родину в Чувашию и организовал там радиометрическую лабораторию при Министерстве природных ресурсов".
Вопрос для Евгения сложным не был: он всегда был легким на подъем, переезд на Север его ничуть не пугал. Ему нравилась тема исследований, уже был опыт в ее изучении, и главное на тот момент было — продолжать.
В июле 2014 года Яковлев приехал в Архангельск и сначала разницы не почувствовал: было тепло, лето было совсем и не северным. Отличия от солнечной Чувашии проявились осенью: стало пасмурно, серо и очень холодно.
"Переехал в Архангельск с одним чемоданом. Мне дали комнату в общежитии, стипендию, зарплату стажера-исследователя", — рассказывает ученый.
Индикаторы алмазов
Так как лаборатории в Архангельске и Чебоксарах создавали выходцы из одной научной школы, молодой исследователь легко освоился: он знал методики, умел работать с аппаратурой и вскоре поступил в аспирантуру. Георгий Киселев порекомендовал заняться изучением возможностей использования радиометрических методов для поиска алмазных месторождений.
"Георгий Петрович долго работал на производстве, был геофизиком, применял методы радиоактивности для поисков месторождений полезных ископаемых в Средней Азии: они вели аэрогеофизические работы, летали на самолетах и вертолетах и выполняли съемки. У него была идея использовать радиометрические методы для поисков полезных ископаемых на Севере, в частности для алмазов", — поясняет Евгений.
Яковлев и Киселев исследовали, являются ли радиоактивные элементы индикаторами процессов, которые происходят в ядре Земли и вызывают образование коренных месторождений алмазов. Дело в том, что в районах, где присутствуют горные породы, часто содержащие алмазы, наблюдаются ореолы повышенного содержания некоторых естественных радиоактивных элементов. Значения очень маленькие, но современная аппаратура позволяет фиксировать и совсем малые изменения радиоактивного поля.
В результате ученые выявили критерии, которые могут указывать на наличие подобных признаков на определенной территории. Пока это фундаментальные исследования, но в дальнейшем возможно использование их результатов и на практике.
"Сделано много, но также очень много предстоит сделать, потому что ряд закономерностей нужно подтвердить. Благодаря гранту Российского фонда фундаментальных исследований "Стабильность" мы сейчас углубились в теоретическую работу, в моделирование, в лаборатории проводим эксперименты с горными породами, уже в тонкую такую структуру заглядываем, — объясняет Евгений. — В Архангельской области очень развиты ледниковые отложения, в составе ледника, который здесь находился, много радиоактивных элементов. Мощность этих отложений в некоторых местах очень высока, поэтому формируются ложные ореолы. Сейчас мы работаем над тем, чтобы каким-то образом понять, какие ореолы ложно сформированы, а какие нет".
Отголоски мерзлоты
В 2019 году Евгений Яковлев возглавил лабораторию радиологии в Федеральном исследовательском центре комплексного изучения Арктики Уральского отделения РАН (ФИЦКИА) в Архангельске.
Лаборатория радиологии ФИЦКИА — одна из самых больших в Арктическом центре, здесь работают 24 человека. Территория исследований — Мурманская и Архангельская области, Ненецкий автономный округ, Республика Коми, акватории Баренцева и Белого морей, арктические архипелаги.
Большой проект посвящен изучению деградации многолетней мерзлоты. Тема очень актуальная, учитывая, что Арктика теплеет даже быстрее, чем в целом планета, а таяние мерзлоты может приводить к глобальным катастрофам вроде аварии в Норильске.
Основной объем мерзлоты скрыт на глубине, однако изучать реакцию глубоких частей разреза крайне сложно, затратно и в некоторых случаях невозможно. Поэтому важной является разработка других методов оценки состояния мерзлоты, основанных на природных метках: тает она или стабильна, если тает, то где и с какой скоростью. Это можно понять по соотношению изотопов некоторых элементов в речных и подземных водах.
Соотношения стабильных и радиоактивных изотопов могут много "рассказать" о климатических условиях формирования воды. "Подземный лед мерзлоты, сформировавшийся в периоды оледенений, зафиксировал определенное соотношение изотопов. При деградации мерзлоты талые воды включаются в водообмен", — объясняет Яковлев.
В сентябре 2020 года исследователи проехали около 1800 км по Печоре от истока до устья и отобрали сотни проб как на самой реке, так и в ее притоках. Конец лета — начало осени было выбрано потому, что в это время — так называемую межень — вклад атмосферных осадков минимален.
Бассейн Печоры огромный, с широким разнообразием природных условий: от полного отсутствия мерзлых грунтов на юге Коми и практически сплошной мерзлоты на севере Ненецкого округа.
Сейчас пробы исследуют в лаборатории. Кроме того, ученые взяли пробы воды в Приволжье — тысячи лет назад там тоже была мерзлота, и данные с той территории будут использоваться для сравнения.
Для наблюдений за изменением изотопного состава воды в течение года исследователи установили три станции: на Печоре в Нарьян-Маре, на Северной Двине в Архангельске и на Пинеге.
"Знание темпов деградации мерзлоты, знание механизмов, в частности косвенных, очень важно для понимания дальнейшего развития ситуации, — Яковлев подчеркивает, что человек ведет активную хозяйственную деятельность в Арктике, и, чтобы избежать негативных последствий, надо знать, как ведет себя мерзлота, которая совсем, оказывается, и не вечная. — Последствия мы видим воочию: разрушение морских берегов, выбросы метана (Ямальская воронка), потеря прочности грунтов под жилыми и промышленными зданиями и т.д.".
Радиоактивная летопись торфа
Еще одно направление работы лаборатории — это исследование торфяников. Северные болота практически как календарь, они хранят память обо всех техногенных катастрофах. Ученые исследовали торфяники в Архангельской и Мурманской областях, а также в НАО.
В образцах торфа в Архангельской области есть два пика содержания радионуклидов, говорит ученый.
"Первый пик соответствует примерно 1962 году. Он связан с глобальными выпадениями от массовых ядерных испытаний в атмосфере, которые договором от 1963 года были запрещены, — поясняет Евгений. — Плюс добавилась авария американского спутника "Транзит-5В" с ядерной энергетической установкой из плутония".
Спутник "Транзит-5В" сгорел над Индийским океаном после неудачного старта 21 апреля 1964 года. В результате аварии в атмосфере рассеялось 950 г плутония-238, после чего радиоактивный фон на планете повысился более чем в десять раз.
Следующий пик содержания радионуклидов соответствует 1986–1988 годам. Это след катастрофы в Чернобыле, который есть и на Архангельском Севере.
"Чернобыльские выпадения сюда дошли, хотя разные были мнения, в основном — что их здесь нет. Фон от Чернобыля в Архангельской области тоже есть, это было установлено по атомному отношению изотопов плутония и явилось важным результатом исследований.
Разные техногенные изотопы имеют разный период полураспада. У цезия-137, например, около 30 лет, и большая часть его уже распалась. А вот такие элементы, как америций или плутоний, распадаются гораздо дольше. И за ними нужно наблюдать. Из-за потепления Арктики изотопы, которые сейчас находятся в толще торфяников, могут начать перемещаться вверх и стать доступными для растений и животных.
"В будущем эта проблема будет возрастать, и мы увидим повышение радиоактивности на поверхности за счет высвобождения радионуклидов, которые были зафиксированы в толще торфа, — добавил ученый. — Надо это изучать, мы этим занимаемся, чтобы прогнозировать эти изменения радиоактивности".
Эталонное море
При потеплении Арктики и таянии льдов техногенные радионуклиды могут высвободиться и из ледников Новой Земли, причем интересно, что их активность в последние годы здесь снижается. В ходе экспедиции "Трансарктика-2019" Евгений исследовал распределение радиоактивных изотопов в Баренцевом море: в донных осадках и прибрежных территориях.
"То есть уровень радиоактивности в Баренцевом море очень низкий, хотя мы знаем, что оно в свое время подверглось выпадениям радиоактивных элементов после ядерных испытаний. Но тем не менее опасность техногенных загрязнений сохраняется, потому что во льдах Арктики сосредоточено большое количество техногенных радионуклидов, которые выпали в момент испытаний до 1980 года, — рассказывает исследователь. — Они там депонированы, а сейчас идет тренд на потепление, и это все будет, конечно, высвобождаться".
Также ученые получили данные о содержании естественных радионуклидов в донных осадках. Это важная информация, потому что содержание естественных радионуклидов в донных грунтах резко повышается в районах шельфовой добычи углеводородов. Причина — изотопы из попутных вод.
"А поскольку в Баренцевом море масштабные проекты шельфовой добычи не начаты, та информация, которую мы получили, будет базовой при дальнейшей оценке воздействия".
Поймать радон — спасти от рака
В лаборатории ведутся исследования активности радона. Здесь два направления: использование радона для поиска полезных ископаемых и оценка радоноопасности северных территорий.
Радон — это радиоактивный газ природного происхождения, который образуется в процессе распада урана, который присутствует во всех горных породах и почвах. Этот газ без цвета и запаха может присутствовать в высоких концентрациях в воздухе внутри помещений, например в жилых домах. Он считается одной из причин развития рака легких. Поэтому перед началом строительства территорию застройки обязательно проверяют на наличие и концентрацию радона.
"Измеряется плотность потока радона с поверхности грунта, — Яковлев уточняет, что в рамках существующей методики сложно учесть всю совокупность факторов, влияющих на формирование радона, что может не в полной мере отражать действительную картину. — Поскольку поток измеряется на поверхности, на это влияют различные физические факторы, атмосферные процессы. И второй момент: он измеряется на поверхности, а при обустройстве котлована снимается какая-то часть грунта, и мы можем получить не совсем полную картину".
В лаборатории разрабатывают подходы для оценки радоноопасности территорий с учетом различных параметров. В дальнейшем можно разработать метод, который будет наиболее полно оценивать, насколько тот или иной участок безопасен.
В конце 2020-го Яковлев получил областную Ломоносовскую премию в номинации "Молодые ученые". В его лаборатории половина специалистов — именно молодые ученые. Евгений говорит, что, конечно, как руководителю ему приходится выполнять довольно много административной работы, но научная деятельность для него все-таки основная.
Сейчас исследователь пишет докторскую диссертацию. Тема связана с изучением изменений радиоактивных элементов в процессе антропогенной деятельности и климатических изменений, оценкой воздействия горнодобывающей промышленности на экосистемы Мурманской и Архангельской областей, Ненецкого округа и Карелии, в том числе и морские территории.
Ирина Скалина
