Решение геохимических задач на основе изучения распределений редких элементов в геологических объектах с помощью инструментального нейтронно-активационного анализа

Булнаев, Андрей Иосифович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Решение геохимических задач на основе изучения распределений редких элементов в геологических объектах с помощью инструментального нейтронно-активационного анализа
ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Решение геохимических задач на основе изучения распределений редких элементов в геологических объектах с помощью инструментального нейтронно-активационного анализа"

РГб од г 7 ЯПЗ 1957

На правах рукописи

БУЛНАЕВ Андрей Иосифович

РЕШЕНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ С ПОМОЩЬЮ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НЕЙТРОННО--АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА

Специальность: 04.00.12 - Геофизические методы поисков

месторождений полезных ископаемых

Автореферат

на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Иркутск - 1996

Работа выполнена в Иркутском ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.Б.ДАВЬЩОВ

доктор геолого-минералогических наук А.Г.МИРОНОВ

доктор геолого-минералогических наук В.Д.МАЦ

Ведущая организация - Институт геохимии СО РАН

. им. А. П. Виноградова.

Защита состоится . 1997 г. в "^^часов на

заседании специализированное Совета Д.063.71.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074 г.Иркутск, ул.Лермонтова, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИрГТУ. Автореферат разослан . 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

профессор А. А. Шиманский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью перевода геолого-геохимических и геоэкологических исследований на более высокий уровень, отвечающий реализации возможностей аналитических методов ядерной геофизики, использование которых в сочетании с арсеналом средств современной вычислительной техники может и должно играть более действенную и активную роль. Это'означает, что получаемая информация должна охватывать не только данные по элементному составу изучаемых объектов, но также включать в себя характеристики связей между элементами, параметры группировок элементов и объектов, то есть выражаемые количественным образом закономерности, прямо или косвенно отражающие специфику исследуемых природных или антропогенных процессов и явлений. Это позволит в значительной степени повысить эффективность изучения, рационального использования и защиты природных ресурсов.

Наибольшим интересом исследователей к ядерным методам анализа вещества, особенно к методу нейтронной активации, отмечена середина 70-х - 80-х годов ( Колесов Г.М., 1993 ). После аварии на Чернобыльской АЭС этот интерес заметно упал во всем мире, и в практике аналитических исследований объектов окружающей среды за прошедшие десять лет произошли существенные изменения. Получили дальнейшее развитие такие методы анализа, как атомно-эмиссионный с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрический с 1СР- и лазерным возбуждением, атомно-абсорбционный с термической атоми-зацией, сравнимые с- нейтронно-активационным методом по своим возможностям. Таким образом, метод инструментального нейтронно-акти-вационного анализа ( ИНАА ) так и не получил должного применения при решении геолого-геохимических задач. Между тем, именно ИНАА, по нашему мнению, способен стать универсальным аналитическим методом и отвечать следующим основным требованиям:

- обеспечивать одновременное определение в образце широкого круга элементов, преимущественно редких и рассеянных;

- обладать чувствительностью, достаточной для определения содержаний редких элементов значительно ниже кларковых;

- гарантировать высокую точность измерений в широком диапазоне концентраций элементов;

- быть применимым для изучения самых разнообразных по природе и вещественному составу объектов.

Перечисленные требования в совокупности не выполняются ни в одном из современных инструментальных видов анализа геологических материалов, и этим определяется важнейший аспект актуальности предлагаемой работы. С другой стороны, ее актуальность обусловлена необходимостью повышения эффективности прогнозирования и поисков глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых и непосредственно связанными с этой задачей потребностями нового направления в геохимии - геохимии редких элементов, зарекомендовавших себя в качестве надежных индикаторов различных природных процессов, включая рудообразование, в высокочувствительном и точном аналитическом методе.

Цель и задачи работы. Цель работы состояла в необходимом для эффективного применения в геологических науках развитии метода ИНАА, в разработке основанных на этом виде анализа новых методик изучения разнообразных по природе и вещественному составу геологических объектов и выполнении цикла исследований, имеющих самостоятельное значение и показывающих, что прецизионные данные метода ИНАА по широкому кругу редких элементов с концентрациями на уровне кларков и ниже, обработанные на ЭВМ с применением аппарата многомерной статистики, позволяют решать крупные геолого-геохимические задачи.

Основные задачи:

- повышение чувствительности метода ИНАА сложных по составу геологических материалов на широкий круг редких элементов за счет оптимизации условий облучения нейтронами и условий измерения наведенной активности;

- обеспечение высокой точности результатов ИНАА при определении содержаний редких элементов на уровне кларков и ниже;

- исследование деталей количественного распределения редких элементов в разных генерациях одного минерала, отражающих особенности процесса их образования;

- исследование условий образования и размещения стратиформ-ных месторождений золота и серебра, локализованных в черносланце-вых толщах; разработка новых поисковых критериев золотого и серебряного оруденения;

- изучение состава и особенностей распределения редких элементов в донных отложениях озера Байкал в связи с проблемой антропогенного воздействия на его экосистему, а также с целью пале-оклиматических реконструкций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод ИНАА - повышена его чувствительность и расширен круг определяемых элементов в различных геологических материалах, причем для большинства редких элементов достигнуты пределы обнаружения, значительно меньшие соответствующих кларков; разработан ряд приемов повышения точности ИНАА, позволяющих снизить погрешности и улучшить правильность результатов;

- разработаны новые методики изучения геологических объектов, явлений и процессов, основанные на прецизионных определениях с помощью усовершенствованного ИНАА редких элементов при содержаниях на уровне кларков и ниже;

- показано, что данные многоэлементного ИНАА служат надежной базой для многомерного статистического анализа на ЭВМ получаемой геолого-геохимической информации;

- впервые метод ИНАА применен для изучения типохимических особенностей минералов, разные генерации которых отвечают многостадийному процессу формирования горных пород; показано, что этот метод существенно расширяет область минералогических исследований, связанную с изучением микропримесных элементов в минералах, и позволяет по новому подойти к решению задач генетической минералогии;

- впервые проведены базирующиеся на данных метода нейтронной активации комплексные детальные исследования стратиформных месторождений золота одного из рудных узлов Северо-Восточной Якутии; получены новые сведения о процессах рудогенеза в углеродистых терригенных отложениях, о роли вмещающих пород, об источнике рудного вещества; установлены новые критерии поисков золотого и серебряного оруденения;

- впервые выполнен с помощью усовершенствованного ИНАА цикл исследований донных отложений озера Байкал; показано, что содержание и распределение редких элементов в приповерхностном слое осадков озера имеет естественный природный характер и не несет следов антропогенного воздействия; установлено, что фракциониро-

- 5 -

вание легких редкоземельных элементов в вертикальных колонках глубоководных осадков Байкала отражает изменения условий осадкообразования во времени и, прежде всего, климата.

Защищаемые положения:

1. Разработанный автором аппаратурно-методический комплекс инструментального нейтронно-активационного анализа сложных по составу материалов обеспечил существенное улучшение главных метрологических характеристик метода, расширение круга определяемых элементов, снижение пределов и повышение точности их количественных определений.

2. Усовершенствованный метод ИНАА обеспечил надежную аттестацию состава редких элементов в 21 стандартном образце геологических материалов. Содержания элементов, установленные методом ИНАА в процессе аттестационных исследований, практически совпадают с сертифицированными впоследствии значениями концентраций, что подтверждает высокие метрологические характеристики аналитического метода.

3. Инструментальный нейтронно-активационный анализ впервые применен для изучения типохимических особенностей породообразующих минералов по примесным элементам. При исследовании разных генераций одного минерала ИНАА выступает новым средством диагностики и.способен давать качественно и количественно новую информацию, существенно дополняющую минералого-петрографические и геохимические данные.

4. С помощью ИНАА исследована геохимическая специализация литологических разновидностей вмещающих пород стратиформных месторождений золота и серебра. Подтверждено гидротермально-метамор-фогенное происхождение золотого оруденения, разработана научная основа для выделения перспективных площадей, идентификации типов оруденения, выбора поисковых геохимических критериев и способов интерпретации поисковых данных.

5. Нейтронно-активационное исследование донных отложений озера Байкал показало отсутствие их антропогенного загрязнения редкими элементами; особенности состава и распределения редких элементов в осадках Байкала отражают специфику процесса осадкона-копления в озере и имеют геохимическую природу. Разработан новый способ палеоклиматических реконструкций по изменению содержаний

- 6 -

легких лантаноидов в ненарушенных вертикальных колонках донных осадков.

Практическая ценность исследований состоит в том, что проведенное усовершенствование метода ИНАА значительно повышает его достоверность и увеличивает надежность основанных на нем методик изучения геологических объектов и процессов. Разработанные методики имеют универсальный характер и позволяют по-новому изучать геологические образования и их эволюцию путем выявления количественных закономерностей, недоступных традиционным аналитическим методам. Полученные в работе результаты содействуют повышению эффективности теоретических и практических исследований в области минералогии, геологии рудных местрозкдений, палеоклиматических реконструкций; они используются в практических целях рядом геологических организаций.

Внедрение результатов работы. Усовершенствованный метод ИНАА более десяти лет ( с середины 80-х годов ) используется лабораторией стандартных образцов Института геохимии СО РАН при проведении аттестационных анализов новых геохимических стандартов.

Полученные в диссертации результаты внедрены и использовались в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ( ОНИЛ ) методики разведки месторождений Сибири и Дальнего Востока Министерства геологии СССР при Иркутском политехническом институте при выполнении тематических работ по изучению золоторудных месторождений стратиформного типа в черносланцевых отложениях Якутии.

В настоящее время внедрены в виде рекомендаций, переданных в ПГО "Якутскгеология", результаты исследований, составившие аналитическую и геохимическую части работы, законченной ОНИЛ МинГео СССР в 1990 г. по теме: " Анализ эффективности вариантов систем разведки золоторудных месторождений стратиформного типа Якутии ".

Полученные в диссертации результаты внедрены и использовались при проведении научно-исследовательской работы по" проекту: "Исследование состава" и геохимических особенностей донных отложений озера Байкал методом многоэлементного нейтронно-активационно-го анализа" ( грант N0 93-7-12 Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию 1994 г.).

Результаты диссертации по развитию многоэлементного ИНАА применительно к решению геолого-геохимических задач вошли в прог-

- 7 -

рамму специального курса лекций " Ядерно-геофизические и геохимические методы при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых ", читаемого автором на факультете Геологии,' геоинформатики и геоэкологии Иркутского государственного технического университета, а также в конспект лекций " Ядерная геофизика " ( Булнаев А. И., 1990 ).

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований сообщались в докладах на различных научных совещаниях и конференциях: на IV Всесоюзном совещании по активационному анализу ( Тбилиси, 1977г.); на региональной конференции "Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Восточной Сибири и ка Дальнем Востоке" ( Иркутск, 1978 г.); на X конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири ( Иркутск, 1982 г.); на V Всесоюзном совещании по активационному анализу и другим радиоаналитическим методом ( Ташкент, 1987 г.); на региональной конференции "Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири" ( Иркутск, 1987 г.); на Всесоюзном совещании "Теория и практика геохимических поисков в современных условиях" ( Ужгород, 1988 г.); на научной сессии "Ядерная геофизика в геологии" ( Ленинград, 1988 г.); на межвузовской конференции "Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири" ( Иркутск, 1989 г.); на III региональной конференции "Аналитика Сибири-90" ( Иркутск, 1990 г.); на международной конференции по экологии Сибири "Сибэ-ко-93" ( Иркутск, 1993 г.); на международной конференции "Ядерная физика для охраны окружающей среды" ( Дубна, 1995 г.), на международной конференции "Закономерности эволюции Земной коры" ( Санкт-Петербург, 1996 ).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 32 печатных работах, опубликованных в издательствах: Академии Наук, Ленинградского университета, Атомиздате и др.; в журналах: Водные ресурсы, . Вопросы геофизики. Геохимия, Журнал аналитической химии, Записки всесоюзного минералогического общества; в зарубежных периодических изданиях: Cazopis pro mine-ralogli a geologll. Acta Unlversltatis Carolinae, Sbornik geolo-gickych ved ( Чехословакия ), Geostandards Newsletter. ( Франция), Analyst ( Англия ).

Исходный фактический материал. За пятнадцать лет работы при непосредственном участии автора или под его руководством методом ИНАА исследовано более трех тысяч образцов самых разнообразных геологических материалов - породообразующих, рудных и акцессорных минералов, горных пород всех генетических типов, почв, рыхлых отложений, донных осадков, сухих остатков поверхностных и подземных вод, разного рода геоэкологических проб, и сделано порядка 60 тысяч элементоопределений. Результаты не всех анализов включены в диссертационную работу, но каждый из них учитывался автором при формулировании методических рекомендаций, выводов и заключений.

В процессе изучения геолого-геохимических особенностей исследуемых объектов проводились минералого-петрографические, геолого-структурные и литолого-фациальные исследования, использовались данные других аналитических методов, микрозондирования, декрипи-тации, радиоуглеродных датировок и петромагнитных измерений.

В большинстве случаев выбранные для исследования объекты отражали пространственно-временную эволюцию геологических образований. В этих объектах методом ИНАА определялись содержания редких элементов, представляющих все основные геохимические группы - ли-тофильную, халькофильную и сидерофильную. Интерпретация полученной информации проводилась после обработки данных ИНАА средствами многомерного статистического анализа.

Личный вклад автора. Все работы, использованные в диссертации, были выполнены при непосредственном участии автора на всех этапах, начиная от-постановки задачи и до подготовки материалов к публикации. Автором была намечена программа работ по совершенствованию метода ИНАА, осуществлялось планирование и проведение экспериментов, координация ядерно-геофизических и геолого-геохимических исследований. В организации и выполнении измерений автору помогали сотрудники ЛГУ П.И.Бивень. А.В.Мейер, С.А.Кузьмин и студенты-геофизики ИПИ Е.Ю.Мазурин, В.И.Кононов, О.В.Гордеев.

На формирование представлений, изложенных в предлагаемой работе, значительное влияние оказало общение с профессорами П.А.Вагановым, В. А. Мейером, A. A. Кухаренко, А. Г. Булахом, В. И. Лебедевым, А.Н.Жуковским, А.Ю.Давыденко, Н.О.Кожевниковым, В.Д.Мацем, В.А. Филонюком; доктором геолого-минералогических наук И.С.Ломоносовым, кандидатами наук . Г.Ф.Анастасенко, A.B.Мейером, Р.А.Кузне-

- 9 -

цовым, В.Б.Панкратовым, В.А.Лукницким, В.А.Бобровым, Л.Л.Петровым, Л.З.Граниной; научным сотрудником Г.И.Жуковым.

Особую признательность автор выражает заведующему кафедрой геофизических методов разведки Иркутского государственного технического университета, академику РАЕН, профессору Г.С.Вахромееву за постоянную поддержку и помощь в создании и развитии лаборатории многоэлементного ИНАА, а также за внимание к его исследованиям, за ценные и полезные советы и консультации.

Для обработки данных ИНАА на ЭВМ автором использовались программы для многомерного статистического анализа, разработанные на кафедре геофизических методов разведки ИрГТУ под руководством профессора А.Ю.Давыденко. Работоспособность аппаратурного спектрометрического комплекса обеспечивали инженеры В.Н.Плесовских и А.Ф.Шолохов. Н.В.Хайдурова и О.И.Назарова оказали ценную помощь в оформлении диссертации. Всем названным коллегам, способствовавшим выполнению работы, автор выражает искреннюю и глубокую благодарность.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы 205 страниц машинописного текста, 50 таблиц, 55 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 235 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дана общая характеристика работы и показано, что успешное развитие нового научного направления в геохимии - геохимии редких элементов, во многом зависит от способности аналитиков определять в сложных по составу природных материалах широкий круг элементов при весьма низких концентрациях; аналитический метод лишь тогда может считаться эффективным, если его чувствительность обеспечивает измерение субкларковых концентраций элементов.

Универсальный аналитический метод с высокой - чувствительностью необходим для развития геоэкологических исследований и мониторинга окружающей среды, поскольку сегодня очень остро стоит проблема изучения природного содержания элементов в абиотических и биологических . объектах для установления "доиндустриального" биогеохимического фона ( Ветров В.А., 1996 ). Так как содержания

- 10 -

элементов в почвах, растениях, тканях живых организмов обычно меньше, чем в горных породах, то здесь также требуется проводить измерения концентраций, которые нередко на порядок ниже, чем кларки элементов в Земной коре.

Возможности нейтронно-активационного метода изучения сложных по составу геологических объектов далеко не исчерпаны. К началу выполнения настоящей работы ( середина 70-ых годов ) оставались малоизученными и нерешенными вопросы, связанные с ориентацией чисто инструментального варианта метода на проблемы геохимии редких элементов. Не были исследованы возможности активации образцов интенсивными потоками нейтронов с целью увеличения числа возбуждаемых ядерных переходов в активируемых нуклидах и повышения интенсивности излучения спектральных линий, используемых для анализа. Не была сделана оценка негативных последствий активации сложных по составу материалов высокими потоками нейтронов. Требовалось сопоставить возможности использования для активации тепловой и надтепловой составляющих нейтронного спектра ядерного реактора. Необходимо было выбрать способ упаковки исследуемых проб, гарантирующий исключение возможности их "заражения" элементами из материала контейнеров и радиационную стойкость этого материала. Исключительно важным было использование для измерений наведенной активности полупроводниковых детекторов гамма-излучения с высоким энергетическим разрешением. Актуальным было включение в измерительную спектрометрическую систему ЭВМ для автоматизации процесса спектрометрических измерений и обработки получаемых данных. Нуждалась в разработке система эталонирования ИНАА, обеспечивающая высокую надежность и достоверность аналитических данных.

Решение перечесленных задач дожно было способствовать улучшению метрологических параметров метода ИНАА - повысить его чувствительность и точность.

Глава 1. ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИНАА

Мы ставили перед собой, задачу - добиться такой чувствительности метода ИНАА, чтобы максимально возможное количество редких и рассеянных элементов, имеющих важное ( индикаторное ) значение в геохимии, можно было определять при содержаниях, в среднем, на

- И -

порядок ниже кларковых.

В главе изложены приемы снижения пределов обнаружения элементов методом ИНАА. На стадии облучения эффективными приемами, повышения чувствительности анализа являются:

- выбор оптимального значения полного потока нейтронов; экспериментально установлено, что оптимальным при анализе геологических материалов является флюенс от 0.4 до 2.0-1019 нейтрон/см2;

- рациональное использование тепловой и надтепловой составляющих нейтронного спектра ядерного реактора; показано, что облучение проб в кадмиевом экране рекомендуется при ИНАА элементов, радиоизотопы которых обладают большими резонансными интегралами, в материалах с высоким содержанием элементов, хорошо активирующихся тепловыми нейтронами;

- использование в качестве упаковочного материала для исследуемых проб особочистого кварца, выдерживающего без разрушения поток.нейтронов до 10го на квадратный сантиметр;

При измерении наведенной активности повышение чувствительности ИНАА достигается:

- использованием спектрометрической системы с двумя полупроводниковыми детекторами ( ППД ), работающими в разных, но перекрывающихся энергетических интервалах; для сканирования длинноволновой части спектра ( 0-200 кэВ ) рекомендован детектор из высокочистого германия ( НРСе ), а для коротковолновой ( 150-1700 кэВ ) - коаксиальный германиево-литиевый ( СеЬ1 ) детектор;

- устранением мешающего влияния фона естественного гамма-излучения; установлено, что из-за низкой эффективности НРСе-детек-тора к регистрации "жесткого" фонового излучения, он не требует защитного экрана;

- выбором оптимального времени проведения измерений; установлено, что наведенная активность радионуклидов может быть.измерена в три этапа после времени "остывания", равного 1 неделе, 2-3 неделям и 2-3 месяцам.

Оценка чувствительности усовершенствованного ИНАА дана в сравнении с такими современными аналитическими методами, как атомно-эмиссионный с дуговым возбуждением и атомно-абсорбционный с пламенной и электротермической атомизацией, а также в сравнении с возможностями методик ИНАА, разработанных в Объединенном инсти-

- 12 -

туте геологии и геофизики СО РАН ( г.Новосибирск ) и ИМГРЭ ( г. Москва ). Выяснилось, что реализованная нами методика ИНАА выигрывает у методик ОИГиГ и ИМГРЭ как по числу определяемых элементов, так и по чувствительности. Сравнение пределов обнаружения элементов усовершенствованным методом ИНАА с величинами, которыми характеризуются атомные методы анализа, показало, что при определении таких важных для геохимии индикаторных элементов,. как РЗЭ, радиоактивные элементы и ряд других, нейтронно-активационный анализ имеет более высокую чувствительность, чем самый чувствительный из них - атомно-абсорбционный с электротермическим возбуждением.

Глава 2. ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИНАА

Мы ставили задачу обеспечить такую точность ИНАА, чтобы величина среднеквадратического отклонения получаемых результатов не превышала 15-20% при определении кларковых содержаний до 20 редких элементов в различных геологических объектах и составляла не более 6-8% для содержаний, в 5-10 раз превышающих кларковые.

В главе изложены приемы повышения точности метода ИНАА, реализованные автором и позволившие улучшить, прежде всего, качество однократных определений, т.е. повысить степень надежности информации, получаемой при каждом отдельном измерении спектра гамма-излучения активированного нейтронами образца.

На стадии облучения'проб интенсивными потоками нейтронов использовались следующие приемы повышения точности ИНАА:

- осуществлялся контроль неоднородности нейтронного потока ядерного реактора путем одновременной активации нескольких образцов-мониторов в пенале с исследуемыми пробами;

- оценивались возможные возмущения нейтронного потока веществом проб, обусловленные процессами самоэкранирования, депрессии и рассеяния нейтронов; показано, что при ИНАА геологических материалов роль этих факторов пренебрежимо мала;

- оценивался эффект выгорания нуклидов при активации; установлено, что даже при длительном облучении геологических материалов в интенсивном потоке нейтронов погрешность ИНАА за счет выгорания нуклидов не превышает 1%;

- 13 -

- учитывалось влияние мешающих ядерных реакций - реакции деления урана, приводящей к появлению "осколочных" радионуклидов, и интерферирующих реакций, конкурирующих с реакцией радиационного захвата нейтронов; показано, что роль реакции деления 235и резко уменьшается при облучении надтепловыми нейтронами, а вклад-конкурирующих реакций при этом пренебрежимо мал.

На стадии измерения наведенной активности точность ИНАА повышается за счет:

- учета эффекта самопоглощения наведенного излучения образцом; установлено, что он значим для фотонов с энергией меньше 60 кэВ;

- контроля стабильности геометрических условий измерений наведенной активности проб и эталонов; установлено, что при смещении образца от центра ППД до 2 мм снижения эффективности регистрации детектора нет;

- выбора оптимального способа определения площади аналитического пика; показано что при использовании ППД с высоким энергетическим разрешением наиболее эффективен метод полной площади;

- учета эффектов, искажающих форму аппаратурного спектра ( стабильность работы спетрометрической системы, ее линейность и загрузочные характеристики ); установлено, что величина общей аппаратурной погрешности спектрометрического тракта не,превышает ±1.5%;

- использования компьютера для управления работой измерительной системы, для обработки спектрометрических данных и расчета содержаний элементов.

Снижение погрешностей ИНАА, связанных с эталонированием, включало:

- применение в качестве многоэлементных эталонов сравнения стандартных образцов ( СО ) состава геологических материалов с детально изученным и надежно аттестованным содержанием элементов;

- контроль правильности ИНАА путем анализа СО.

Для проверки правильности ИНАА нами были выбраны СО "Андезит" АСУ-1 и "Базальт" ВСй-1 - наиболее надежно аттестованные международные геохимические стандарты. При этом образец ВСй-1 использовался в качестве эталона сравнения при определении Ва, Се, Ей, Сс1, НГ, Но, Ьа, 1и, N(1, Бт, Та, ТЬ, ТЬ, Тш, и и УЬ в андезите

- 14 -

на НРСе-спектрометре, а стандарт к£Ч-1 использовался как эталон сравнения при ИНАА Сг, Со, Сэ, Шо, БЬ, Бс, Бг и Ът в базальте' с помощью СеЫ-спектрометра.

Данные взаимного анализа стандартных образцов и ВСй-1

показали исключительно высокую степень воспроизводимости результатов ИНАА с аттестованными содержаниями элементов. Величины относительного расхождения содержаний лежат в интервале от 0.5 до 10.7 % и обусловлены, главным образом, статистической погрешностью измерений при отсутствии систематических ошибок анализа. Это означает, что при ИНАА активированных мощным потоком нейтронов проб горных пород, навеска массой не более 100 мг гарантирует отсутствие влияния эффектов самоэкранирования при облучении и самопоглощения излучения в процессе измерения наведенной активности.

Для количественной оценки точности ИНАА использован критерий суммарной погрешности ( 2 ), рекомендованный В.Т.Тустановским ( 1976 ). Значения этого критерия, расчитанные по данным ИНАА СО АСУ-1 и ВСй-1 показали, что условие X < 25%, свидетельствующее с надежностью 95% о том, что результат анализа превосходен выполняется для всех без исключения элементов, определявшихся с помощью НРСе-спектрометра, а также для Со, БЬ и Бс, проанализированных на СеЫ-спектрометре. Приемлемые результаты ( I < 50% ) получены для Из, Сб. Бг и 2г, и только для результата анализа Сг значение I оказалось больше 50%, т.е. результат анализа неудовлетворителен.

Таким образом, анализ международных геохимических стандартов "Андезит" АЪЧ-1 и "Базальт" ВСИ-1 показал, что даже при.далеко не самых благоприятных соотношениях содержаний элементов в таких сложных по составу объектах, как горные породы, усовершенствованный метод ИНАА позволяет определять с высокой точностью свыше 20 редких элементов при концентрациях на уровне и ниже кларковых.

В период времени с 1985 по 1993 г.г. усовершенствованный метод ИНАА использовался для исследования большой серии геологических стандартов. Кроме определения состава СО, целью их исследования было выявление тех из них, которые наилучшим образом подходят для использования в качестве многоэлементных эталонов сравнения в ИНАА. На первом этапе были исследованы стандарты горных пород США: "Андезит" АСУ-1 и "Базальт" ВС1М; ГДР ( стандарты СЭВ

- 15 -

):"Гранит" СМ и "Базальт" ВМ и Советского Союза: "Альбитизирован-ный гранит" СГ-1А, "Эссекситовое габбро" СГД-1А, "Трапп" СТ-1А'и "Нефелиновый сиенит" ХГ. В дальнейшем был изучен редкоэлементный состав двенадцати СО, ставших в последствии государственными стандартными образцами состава СССР, а затем России: "Щелочной гранит" СГ-3, "Полевошпатсодержащий доломит" СИ-3, "Метаморфизо-ванный сланец" ССЛ-1, "Дунит" СДУ-1, "Габбро" СГД-2, "Трапп" СТ-2, "Карбонатно-силикатные рыхлые отложения" СГХМ-1 и СГХМ-3, "Алюмо-силикатные рыхлые отложения" СГХМ-2 и СГХМ-4, "Зола каменного угля" ЗУК-1 и "Глубоководный донный ил озера Байкал" БИЛ-1.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРОВСКИТАХ ЩЕЛОЧНЫХ УЛЬТРАОСНОВНЫХ ПОРОД МАССИВА АФРИКАНДА ( КОЛЬСКИЙ ПОЛУОСТРОВ )

Перовскит относится к минералам широко распространенным в природе, он может быть не только акцессорным, но и в целом ряде случаев породообразующим минералом. Перовскит весьма характерен для пород щелочно-ультраосновных массивов Кольского полуострова и Северной Карелии. Его повсеместное присутствие во всех типах пород этих массивов отражает их главную петрохимическую особенность - обогащение титаном и кальцием при общем недостатке кремнезема.

В большей части пород щелочных ультраосновных массивов перовскит представлен несколькими генерациями, различающимися морфологическими и типохимическими особенностями, а также видом па-рагенетической ассоциации. Типохимические особенности перовски-тов, включающие специфический характер распределения редких элементов в каждой генерации минерала, в значительной степени обусловлены физико-химическими условиями петрогенеза и, вследствие этого, требуют всестороннего изучения.

Учитывая практический интерес изучения перовскитов, обусловленный их повышенной танталоносностью, и наличие исследованной с петрохимически-минералогической точки зрения обширной коллекции перовскитов, собранной профессором А.А.Кухаренко, нами была поставлена задача - используя усовершенствованный метод ИНАА уточнить детали количественного распределения редких элементов в пе-ровскитах разных генераций с целью выявления тех типохимических

- 16 -

особенностей этого минерала, которые отражают физико-химические условия его образования.

Среди массивов каледонского комплекса щелочно-ультраосновных пород Кольского полуострова наиболее простым является массив Аф-риканда, расположенный на правом берегу озера Имандра, близ станции Африканда Мурманской железной дороги. По своему геологическому строению массив является классическим примером интрузивов так называемого центрального типа, имеющих в плане зонально-кольцевое строение ( А.А.Кухаренко и др., 1965 ). От периферии к центру в нем выделяютсяч четыре зоны горных пород разного петрографического состава. Для ассоциаций минералов этого массива характерна, в основном, магматическая кристаллизация. Однако некоторое развитие получили и постмагматические процессы преобразования минералов пород этого массива, в том числе и перовскитов.

Для ИНАА были отобраны мономинеральные пробы перовскитов из главных типов пород, слагающих массив Африканда: оливинитов, неизмененных мелкозернистых пироксенитов, перекристаллизованных крупнозернистых пироксенитов и щелочных рудных пегматитов. Количество проб было выбрано таким образом, чтобы после статистической обработки полученных- результатов с обоснованной степенью достоверности можно было установить многомерные и двумерные связи как между элементами, так и между образцами перовскитов.

Обогащение перовскита легкими лантаноидами и некоторыми другими элементами,' обладающими большими сечениями активации тепловыми нейтронами, определили особенность методики ИНАА - облучение проб надтепловыми нейтронами. Активация перовскитов в кадмиевом экране потоком нейтронов плотностью 4.5-Ю12 нейтр./см2-с в течение 12 часов позволила снизить активность радионуклидов Ьа, Се и Ш и наряду с легкими РЗЭ определить с высокой точностью содержания Бт, Ей, ТЬ. Но и УЬ. а также Та, ТЬ и и.

В качестве многоэлементных эталонов сравнения при анализе перовскитов использовались стандартные образцы: "Габбро эссекси-товое" СГД-1А и "Нефелиновый сиенит" ХГ ( проба "Хибины-Генера-льная" ).

Сравнительно высокие концентрации редких элементов в перовс-китах. превышающие, как правило, на несколько порядков величины пределы их обнаружения, позволили провести прецизионные измере-

- 17 -

ния. В большинстве сделанных при анализе перовскитов элементо-определений. общее число которых с учетом изучения параллельных проб и контрольных измерений составило порядка тысячи, статистическая погрешность определений не превышала первых процентов.

Высокая информативность многоэлементного ИНАА представляет большие возможности для сравнительного изучения минералов и установления их типохимических особенностей. Эти особенности можно приписывать определенной группе минералов лишь после того, как выявлена и доказана обособленность данной группы по химическому составу от других групп по всем исследуемым факторам. В рассматриваемом случае, такими факторами являлись содержания одиннадцати редких элементов в перовскитах, и нам представлялось важным провести классификацию всех изученных образцов, используя целиком полученный аналитический материал. Иными словами, необходимо было проверить насколько различаются друг от друга перовскиты из разных типов пород ( разных генераций ) по всему комплексу редких элементов. Для решения этой задачи был проведен факторный анализ данных ИНАА перовскитов по методике главных компонент.

Результаты факторного анализа данных ИНАА перовскитов показали, что первые две главные компоненты берут на себя свыше 80 % всей дисперсии ( первая компонента - 72.5 %, вторая - 8.4 % ). На рис...1 представлено расположение 11-мерных наблюдений на плоскости первых двух главных компонент. Значения составляющих собственных векторов, определяющих величины Ц и t2 для каждого образца показали, что основной вклад в величину Ц дают содержания в перовскитах легких и средних РЗЭ и тория, а основной вклад в величину t2 вносят содержания Yb, Та и U.

По расположению образцов перовскитов на плоскости двух главных компонент можно сделать несколько важных заключений. Прежде всего, следует констатировать практически полное разделение подгрупп IIa ( перовскиты из первичных мелкозернистых пироксенитов ), 116 ( перовскиты из вторичных крупнозернистых пироксенитов ) и группы III ( перовскиты из рудных пегматитов ). Группа I ( перовскиты из оливинитов ) находится в пределах поля, занимаемого образцами подгруппы IIa. Группа образцов III отделяется от всех прочих групп значениями фактора tj. Это означает, что для перовскитов из рудных пегматитов характерны, главным образом, сущест-

- 18 -

Рис. 1. Результаты факторного анализа данных по содержанию редких элементов в перовскитах

1 - из оливинитов; г - из первичных пироксенитов;

3 - из вторичных пироксенитов;

4 - из ранних щелочных пегматитов;

5 - из нормальных рудных пегматитов;

6 - из поздних рудных пегматитов.

венно иные содержания легких и средних лантаноидов и тория. С другой стороны, в пределах группы III четко выделяется подгруппа Шв - кубические перовскиты последней генерации. От перовскитов из ранних и нормальных пегматитов образцы подгруппы Шв отличаются фактором t2, т.е., в основном, содержанием иттербия, тантала и урана. И, наконец, если сравнить расположение на рисунке перовскитов группы I и подгруппы Шв, то можно видеть, что самые ранние ( из оливинитов ') и самые поздние ( кубические последней генерации ) различаются только фактором tj, т.е. содержанием легких и средних РЗЭ и Th.

Таким образом, можно констатировать, что факторная диаграмма, учитывая все данные о содержании И редких элементов в пе-ровскитах различных групп, показывает наличие явных типохимичес-ких особенностей у этих групп. Многомерный статистический анализ с привлечением методики главных компонент расчленяет совокупность исследованных методом ИНАА образцов перовскитов в соответствии с определенными петрологическими соображениями. Правда, возникает неопределенность с разделением перовскитов из оливинитов ( группа I ) и первичных мелкозернистых пироксенитов ( подгруппа На ). Перовскиты этих двух выборок, в общем, мало отличаются друг от друга по содержанию определявшихся элементов. Вместе с тем, многофакторный анализ показывает, что перовскиты из ранних пироксенитов характеризуются большим разбросом содержаний элементов по сравнению с перовскитами из оливинитов. Кроме того, в пределах группы III перовскиты из ранних и нормальных рудных пегматитов (Illa и Шб) по главным компонентам друг от друга не отличаются.

В целом, многомерная статистическая обработка результатов ИНАА перовскитов подтвердила существование генетически различных групп этого минерала в массиве щелочных, ультраосновных пород Аф-риканда и выявила некоторые самые общие черты, характеризующие различия между группами.

Изучение парных связей между элементами показало, что все они положительны, и при этом большинство коэффициентов парной корреляции значимы с доверительной вероятностью не менее 0.95. В пределах группы редкоземельных.элементов максимальны связи друг с другом у легких и средних лантаноидов. Наибольшее значение среднего коэффициента корреляции среди РЗЭ у церия ( г = 0.78 ), а

- 20 -

наименьшая сила парных связей у иттербия ( г = 0.41 ). Тантал тесно связан с легкими и средними РЗЭ и торием. У последнего тесные связи с легкими и средними лантаноидами и Та, но коэффициенты его корреляции с Но и Yb также значимы. Уран не проявляет значимых связей с иттербием и танталом.

Совместное рассмотрение результатов факторного и корреляционного анализа показало, что образцы перовскитов, исследованные методом ИНАА, четко дифференцируются по группам, относящимся к оливинитам, пироксенитам и щелочным пегматитам. Кроме того, отчетливо выделяются подгруппы первичных и вторичных пироксенитов ( особенно по факторному анализу ), а также подгруппа перовскитов самой поздней генерации в пределах группы рудных пегматитов.

Интерпретация результатов ИНАА перовскитов позволила установить как общность, так и различие в геохимическом поведении исследованных редких элементов. Наряду со сходством поведения близких по химическим свойствам элементов установлены вполне определенные различия, среди которых есть и те, что отражают особенности процесса петрогенеза. В подгруппе легких лантаноидов выявлено аномальное поведение церия, в подгруппе средних лантаноидов -аномальное поведение европия. Показана связь этих аномалий с изменением валентного состояния Се и Eu при изменении окислительно-восстановительного режима среды- минералообразования. Детали дифференциации в геохимическом поведении редкоземельных элементов выявлены из рассмотрения отношений Ce/La, Ce/Nd, La/Nd, Sm/Eu и т. п. Установлены закономерности изменения отношений, связанные с изменением кислотности-щелочности среды.

Совместное рассмотрение содержания и распределения редких элементов в перовскитах разных генераций подтвердило вывод о ко-магматичности и генетическом родстве щелочных пегматитов и щелоч-но-ультраосновных пород массива Африканда.

Глава 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗОЛОТО-СЕРЕБРЯНОМ ОРУДЕНЕНИИ ЧЕРНОСЛАНЦЕВЫХ ТОЛЩ БУРГУАТСКОГО РУДНОГО УЗЛА ( СЕВЕРО-ВОСТОЧНАЯ ЯКУТИЯ )

Северная, группа малосульфидных месторождений золота кварцевой формации, локализованной в песчанно-сланцевых толщах пермско-

- 21 -

го возраста Северо-Восточной Якутии, относится к стратиформным месторождениям в черных сланцах, происхождение которых обсуждается исследователями уже не одно десятилетие и относительно которого существуют разные гипотезы - от ювенильного генезиса, по С.Д. Шеру и др.( 1978 ), до метаморфогенно-гидротермального, по В.А. Буряку ( 1982 ), и сингенетически-эпигенетического, по В.Г.Гарь-ковцу ( 1971 ).

ОНИЛ методики разведки месторождений Сибири и Дальнего Востока МинГео СССР при Иркутском политехническом институте совместно с ЦКТЭ ПГО "Якутскгеология" в период с 1981 по 1990 г.г. проводила тематические работы по изучению золоторудных месторождений стратиформного типа в отложениях Аллах-Юньской и Куларской рудных провинций Северо-Восточной Якутии. Лаборатория ИНАА Кафедры геофизических методов разведки ИПИ принимала участие в этих работах.

Рассматривая многоэлементный ИНАА как потенциально эффективный способ изучения геохимии золота, серебра и их спутников, мы полагали, что на его базе могут быть разработаны методики изучения формирования и размещения золотого и серебряного оруденения и найдены новые поисково-оценочные критерии. Таким образом, были поставлены следующие основные задачи, решение которых предполагалось получить с помощью нейтронно-активационного анализа:

1. Определение содержаний золота, серебра и других редких элементов в углеродистых породах Бургуатского рудного узла и оценка возможностей их использования в качестве местных кларков.

2. Изучение состава рассеянного углеродистого вещества тер-ригенно-осадочных пород и руд местрождений Бургуатского'рудного и его роли в накоплении золота.

3. Исследование межэлементных связей и выявление новых геохимических критериев поисков и оценки золотого и серебряного оруденения.

Поставленные задачи определили выбор объектов исследования: изучению методом ИНАА подверглись вмещающие породы и руды месторождений Кыллах и Емельяновское Бургуатского рудного узла, а также рассеянное органическое вещество, выделенное из них. Всего было проанализировано более 150 образцов и сделано около трех тысяч элементоопределений. Исключительно важное значение имела реализа-

- 22 -

ция многоэлементных измерений, при которых пороги определения большинства редких элементов были значительно ниже кларковых концентраций. Геохимическая информация, полученная методом ИНАА, интерпретировалась на основе результатов геолого структурных и ми-нералого-петрографических исследований, выполненных сотрудниками ОНИЛ.

Бургуатский рудный узел ( БРУ ) площадью около 400 км2, включающий Куларское рудное поле, расположен в центральной части Улахан-Сисской рудной зоны Куларо-Полоусненской металлогенической провинции. В структурном отношении БРУ приурочен к сводовой части Улахан-Сисской антиклинали, являющейся северо-западной ветвью Ку-ларского складчато-глыбового поднятия и протягивающейся в северо-восточном направлении более 90 километров.

Общая позиция оруденения определяется положением протяженной антиклинали субмеридионального направления в зоне линейной складчатости миогеосинклинальной области ( образований верхоянского терригенного комплекса ). Пространственно оруденение тяготеет к крыльям антиклинали, сложно дислоцированным наложенной складчатостью высоких порядков и элементами разломной тектоники. Рудные тела располагаются субсогласно с горизонтами терригенных углеродистых пород. Минерализованные зоны дробления и секущие рудные тела.имеют, как правило, ограниченное распространение, малую протяженность и контролируются продольными разломами.

Вмещающие породы представлены флишоидной песчано-алевро-пе-лито-глинистой углеродсодержащей толщей нижнепермского возраста. Неустойчивая обстановка осадконакопления обусловила невыдержанную ритмичность разреза, сложенного прибрежно-морскими и лагунными отложениями: мелко--и среднезернистыми песчаниками с кварц-сери-цитовым и глинистым цементом, алевролитами и аргиллитами с существенно глинистым цементом. Песчаники кварц-плагиоклазового состава образуют протяженные горизонты переменной мощности как по падению, так и по простиранию ( от первых сантиметров до нескольких десятков метров ). Алевро-пелитовые образования серицит-мусковит-альбит-карбонат-кварцевого состава представлены невыдержанными по мощности линзообразными телами.

Размещение золото-кварцевых жил ( жильных зон ) контролируется разрывными структурами типа меж- и внутрислоевых срывов,

- 23 -

развитых в локальных, брахискладках высоких порядков на крыльях антиклинали. Приуроченность образования рудных тел к отдельным горизонтам песчаников либо пластам иных литотипов не установлена. Чаще всего рудные тела формируются между горизонтами разного гранулометрического состава.

Руды месторождений Кыллах и-Емельяновское относятся к золото-кварцевому малосульфидному типу. Минеральный состав руд простой: на 80-98% жилы сложены кварцем, в незначительном количестве присутствуют - кальцит, серицит, сидерит, хлорит; рудная минерализация представлена пиритом, пирротином, арсенопиритом, марказитом, халькопиритом, галенитом, сфалеритом и самородным золотом. Характерной особенностью руд является наличие в них нитевидных мелкогофрированных прослоев углеродисто-глинистого вещества и обломков ксеногенного материала. Все минералы рудных жил устанавливаются в околорудном пространстве. Во вмещающих породах наблюдается в виде линз и прослоев вкрапленность пирита, отдельные пласты алевролитов несут в себе пленочные марказит-пирротиновые включения. Типоморфной особенностью золорудных жил является присутствие сульфидной минерализации и сложное внутреннее строение -центральные участки жил сложены массивным кварцем, а в краевых частях кварц брекчиевой и полосчатой текстуры.

Для исследования были отобраны пробы основных .литотипов вмещающих терригенно-осадочных пород золоторудных месторождений. Отбор проб проводился из образцов керна разведочных скважин и материала бороздового опробования подземных горных выработок. Серия из 61 пробы включала в себя: 20 проб песчаников, 5 - метапесчани-ков, 8 - алевролитов, 11 - метаалевролитов, 15 - сланцев и для сравнения по одной пробе рудного метасоматита и дайки диабазов. В пробах вмещающих пород методом ИНАА определялись содержания 19 редких и породообразующих элементов, представляющих практически все геохимические группы: благородные металлы ( Аи и Ag), халько-фильные элементы ( БЬ), редкие щелочные металлы (Шэ и Сэ), редкие щелочноземельные металлы ( Бг и Ва ), железо и сидерофильные элементы (Сг.Co.Sc), редкоземельные элементы ( Се, Ей, ТЬ,УЬ,Ьи), редкие литофильные элементы (Та и НП и радиоактивные элементы (ТП).

По одной навеске каждой пробы массой 40-50мг, запаянные в ампулах из спектрально чистого кварца, облучались совместно с

- 24 -

многоэлементными эталонами сравнения в кадмиевом экране потоком нейтронов ядерного реактора плотностью порядка 5-1013нейтр./см2;с в течение 50 часов. В качестве эталонов сравнения использовались стандартные образцы состава СГД-1А "Габбро эссекситовое" и СЗР-2 "Серебряно-золотая руда".

Необходимо отметить, что определение золота по разработанной нами методике ИНАА представляет собой весьма сложную задачу. При облучении медленными нейтронами золото образует радионуклид 198Аи-с периодом полураспада, равным 64.7 часа. Минимальное время "остывания", необходимое для снижения начальной активности контейнера с активированными образцами в реакторе и последующей его транспортировки в измерительную лабораторию, составляет в условиях большой удаленности последней от реактора не менее 10-12 суток. Это означает, что активность радионуклида 198Аи в пробах к началу спектрометрических измерений составляет, в лучшем случае, сотые доли от первоначальной. Таким образом, при кларковых содержаниях золота в сложных по составу объектах его инструментальное определение становится невозможным. Повышенное содержание золота в углеродистых терригенно-осадочных породах БРУ и резонансная активация проб, избирательно повышающая активность радиоизотопа 198Аи на фоне других нуклидов, позволили провести количественные определения золота с необходимой чувствительностью и точностью.

Результаты ИНАА вмещающих пород Бургуатского рудного узла показали, что в целом содержания редких элементов во вмещающих породах БРУ соответствуют кларковым для осадочных пород за исключением благородных металлов - золота и серебра. Среднее содержание Аи в терригенно-осадочных породах' Бургуатского рудного узла в ■83 раза, а Ag - почти в 5 раз больше соответствующих кларков. Даже если согласиться с тем, что кларк золота в осадочных породах, равный по А.П.Виноградову 1 мг/т ( Виноградов А.П. ,1962 ), занижен, и что в действительности он практически равен кларку Аи для изверженных пород ( 4.5 мг/т по А.П.Ясыреву и Н.М.Никитину.1978), то и в этом случае можно говорить об обогащении вмещающих пород БРУ золотом и серебром как об их главной геохимической особенности.

Что касается остальных элементов, отметим несколько пониженные средние содержания в осадочных породах Бургуатского рудного

- 25 -

узла цезия, тантала, хрома и кобальта. Это связано, скорее всего, с особенностями состава исходных пород, из которых образовались терригенные осадки. Отметим также небольшой избыток в.породах БРУ редкоземельных элементов, который, как это будет показано в следующей главе, имеет для морских отложений чисто геохимическую природу.

Данные ИНАА показали, что средние содержания редких элементов в главных литотипах вмещающих пород Бургуатского рудного узла совпадают друг с другом в пределах среднеквадратических отклонений. Это позволило нам говорить о том, что средние содержания элементов в породах БРУ в целом, полученные нами, можно рассматривать в качестве местных кларков. Для проверки этого утверждения, - а также с целью оценки возможности разделения всей совокупности исследованных проб на группы, соответствующие разновидностям пород, был проведен факторный анализ данных ИНАА по методике главных компонент. Анализ показал, что четкого разделения выборки на группы по содержанию в пробах редких элементов не наблюдается. За исключением алевролитов, локализованных в пределах третьей четверти диаграммы главных компонент, остальные литотипы вмещающих пород БРУ встречаются во всех ее четвертях, имея только больший или меньший ареал. Это подтвердило правомерность использования установленных средних содержаний элементов в терригенно-оса-дочных породах Бургуатского рудного узла в качестве-местных ( региональных ) кларков.

Анализ распределения редких элементов в главных литотипах вмещающих пород Бургуатского рудного узла показал, что золотом обогащены все исследованные разновидности терригенно-осадочных пород, и при этом средние значения содержаний, полученные нами, намного больше содержаний золота в черносланцевых отложениях, установленных другими исследователями ( С.Д.Шер, 1978; П.А.Ваганов, 1988 ).

Анализируя распределение золота в разновидностях черносланцевых пород БРУ, мы пришли к выводу о том, что главным механизмом накопления Аи в биогенных осадках было его соосаждение с сульфидами. Этот тип механизма перехода золота в осадок, описанный Н.П.Ермолаевым и Н.А.Созиновым ( 1986 ), объясняет четкую пространственную связь повышенных фонов золота, а затем и стратиформ-

- 26 -

ных месторождений Аи с формацией черных сланцев. Он показывает также, что прямая химическая связь Аи с органическим веществом геохимически незначима, а определяющей является опосредованная связь: осаждающееся органическое вещество.-» образующиеся углеводороды -> развитие на фронте углеводородного заражения сульфатре-дуцирующих бактерий -» генерируемый бактериями сероводород -» осаждение из морской воды сульфидов макрометаллов ( Ге, Аэ ) -» со-осаждение микроколичеств золота с сульфидами -* восстановление золота.

Данные ИНАА показали, что при метаморфизме терригенно-оса-дочных пород БРУ в них происходило перераспределение редких элементов. При этом, если при метаморфизме песчаников происходил вынос из них большинства редких элементов, то при метаморфизме алевролитов наоборот - их привнос ( содержания элементов в мета-песчаниках меньше, чем в песчаниках, а в метаалевролитах - больше, чем в алевролитах ). Тот факт, что при метаморфизме песчаников БРУ в них в максимальной степени уменьшается содержание рубидия - геохимического аналога калия, а алевролиты и метаалевролиты больше всего обогащены именно рубидием и относительно обеднены стронцием - геохимическим аналогом натрия, позволил нам сделать вывод о том, что метаморфизуюшие потоки - водно-углекислые растворы, образующиеся при окислении органического вещества песчаников и при разложении карбонатов, имели калиевую природу и переносили редкие элементы из песчаников в вышележащие алевролиты и сланцы.

Минимальными среди вмещающих пород БРУ содержаниями золота отмечаются сланцы - наиболее глубоко метаморфизсванные породы. Данные ИНАА показали, что и другими редкими элементами сланцы обеднены по сравнению с алевролитами и метаалевролитами, и только содержание стронция в них относительно повышено. Это свидетельствует о том, что на более высоких ступенях метаморфизма ( выше зе-леносланцевой ) метаморфизующие растворы имели уже более натриевую природу и несли в себе меньше редких элементов и. прежде всего, золота.

Справедливость закономерностей в распределении и поведении редких элементов в терригенно-осадочных породах Бургуатского рудного узла, установленных при анализе средних содержаний, провере-

- 27 -

на и подтверждена на конкретных объектах. С этой целью в работе рассмотрено распределение элементов в отдельных пробах разных типов пород из разных горизонтов разных месторождений Бургуатского рудного узла.

Для изучения влияния процессов околорудного метасоматоза на состав и распределение редких элементов во вмещающих породах БРУ, были исследованы пробы пород из двух разведочных сечений месторождения Кыллах, отобранные из околорудного пространства на удалении не более одного метра от верхнего и нижнего контактов рудной жилы. Анализ данных ИНАА показал, что в подрудном горизонте содержания элементов в песчаниках, отобранных на 1.О м и на 0. 6 м ниже нижнего 'контакта рудной жилы, практически одинаковы и соответствуют средним для песчаников рудного узла значениям, тогда как проба, отобранная из точки, находящейся на 0.3 м ниже контакта жилы в этом же сечении, заметно обогащена редкими элементами. Поскольку точка отбора этой пробы удалена от места взятия следующей по глубине всего на 30 см, то нельзя объяснить ее обогащение редкими элементами изменением состава водно-углекислых растворов при региональном метаморфизме пород. Очевидно, что такое обогащение околорудного песчаника редкими элементами могло произойти под воздействием гидротермальных растворов, сопровождавших внедрение рудной жилы, и, следовательно, можно говорить о том, что мощность зоны околорудных метасоматических изменений в подстилающих . породах здесь составляет не менее 30 см. Установлено, что мощность этой зоны в покрывающих породах меньше 0.3 м.

Отметим также еще два момента. Во-первых, изменение содержаний №. Се и Ва - элементов-спутников калия в подрудных песчаниках показало их привнос в рудную зону из вмещающих пород, а изменение содержаний Бг - спутника натрия, его вынос. Это позволило нам говорить о том, что рудный метасоматоз имел калиевую природу и что обогащение пород рудной зоны редкими элементами происходило за счет их привноса из более глубоких ( от жилы ) горизонтов вмещающих пород. Во-вторых, содержание золота в околорудном песчанике заметно понижено, но объяснить это выносом Аи в более глубокие от жилы горизонты пород при метасоматозе не дают пробы из более удаленных горизонтов, в которых содержания золота находятся в пределах фонового для песчаников БРУ. Показано, что вынос золота

- 28 -

из пород рудной зоны происходил под воздействием гидротерм в формирующуюся рудную жилу. Подтверждено понижение содержания золота в породах экзоконтактов рудных жил в результате "стягивания" его в рудные тела, установленное Н. В. Росляковой и Н. А. Росляковым ( 1975 ) как закономерное явление при формировании месторождений.

Для установления связей между элементами и закономерностей их распределения в породах Бургуатского рудного узла был выполнен корреляционный анализ данных ИНАА, который показал, что все определявшиеся элементы можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся золото и серебро, не проявляющие значимых связей ни друг с другом, ни с одним из редких элементов.

Корреляционный профиль сурьмы показывает, что по геохимическому поведению она ближе к элементам второй группы - наблюдается слабая положительная связь с легкими и средними РЗЭ, щелочными и щелочноземельными элементами.

Ко второй группе относится большинство редких элементов: легкие и средние РЗЭ ( Се, Ей, ТЬ ), щелочные элементы ( Юэ, Сэ), щелочноземельные элементы ( Ва ), литофильные элементы ( Та, НГ ) и торий. Их корреляционные профили очень похожи, кривые практически повторяют друг друга, показывая сильные положительные ( г > 0.7-0.8 ) связи с легкими РЗЭ и щелочными элементами и слабые положительные ( г < 0.5 ) связи с сидерофильными элементами. Характерной особенностью второй группы является стронциевый минимум, отражающий отсутствие или слабую отрицательную'связь этих элементов со стронцием.

К третьей группе относятся тяжелые РЗЭ - иттербий и лютеций. Их корреляционные профили в целом похожи на профили элементов второй группы при более низкой силе связей. На фоне общего дефицита лютеция во вмещающих породах БРУ, установленное относительное постоянство содержаний этого элемента в изученных литотипах пород БРУ связано, по-видимому, с особенностями химизма метаморфических процессов.

Четвертую группу образуют сидерофильные элементы и близкий к ним скандий. Корреляционные профили этих элементов показывают наличие слабых положительных связей с редкими элементами, включая стронций. Для Ее и Со наблюдается лютециевый минимум и значимая положительная связь с сурьмой. Корреляционный профиль Бс показы- 29 -

вает его близость к группе редких элементов, с одной стороны ( сильная положительная связь с "Ш, легкими и средними РЗЭ, щелочными и щелочноземельными элементами, стронциевый минимум ), и устойчивая положительная корреляционная связь с элементами группы железа ( Сг, Со ), с другой.

Для количественной оценки взаимных связей элементов в исследованных породах Бургуатского рудного узла с целью установления поисковых геохимических критериев золотого и серебряного орудене-ния на заключительном этапе статистической обработки был проведен регрессионный анализ данных ИНАА и сделан расчет значений дисперсии ошибок прогноза и коэффициентов уравнений регрессии. Показано, что с высокой точностью прогнозируются содержания в породах БРУ Сг, Юз, Се и Бс; надежно прогнозируются содержания Тй. Та, Сб. Ва, НГ. Ей, БЬ, Ге, Со и УЬ, и ненадежно - содержания Аи, Ая. Ьи и Бг.

Результаты регрессионного анализа показали также не отсутствие связей благородных металлов с другими элементами, а то, что эти связи весьма слабые и могут быть выявлены только при специальной математической обработке аналитических данных.

Коэффициенты нормированных уравнений регрессии золота показали, что основной вклад в прогнозируемое содержание Аи дают Шз, Се и НГ с положительным знаком и Ва, ТЬ и Ей - с отрицательным. То есть можно говорить о том, что зоны с повышенным содержанием золота в терригенно-осадочных породах Бургуатского рудного узла характеризуются повышенными содержаниями рубидия, гафния и церия и пониженными концентрациями бария, тория и европия. Зоны серебряного оруденения в черносланцевых толщах выделяются повышенными содержаниями железа, бария и скандия при пониженных концентрациях РЗЭ, тантала и тория. Правильность сформулированных поисковых геохимических критериев золотого и серебряного оруденения в породах БРУ подтверждена в работе сравнением содержаний Аи и М в исследованных породах по данным ИНАА с соответствующими концентрациями элементов, рассчитанными по уравнениям регрессии. Показано хорошее совпадение экспериментальных и расчетных содержаний золота и серебра, вполне приемлемое для стадии поисковых работ.

Из-за исключительной важности вывода о роли биогенного фак-

- 30 -

тора в накоплении золота черносланцевыми толщами, сделанного при изучении вмещающих пород БРУ, нами было выполнено специальное исследование углеродистого вещества, выделенного из пород и руд месторождения Кыллах. При этом, мы предполагали получить вещественные доказательства правильности этого вывода, а также сведения о редкоэлементном составе углеродистого вещества.

Результаты ИНАА рассеянного углеродистого вещества пород и руд месторождения Кыллах показали, что обогащение золотом РУВ из брекчиевых руд по сравнению с вмещающими породами БРУ достигает 103 - 104 раз, а серебром - 102 - 103 раз. Это демонстрирует возможности углеродистого вещества как концентратора благородных металлов. Тот факт, что содержание сурьмы оказалось не на много больше, чем во вмещающих породах, а содержание железа в пробах РУВ с максимальной концентрацией золота и серебра даже меньше, чем в них, свидетельствует о том, что, по крайней мере, большая часть Аи и Ав находится в углеродистом веществе не в составе сульфидов.

Содержание золота и серебра в углеродистом веществе из других типов руд месторождения и из вмещающих пород оказалось много меньше, чем в РУВ из брекчиевых руд рудного столба, но во всех пробах выше, чем во вмещающих породах Бургуатского рудного узла, что и требовалось доказать. Содержания остальных редких элементов в углеродистом веществе в целом такие же. как и во вмещающих породах БРУ. Данные ИНАА показывают, что даже "аномальные" пробы РУВ из брекчиевых руд по содержанию редких элементов практически не отличаются от других проб и от вмещающих пород.

Совокупность результатов многоэлементного нейтронно-актива-ционного исследования терригенно-осадочных пород Бургуатского рудного узла Северо-Восточной Якутии позволила нам сделать следующие выводы:

- стратиформные месторождения золота в углеродистых отложениях Бургуатского рудного узла имеют метаморфогенно-гидротермаль-ный генезис.

- рудогенез обусловлен биогенным накоплением золота в период осадкообразования и последующим метаморфизмом терригенно-осадочных пород, приведшим к его перераспределению и концентрации.

- рассеянное углеродистое вещество вмещающих пород и руд

- 31 -

Бургуатского рудного узла является эффективным концентратором золота, которое находится в нем не в составе рудных минералов, а в самородном тонкодисперсном виде.

- жильное и прожилково-вкрапленное метаморфогенно-гидротер-мальное оруденение Бургуатского рудного узла сформировалось путем метасоматического замещения вмещающих пород. При этом углеродистое вещество, насыщенное золотом, переходило- в кварцевый расплав и обогащало его.

- многомерная статистическая обработка данных ИНАА вмещающих пород Бургуатского рудного узла позволила количественно оценить связи золота и серебра с другими редкими элементами и сформулировать новые поисково-оценочные геохимические критерии зон золотого и серебряного оруденения в углеродистых толщах Северо-Восточной Якутии.

•

Глава 5. НЕЙТРОННО-АКТИВАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОЗЕРА БАЙКАЛ

В связи с проблемой антропогенного воздействия на экосистему Байкала весьма актуальной стала задача изучения состава и распределения редких элементов, к числу которых относятся все тяжелые металлы и другие токсичные элементы, в донных отложениях озера. Решение этой задачи с помощью усовершенствованного метода ИНАА должно было дать ответ на вопрос о наличии или отсутствии техногенного загрязнения осадков редкими элементами. При этом, в случае положительного ответа, планировалось оценить степень интенсивности загрязнения и площадь его распространения. Если же техногенное загрязнение осадков не будет обнаружено, то распределение редких элементов в донных отложениях Байкала предполагалось использовать для выявления их геохимических особенностей, отражающих специфику процесса осадконакопления в озере.

Исследование выполнялось в течение 1991-1994 г.г. На первом этапе ( 1991-1992 г.г.) активационный метод был использован для аттестации состава нового стандартного образца , "Глубоководный донный ил озера Байкал" БИЛ-1. На втором этапе; ( 1992-1993 г.г.) методом ИНАА была проанализирована большая серия проб донных от- 32 -

ложений Южного Байкала с целью установления их техногенного загрязнения редкими элементами. Работа была выполнена в рамках научного проекта, участвовавшего в конкурсе грантов в области фундаментальных проблем охраны окружающей среды и экологии человека Государственного Комитета Российской Федерации по Высшему Образованию 1993 г. ( грант 93-7-12 ). И, наконец, на третьем этапе исследования ( 1993-1994 г.г.) нами были проанализированы и подвергнуты геохимической интерпретации результаты детального комп-лекснного изучения ряда ненарушенных колонок донных отложений и в том числе керна скважины ( BDP-93-1 ), пробуренной в осадках Байкала в 1993 г. по проекту "Baikal Drilling Project".

В 1990 г. в рамках выполнения научной программы АН СССР "Па-леолимнология Байкала" Институтом геохимии Сибирского Отделения Академии Наук был разработан и подготовлен к аттестации состава стандартный образец БИЛ-1 ( Петров Л.Л. и др.,1990 ), предназначенный для использования в качестве "фоновой" пробы ( эталона состава ) при оценке техногенного загрязнения экосистемы озера. Исходный материал для приготовления СО БИЛ-1 был отобран в Центральной котловине озера с глубины 1620 м ( рис. 2 ). •Процедура обработки и подготовки материала была стандартной ( Лонцих C.B., Петров Л.Л.. 1988 ). Лаборатория ИНАА кафедры геофизических методов разведки ИрГТУ принимала участие в аттестационных анализах СО БИЛ-1.

Содержания 18 редких элементов в СО БИЛ-1 по данным ИНАА представлены в табл. 1. Они были опубликованы нами в 1993 г. в журнале "Geostandards Newsletter" ( Bulnayev A.I., Vakhromeyev G.S., 1993 ), a в 1994 г. по окончании процедуры аттестации были обнародованы сертифицированные содержания элементов в стандарте Байкальского ила. Сравнение результатов ИНАА СО БИЛ-1 с аттестованными содержаниями показало, что данные активационного анализа совпадают с паспортными в пределах погрешности аттестации для большинства определявшихся элементов. Это еще раз подтвердило высокие метрологические характеристики усовершенствованного метода инструментального нейтронно-активационного анализа.

Сравнение содержаний элементов в СО БИЛ-1 с кларками для осадочных пород показывает ( см.табл.1 ), что в целом распределение редких элементов в стандартном образце соответствует кларко-

- 33 -

Рис. 2. Схема расположения точек отбора проб дойных отложений на акватории озера Байкал А - район БЦБК;

В - станции, удаленные от района БЦБК; С - точка отбора материала для приготовления

стандартного образца БИЛ-1; В - точка заложения скважины ВБР-93-1. - 34 -

вому, но при этом отмечается некоторый избыток урана, заметное обогащение донного ила редкоземельными элементами и явный дефицит хрома, цезия и тантала.

Результаты ИНАА СО БИЛ-1 позволили сформулировать задачу следующего этапа исследования донных отложений Байкала - нейтрон-но-активационное изучение осадков с целью оценки их техногенного загрязнения редкими элементами и выявления их геохимических особенностей, отражающих специфику процесса осадконакопления в озере. Предпосылкой постановки такой задачи явилось детальное опробование донных отложений Южной части Байкала, побережье которой наиболее промышленно развито.

В рамках работ международного экологического центра по изучению и защите Байкала ( В1СЕ1? ) в сезоне 1991-92 г.г. совместной Российско-Американской экспедицией с помощью спускаемых глубоководных аппаратов было детально опробовано дно озера в районе города Байкальска. Целью работ было изучение воздействия Байкальского целлюлозно-бумажного комбината ( БЦБК ) - основного промышленного объекта на побережье, на экосистему Южной котловины озера. Координаты каждой точки опробования донных отложений определялись с помощью спутниковой системы привязки.

Для сравнительной оценки кроме проб осадков из района БЦБК нам представлялось целесообразным исследовать методом ИНАА образцы донных отложений из районов, удаленных от комбината. Серия таких проб была отобрана экспедициями Лимнологического института и Института геохимии СО РАН летом 1992 г. с борта исследовательского судна с помощью вакуумных трубок. Опробование проводилось по траверсам: Половина - Мурино, Большие Коты - Танхой и Верхние Хомуты - Посольское ( рис. 2 ). При выборе расположения станций ( точек отбора проб ) на профилях опробования мы исходили из предположения, что изучение состава и распределения редких элементов в пробах позволит выявить динамику загрязнения донных отложений, если оно будет обнаружено.

Таким образом, серия из 40 проб донных отложений озера Байкал была отобрана для ИНАА. Она.включала в себя осадки разных фа-циальных типов, разного гранулометрического состава, взятые в точках с разной толщиной слоя воды до дна. Для выявления техногенного загрязнения осадков редкими элементами на каждой станции

- 35 -

из района БЦБК были отобраны пробы минимум из двух горизонтов осадков - самого верхнего ( до глубины 5 см от поверхности ), потенциально "зараженного", и более глубокого ( глубже 5 см ), заведомо "чистого" слоев. Для станций, удаленных от района БЦБК, глубины опробованных горизонтов были выбраны самые разные для изучения изменения содержания редких элементов по вертикали, т.е. во времени.

В качестве многоэлементных эталонов сравнения при ИНАА осадков Южной котловины Байкала как и при исследовании СО БИЛ-1 использовались международные геохимические стандарты "Андезит" АСУ-1 и "Гранит" СМ. Методика анализа также была идентичной применявшейся при аттестационном исследовании стандартного образца Байкальского ила.

Результаты ИНАА донных отложений Южной котловины Байкала показали, .что однотипные осадки озера в целом характеризуются более или менее одинаковыми содержаниями редких элементов. Это позволило нам использовать-для интерпретации аналитических данных средние значения концентраций, характерные для определенных совокупностей проб.

Совпадение в пределах стандартных отклонений содержаний определявшихся элементов в пробах из приповерхностного слоя осадков из района БЦБК с их содержаниями в пробах из более глубоких горизонтов как для илов, так и для песков, позволило нам сделать вывод об отсутствии техногенного загрязнения редкими элементами донных отложений озера в районе целлюлозного комбината.

Сравнительный анализ содержаний элементов в разных фациях осадков показал, что в целом илы имеют значительно более высокие содержания легких РЗЭ ( Се и Ш ), чем пески. Содержания средних лантаноидов ( Бт, Ей, ТЬ, Но ) в илах несколько выше, чем в песках, а концентрации тяжелых РЗЭ ( Тт и Ьи ) в обеих фациях осадков практически одинаковы. Близки средние содержания Та, НГ, Сэ, Со, ТЬ и Ва, в то время, как значимы различия для песков и для илов содержаний урана и особенно хрома. Для крупнозернистых песков, характерных для приповерхностного слоя осадков, установлено более высокое среднее содержание хрома ( 214 г/т ) и более высокий коэффициент вариации ( 61.2% ), чем для тонкозернистых песков со слюдой, типичных для более глубоких горизонтов осадков ( 155

- 36 -

г/т и 49.0% ). Это дало нам основание полагать, что природа хромовой аномалии в осадках Байкала связана с присутствием обломков хромсодержащих минералов в терригенной взвеси, поступающей в озеро с речным стоком.

Сравнение средних содержаний редких элементов в донных отложениях Южной котловины озера в целом с данными для стандартного образца БИЛ-1 ( см.табл. 1 ) показывает, что они практически совпадают. Это еще раз подтверждает сделанный нами вывод об отсутствии антропогенного загрязнения осадков озера редкими элементами. Вместе с тем, следует отметить довольно значительную разницу в содержаниях цезия и урана в отложениях Южной котловины и в образце БИЛ-1.

Поскольку дефицит Сэ, Сг, Та и БЬ в СО БИЛ-1 уже отмечался нами ранее как геохимическая особенность Байкальского донного ила, можно констатировать, что для осадков Южной котловины озера в целом содержания цезия и сурьмы еще ниже, чем в стандартном образце. Что касается урана, то его среднее содержание в осадках Южной котловины совпадает с кларковым, хотя для отдельных проб варьирует от 1.08 г/т до 11.7 г/т. Высказанное нами при анализе состава СО БИЛ-1 предположение о местном обогащении ураном донных отложений в районе отбора материала для приготовления стандартного образца подтверждается данными В.М.Гавшина и др.( 1994 ), согласно которым среднее содержание и в пелитовых илах Центральной котловины озера составляет ( 7.5±1.6 г/т ). Так как содержание цезия в. илах Центральной котловины по данным этих исследователей ( 6.9±0.9 г/т ) также близко к его содержанию в СО БИЛ-1, можно, по-видимому, говорить о том, что донные отложения Центральной котловины в целом характеризуются более высоким уровнем содержания Сз и и, чем осадки Южной котловины озера.

Сравнение содержаний редких элементов в осадках Байкала с кларками для других элементов показывает их заметное обогащение легкими РЗЭ при практическом равенстве содержаний остальных лантаноидов, и, Т11, Сг, Со, И и Ва, и явный дефицит Сэ и Та. Близость концентраций двух последних элементов в осадках Южной и Центральной ( БИЛ-1 ) котловин озера позволяет нам говорить о дефиците цезия и тантала как о надежно установленной геохимической особенности донных отложений Байкала.

- 37 -

Таблица 1.

Содержания редких элементов в донных отложениях Южной котловины озера Байкал в сравнении с геохимическими стандартами, г/т

Элемент Осадки из района БЦБК ( п=20 ) Осадки из районов, удаленных от БЦБК ( п=20 ) Осадки из Южной котловины в целом ( п=40 ) Стандартный образец БИЛ-1 * • ГЛИНЫ платформ ** Кларки для осадочных пород

Се 71±22 98±49 85140 82.5+3.7 70 50

N¿1 37+11 46+21 41+17 41.012.1 33.2 23

Бт 6. 6±2.1 8.4±3. 8 7.513.1 7.5710.72 6.9 6.5

Ей 1.5+0.2 1. 6±0. 2 1.610.2 1.3010.10 1.34 1.0

са 5.5±0.9 6.1+1.6 5.811.3 5.5010.37 6.0 6.5

ТЬ 1.0±0. 2 1.2±0.5 1.110.4 1.09Ю.07 1.0 0.9

Но 1. 010. 4 1.010.3 1.010.3 1.43+0.17 1.2 1.0

Тт 0.410.1 0.510.2 0.410.1 0.46+0.05 0.5 0.25

УЬ 2.9+0.5 3.511.3 3.211.0 2.76Ю.10 3.2 3.0

Ьи 0.4±0.1 0.5+0.1 0.4Ю.1 .0.38+0.05 0.5 0.7

и ■ 3. 8±1. 8 4.612.3 4.212.1 8.7910.24 3.2

ТЬ 5. 2±2. 6 11.7111.5 8.518.9 10.511.3 И

Сг 119+74 53125 89162 59.517.6 100

Со 27+5 2117 2417 21.5И.6 20

СБ 3.2+0.9 4.311.4 3.711.3 5.6010.44 12

Та 0. 9±0. 2 1.1+0.3 1.0+0.3 0.91Ю.05 3.5

НГ 5.2+0.7 7.414.6 6.313.4 ,4.4110.51 6.0

Ва 574+351 7791535 6861466 710+70 800

Примечания: * - по А.1.Ви1пауеу, С.Б.УаКИготеуеу, 1993; ** - по Ю.А.Балашову, 1976; *** - по А.П.Виноградову. 1962.

Наиболее интересной геохимической особенностью осадков Байкала является их обогащение легкими лантаноидами ( Се и Ш ). Как известно ( Балашов Ю.А., 1976 ), редкоземельные элементы являются чувствительными индикаторами природных процессов, однако данных об их поведении при литогенезе сравнительно мало, а в процессе глубоководного озерного осадкообразования практически нет вообще.

Анализ распределения РЗЭ в осадках Байкала показал, что обогащены легкими лантаноидами только глубоководные пелитовые илы независимо от места их отбора, тогда как песчаная фация осадков такого обогащения не имеет. Показано, что причиной этого обогащения является, главным образом, осаждение сорбированных на поверхности частиц тончайшей пелитовой взвеси коллоидных высокомолекулярных соединений с РЗЭ. Поскольку сорбирующая способность взвеси прямо зависит от температуры воды в бассейне, высказано предположение о том. что содержание легких лантаноидов в глубоководных илах должно зависеть от климатических условий в эпоху их образования, т. е. фракционирование РЗЭ в вертикальных колонках осадков отражает изменения климата в прошлом.

Палеоклиматические исследования с целью реконструкции обста-новок окружающей среды и климата являются одним из важнейших научных направлений лимнологии. В связи с этим, нам представлялась весьма интересной и практически важной проверка сделанного выше предположения о возможности использования фракционирования легких РЗЭ в осадках Байкала в качестве индикатора температуры воды в бассейне в период осадкообразования. Если редкоземельный геотермометр действительно существует и может использоваться при палео-реконструкциях климата, то это означает, что в руки исследователей попадает еще один инструмент для познания тайн прошлого.

Анализ палеоклиматов антропогена показывает, что они испытывали частые и резкие колебания ( Равский Э. А.. 1972 ). Амплитуда их нарастала во времени и достигала максимума в верхнем плейстоцене. Волны похолодания непрерывно чередовались с волнами потепления, что давно привело исследователей четвертичного периода к заключению о циклическом развитии климата и физико-географической обстановки вообще. Таким образом, на основе гипотезы о циклическом изменении климата юга Восточной Сибири в антропогене, нами были проинтерпретированы данные о распределении РЗЭ в осадках

- 39 -

Байкала с точки зрения палеоклиматических реконструкций.

Для проверки зависимости содержания легких РЗЭ в донных отложениях озера от изменения условий осадконакопления, прежде всего - климата, нами было выполнено совместно с'В.А.Бобровым ( 0И-ГиГ СО РАН ) и В.И. Резниковым ( Томский технический университет ) специальное исследование. Содержания лантана определялись методом ИНАА в материале ненарушенной вертикальной колонки осадков 18 станции, расположенной в районе Академического Хребта ( рис. 2 ). Полученные данные подтвердили циклический характер распределения La, отражающий изменения климата в процессе накопления колонки, и позволили разработать схему интерпретации циклических кривых фракционирования легких РЗЭ в осадках Байкала.

Правильность методики интерпретации циклических кривых распределения легких РЗЭ в осадках Байкала, подтверждена анализом нескольких детально изученных вертикальных колонок, отобранных в разных частях дна озера. Используя аналитические данные, полученные другими исследователями, и строя по ним циклические кривые фракционирования легких РЗЭ, мы получили результаты климатических палеореконструкций, хорошо согласующиеся с данными других методов.

В заключение разработанный нами способ палеореконструкции был использован для интерпретации аналитических данных по 100 метровой колонке осадков скважины BDP-93-1, пробуренной в осадках Байкала в 1993 г. в рамках международного исследовательского проекта "Baikal Drilling Project " (Кузьмин М.И. и др.,1993 ). Для этого мы воспользовались данными о содержании в керне скважины легких РЗЭ, полученными японскими исследователями под руководством профессора Ш:Хория ( университет г.Нагоя ).

Сравнение результатов интерпретации построенной циклической кривой распределения церия с климатическими зонами, выделенными по палинологическим данным, показало их хорошее соответствие и еще раз подтвердило правильность предложенного метода климатических палеореконструкций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Предложены, обоснованы и реализованы приемы необходимого для эффективного решения геологических задач повышения чувствительности метода многоэлементного'инструментального нейтронно-ак-тивационного анализа сложных по составу объектов. Важными приемами повышения чувствительности являются: переход к высокоинтенсивному потоку нейтронов ( порядка 1019 нейтрон/см2); рациональное использование тепловой и надтепловой компонент нейтронного спектра; применение радиационно-стойкого материала - кварца для изготовления ампул-контейнеров, содержащих исследуемые и эталонные образцы; использование спектрометрической системы с двумя полупроводниковыми детекторами, обладающими высоким энергетическим разрешением и предназначенными для работы'в разных, но перекрывающихся областях энергетического спектра: коротко- и длинноволновой.

2. На основе предложенных приемов повышения чувствительности расширен круг элементов, определяемых с помощью метода ИНАА при исследовании сложных по составу геологических объектов, и достигнуты пределы обнаружения, которые значительно ниже - в среднем на порядок величины - соответствующих кларков элементов в земной коре-. К ним относятся редкие и рассеянные элементы, представляющие все основные геохимические группы ( литофильную, сидерофильную и халькофильную ) и имеющие важное индикаторное значение в геолого-геохимических исследованиях: редкоземельные элементы ( Ьа, Се, Ш, Бш, Ей, Сб. ТЬ, Но, Тш, УЬ и Ьи ), редкие щелочи ( Из, Сэ ), редкие щелочно-земельные элементы ( Бг, Ва ), радиоактивные элементы (и, № ), а также тантал, цирконий, гафний, скандий, хром, кобальт, сурьма и др.

3. Предложены, обоснованы и реализованы приемы повышения точности многоэлементного ИНАА сложных по составу геологических объектов. Учтена и снижена роль возможных погрешностей ИНАА, связанных с использованием высокоинтенсивного потока нейтронов ядерного реактора: неоднородности потока, возмущения потока веществом анализируемых образцов, эффекта выгорания нуклидов и вклада возможных интерферирующих ядерных реакций. Учтены и снижены погреш-

- 41 -

ности, связанные с измерением наведенной активности образцов: с самопоглощением регистрируемого излучения веществом образцов, с аппаратурными эффектами, с воспроизводимостью геометрических условий измерений.

4. Усовершенствованы многоэлементные эталоны сравнения для ИНАА: уточнены, а во многих случаях определены впервые, содержания редких и рассеянных элементов в большой группе государственных стандартных образцов состава горных пород и других обьектов' окружающей среды. Выбраны оптимальные многоэлементные эталоны. Показано, что эффективным средством контроля правильности ИНАА при определении субкларковых концентраций редких элементов являются оптимально выбранные и надежно аттестованные геохимические стандарты.

5. Показано, что данные ИНАА служат надежной базой для многомерной статистической обработки получаемой информации ( корреляционный, кластерный, факторный и др. виды анализа ). Надежность обеспечивается, во-первых, тем, что каждый объект описывается многими признаками, т.е. четко локализуется в многомерном пространстве, и во-вторых, тем, что функцию признаков выполняют концентрации элементов, установленные с помощью высокоточного и чувствительного аналитического метода. При этом исключается появление ложных корреляций, нередко возникающих при использовании недостаточно чувствительных и точных методов. Интерпретация данных ИНАА с привлечением аппарата многомерной статистики позволяет, как показывает ряд приведенных в работе примеров, изучать геологические объекты и процессы с качественно новых позиций.

6. Методом ИНАА исследованы содержания и распределения редкоземельных элементов, тантала, тория и урана в разных генерациях перовскита - ведущего породообразующего минерала щелочно-ультра-основных пород массива Африканда на Кольском полуострове. Обработка полученных данных с помощью приемов многомерной статистики показала, что по содержанию редких элементов перовскиты четко дифференцируются по группам, соответствующим главным типам пород массива, что совпадает с результатами минералого-петрографических исследований. Вместе с тем, установлено, что изменение абсолютных содержаний редких элементов, а также изменение отношений их содержаний при переходе от одной генерации перовскитов к другой

- 42 -

тесно связаны с определенными особенностями петрогенеза и отражают металлогеническую специализацию пород массива.

7. Показано, что с помощью метода ИНАА могут быть проверены схемы изоморфного замещения минералообразующих элементов примесными - в исследованных перовскитах повышенные содержания РЗЭ, Та, Тй и и связываются с изоморфным замещением ими кальция и титана. Установлено, что перовскиты щелочных пегматитов массива Африканда характеризуются повышенной танталоносностью, имеющей практическое значение. Совместное рассмотрение содержания и распределения редких элементов в перовскитах разных генераций подтвердило вывод о комагматичности и генетическом родстве щелочных пегматитов, наиболее обогащенных редкими элементами, и щелочных ультраосновных пород массива Африканда.

8. Впервые проведены базирующиеся на данных усовершенствованного метода ИНАА и использовании для их интерпретации средств многомерного статистического анализа комплексные детальные исследования стратиформных месторождений золота и серебра, залегающих в терригенно-осадочных углеродистых отложениях Северо-Восточной Якутии. Разработана новая методика изучения условий формирования и размещения золото-серебряного оруденения, установлены геохимические критерии его поисков. На основе данных ИНАА исследована геохимическая специализация литологических разновидностей пород рудовмещающей толщи, изучены типохимические особенности рассеянного углеродистого вещества вмещающих пород и руд месторождений.

9. Установлено, что основным процессом, в результате которого сформировалось золотое оруденение, было гидротермально-мета-морфогенное преобразование вмещающих терригенных пород..Доказано, что эффективным концентратором и транспортером золота является рассеянное углеродистое вещество черных сланцев; при этом золото находится в нем в тонкодисперсном металлическом состоянии или же в виде золотоорганических соединений. Перенос золота при метаморфизме осуществлялся гидротермальными углекислыми растворами, образующимися при окислении углеродистого вещества и разложении карбонатов первично-осадочных пород. Жильное и прожилково-вкрап-ленное золотое оруденение сформировалось путем метасоматического замещения вмещающих пород. При этом углеродистое вещество, насыщенное золотом, переходило в кварц и обогащало его.

- 43 -

10. Методом ИНАА проведено аттестационное исследование стандартного образца " Глубоководный донный ил озера Байкал " БИЛ-1. Установлено, что содержания 18 редких элементов в этом стандарте в целом соответствуют кларковым для осадочных пород, и он может использоваться в качестве " фоновой пробы " при геоэкологических исследованиях на Байкале. С целью оценки современного 'состояния экосистемы Южной котловины озера, побережье которой испытывает максимальную антропогенную нагрузку, методом ИНАА исследованы осадки приповерхностного слоя донных отложений юга озера. В результате установлено, что техногенное загрязнение осадков Байкала отсутствует, и что распределение редких элементов в донных отложениях имеет естественный природный характер. Это позволило использовать данные ИНАА для геохимической интерпретации.

11. Характерными геохимическими особенностями донных отложений озера Байкал являются - избыток легких РЗЭ и дефицит цезия, тантала и сурьмы. Показано, что обогащение глубоководных донных отложений озера легкими лантаноидами происходит за счет выпадения в осадок сорбированных на взвеси РЗЭ. Исследованы факторы, влияющие на содержание РЗЭ в донных отложениях Байкала. Установлено, что фракционирование лантаноидов сопровождает изменения фациаль-ного состава осадков, происходящие при изменении условий седимен-тогенеза, и, прежде всего, климата. Предложен новый способ пале-оклиматических реконструкций по изменению содержаний легких РЗЭ в вертикальных колонках осадков озера. Работоспособность способа доказана путем анализа серии детально изученных колонок осадков, отобранных в разных точках дна Байкала.

Общим итогом исследований, представленных в диссертации, является решение крупной и актуальной научно-технической задачи разработки аппаратурно-методического комплекса многоэлементного инструментального нейтронно-активационного анализа, обеспечивающего решение современных задач геохимии на основе изучения распределений редких элементов в разнообразных геологических объектах.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Анастасенко Г.Ф., Булах А.Г., Ваганов П.А., Булнаев А.И. Минералогия и особенности распределения тантала в камафоритах и карбонатимтах Турьего полуострова ( Мурманская область ). // Минералы и минеральные парагенезисы метасоматических горных пород. Л., "Наука", 1978, с.38-45.

2. Булнаев А.И.. Ваганов П.А., Иваников В.В., И.П.Искоз-До-линина, Мейер В.А. Редкоземельные элементы в кальцитах из карбо-натитов ( по данным нейтронно-активационного анализа ). // Вестник Ленингр. университета, 1976, No 12, с.116-125.

3. Булнаев А.И.. Ваганов П.А., Кузнецов P.A., Панкратов В.Б. Исследование стандартов магматических горных пород методом инструментального нейтронно-активационного анализа. - Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по активационному анализу. - Тбилиси, 1977. с. 43.

4. Булнаев А.И., Ваганов П.А., Кузнецов P.A., Панкратов В.Б. Исследование стандартных образцов горных пород методом инструме-нального нейтронно-активационного анализа с использованием полупроводниковой гамма-спектрометрии высокого разрешения. // Прикладная ядерная спектроскопия. Вып. 8. - М. : Атомиздат, 1978. с. 232-242.

5. Булнаев А.И. Исследование стандартов горных пород и типо-химичееких особенностей некоторых минералов методом инструментального нейтронно-активационного анализа. - Диссерт. ... кандидата геолого-минералогических наук. - Л., 1978. -258 с.

6. Булнаев А.И. Многоэлементный инструментальный нейтрон-но-активационный анализ сложных по составу геологических объектов. - Тезисы докладов регион, конф. "Состояние и пути повышения эффективности геофиз. работ в Вост. Сибири и на Дальнем Востоке". - Иркутск, 1978, с. 139.

7. Булнаев А.И. Нейтронно-активационный анализ стандартных образцов горных пород. - Тезисы докладов X конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири.-Иркутск, 1982. с.160-161.

'8. Булнаев А.И. Нейтронно-активационное изучение типохими-ческих особенностей перовскитов щелочных, ультраосновных пород

- 45 -

массива.Африканда. - Тезисы докладов V Всесоюзного совещания по Активационному Анализу и другим радиоаналитическим методоам. т.2, - Ташкент, 1987. с.333.

9. Булнаев А.И. Инструментальный нейтронно-активационный анализ новых стандартных образцов состава СССР. - Тезисы докладов научной сессии " Ядерная геофизика в геологии" Ленинградского государственного университета. - Л.: Издательство ЛГУ, 1988. 'с.8.

10. Булнаев А.И. Нейтронно-активационное изучение тиохимичес-ких особенностей перовскитов щелочных, ультраосновных пород массива Африканда. /У Нейтронно-активационный и рентгено-радиометри-ческий анализ в геологии. - Новосибирск, 1988. с.19-30.

11. Булнаев А.И., Давыденко А.Ю., Беликов М.Г. и др. Многомерный статистический анализ данных ИНАА вмещающих пород золоторудных месторождений стратиформного типа в черносланцевых толщах. // Геолого-морфологические особенности месторождений полезных ископаемых. - Иркутск, 1990. с.89-107.

12. Булнаев А.И., Вахромеев Г.С. Инструментальный нейтрон-но-активационный анализ государственных стандартных образцов горных пород СССР. - Тезисы докладов III Региональной конференции " Аналитика Сибири - 90 ", ч.I, 1990. с.168-169.

13. Булнаев А.И. Ядерная геофизика ( Учебное пособие ). - Иркутск, ИПИ, 1990. -84 С.

14. Булнаев А.И., Вахромеев Г.С. Инструментальный нейтрон-но-активационный анализ геохимических стандартных образцов донного ила оз. Байкал ( БИЛ-1 ) и золы каменного угля ( ЗУК-1 ). -Тезисы доклада Международной конференции по экологии Сибири "Си-бэко-93", 4.2. - Иркутск, 1993. с. 89-90.

15. Булнаев А.И., Вахромеев Г.С. Инструментальный нейтрон-но-активационный анализ государственных стандартных образцов горных пород России. - Иркутск, 1994. -34 с. Депонировано в ВИНИТИ 07.06.94, No 1391-В94.

16. Булнаев А.И. Редкоземельные элементы в глубоководных донных отложениях озера Байкал как индикаторы климата прошлого. Тезисы докладов междунар. конфер. "Закономерности эволюции Земной коры", т. 1, Санкт-Петербург, 1996, . с. 31.

17. Булнаев А.И. Исследование состава и геохимических особенностей донных отложений озера Байкал методом многоэлементного

- 46 -

нейтронно-активационного анализа. - Тез. докл. межд. конф. "Зако-номерн. эвол. Земной коры", т.1, Санкт-Петербург, 1996. с.242.

18. Ваганов П. А., Булнаев А. И., Жуковский A.H.-, Мейер В. А. Активационная методика определения изотопных отношений 180Hf/174Hf, 94Zr/174Hf и 94Zr/180Hf в минералах и горных породах. // Геохимия. 1975, No 5. с.771-773.

19. Ваганов П.А., Булнаев А.И., Анастасенко Г.Ф. Методика и некоторые результаты изучения распределения увропия в карбонати-тах и породах рудного комплекса Турьего п-ова. // Записки Всесо-юзн. минералог, общ., ч. 105, 1976, с.227-232.

20. Ваганов П.А., Булнаев А.И., Мейер В.А., Пономарев B.C. Нейтронно-активационное определение редкоземельных элементов в природных кальцитах с использованием полупроводникового детектора. // Журнал аналит. химии, 1976, вып.1, с.49-51.

21. Ваганов П.А.. Булнаев А.И., Жуковский А.Н., Куликов В.Д., Мейер В. А. Многоэлементный нейтронно-активационный анализ воды Невы и сети Ленинградского водопровода. // Водные ресурсы, No 5, 1976. с.163-171.

22. Ваганов П. А., Булнаев А. И., Жуковский А. Н., Мейер В: А. Об использовании планарных полупроводниковых детекторов из сверхчистого германия в инструментальном нейтронно-активационном анализе. // Прикладная ядерная спектроскопия, вып. 6. 1976, с.191-195.

23. Ваганов П.А., Булнаев А.И., Беляев А.М., Мейер В.А. Применение активационного анализа для исследования типоморфизма сосуществующих минералов по особенностям состава лантаноидов. // Ученые записки Ленингр. ун-та. Вопросы геофизики, 1977, No 26, с. 70-75.

24. Ваганов П.А., Булнаев А.И., Пивень П.И. Инструментальное нейтроно-активационное определение субмикроколичеств иридия в природных объектах. // Доклады АП УССР. сер."Б", 1977, No 5. с. 388-391.

25. Ваганов П.А., Булнаев А.И., Жуковский А.Н. К инструментальному методу нейтронно-активационного определения микроколичеств урана. // Прикладная ядерная спектроскопия, вып.7, 1977, с. 289-294.

26. Вахромеев Г.С., Булнаев А.И., Жуков Г.И. Типохимические особенности золото-серебряного месторождения по данным ИНАА.- Те- 47 -

зисы докл. IV Всесоюзн. Совещ. "Теория и практика геохим. поисков в современных условиях". М., 1988. с.27.

27. Vaganov P.A.. Bulnayev A.I., Zakharevic К.V., Kobr М., Dedacek К. Multielement Neutron-Activation analysis of rocks from an Au-Ag deposit. // Acta Unlversitatls Carolinae, No 4,.1976, p.347-355.

28. Vaganov P.A., Bulnayev A.I., Kobr M., Dedacek K. Analysis of uranium ores with semiconductor detectors. // Journal of Geol. Sciences. Uzita Geofyzika, v.15, 1978. p.121-127.

29. Vaganov P.A., Bulnayev A.I., Kulikov V.D., Kobr M. Multi-component Activation analysis of the rocks samples from the Zlate Hory ore district, NW Moravia, Czechoslovakia. // Casopis pro ml-neralogii a geologii, roc.25, c.2, 1980, p.137-149.

30. Bulnayev A.I., Vakhromeyev G.S. Instrumental Neutron-Activation Analysis of two new geochemical reference samples: Bottom silt from lake Baikal, BIL-1 and Brown Coal Ash, ZUK-l. // Geostandaras Newsletter, v.17, No 2, 1993, p.205-208.

31. Bulnayev A.I. Neutron Activation investigation of composition and geochemical peculiarities of Lake Baikal bottom sediments. - In: Nuclear physics for protection of the environement ( NPPE-95 ). Dubna, RUSSIA, 1995. p.60-61.

32. Bulnayev A.I. Neutron Activation Analysis Investigation of the composition and geochemical peculiarities of Lake Baikal bottom sediments. // Analyst, v.120, 1995, p.1445-1452.

Информация о работе

Булнаев, Андрей Иосифович
доктора геолого-минералогических наук
Иркутск, 1996
ВАК 04.00.12

Автореферат

Решение геохимических задач на основе изучения распределений редких элементов в геологических объектах с помощью инструментального нейтронно-активационного анализа - тема автореферата по геологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы