«Радон газ укажет на алмаз». Исследования ученых Центра комплексного исследования Арктики

Архангельские ученые занимаются развитием эманационного метода, основанного на использовании газа радона, который может указывать на наличие кимберлитовых тел в алмазоносных районах страны

Особенности строения алмазоносной провинции, на территории которой локализуются кимберлитовые трубки (вертикальные трубообразные тела, образовавшиеся в результате проникновения магмы), предопределили потребность в применении наиболее эффективных поисковых методов и тщательного детального минералогического исследования. Однако геолого-тектоническая, палеогеографическая и морфологическая обстановка, наличие осадочных и магматических образований определяют сложности обнаружения и прогнозирования кимберлитовых тел и родственных им пород, в пределах которых находится алмазное месторождение. Традиционные геофизические и геохимические методы не всегда эффективно работают, поэтому возникла необходимость в разработке новых технологий и разведочных способов выявления кимберлитовых трубок на алмазных месторождениях, в частности, в Архангельской области.

Сотрудники Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лавёрова Уральского отделения РАН (г. Архангельск) проводят фундаментальные исследования по выявлению критериев, которые могут указывать на наличие кимберлитовых тел или рудоконтролирующих структур в алмазоносных районах. Специалисты определили особенности поля газа радона в районе трубок взрыва и обнаружили повышенный фон радона в почвенном воздухе, в результате чего был предложен оригинальный механизм формирования повышенного радона над кимберлитовыми телами. Ученые осуществили ряд экспериментальных работ с оценкой эманирующей способности разных типов пород, которые подтверждают такой механизм. 

Евгений Юрьевич Яковлев – кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией экологической радиологии Института геодинамики и геологии ФИЦКИА УрО РАН (г. Архангельск) – рассказал, что представляют собой кимберлитовые трубки и какой надежный способ предложен учеными для их выявления на основе использовании радона.

«Алмазы – это стратегическое сырье, их роль в экономике колоссальна: промышленность, квантовые компьютеры, микроэлектроника, полупроводниковая техника – везде нужны алмазы. Ну и, конечно же, ювелирное производство. Россия занимает первое место в мире по запасам и добыче алмазов. Промышленные запасы алмазов известны только в трех субъектах России: Республике Саха (Якутия), Архангельской области, Пермском крае. В первых двух регионах коренные месторождения (трубки), в Пермском крае – россыпные. Однако в последние годы в России наблюдается снижение запасов алмазов. Существуют оценки, что в течение последующих 20 лет разведанные запасы алмазов будут полностью отработаны. Изменить эту ситуацию можно только за счет воспроизводства запасов, то есть за счет открытия новых месторождений. Однако за последние годы не было открыто сколько-нибудь значимых по запасам алмазов месторождений, хотя учёные, компании-недропользователи и проектные организации предпринимают значительные усилия, чтобы избежать возможного сырьевого кризиса. Единственный выход – совершенствовать подходы к прогнозу и поискам месторождений алмазов. Многие из известных кимберлитовых трубок были открыты стандартными геофизическими методами, в частности – магниторазведкой, поскольку благодаря содержащимся в трубках магнитным минералам, они выделялись аномалиями магнитного поля. Однако эффективность этого метода начала себя исчерпывать, особенно в сложных геологических условиях, на территориях с большой мощностью перекрывающих отложений: процент найденных трубок в выделяемых аномалиях постепенно уменьшался. Кроме этого, ряд трубок в геофизических полях проявлены слабо, то есть являются слабоконтрастными или не проявлены вовсе. Как раз такие трубки искать сложнее всего, но в ряде случаев такие трубки бывают высокоалмазоносными. Прямые методы поисков трубок также себя исчерпывают. Это так называемые шлихоминералогические методы, когда в рыхлых отложениях, например донных осадках рек, ведется поиск индикаторных минералов, которые вместе с алмазами находятся в трубках и в результате эрозии попадают в рыхлые отложения. 

Но если говорить про Архангельскую область, то наши трубки содержат относительно мало индикаторных минералов, особенно пиропов. В результате вторичных геохимических преобразований кимберлитов (сапонитизация) легкие минералы занимают большую часть общего объема трубок. Кроме того, большинство трубок слабо эродированы и имеют кратерную часть, что затрудняет попадание индикаторных минералов в окружающую среду. В связи с этими обстоятельствами актуальным становится вопрос о совершенствовании существующих методов и разработке более эффективных методов поиска алмазов. Такие работы ведутся как научными организациями, так и компаниями-недропользователями. Мы считаем, что возможным направлением в разработке новых методов к поискам кимберлитов может являться развитие эманационного метода, основанного на использовании радона, и вот почему. Известно, что радиоактивный инертный газ радон является индикатором некоторых геологических явлений, широко используется в геофизике и геологии. По его объёмной активности, например, анализируют геодинамическую активность, сейсмические события, выполняют геологическое картирование, трассирование разломов и т.д.», – Евгений Яковлев развернуто аргументировал потребность в разработке новых моделей по отслеживанию геологических процессов и поиску содержащих алмазы кимберлитовых трубок по проявлениям радиоактивного газа радона.

Почему объектом вашего поиска стали кимберлитовые трубки и что они собой представляют?

«Алмазы в Архангельской области, в основном, находятся в кимберлитовых трубках. Это геологическое образование, застывшая в недрах земли глубинная алмазосодержащая магма особого состава, имеющая трубочную форму. Сверху трубка увенчана раструбом – кратером, поскольку это своего рода мини-вулкан. А его тонкое вытянутое жерло уходит глубоко. Подъем магмы был быстрым, взрывным, поэтому их называют трубками взрыва. Сформировались кимберлитовые трубки в Архангельской области около 370 млн назад, в геологическом летоисчислении это поздний девон.

Кимберлитовая магма внедрялась по ослабленным зонам земной коры, по разломам. По одному разлому магма могла внедряться в нескольких местах, образуя сразу несколько трубок, вытянутых цепочкой вдоль разлома. В момент подъема по вмещающим породам, кимберлитовая магма оказывала сильное механическое воздействие на вмещающую среду за счет давления, температуры, газов, расплавов (область соприкосновения кимберлитовой магмы и вмещающих пород называется околотрубочным пространством). Результатом этого явилось формирование систем радиальных и концентрических трещин в околотрубочном пространстве трубок с дроблением и смещением по вертикали блоков вмещающих пород. В свою очередь развитие разломных зон и повышенной трещиноватости создает условия переноса радона в массиве вмещающих пород, поскольку величина активности газа радона является одним из признаков проницаемости геологической среды. Это и является исходной предпосылкой использования эманационных методов для поисков кимберлитовых трубок», – пояснил ученый. 

Как происходит фиксация наличия/выхода радиоактивного газа радона, свидетельствующего о нахождении кимберлитовых трубок в алмазоносных районах?

«Радиоактивный газ радон не говорит нам напрямую о нахождении кимберлитовых трубок, он лишь свидетельствует об особенностях строения территории, которые могут быть связаны с рудоконтролирующими структурами или трубками.

Для определения характера поля радона, который бы указывал на наличие проницаемых зон – разломов, трещиноватости, мы изучаем распределение объемной активности радона в почвенных отложениях. Для этого бурится отверстие в грунте диаметром 2-3 см и до глубины 0.7-1.0 метра. Отверстие маленькое, фактически укол, поэтому не вредит почвенно-растительному покрову. Туда опускается тонкий пробоотборник почвенного воздуха и выдерживается не менее 12 часов для заполнения радоном. После извлечения пробоотборника, проводится закачка накопившегося в нем радона в измерительную камеру радиометра, который дает нам значение объемной активности радона. Само измерение делается быстро, но долог процесс накопления радона в пробоотборнике (не менее 12 часов). Чтобы ускорить работы, мы используем одновременно несколько пробоотборников, в которых после извлечения из почвы можно последовательно замерить радон. Есть метод замерить работы более быстро – измерить плотность потока радона с поверхности земли. В этом случае пробоотборник представляет собой что-то вроде тарелки с известной площадью, которая в перевернутом виде ставится на землю и почти сразу производится замер радона. Но у этого «быстрого» способа есть свои недостатки. Поскольку измерение радона проводится с поверхности земли, то на выход радона оказывают сильное влияние параметры атмосферы, давление, влажность, время суток. Поэтому вариации радона могут быть существенны. В связи с этим, мы измеряем радон в почвенном воздухе, это более надежный способ», – сообщил архангельский исследователь.  

Специалисты Института геодинамики и геологии ведут многолетние полевые работы на месторождении алмазов им. М.В. Ломоносова, а также в районах других трубок взрыва, расположенных в Архангельской области под руководством Почетного разведчика недр, доктора геолого-минералогических наук Георгия Петровича Киселева. По замечанию Евгения Яковлева, его учитель и научный руководитель, выдающийся геофизик Георгий Киселев «долгое время работал в Киргизии в Средней Азии, применял методы радиоактивности для поисков месторождений полезных ископаемых. Здесь, на Севере, он решил применить свой опыт и знания для развития радиометрических методов для поисков полезных ископаемых, в частности, для алмазов, поскольку предпосылки для этого существовали».

Изучение объемной активности радона исследователи проводили в районе известных трубок Архангельской области, поскольку, по словам Евгения Яковлева, «это хороший тестовый полигон. В результате этого выявили ряд интересных особенностей поля радона в почвенном воздухе над трубками. Было установлено, что в почвенных горизонтах над кимберлитовыми телами наблюдается повышенная объемная активность радона, превышающая в несколько раз фоновые показатели. При этом наиболее контрастные радоновые аномалии формируются в околотрубочном пространстве кимберлитовых тел, наблюдается некий субкольцевой характер поля радона, который вероятно отражает развитие трещиноватости и разломных зон на контакте трубки с вмещающими отложениями, что создает условия для переноса радона в массиве пород. Кроме повышенной проницаемости пород в околотрубочном пространстве, значительное влияние на наблюдаемую активность радона оказывает концентрация материнских для радона нуклидов – урана, радия. В ходе изучения вмещающих пород в карьерах трубок нами было показано, что вмещающие породы на контакте с трубкой имеют повышенный фон естественных радионуклидов, в то время как сами кимберлиты практически не содержат радиоактивные элементы. В целом активности радионуклидов во вмещающих породах невысоки, но достаточны для продуцирования дополнительного радона».

В момент своего образования кимберлиты оказали огромное влияние на вмещающие породы. Евгений Яковлев подробно объяснил, какие происходят геологические изменения: «В окружающих трубку породах в результате механического воздействия кимберлитовой магмы, давления, воздействия температуры, газов, воды, сформировалась целая серия выраженных изменений – тектонические, минералогические, геохимические. В том числе, были созданы условия для накопления во вмещающих породах небольшого количества естественных радиоактивных элементов. Вероятный механизм образования повышенной активности радона, который мы видим над трубками, выглядит следующим образом: радон, продуцируемый породами околотрубочного пространства и за счет повышенной проницаемости вмещающих пород, поступает на поверхность, где в почвенном воздухе мы его и фиксируем. Но это теоретическое объяснение наблюдаемого явления. Нам важно было количественно определить, какие типы пород, слагающие кимберлитовое поле (непосредственно кимберлиты, вмещающие и перекрывающие трубки отложения) и сколько продуцируют радона, какие имеют физические параметры. И мы такие исследования провели. Это исследования выполнялись в рамках молодежного гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Стабильность» № 20-35-70060. Для этого мы проводили экспериментальные работы непосредственно с пробами горных пород. Нами был изучен целый спектр радиационных и физических свойств разных типов горных пород, слагающих кимберлитовое поле. В эксперименте мы определяли активность радия-226 (материнского для радона нуклида), активность радона в свободном состоянии, коэффициент эманации, уровень продуцирования радона, пористость, плотность для различных типов пород, представленных кимберлитами жерла трубки, туфогенно-осадочными породами кратера, вмещающими и перекрывающими отложениями. Данные параметры выбраны как наиболее показательные в изучении механизма формирования радонового поля в почвенных отложениях над кимберлитовыми трубками».

Кроме того, в течение года специалисты проводили эксперименты с десятками отобранных проб, на исследование каждой из которых уходило 3-4 недели, поскольку необходимо было герметизировать каждый счетный образец для достижения радиоактивного равновесия радия-226 с дочерними продуктами распада.  Как отмечает Евгений Яковлев, «было показано, что среди изученных типов пород наибольшее количество радона в свободном газовом состоянии продуцируется породами околотрубного пространства, представленными вендскими отложениями и характеризующимися высокими значениями коэффициента эманации, удельной активности радия, скорости продуцирования радона и пористости. Это связано со структурными и геологическими особенностями околотрубного пространства, которое имеет признаки воздействия кимберитовой магмы на вмещающие породы».

Полученные экспериментальные данные позволили ученым ФИЦКИА УрО РАН построить численную модель, которая описывает распределение радона в разных типах пород на основе результатов расчета скорости продуцирования радона, и подтвердить полученную в ходе проведения полевых работ информацию. Результаты работы опубликованы в международном рецензируемом журнале Applied Sciences, входящем в базу данных Web of Science (квартиль Q2).

«Данное исследование расширяет знания о новых возможностях развития эманационных методов для поиска кимберлитовых трубок на территории Архангельской области», – подчеркнул Евгений Яковлев.

Как вы оцениваете потенциальные перспективы вашего авторского метода по поиску содержащих алмазы кимберлитовых трубок по проявлению радона?

«Пока это фундаментальные исследования, но в дальнейшем возможно использование их результатов и на практике. Но для того, чтобы была возможность использовать это на практике, предстоит выполнить еще очень большой объем работ», – убежден Евгений Яковлев.

Представленный российскими учеными альтернативный подход обладает перспективными поисковым признаками обнаружения алмазов и, вероятно, может зарекомендовать себя в геологоразведочной работе.

Фото алмаз 

Фото кимберлитовая труба