Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

К настоящему времени в применении традиционных методов прогноза и поисков месторождений алмазов, таких как магниторазведка, на территории Архангельской области наметился определенный кризис, выражающийся в снижении интенсивности аномалий магнитного поля и приближения к уровню геологических помех. Эффективность магниторазведки при поисках кимберлитовых тел по всей Архангельской алмазоносной провинции (ААП) в настоящее время значительно снизилась [17, 23]. Множество других геофизических и геохимических методов, опробованных для решения задачи поисков коренных месторождений алмазов, не продемонстрировали устойчивую эффективность [2]. В связи с этим особую важность приобретает необходимость разработки новых подходов в решении задач поисков месторождений алмазов и внедрения их в практику поисковых работ. Одним из перспективных подходов выступает разрабатываемый в последние годы рядом исследователей комплекс методов, основанных на заверке слабоконтрастных аномалий по структурно-тектоническому принципу [1, 5, 6, 17]. Главным вопросом при поисках и разведке коренных месторождений алмазов является исследование рудоконтролирующих и рудовмещающих структур. Однако выделение подобных структур традиционными геофизическими методами зачастую не приносит положительного результата в связи с закрытостью территории и слабой проявленностью рудоконтролирующих разломов в физических полях [11]. Важнейшее значение при этом приобретает выделение признаков разломной тектоники и околорудных изменений горных пород непосредственно в разрезах поисковых скважин [11]. Однако выделение признаков разломной тектоники осложняется наличием пластичной кимберлитовмещающей толщи, малоамплитудных тектонических нарушений и «сухих» зон разломов без признаков гидротермальной деятельности [5]. В последние годы решению данной проблемы посвящены ряд исследований, проводимых как на территории Якутской, так и Архангельской алмазоносных провинций [4, 7, 10–14, 26]. Данными исследованиями во вмещающих породах вокруг кимберлитовых тел обнаружены ореолы макро- и микротектоники и новообразования в породах венда-кембрия. Специальная документация керна позволила выделять кимберлитоконтролирующие разломные структуры [14]. В околотрубочном пространстве кимберлитовых тел установлены локальные тектонические элементы, сопровождающие экзоконтакты кимберлитов [5], вещественные изменения пород в виде эндогенного прожилкового осветления [15], а также увеличение концентраций радиационных дефектов в кварцах вмещающих песчаников при приближении к экзоконтактам трубок [9].

Таким образом, перспективным направлением развития методов поисков кимберлитовых тел выступает выделение кимберлитоконтролирующих структур и выявление признаков околотрубочного пространства.

Выполненные нами исследования на примере трубки Пионерская позволили установить в околотрубочном пространстве резкое нарушение равновесия изотопов ²³⁴U и ²³⁸U [27]. Величина изотопного отношения γ = ²³⁴U/²³⁸U достигала 3,57, что является аномальным для горных пород, во вмещающих породах, удаленных от трубки, изотопный состав урана равновесный. В ходе этих исследований было установлено, что околотрубочное пространство кимберлитов выделяется по нарушению равновесия отношения активностей четных изотопов урана (эффект Чердынцева – Чалова) [24–25], которое является индикатором проявления геологических процессов, приводящих к фракционированию  ²³⁴U и ²³⁸U [15–16]. В свою очередь это создает хорошие предпосылки для использования величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в качестве признака околотрубочного пространства кимберлитовых тел.

Целью работы является изучение особенностей фракционирования четных изотопов урана в околотрубочном пространстве кимберлитовых тел Золотицкого поля АПП для установления возможности выявления признаков кимберлитовых тел по неравновесному урану. В соответствии с целью исследования была поставлена задача изучения изотопного состава урана в кимберлитах, вмещающих отложениях, подземных и поверхностных водах на территории Золотицкого поля. Данное поле было выбрано ввиду наибольшей изученности среди кимберлитовых полей на территории АПП, в связи с нахождением в его пределах месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова. Кроме этого, наличие разрабатываемых карьеров на трубках Архангельская и Карпинского-1 дает возможность непосредственно исследовать особенности формирования изотопного состава урана в породах околотрубочного пространства. Для решения поставленной задачи были отобраны 45 проб кимберлитов, вмещающих и перекрывающих пород в карьерах трубок Архангельская и Карпинского-1, а также 32 пробы поверхностных и подземных вод по площади Золотицкого поля.

Краткая характеристика района исследования

Золотицкое кимберлитовое поле расположено в 90 км к северо-востоку от г. Архангельска и насчитывает в своем составе десять трубок, образующих цепочку длиной около 20 км с направлением на север-северо-восток (рис. 1). Шесть кимберлитовых трубок – Архангельская, Карпинского-1, Карпинского-2, Пионерская, Поморская, Ломоносова – входят в состав месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова [1, 3, 18].

Вмещающая толща верхнего венда мощностью около 920 м представлена отложениями усть-пинежской, мезенской и падунской свит. Комплекс перекрывающих пород представлен отложениями среднекаменноугольного возраста, общая мощность которых возрастает с юга на север от 28 до 55 м, и четвертичного возраста. Четвертичные рыхлые образования сплошным чехлом перекрывают древние породы. В генетическом отношении – это флювиогляциальные, ледниковые, озерные, озерно-болотные и аллювиальные отложения. Средняя мощность отложений составляет около 35 м.

В вертикальном разрезе кимберлитовые тела имеют форму типичной воронки взрыва с раструбом в верхней части. Трубки Поморская и им. Карпинского-2 и Пионерская относятся к двухкорневым и представляют собой две сближенные трубки с общим раструбом.

Рис. 1. Местоположение Золотицкого кимберлитового поля ААП

Особенностью гидрогеологического строения территории является отсутствие в разрезе выдержанных по мощности и в пространстве слабопроницаемых отложений, которые могли бы рассматриваться как региональный водоупор [19].

Материалы и методы исследования

Исследование уран-изотопных характеристик в образцах кимберлитов, горных пород и природных вод проводилось с помощью альфа-спектрометрического метода с предварительным радиохимическим выделением [20, 21]. Для одновременного определения содержания урана и его изотопного состава, а также контроля полноты выхода урана из образцов в пробы вносили трассер – искусственный долгоживущий изотоп 232U.

Препараты из кимберлитов и горных пород готовили путем измельчения пробы массой 100 г до размера фракций 0,075 мм. Из гомогенизированной таким образом пробы брали навеску массой 10 г и подвергали полному растворению воздействием раствора концентрированных кислот HF и HClO4 в соотношении 4:1. Кимберлитовый материал, содержащий труднорастворимые минеральные включения, дополнительно подвергали спеканию с Na2CO3 при температуре 900 °С.

Предварительное концентрирование урана из крупнообъемных водных проб (20–30 литров) проводили в полевых условиях с помощью специально подготовленного активированного угля марки БАУ-А, избирательно сорбирующего до 80 % урана. Для адсорбции урана из воды в пробы добавляли порошок активированного угля и тщательно перемешивали. После полного оседания угля на дно емкости воду сливали, а уголь с остатками воды отфильтровывали через фильтр «синяя лента», который затем высушивали на воздухе. Десорбция урана с активированного угля осуществлялась в лабораторных условиях путем промывания фильтра с углем горячей соляной кислотой. После десорбции фильтр с углем полностью озоляли в муфельной печи, а золу присоединяли к десорбированному фильтрату и кипятили в течение 20 минут для удаления углекислоты [22].

После полного растворения горных пород и кимберлитов, а также после десорбции угля радиохимическую очистку урана от соосажденных с ним радиоактивных элементов осуществляли методом экстракции трибутилфлосфатом.

Источники для альфа-спектрометрического детектирования готовили путем электролитического осаждения урана на полированные диски из нержавеющей стали диаметром 34 мм. Измерения проводили на полупроводниковом альфа-спектрометре серии «Прогресс».

Результаты исследования и их обсуждение

Изотопный состав и концентрация урана в кимберлитах и вмещающих породах околотрубочного пространства, отобранных в карьерах трубок Архангельская (35 образцов) и Карпинского-1 (10 образцов), характеризуются широким разбросом значений. Точки опробования показаны на рис. 2. Изотопное отношение урана γ = ²³⁴U/²³⁸U   в образцах, отобранных в карьере трубки Архангельская, изменяется в пределах от 0,86 до 1,60. Концентрация урана колеблется в диапазоне 0,61–4,07 г/т. Величина γ в породах трубки Карпинского-1 колеблется от 0,88 до 1,35. Концентрация урана изменяется от 0,28 до 1,78 г/т.

В древних породах, возраст которых более 1 миллиона лет, между четными изотопами урана наступает секулярное равновесие, выражающееся в выравнивании альфа-активностей ²³⁴U и ²³⁸U, по причине преимущественного распада радиогенных атомов урана-234 [2]. Однако во многих исследованных нами образцах древних пород трубок Архангельская и Карпинского-1 изотопное равновесие резко нарушено.

Пространственное положение избытков изотопа ²³⁴U в кимберлитах и вмещающих породах по площади карьеров трубок Карпинского-1 и Архангельская выделено ореолами с величинами γ более 1,1. Ореолы неравновесного урана показаны на рис. 2.

Образцы пород на трубке Карпинского-1 были отобраны только в западной части карьера. Равномерность опробования была осложнена тем, что на момент отбора образцов (2014 год) восточный борт трубки не был вскрыт карьером. Максимальные значения величины γ в породах околотрубочного пространства трубки Карпинского-1 приурочены к песчаникам и алевролитам венда. Изотопное отношение в них изменяется в пределах 1,17–1,35γ. Туф кратерной фации характеризуется изотопным отношением урана ниже равновесного (0,88γ). Образец водно-ледниковых отложений четвертичного возраста характеризуется близким к равновесному изотопным составом урана, то же характерно и для песков урзугской свиты карбона.

Рис. 2. Величина изотопного отношения γ = ²³⁴U/²³⁸U в подземных водах вендских отложений в районе южной группы трубок месторождения им. Ломоносова, а также ореол неравновесного урана в околотрубочном пространстве трубок Архангельская и Карпинского-1: 1 – контур трубок; 2 – ореол неравновесного урана; 3 – точки отбора проб горных пород и кимберлитов; 4 – точки опробования подземных вод; 5 – изолинии изменения величины γ в подземных водах

Ореол неравновесного урана на трубке Архангельская приурочен к околотрубочному пространству и обнаруживается во вмещающих вендских породах и в отложениях кратерной фации находящихся в контакте с вендскими отложениями. Среднее отклонение от равновесия в них составляет 1,27γ, достигая значений до 1,6γ. В породах урзугской свиты каменноугольного возраста среднее изотопное отношение урана равно 1. Автолитовая брекчия и породы нижнего разреза кратерной фации, характеризуются равновесным изотопным составом урана. В образце четвертичных отложений также отмечается равновесная величина γ, что говорит об отсутствии здесь условий для активного разделения изотопной пары урана.

В распределении концентрации урана отмечается ряд особенностей. Для автолитовой брекчии характерна низкая концентрация урана. Это также характерно для пород нижней части кратерной фации трубки. Образцы, представленные алевролитами и песчаниками урзугской свиты венда, характеризуются средним содержанием урана около 1,2 ppm. Содержание урана в образце четвертичных отложений составляет 1,4 ppm. Пространственная картина распределения урана отличается от картины ореола величины изотопного отношения ²³⁴U/²³⁸U, однако при этом повышенная концентрация урана также приурочена к вендским отложениям и породам кратерной части на контакте с песчаниками и алевролитами венда. Среднее содержание урана в данных породах около 1,8 ppm.

Причиной резкого нарушения изотопного отношения урана в породах околотрубочного пространства является структурно-геологическая позиция кимберлитовой трубки Архангельская. Это подтверждается результатами исследований в карьере трубки Архангельская, в результате которых в околотрубочном пространстве были зафиксированы разрывные нарушения, сопровождающие экзоконтакты кимберлитов [10]. Тектонические нарушения сопровождают вмещающие и перекрывающие отложения и достоверно установлены в урзугской свите карбона и падунской свите венда. Позднее в красноцветных терригенных породах венда в карьере трубки Архангельская было исследовано прожилковое осветление [12]. В результате детального картирования околотрубочного пространства тр. Архангельская в масштабах 1:500 и 1:5000 было установлено эндогенное происхождение прожилкового осветления по морфологии, минеральному и химическому составам. Размеры ореола распространения секущего осветления достигают диаметра трубки и пространственно имеют схожую конфигурацию с ореолом неравновесного урана.

Прожилки осветления закартированы авторами работы [12] по всему периметру околотрубочного пространства. Эндогенное прожилковое осветление отмечено как непосредственно на тектонических контактах кратерной части трубки, так и на удалении до 300 м от трубки, осветление развивается вдоль трещин и имеет мощность до 20 см.

Распределение ореола неравновесного урана в околотрубочном пространстве, вероятнее всего, также связывается развитием тектонических нарушений на контактах трубки и на некотором удалении от нее. Закономерности распределения избытков изотопа ²³⁴U хорошо согласуются с данными по тектоническим и вещественным изменениям в породах околотрубочного пространства, и природа явления связана именно со структурно-геологическими особенностями трубки. Механизм нарушения изотопного равновесия урана в данном случае может быть объяснен процессами динамики и циркуляции подземных вод по установленным тектоническим трещинам, ограничивающим трубку Архангельская. Изменение режима циркуляции подземных вод в околотрубочном пространстве в результате смешения минерализованных вод вендского комплекса с пресными водами инфильтрационного происхождения создает условия для осаждения урана вокруг трубки. В ходе этих процессов происходит образование минеральных фаз урана, в результате чего происходит современное активное фракционирование изотопов ²³⁴U и 238U, которое устанавливается по избыткам урана-234 в породах околотрубочного пространства трубки Архангельская. Процессы фракционирования изотопов ²³⁴U и 238U в породах околотрубочного пространства должны приводить к активной миграции ²³⁴U в воду и формированию вокруг трубки ореола с высокими значениями γ = ²³⁴U/²³⁸U . Это в свою очередь определяет необходимость исследования изотопного состава урана в подземных водах, омывающих кимберлитовые трубки.

Приведенные выше факты свидетельствуют о широком развитии признаков околотрубочного пространства в карьере трубки Архангельская. Среди тектонических и вещественных признаков околотрубочного пространства также выделяется увеличением во вмещающих породах изотопного отношения урана ²³⁴U/²³⁸U . Это позволяет рассматривать величину ²³⁴U/²³⁸U с избытками урана-234 в качестве поискового признака кимберлитовых тел. Аномальное неравновесие изотопной пары урана в сторону увеличения активности ²³⁴U было также обнаружено в керне разведочной скважины трубки Пионерская, приуроченной к околотрубочному пространству [27].

Впервые исследование изотопного состава урана подземных вод, омывающих кимберлитовые трубки, было выполнено на территории Якутской алмазоносной провинции, в результате чего, были установлены аномальные избытки изотопа ²³⁴U в подземных водах [8]. Высокие избытки величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в подземных водах были отнесены к поисковым признакам на кимберлиты. На территории Архангельской алмазоносной провинции аномалии изотопного состава урана подземных вод, циркулирующих в районе кимберлитовых тел, были впервые установлены Г.П. Киселевым (1999) [16]. Эти закономерности говорят о схожем характере формирования изотопного состава урана подземных вод в областях развития кимберлитового магматизма.

Уран-изотопный состав подземных и поверхностных вод Золотицкого кимберлитового поля

С целью установления закономерностей изменения величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в природных водах и приуроченности избытков 234U к кимберлитовым телам, в пределах Золотицкого поля были выполнены исследования изотопного состава урана. Пробы природных вод на территории Золотицкого поля отбирались из эксплуатационных и самоизливающихся скважин, а также из рек, ручьев и заболоченных участков. Результаты определений изотопного состава и концентрации урана представлены в таблице.

Как видно из таблицы, значения отношения альфа-активностей четных изотопов урана (γ = ²³⁴U/²³⁸U ) подземных вод в районе Золотицкого кимберлитового поля изменяются от 1,99 до 7,81γ, а концентрация урана изменяется в диапазоне 0,16–3,16 ppm. Максимальная величина изотопного отношения (7,81) отмечается в скважине ВАД-2, расположенной на северо-восточной окраине трубки Архангельская.

Минимальные величины γ наблюдаются в подземных водах, удаленных от кимберлитовых трубок (скважины 14Г, 1Т и родник у нового хвостохранилища). Изотопное отношение урана в них колеблется от 1,99 до 2,81γ. Изотопное отношение урана в поверхностных водах исследуемого района изменяется в незначительных пределах от 1,15 до 2,21γ. Диапазон изменения концентрации урана в них также незначительный (0,21–0,53 ppm).

Полученные нами данные для большей части проб подземных вод Золотицкого кимберлитового поля демонстрируют аномальный избыток изотопа ²³⁴U по отношению к ²³⁸U , превышающий в среднем 400 %. Поскольку основной источник питания подземных вод в данном районе инфильтрационного происхождения, то изотопный состав урана должен быть близок к значениям поверхностного стока с некоторым увеличением в результате перехода подвижных атомов ²³⁴U из водовмещающей толщи. Средний изотопный состав урана подземных вод платформенных областей составляет 1,40–1,80γ [15]. Однако в нашем случае в подземных водах мы наблюдаем резкое возрастание изотопного отношения урана, значительно превышающее величины γ = ²³⁴U/²³⁸U для подземных вод платформенных областей и поверхностных вод исследуемого района. Поскольку возрастание избытка изотопа ²³⁴U происходит с приближением к кимберлитовым трубкам, то отсюда следует, что подземные воды претерпевают изменения в результате фильтрации через породы непосредственно в водоносных горизонтах околотрубочного пространства и приобретают аномальную изотопную метку. В ряде случаев высокие изотопные сдвиги урана могут наблюдаться и в поверхностных водах. Так, в пробе воды, отобранной из ручья Тучкин на трубке им. Ломоносова, наблюдается аномальное увеличение отношения активностей изотопов урана до 2,21γ, практически в два раза превышающее среднее значение для поверхностных вод данного района. По всей видимости, это объясняется выклиниванием подземных вод вблизи трубки Ломоносовской, характеризующихся высокими изотопными сдвигами и смешением их с водами ручья Тучкин.

Более детально изменение величины отношения четных изотопов урана в подземных водах было исследовано в пределах южной группы трубок месторождения им. Ломоносова: трубки – Архангельская, Карпинского-1, Капринского-2. Пробы представляли собой подземные воды, циркулирующие в пределах вендского комплекса пород в районе куста трубок. Три точки отбора проб расположены в карьерах трубок Архангельская и Карпинского-1 и представляют собой смесь атмосферных осадков и вод из водоносных горизонтов, приуроченных к каменноугольным и вендским отложениям, выклинивающихся на бортах карьеров. Карта изолиний величины γ = ²³⁴U/²³⁸U показана на рис. 2. Как видно на рис. 2, изменение изотопного отношения урана в подземных водах подчиняется определенной закономерности. Увеличение избытков изотопа ²³⁴U происходит с приближением к границам кимберлитовых трубок. Ореол неравновесного урана формирует вокруг трубок аномалию избытков ²³⁴U концентрической формы. Плотная сеть наблюдений вокруг трубки Архангельская отражает приуроченность аномалий изотопного состава урана к околотрубочному пространству. Закономерности пространственного изменения величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в подземных водах и породах околотрубочного пространства трубки Архангельская указывает на их генетическую связь и взаимообусловленность. Процессы активного фракционирования изотопов урана в породах, связанные с геологическим строением околотрубочного пространства, приводят к миграции урана-234 и обогащению подземных вод избытками изотопа 234U. Возможно, аналогичные изотопные эффекты могут наблюдаться и в пределах разломов осадочного чехла, контролирующих кимберлиты, поскольку развитые в них зоны трещиноватости также будут приводить к изменению гидрохимических условий циркуляции подземных вод, осаждению урана и миграции изотопа ²³⁴U. Установление возможности таких процессов требует специальных исследований. Однако выявленные закономерности свидетельствуют об очевидной связи аномальных избытков ²³⁴U с кимберлитовыми телами и возможности использования величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в качестве поискового признака кимберлитовых трубок.

Заключение

Результаты исследования особенностей фракционирования радиоизотопов на территории Золотицкого кимберлитового поля сводятся к следующему.

В породах околотрубочного пространства установлены избытки изотопа ²³⁴U. Формирование высоких значений величины γ = ²³⁴U/²³⁸U обусловлено геологическим строением околотрубочного пространства. Закономерности распределения избытков изотопа ²³⁴U хорошо согласуются с данными по тектоническим и вещественным изменениям в породах околотрубочного пространства. Механизм нарушения изотопного равновесия урана объясняется процессами динамики и циркуляции подземных вод по тектоническим трещинам, ограничивающим трубки. Развитие трещиноватых зон в околотрубочном пространстве к осаждению урана и миграции изотопа ²³⁴U. Ореол неравновесного урана достигает двух диаметров трубки и может рассматриваться в качестве локального поискового признака на обнаружение кимберлитов.

Изотопный состав урана поверхностных вод в районе Золотицкого поля, а также подземных вод, не связанных с кимберлитовыми телами, характеризуется минимальным избытком ²³⁴U, изменяющимся в диапазоне от 1,15 до 2,81 Бк/Бк. Подземные воды, циркулирующие в околотрубочном пространстве кимберлитовых тел, сопровождаются аномальными активностями дочернего изотопа ²³⁴U по отношению к ²³⁸U . Средние значения избытка ²³⁴U превышают 400 % по активности. Закономерности пространственного изменения величины γ = ²³⁴U/²³⁸U в подземных водах и породах указывают на их генетическую связь, обусловленную геологическим строением околотрубочного пространства. Неравновесный уран с аномальным избытком изотопа ²³⁴U может рассматриваться в качестве идентификационного критерия вод кимберлитовых трубок и выступать поисковым признаком при выявлении новых кимберлитовых тел на территории Зимнебережного алмазоносного района.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 16-35-00153 «Механизмы формирования изотопного состава урана алмазоносных и вмещающих пород кимберлитовых трубок Золотицкого поля Архангельской алмазоносной провинции».