Вотяков Сергей Леонидович

Ученая степень: 
д. г.-м. н.
Должность: 
Главный научный сотрудник
E-mail: 
votyakov@igg.uran.ru
Кабинет: 
308
Телефон внутренний: 
1108
Телефон городской: 
287-90-13
КОЛОНКА СОТРУДНИКА: 

Академик РАН (2011 г.), доктор геолого-минералогических наук (1989 г.), кандидат физико-математических наук (1976 г.) работает в Институте с 1976 г. после окончания аспирантуры в Уральском политехническом институте. В 1997-2011 г. возглавлял лабораторию физических и химических методов исследования, в 2011-2016 гг. - директор Института геологии и геохимии, в настоящее время  - главный научный сотрудник лаборатории ФХМИ, руководитель Центра коллективного пользования УрО РАН "Геоаналитик"

Специалист в области физики минералов и материаловедения природного вещества. Внес вклад в развитие современных представлений о минеральном веществе, в развитие спектроскопии минералов - нового научного направления в области наук о Земле.

Вотякову С.Л. с соавторами принадлежит ряд оригинальных результатов в области исследования точечных дефектов структуры минералов, ими прослежена динамика изменения дефектности структуры при различных термодинамических и радиационных воздействиях в природных и модельных условиях, предложены механизмы образования и преобразования дефектов, установлена их связь с физико-химическими свойствами и средой формирования минералов.

В работах Вотякова С.Л. разработаны фундаментальные научные принципы устойчивости и эволюции дефектов структуры минералов, основанные на экспериментальных данных и на теоретическом моделировании их атомного и электронного строения.

Вотяков С.Л. - автор (соавтор) более 350 научных работ, в том числе 8 монографий, авторского свидетельства и 3 патентов. Основные научные результаты в области физики минералов обобщены в монографиях:

  • А.А. Краснобаев, С.Л. Вотяков, В.Я. Крохалев Спектроскопия цирконов свойства геологические приложения. М.: «Наука», 1988.
  • С.Л. Вотяков, А.А. Краснобаев, В.Я. Крохалев Проблемы прикладной спектроскопии минералов. Екатеринбург: «Наука», 1993.
  • И.С. Чащухин, С.Л. Вотяков и др. ЯГР-спектроскопия хромшпинелидов и проблемы окситермобарометрии хромитоносных ультрамафитов Урала. Екатеринбург, 1996.
  • Ю.В. Щапова, С.Л. Вотяков и др. Квантово-химические расчеты в минералогии. Екатеринбург, 2000.
  • И.С. Чащухин, С.Л. Вотяков, Ю.В. Щапова Кристаллохимия хромшпинели и окситермобарометрия ультрамафитов складчатых областей. Екатеринбург, 2007. 
  • Н.Г. Смирнов, С.Л. Вотяков и др. Физико-химические характеристики ископаемых костных остатков млекопитающих и проблема оценки их относительного возраста. Екатеринбург, 2009. 
  • С.Л. Вотяков, Ю.В, Щапова, В.В. Хиллер Кристаллохимия и физика радиационно-термических эффектов в ряде U-Th-содержащих минералов как основа для их химического микрозондового датирования. Екатеринбург, 2011. 
  • Г.И. Ронь, С.Л. Вотяков и др. Морфологические структуры твердых тканей зубов человека. Екатеринбург: УГМА, 2012.148 с. 

Научная деятельность

Рост, свойства и особенности кристаллохимии минерала циркона. Определены условия раствор-расплавного, гидротермального и твердофазного роста минералов ряда циркон-гафнон-ксенотим; интерпретирована природа их окраски и люминесценции; показано, что оптические свойства минералов связаны с точечными дефектами структуры, обусловленными взаимным растворением этих минералов, с примесными элементами подгруппы железа, палладия, платины и редких земель, с кислородными вакансиями и неустойчивыми валентными состояниями катионов решетки; тип и концентрация точечных дефектов, их терморадиационные свойства определяются составом и температурой среды кристаллизации и режимом посткристаллизационных отжигов и облучений минерала; предложен новый рентгенолюминофор. Установлены параметры электронного строения и особенности химической связи в кристаллическом и радиационно-поврежденном цирконе при малых, средних и высоких дозовых нагрузках; рассмотрена атомная и электронная структура примесных ионов U, Pu, ряда элементов группы железа, вакансионных дефектов радиационно-поврежденного циркона и продуктов его фазового разделения (оксидов Si и Zr); показано, что электронное строение трехкоординированного О в цирконе имеет ряд особенностей по сравнению с мостиковым О в кварце, что обусловливает повышенную радиационную и химическую стабильность циркона. Для цирконов кимберлитов Якутии, Архангельской области и Тимана доказано уникальное сочетание минералого-геохимических и спектроскопических параметров (высокая стерильность и исключительная кристалличность матрицы, яркое проявление собственных центров люминесценции; присутствие ион-радикалов, стабилизированных водородом, наличие высокотемпературной термостимулированной люминесценции с высвечиванием через титановые центры свечения); это служит основанием для использования их в качестве индикаторов кимберлитового магматизма. На этой основе разработан цирконовый метод для решения вопросов, сопряженных с кимберлитами; он опробован для цирконов уральской алмазоносной провинции; показано, что на Среднем и Южном Урале, включая его Западный и Восточный склоны, нет кимберлитов, подобных якутским, архангельским и тиманским.

Кристаллохимия хромшпинели. Выполнена обработка и интерпретация мессбауэровских спектров Fe в хромшпинелях основных уральских и ряда сибирских массивов ультрамафитов; создана уникальная база данных по 270 образцам; реализованы новые подходы для обработки и аппроксимации спектров, основанные на анализе функции распределения сверхтонких параметров; выполнен анализ влияния на них ближнего, среднего и дальнего порядка; исследована температурная динамика изменения спектров; проанализированы факторы, определяющие нарушение стехиометрии по катионам (частичное обращение структуры, неоднородность минерала на микро- и наноуровне, кластеризация ионов Fe, Cr и др.); проанализирована энергетика образования дефектов и параметры локальных искажений структуры шпинелей при изоморфных замещениях; исследована электронная структура, карты электронной плотности и эффективные заряды в чистых шпинелевых миналах и с примесными ионами Fe3+; показано, что для высокохромистых рудных альпинотипных хромшпинелей реализуется частичное обращение структуры, отклонения распределений катионов от статистических с образованием кластеров предраспадного состояния; определены закономерности вариаций параметров мессбауэровских спектров ионов Fe при вариациях состава и степени обращения. С использованием методов оливин-хромшпинелевой окситермобарометрии, основанных на мессбауэровских данных по кристаллохимии Fe, выполнены оценки Т-fO2-состояния ультрамафитов; полученные результаты в сочетании с петролого-геохимическими данными позволили проследить эволюцию вещественного состава и условий формирования ультрамафитов складчатых областей и связанного с ними хромитового оруденения, начиная с этапа магматического деплетирования и заканчивая метаморфическими процессами в континентальной коре.

Кристаллохимия минералов серпентиновой группы. Выполнено комплексное исследование кристаллохимии минералов серпентиновой группы из уральских массивов ультрамафитов (их состава, структуры, свойств, электронного строения, состояния ионов Fe, нарушения стехиометрии по воде); проведена обработка и интерпретация мессбауэровских спектров Fe в этих минералах; показано, что в лизардитах содержание воды существенно отличается от стехиометрического; ее недостаток (избыток) связан с особенностями изомоpфизма ионов Fe3+ в  октаэдре и депротонизацией ближайших ОН-групп; рассмотрена связь особенностей кристаллохимии с условиями гидратации пород; показано, что степень окисления Fe и соотношение ионов IVFe3+/VIFe3+ непостоянно и в рамках массива монотонно возрастает с ростом степени серпентинизации пород; выполнено моделирование атомного и электронного строения дефектов в минералах серпентиновой группы: одиночных примесей Fe3+ и Al в октаэдрах и тетраэдрах, а также парных дефектов (Fe3++Fe2+); проанализировано изменение структуры, химической связи в слоях и межслоевых взаимодействий в серии природных лизардитов, антигоритов и хризотилов.

Физика ископаемых биоминералов: костные остатки Четвертичного периода и проблема оценки их относительного возраста. Проведены комплексные исследования состава и структуры ископаемых костных тканей млекопитающих из зоогенных отложений карстовых полостей Урала; реализован комплексный подход для исследования интегральных (локальных) изменений состава и структуры ископаемых биоминералов при фоссилизации; показано, что при этом происходит перераспределение макро- и микроэлементов, изменение схем вхождения микропримесей в решетку; зафиксированы эффекты гидролитической деградации органических компонентов и преобразования неорганической составляющей (деструкция, увеличение пористости, бактериальное разложение, разложение первичной структуры и образования вторичных минералов); проанализирована форма и размеры гранулоподобной структуры фрагментов; в ряду верхний→средний→нижний слой захоронения параметры функции распределения размера гранул закономерно изменяются, что свидетельствует о направленном преобразовании костной ткани с возрастом захоронения; исследованы свойства термохимических органических ион-радикалов; показано, что их свойства - индикатор процесса фоссилизации. Проведены оценки степени упорядочения неорганической компоненты костных остатков, ионности химической связи, содержания и межпозиционного рапределения карбонат-ионов, что позволило выделить до шести стадий фоссилизации костных остатков плейстоценового и голоценового возраста, для каждой из которых характерен определенный диапазон содержания и типа органики, накопления микроэлементов, что позволяет проводить оценки относительного возраста остатков. Выделены три типа местонахождений остатков млекопитающих: синхронные, гетерохронные и сильно-гетерохронные; выполнены оценки степени возрастной однородности ископаемых остатков малой массы отложений Четвертичного периода, «смешанных» фаун холодных эпох плейстоцена.

Физика физио- и патогенных биоминеральных образований человека. Показано, что степень минерализации (степень упорядочения структуры) биоапатитов зубной и костной ткани значительно варьирует, что фиксируется по содержанию и терморадиационным свойствам примесных карбонатных ион-радикалов; параметры спектров последних в биоапатитах из определенной экологической ситуации - вещественно-цифровая основа для легенд экологических карт, в том числе карт радиационных воздействий на организм человека. Выполнен анализ влияния геоэкологических условий и техногенных воздействий (в частности, облучения в зоне Восточно-Уральского радиационного следа), на происходящее в организме человека физио- и патогенное минералообразование, на формирование микроэлементного состава, структуры и свойств костных и зубных тканей при патогенных процессах различной этиологии (при дегенеративных изменениях костных тканей, обусловленных коксартрозом, при повышенной стираемости зубов, при радиационной деструкции и др.). Совместно с коллегами-медиками предложены, запатентованы и внедрены в практику новые способы диагностики и лечения ряда патологий.

Спектроскопия карбонатов: кластеризация дефектов как основа для их типизации. Паpаметpы аналитических линий примесных ионов Mn2+ на спектрах карбонатов зависят от состава и степени совершенства их структуры, микропримесного состава и отклонения от стехиометрии; предложена спектроскопическая схема типизации карбонатов; зафиксированы ион-радикалы, связанные с рассеянным существенно преобразованным органическим веществом в биокарбонатной матрице (без применения схем его специального концентрирования); проведено моделирование электронного строения, степени ионности-ковалентности связи, а также структурных и электронных параметров примесных дефектов в карбонатах.

Кристаллохимия и физика минералов-геохронометров. Усовершенствована методика микрозондового анализа U-Th-содержащих минералов; выполнено исследование кристаллохимии, радиационного разупорядочения и проблемы замкнутости U-Th-Pb-системы монацита, уранинита, циркона и др. на примере проб из ряда геологических объектов Урала и Сибири. Показано, что изучение состава, изоморфизма и спектроскопических свойств минералов – необходимые этапы, предшествующие химическому датированию минерала и создающие основу для выявления возрастной гетерогенности (полихронности) зерен; выполнено компьютерное моделирование атомной и электронной структуры U-Th-содержащих минералов, а также степени их радиационного повреждения; проведено обоснование новых подходов и совершенствование обсчета аналитических геохронологических данных на основе исследования временной эволюции модельной U-Th-Pb-системы: разработана методология и созданы программные продукты для расчета значений Th/Pb- и U/Pb-возраста; проведены химические датировки сосушествующих уранинита, торита, торианита, коффинита и монацита из ряда уральских и сибирских объектов, в том числе и биминеральные; полученные данные сопоставлены с изотопными; отмечено удовлетворительное согласие результатов; показано, что классический метод химического датирования и сегодня не утратил своей перспективности на фоне широко используемых изотопных подходов.

Научно-организационная и педагогическая деятельность 
Под руководством Вотякова С.Л. выполнено 6 инициативных проектов РФФИ; он возглавлял работы по 6 проектам в рамках программ Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», «Происхождение и эволюция биосферы», «Экспериментальные исследования эндогенных процессов», «Научные основы эффективного природопользования», «Создание и совершенствование методов анализа».  

Вотяков С.Л. – организатор и руководитель ЦКП УрО РАН «Геоаналитик»; под его руководством отработан и внедрен в лабораторную практику ряд аналитических методик и разработок.

Вотяков С.Л. - профессор Уральского федерального университета; организатор обучения студентов с 2004 г. на физическом факультете по новой специальности «физика минералов», разработчик концепции факультета «Рациональное природопользование: геология, природные ресурсы, экология» в УрФУ; под его руководством выполнено большое число курсовых и дипломных работ, проходили стажировку аспиранты Омского госуниверситета и Уральской государственной медицинской академии. Под руководством Вотякова С.Л. защищен ряд кандидатских диссертаций и 1 докторская, в настоящее время руководит 4 аспирантами.

В последние годы Вотяков С.Л. возглавлял оргкомитеты ряда конференций и молодежных научных школ, в том числе школы «Минералы: строение, свойства, методы исследования».

В рамках федеральной программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2010-2013 гг. с Минобрнауки РФ выполнен Госконтракт по теме «Геохимия, микроструктура и радиационные явления в минералах-концентраторах радиоактивных элементов».

Вотяков С.Л. – член Президиума УрО РАН, сопредседатель Комиссии по рентгенографии, кристаллохимии и спектроскопии минералов при Российском минералогическом обществе, член редколлегии журнала «Литосфера».

 

Хобби
Увлечение
 живописью. 
В 2012 году издан каталог живописных и графических работ. 
Вотяков С.Л. -  участник ряда выставок в Екатеринбурге, "Музы в храме науки" в Москве, в Златоусте и Миассе; прошли персональные выставки в Екатеринбурге в Уральском государственном университете и Уральской государственной медицинской академии, в Доме мира и дружбы, в Доме ученых и в Конституционном суде Свердловской области. 
Инициатор создания в Екатеринбурге объединения «Ученые-художники».