Распределение естественных радиоактивных элементов в твердых вулканитах и радиогенных газах из вулканов и гидротерм камчатки и курил

На правах рукописи

АНДРЕЕВ ВИКТОР ИЛЬИЧ

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ТВЕРДЫХ ВУЛКАНИТАХ И РАДИОГЕННЫХ ГАЗАХ ИЗ ВУЛКАНОВ И ГИДРОТЕРМ КАМЧАТКИ И КУРИЛ

25.00.04 – петрология, вулканология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск - 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Шарапов Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Леснов Феликс Петрович

доктор геолого-минералогических наук

Кассандров Эрнест Григорьевич

Ведущая организация: Учреждение РАН Институт геохимии

им. А. П. Виноградова СО РАН,

г. Иркутск

Защита состоится 26 апреля 2011 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.067.03 при Учреждении РАН Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (в конференц-зале) по адресу: 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3, факс (8383) 333-27-92, (8383) 333-35-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН.

Автореферат разослан « 14 » марта 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета О. М. Туркина

доктор геол.-мин. наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Естественные радиоактивные элементы (ЕРЭ) имеют важное научное и практическое значение. В ряде стран атомные электростанции дают более 20% электроэнергии, энергетические установки на основе ЕРЭ используются в космосе; по вариациям содержания радиогенных газов в термальных источниках был дан прогноз Хайченского катастрофического землетрясения, произошедшего в Китае в феврале 1975 г.

Полученные при извержения Новых Толбачинских вулканов данные о содержании и распределении ЕРЭ в последовательно извергающихся вулканитах, показали активную миграцию ЕРЭ (урана, тория, калия) в процессе извержения. Исследование содержания ЕРЭ в породах вулканических фаций пород выявило заметные различия между ними.

Цель работы – исследование закономерностей распределения естественных радиоактивных элементов в вулканитах различных фаций и фумарольных возгонах; исследование радиоактивного равновесия между материнскими и дочерними радионуклидами в породах действующих вулканов Камчатки. Исследование закономерностей изменения объемной активности радона (ОАRn) в почвенном воздухе и в спонтанных газах термальных источников, приуроченных к действующим вулканам и районам сейсмотектонической активизации. Определение причин вариаций (ОАRn).

Основные защищаемые положения.

1. В вулканогенных породах Камчатки содержание естественных радиоактивных элементов определяется двумя главными факторами: а) фракционированием магмы в питающих очагах, б) ретроградным кипением магм при извержениях.
2. Максимальные содержания и дисперсия распределения естественных радиоактивных элементов, присущие породам различных вулканогенных фаций, уменьшаются по мере дегазации расплавов.
3. Радиоактивное равновесие между материнскими и дочерними радиоизотопами в вулканогенных породах нарушается в процессе извержений. Наибольшие нарушения радиоактивного равновесия выявлены в минеральных новообразованиях подводных вулканов.

4. Объемная активность радона в спонтанных газах термальных источников и гамма-активность вмещающих пород существенно увеличиваются при сейсмотектонической активизации и извержениях вулканов.

Научная новизна работы

1) В первых порциях базитовых лав обнаружены микросгущения треков – “звездочки”, с содержанием урана значительно выше фонового. Впервые установлена приуроченность аномалий ЕРЭ к определенным фациям изверженных пород; выявлено двукратное увеличение общего содержания ЕРЭ в ряду: некки – дайки - лавовые потоки - бомбы – шлаки, с изменением Th/U отношения в обратной последовательности.

2) Выявлены повышенные содержания ЕРЭ в измененных породах.

3) В породах различных вулканогенных фаций и в фумарольных возгонах наземных и подводных действующих вулканов обнаружено нарушение радиоактивного равновесия (226Ra/238U>1) и (228Ra/232Th >1). В минеральных новообразованиях подводного вулкана Пийпа (смеси барита, кальцита, ангидрита) впервые отмечено значимое отклонение от радиоактивного равновесия ( 226Ra/238U и 228Ra/232Th >>>1);

4) В снежных покровах кальдеры действующего вулкана Карымский впервые обнаружена кратковременная (месяцы) аномалия, вызванная сейсмотектонической активизацией, где ОАRn превышала фоновую для снега на два порядка.

5) При мониторинге ОАRn в спонтанных газах термальных источников, приуроченных к действующим вулканам, впервые установлены существенные вариации, связанные с извержениями вулканов и сейсмотектонической активизацией их окрестностей;

6) При эманационной съемке в местах сейсмотектонической активизации выявлены зоны повышенной ОАRn, связанные с увеличением эманационной способности и проницаемости пород в результате продолжающихся дислокаций.

Исходные материалы и личный вклад автора. Фактический материал для исследований ЕРЭ собран автором во время многолетних (1968-2008 гг.) работ на действующих вулканах Камчатки и Курил. Исследования ОАRn и гамма-активности проводились при работах на полигонах для испытаний специальной техники с ВНИИ ТРАНСМАШ (Ленинград), при геоэкологических исследованиях в районе г.г. Петропавловска – Камчатского и Северо – Курильска, при проведении учебных практик со студентами в Елизовском районе Камчатки. Систематические наблюдения и определения ОАRn при сейсмотектонической активизации на термальных источниках БТТИ и в районах извержений вулкана Карымского и кратера Токарева позволили выявить особенности и закономерности этих явлений.

Практическая значимость и апробация работы. Результаты работ были использованы в 12 отчетах по научным проектам и договорным работам; в рекомендациях по оценке санитарно-экологического состояния районов, в частности при обследовании руин маяка с ядерным источником на острове Парамушир, при разработке учебных курсов для подготовки студентов-геологов в Камчатском государственном университете имени Витуса Беринга. Основные результаты представленной работы изложены в 27 статьях, опубликованных в научных журналах и сборниках, в том числе иностранных. В журналах, определенных ВАК - 8 работ. По теме работы сделано более 30 докладов на Ученых советах и семинарах в Институте вулканологии и сейсмологии, и на тематических конференциях. В отчетных докладах с привлечением данных по радиоактивности, представленных в Институт вулканологии и ВНИИ ТРАНСМАШ автор был ответственным исполнителем. Некоторые данные были опубликованы в средствах массовой информации.

Методы исследований. Для анализов неизмененных пород отбирались наиболее представительные образцы вулканитов различных фаций. При отборе минеральных новообразований по возможности исключались примеси постороннего и вмещающего материала. В общей сложности было отобрано и исследовано более 1000 проб.

Основным методом определения ЕРЭ был гамма-спектрометрический. Определения выполнялись в Аналитическом центре Института геологи и Минералогии СО РАН (г. Новосибирск). Нижний предел определения по урану и торию составлял 0.01 г/т. Сравнение результатов анализов с данными, полученными другими методами показывало удовлетворительную сходимость. Для определения уровня индуцированного деления урана-235 применялся метод треков, чувствительностью порядка 0.001 г/т. Точность анализов с учетом эффективности регистрации треков и определения величины интегрального потока тепловых нейтронов составляла около 20%. Высокая разрешающая способность метода позволяла определять распределение урана в пределах шлифов на площади порядка нескольких см2, при полей зрения площадью около 0.01 мм2 каждое. Треки индуцированного деления U235 регистрировались на детекторах из лавсана или слюды толщиной 30 мкм при увеличении до 90х. Распределение урана рас­считывалось по соотношению треков в пределах полей зрения. При интегральном потоке 5.1015 нейтрон/см2 1 трек = 1 ус­ловной единице, = 0.16 г/т. Этим методом исследовалось микрораспределение урана. Применение лазерного метода и метода запаздывающих нейтронов позволило выполнить прямое определение U238 и выявить отклонение от равновесия между ураном и радием, встречающееся в молодых (<10 тыс. лет) изверженных породах и минеральных новообразованиях, например в фумарольных возгонах. Точность и чувствительность использованных методов анализа позволила определять содержания ЕРЭ на уровне 0.01 г/т, а также сопоставить данные различных методов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 127 страниц текста, 20 рисунков, 24 таблицы, библиографию 164 названия, состоит из общей части, четырех глав и заключения. В общей части изложены главные аспекты работы: актуальность, цель, защищаемые положения, научная новизна, практическая значимость, исходные материалы, методика. В первой главе сделан исторический обзор изучения радиоактивности вулканогенных пород и фумарольных газов островных дуг Курило-Камчатского региона в сравнении с подобными аналогами. Во второй главе показано расположение объектов исследований и распределение естественных радиоактивных элементов в вулканогенных образованиях на микро- и макроуровне. В третьей главе исследовано нарушение равновесия между материнскими и дочерними изотопами радионуклидов в вулканических породах и минеральных новообразованиях. В четвертой главе приведены результаты радиометрических и эманационных измерений в районах действующих вулканов, гидротермальных систем и потенциально опасных мест. В заключение приведены краткие выводы с акцентом на защищаемые положения.

Выражаю благодарность докторам геолого-минералогических наук: научному руководителю В.Н. Шарапову, куратору работы Г.А. Карпову, И. А. Калугину за техническую и интеллектуальную помощь; к.г–м н.: В.Л. Леонову, А. Н. Рогозину, О. Ф. Кардановой, А. Р. Дуниной-Барковской, А.В. Андрееву за постоянное участие и помощь.

Глава I. КРАТКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ РАДИО-АКТИВНОСТИ ПРОДУКТОВ СОВРЕМЕННОГО ВУЛКАНИЗМА

Радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г., а в 1908 г. австрийский ученый Джоли впервые исследовал радиоактивность лав. В России первым оценил значение радиоактивности горных пород В. И. Вернадский, организовавший радиевую экспедицию в 1911 г. В СССР работы по изучению радиоактивности были продолжены. Среди отечественных ученых, исследовавших радиоактивность горных пород и радиогенных газов известны: А. П. Виноградов, В. В. Чердынцев, Б. Г. Хлопин, Н. А. Титаева и многие другие.

На Камчатке первые исследования радиогенных газов сделаны Н.Н. Шавровой в 1936 г. на побочных прорывах Ключевского вулкана, возникших в 1932 г. В 50-60 гг. она определила содержания радия и тория в изверженных породах камчатских и курильских вулканов (Шаврова, 1937, 1958, 1961). Крупное исследование вулканогенных пород и радиогенных газов камчатских и курильских вулканов принадлежит В. В.Чердынцеву (1973), обобщившему данные по радиоактивности пород активных наземных и подводных вулканов Мира. Ряд работ по радиоактивности камчатских и курильских вулканитов выполнили Л.Л. Леонова и Н.И.Удальцова, определившие низкие и почти одинаковые содержания ЕРЭ в исследованных курильских и камчатских вулканитах, (Леонова, Удальцова, 1974).

С.И. Набоко и С.Ф. Главатских (1983) обнаружили ураганные содержания ЕРЭ в метасоматитах одной из фумарол - Ядовитой, на возникших в 1975 г. Новых Толбачинских вулканах. Измененные породы, преимущественно фторметасоматиты, содержали на три порядка больше ЕРЭ по сравнению с вмещающими базальтами.

Усовершенствование методики отбора радиогенных газов и новая интерпретация данных были предложены Ю.В. Адамчуком с соавторами, установившими, что содержание ЕРЭ определяется в значительной мере коровыми источниками (Адамчук, Карпов, 1986).

Н.А. Титаева с соавторами изучила содержание и распределение ЕРЭ в породах ряда камчатских вулканов, показала избыток радия, не подкрепленного материнским изотопом урана в молодых вулканитах и обосновала эманационный тип дифференциации (Титаева, 2000, 2005). Ю.М.Пузанков исследовал разновидности магматических, метаморфических и осадочных пород, создал общую сводку, показывающую региональные особенности геохимии пород Камчатки и сделал количественные оценки теплового потока земной коры Камчатки в связи с известным содержанием и тепловыделением ЕРЭ. Он констатировал пониженную радиоактивность и низкое торий-урановое отношение значительной части камчатских вулканитов в сравнении с континентальными породами. Данные Пузанкова согласуются с данными ведущих специалистов (Чердынцева, Адамчука, Титаевой и др.) и являются основой сводки радиоактивности большинства курило-камчатских вулканитов (Пузанков и др.1977). Наши данные дополняют эту сводку (Андреев 1979, Андреев и др. 1998, 2001, 2004, 2005, 2010).

Особенности распределения ЕРЭ в вулканитах островных дуг.

Вулканические островные дуги (ОД) прерывистым кольцом опоясывают северную и западную Тихоокеанские окраины. В предыдущие геологические эпохи ОД активно формировались почти по всей территории Земли, например, вокруг Сибирского кратона (Гордиенко, 2009). Рассмотрим важнейшие геолого-структурные особенности строения ОД, а также распределения ЕРЭ в слагающих их вулканитах.

Вулканиты островных дуг в районах Лау, Тонга, Марианского и Кюсю-Палау возникли на коре океанического типа и относятся к толеитовой серии. Они характеризуются низкими содержаниями U (0.07- 0.55 г/т), низкими значениями Th/U (< 2) и повышенными значениями K/U. Курило-Камчатская, Японская и Новозеландская островные дуги заложились на коре континентального типа. Слагающие их вулканиты отличаются более высокими содержаниями ЕРЭ, при этом значения Th/U в них сильно варьируют и иногда достигают сравнительно больших величин, а средние значения K/U в этих вулканитах низкие (Житков, 1990). По содержанию и соотношению ЕРЭ вулканиты Японской и Новозеландской островных дуг близки к вулканитам внутриконтинентальных вулканогенных структур. Высокие значения K/U в меловых и современных лавах Курило-Камчатской островной дуги свидетельствуют об её эпиокеанической природе. Предположительно источником островодужных магм с подобными геохимическими характеристиками являются высоко метамор-физованные магматические породы и осадки древней океанической коры (Житков, 1990). К близким выводам о распределении ЕРЭ, как индикаторов при определении типов коры, формирующейся в основании и обрамлении активных окраин, пришли Ю. М. Пузанков и Ю. М. Стефанов (2004). В зоне Таупо, где развиты плейстоценовые и современные вулканиты базальт-андезит-риолитовой формации, они обнаружили наиболее высокие содержания ЕРЭ и повышенные значения Th/U, которые соответствуют континентальной коре. В свою очередь, вулканиты островов Маколи, Рауль и других на севере дуги Кермадек и некоторых островов дуги Тонга характеризуются наиболее низкими содержаниями ЕРЭ и Th/U (обычно < 2), что указывает на присутствие в Тихоокеанской окраине фундамента океанического типа. Резюмируя представления вышеназванных исследователей, можно предполагать наличие двух типов островных дуг, вулканиты которых различаются по геохимическим характеристикам. Первый тип вулканитов ОД, формировался на коре океанического типа, характеризуется пониженными содержаниями ЕРЭ, небольшими, обычно <2, значениями Th/U и высокими значениями K/U. Второй тип дуг, сформированных на коре субконтинентального типа, отличается более высокими содержаниями ЕРЭ, а также большими значениями Th/U и пониженными значениями K/U.

Курило-Камчатская островная дуга, как и прочие типичные ОД, в геотектоническом отношении стандартна и состоит из трех продольных зон: фронтальной, промежуточной и тыловой. Для Курило-Камчатской ОД механизм смещения последовательно омолаживающихся геосинклинальных формаций и образования зон или поясов был предложен Г. П. Авдейко (2006). По данным В. И. Федорченко и др. (1989) заложение Курило-Камчатской ОД произошло в раннем миоцене. По более поздним данным с конца олигоцена в пределах Камчатки и Курил существовала система из двух дуг – Срединно-Камчатской и Южно-Камчатско-Курильской, разделенных трансформными разломами на стыке с Алеутской дугой. Южнее этого стыка система формировалась субдукцией Тихоокеанской плиты, а севернее - субдукцией Командорской плиты (Авдейко и др., 2006). Эти дуги маркируются современными и потухшими вулканами с комплексами вулканических пород.

Сейсмофокальная зона Курило-Камчатской ОД была выделена ранее по сейсмической активности. Сейсмические данные подтвердили наличие падающей под континент сейсмофокальной зоны, прослеживающейся до глубины порядка 500 км. При этом положение об однотипности реологического и тектонического механизма очагов землетрясений на разных горизонтах литосферы и мантии не принимается безоговорочно (Шарапов и др., 1984). Эта зона представляет собой кровлю океанической плиты, поддвигающейся под континентальную кору Камчатки. Имеются также представления о том, что расчленение Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны в продольном сечении на разноранговые элементы поперечными и продольными дислокациями связано с более глубинными источниками энергии (Шарапов и др. 1992). Существуют и другие представления о плейт-мобилизме, объясняющие современное состояние и динамику морфоструктур Земли её расширением (Антонов, 2008). С другой стороны желоба островных дуг открыты для лавинной седиментации и могут рассматриваться в качестве современных геосинклиналей (Ковалев, 1986). Курило-Камчатская островная дуга, включающая Курильские острова и Восточную половину Камчатки с границей, проходящей по восточному подножью Срединного хребта, представляет собой три протяженных зоны с молодыми и активными фронтальными и более старыми тыловыми зонами, в которых активность вулканизма и состав вулканогенных пород заметно отличаются от таковых во фронтальных зонах.

В составе вулканитов, распространенных в разных зонах Курило-Камчатской ОД, ранее установлено закономерное увеличение щелочности с востока на запад (Набоко, 1963; Апрелков, 1971). Позже Ю.М. Пузанков и др. (1991) показали, что содержание ЕРЭ в петрохимически сравнимых вулканитах близки и не зависит от положения центров извержений относительно фронта островной дуги. Поперечная зональность ОД выражена в преобладании петрохимического и радиохимического типов эффузивов: толеитовых низко радиоактивных - во фронтальной и известково-щелочных и более радиоактивных - в тыловой зоне. Продольная радиогеохимическая зональность Курило-Камчатской дуги выражается в росте торий-урановых отношений от Северных Курильских островов к Южным.

Удельные массы ЕРЭ в островодужных вулканитах и торий-урановые отношения возрастают от Восточной Камчатки к Северным, Центральным и далее к Южным Курильским островам и к о. Хоккайдо при близких количествах калия. Вариации урана и тория сопряжены с направлением от океана к окраинному морю и накоплением суммы щелочей, в основном за счет калия, что приводит к росту удельных масс ЕРЭ в изверженных породах тыловой зоны. Предполагается, что содержание ЕРЭ в магматических образованиях возрастает пропорционально сложности строения фундамента. На распределение вулканических пород с различной концентрацией ЕРЭ вдоль Курильской гряды, видимо, повлияло более высокое положение мантийного диапира на юге региона по сравнению с северным флангом островной дуги, которое энергетически обеспечивало плавление корового субстрата и поглощение его мантийным материалом. Накопление ЕРЭ в островодужных вулканитах, имеющих в основе мантийный источник, видимо, является гетерогенным процессом, который включает мантийную и коровую составляющие, различающиеся в разных регионах (Пузанков и др. 1990).

Уровень накопления ЕРЭ в породах близких петрохимических типов, развитых в пределах Курильской гряды, сопоставим с таковым для Восточной Камчатки и Северо-Восточного Хоккайдо, однако параметр Th/U имеет промежуточные значения между этими регионами. Нарастание ЕРЭ в вулканитах тыловой зоны сопряжено с увеличением щелочности лав и, возможно, связано с углублением магматических очагов, развитие которых обусловлено взаимодействием гетерогенных субстратов и глубинных флюидных потоков над сейсмофокальной зоной. Приложение полученных данных к палеовулканическим принципам дает возможность реконструировать морфологию вулканических зон и особенности магмообразования, влияющие на формирование протогенного радиохимического фона (Пузанков и др., 1991).

Глава 2. РАДИОНУКЛИДЫ В ВУЛКАНИТАХ КАМЧАТКИ И КУРИЛЬСКИХ ОСТРОВОВ

Содержание урана в исследованных вулканитах Курило-Камчтского региона, преимущественно базальтах, близко к его средним значениям в земной коре, тория приблизительно втрое меньше, поэтому Th/U низкие, свойственные камчатским вулканитам и подобным породам ОД. В субщелочных разновидностях (К ~2 % вес) содержится до 4 г/т U+Th, в базальтах нормальной щелочности (К ~ 1,1 вес %) в пределах 1,5 г/т U+Th, Th/U - в пределах 1,5. Лишь в субщелочных базальтах щитообразного вулкана Большая Ипелька при содержании ЕРЭ до 3,5 г/т, Th/U повышено до 3,6. Полученные содержания U, Th, K (Андреев и др., 1979, 1985, 2001, 2004, 2010) сходны с получеными В. В. Чердынцевым (1973), Н. А. Титаевой, (2000) и Ю. М. Пузанковым (1977). Расположение исследованных нами объектов показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема расположения объектов исследований. Вулканы: 1 – Асача; 2 – Мутновский; 3 – Большая Ипелька; 4 – Академии Наук; 5 – Карымский; 6 – Малый Семячик; 7 – Кихпиныч; 8 – Крашенинникова; 9 – вулканы Гамченского ряда; 10 - Ключевская группа вулканов; 11 – подводный вулкан Пийпа; 12 – скважина глубиной 2,5 км у восточного подножья вулкана Эбеко, (о. Парамушир); 13 – скважина глубиной 1,2 км на гидро-термальных полях вулкана Баранского, остров Итуруп; 14 – долина р. Быстрой; 15 – долина р. Паратунка, пос. Сосновка

Содержания ЕРЭ были определены в породах современных вул­канов Камчатки, в том числе изверженных в 1975 -1976 гг. во время Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ); вулкана Карымский и кратера Токарева изверггавшихся в 1996 г., в минеральных новообразованиях, отлагаю­щихся у фумарол и термальных источни­ков Восточного вулканического пояса Камчатки и подводного вулкана Пийпа (более 1000 проб). Рассмотрим особенности распределения ЕРЭ в исследованных вулканитах.

При остывании лавы возникали трещины, через которые выдавливались внутренние части лавовых потоков, формируя эллипсовидные образования-«выжимки» (рис 2). Локализованные выходы газа с Т до 13000С выносили капельки расплава, слагающие небольшие конуса - горнитосы (рис. 3). Размеры выжимок и конусов-горнитосов обычно не превышали 1,5 м.

Рис. 2. Схема «выжимки» лавы из средней части потока U < 1г/т.	Рис. 3. Схема строения горнитоса. Стрелками показано движение газа с каплями лавы, слагающими конус горнитоса U < 1г/т.

Эти вулканические образования подвергались наиболее интенсивному газотермальному воздействию, дегазации и выносу ряда элементов, в том числе ЕРЭ. Извергающаяся лава активно дегазировалась. Поствулканическая деятельность, с выделением высокотемпературных (>2000C) фумарольных газов на Южном и Северных прорывах БТТИ сохраняется в течение 33 лет, вплоть до настоящего времени. Были определены содержания ЕРЭ в изверженных породах, фумарольных возгонах, минеральных новообразованиях, и объемная активность радона (ОАRn) в вулканических газах (Андреев, 1979, Андреев и др. 2007).Установлена значительная неравномерность распределения ЕРЭ. В начале извержения Южного прорыва БТТИ до 20% урана было сосредоточено в концентрированных сгущениях (“звездочках”) в истоках лавовых потоков (рис. 4 а, б). По мере движения и дегазации этих потоков, продолжавшихся до одного месяца, сгущения рассеивались, и содержание урана уменьшалось.

Исследование содержания ЕРЭ в породах различных фаций, чаще всего представленных базальтами (более 400 проб), показало, что среди пород, не подвергшихся вторичным изменениям, среднее содержание U, Th и K возрастает примерно в 2 раза в ряду: некки – дайки - лавовые потоки - эксплозивные породы (Андреев, Пузанков, 1992). Отношение Th/U при этом неравномерно уменьшается. Содержание ЕРЭ в наиболее чистых минеральных новообразованиях (гейзериты, хлориды, сульфаты) низкое (U+Th < 1 г/т), при этом Th < U, а значения Th/U не превышают 0.5.

Рис. 4. Треки индуцированного деления 235U на детекторах из лавсана, увеличение х 90; а) («звездочки») – плотное U>> 1г/т, б) – рассеянное U > 1г/т.

Другие измененные породы (фториды, метасоматиты, пропилиты) представлены смесями различных минеральных новообразований. Они могут быть разделены по преобладанию какого-то одного вида изменений и новообразований. Содержание ЕРЭ и значения Th/U в этих новообразованиях заметно выше. Высокие содержания ЕРЭ установлены в пропилитизированных породах из керна скважин и из штолен у подножья вулкана Асача с глубин 20-400 м. Среднее - 10.9 г/т. Гамма-активность жерловых фаций шлаколавовых конусов Толбачинского дола, возраст которых более 1 тысячи лет (Брайцева, Мелекесцев, 1989), как правило, не превышает 4-6 мкР/ч, что на 15-30% ниже, чем в неизмененных шлаках и лавах, извергнутых подобными современными конусами и не подвергшихся вторичным изменениям.

Как показано на гистограмме (рис. 5), содержания урана в камчатских вулканитах соответствует континентальному типу коры, а значения Th/U в неизмененных породах соответствуют образованиям вулканических островных дуг. Было также определено, что при наложении вторичных процессов резко увеличивается диапазон содержаний и соотношений ЕРЭ.

Выветривание наиболее интенсивно проявляется в измененных породах, что хорошо видно по преимущественному освоению пионерной растительностью жерловых фаций, подвергавшихся ранее активной газотермальной проработке и гидротермальным изменениям, (Андреев и др., 2003, 2007).

В водах, приуроченных к действующим вулканам, содержание урана составляет от 10-8 до 10-4 г/л - максимальные значения отмечены в ультракислых термальных водах кратера Троицкого (вулкан Малый Семячик), что близко к его концентрации в рудничных водах зон урановой минерализации (Баранов, Титаева, 1973).

Рис. 5. Гистограммы распределения содержаний U, Th (г/т) и K (вес.%) и отношения Th/U в вулканитах Камчатки (по оси Х – типы пород); n – количество проб (спектро-метрический метод, ИГМ СО РАН). а) Неизмененные породы:1 – некки (n = 9); 2 – дайки (n = 106); 3 – лавовые потоки (n = 24); 4 – бомбы (n = 57); 5 – шлаки (n = 19); Х5 – все неизмененные породы (n = 235). б) Измененные породы и новообразо-вания: 1 –новообразования (n = 9); 2 – жерловая фация, (n = 14); 3 – жерло-вая фация с наложенным вывет-риванием (n = 13); 4 – измененные породы (пропилиты) с глубины 20 – 400 м (n = 15); 5 – гидротермально измененные породы вулкана Кихпиныч (n = 18); 6 – гидро-термально измененные породы с наложенным выветриванием (n = 4); Х6 – все измененные породы и ново-образования (n = 73).

Глава 3. РАДИОАКТИВНОЕ РАВНОВЕСИЕ МЕЖДУ МАТЕРИНСКИМИ И ДОЧЕРНИМИ РАДИОИЗОТОПАМИ

Радиоактивное равновесие в рядах распада в общем случае определяется соотношением N1/1 = N2/2, где N1- число атомов материнского изотопа, 1 - константа распада материнского изотопа, N2 – число атомов дочернего изотопа, 2– константа распада дочернего изотопа (Титаева, 2000).

Проведенные нами исследования распределения ЕРЭ в современных изверженных породах вулкана Карымский, кратера Токарева (1996 г.), Новых Толбачинских вулканов (1975-76 гг.), в фумарольных возгонах (минеральных новообразованиях) этих и некоторых других действующих вулканов Камчатки показали, что обычно реализуется соотношение: Rа > U > Тh = К. В значительной части вулканитов обнаружен избыток радия, не подкрепленный ураном.

В ксенолитах мел-палеогеновых песчаников и сланцев из вулканитов БТТИ уран и радий находятся в равновесных количествах. В cвежей лавовой корочке, обволакивающей эти ксенолиты, наблюдался трехкратный избыток радия, а в пемзовых ксенолитах со следами вторичных изменений, вынесенных при извержении кратера Токарева, избыток радия превышал трехкратный уровень.

В современных минеральных новообразованиях (сульфатах, гейзеритах, породах с примесью хлоридов) также обнаружен избыток радия, превышающий равновесное состояние более чем в два раза. В измененных породах с примесью фторидов был зафиксирован шестикратный избыток радия (Андреев и др., 1985). Наибольшая неравновесность (226Ra/238U и 228Ra/232Th) была обнаружена в современных фумарольных возгонах - барите, гипсе, ангидрите подводного вулкана Пийпа (Андреев и др., 2001, 2004)

Предполагается, что накопление Ra-содержащих минералов происхо­дит в процессе образования собственного RaSO4 и при изоморфном замещении Ва в барите (Краснов, 1995). Видимо, в баритах подводного вулкана Пийпа происходит именно изоморфное замещение бария радием и образование радиобарита, концентрирующего и консервирующего радий (Титаева, 2000). В камчатских вулканитах нарушение радиоактивного равновесия между 238U и 226Rа отмечалось Н. А.Титаевой и др. (1977). Избыток радия был выявлен в андезитовых лавах о. Кюсю, в молодых базальтовых лавах Гавайских островов (Hutuda Zinitro et al., 1967), а также в вулканитах Этны, Стромболи и особенно Везувия, где значение 226Rа/238U достигает 10 (Кортини Массимо, 1988). Возможно подобное обогащением происходит в процессе образования магмы, дифференциации расплава и в ходе извержения (Capaldi G. et al. 1976). Избыток радия может быть индикатором равновесия между расплавом и твердым матриксом (Condomines еt al. 1988), поскольку реальная скорость транспортировки расплава превышает предсказанные модельные значения (Rubin, 1988). Можно заключить, что накопление ЕРЭ и сдвиг радиоактивного равновесия (226Ra/238U >>1) происходят в периферических магматических очагах (Андреев и др. 2001). Ураганная концентрация радия в минеральных новообразованиях подводного вулкана Пийпа на глубине ~500 м сопоставима с эпитермальными месторождениями ЕРЭ на суше, оптимальными условиями для которых считаются глубина около 250 м и Т около 1500C (Смыслов, 1975). При этом смещение радиоактивного равновесия соответствует параметрам эманирующего коллектора.

Глава 4. РАДИОАКТИВНОСТЬ И ОБЪЕМНАЯ АКТИВНОСТЬ РАДОНА

Измерения интегральной гамма активности - () и объемной активности радона ОАRn проводились в районе геотермальных полей БТТИ, возникших в 1975-76 гг., в кальдерах Карымской и Академии Наук, активизировавшихся в 1996 г., и в районах активных дислокаций: Паратунского грабена у поселка Сосновка и Центрального разлома, в долине реки Быстрой около поселка Эссо.

Повышенные значения зафиксированы: 1) в кратере Карымского вулкана в межпараксизмальный период весной 1989 г - 14 мкР/ч, при обычной величине на лавовых потоках в пределах 9 мкР/ч; 2) в кратере Токарева в марте 1996 г., через два месяца после извержения - 39 мкР/ч, в последующие годы – в пределах 7 мкР/ч; 3) на микрограбене между 1 и 2 конусами БТТИ осенью 2006 г. - 20 мкР/ч, при обычной на современных лавовых потоках Северного прорыва БТТИ не более 8 мкР/ч. Измерения в районе Новых Толбачинских вулканов показали плавное снижение Т 0С и ОАRn спонтанных газов всех высокотемпературных фумарол после окончания извержения 1975-76 гг. при сохранении сравнительно высокой ОАRn в местах дислокаций толщ вулканогенных пород.

Рис. 7. Обобщенный график распределения значений ОАRn источников в кальдере Академии Наук с начала извержения в 1996 г. по 2006 г.

Исследования районов вулкана Карымского и кратера Токарева выявили наибольшую ОАRn в спонтанных газах, из приуроченных к этим вулканам термальных источников, возникших или активизировавшихся в начале извержений 1996 г. Отмечено постепенное понижение этого параметра по мере ослабления или прекращения процесса извержений (Андреев и др. 2003, 2007).

Нарушением тенденции было прекращение деятельности самого мощного Карымскиого источника, ОАRn которого до последнего извержения Карымского вулкана при средних значениях в первые эманы достигало 8,5 эман - >104 Бк/м3 (Хренов и др. 1982) (рис. 7). Причиной прекращения деятельности этого источника была интенсивная сейсмотектоническая активность, перекрывшая глубинный приток газа с повышенными эманациями радона.

Еще одним следствием сейсмотектоники района Карымских источников было кратковременное (меньше года) увеличение ОАRn на 3-4 порядка (до 104Бк/м3) в снежной толще на профиле длиной 2 км. Замеры в снежной толще были сделаны 1-5 мая 1996 г.

В термальных источниках, расположенных в кальдере Академии Наук у берегов Карымского озера, проявилась сходная тенденция. В спонтанном газе термальных источников зафиксированы высокие значения ОАRn, снизившиеся в 3-4 раза в течение нескольких месяцев. Через 6-7 лет большая часть возникших источников прекратила свою деятельность и общая ОАRn значительно снизилась (Рис 8).

Рис. 8. Среднее ОАRn Карымских термальных источников за 10 лет, включая начало извержения.

Вариации ОАRn в связи с извержением в двух группах термальных источников схожи. Вначале, в преддверии извержения - резкое увеличение ОАRn, затем плавное, иногда прерывистое уменьшение этого параметра. Гамма активность возрастает в момент извержения, затем сравнительно быстро опускается и остается на низком уровне с небольшими колебаниями.

При постоянном поступлении и сорбции радона гамма активность возрастает и показывает продолжающиеся эманации радона. При радиометрической и эманационной съемке в зонах активных разломов Паратунского грабена у поселка Сосновка и Центрального разлома у поселка Эссо обнаружены участки повышенной ОАRn до 5 кБк/м3, связанные, вероятно, с расположенными на некоторой глубине эманирующими коллекторами. Заметные вариации ОАRn, выявленные в результате работ, обусловлены дислокациями, периодически влияющими на эманационную способность и проницаемость вмещающих грунтов. Гамма активность участков низкая: у окраины Сосновки – до 6 мкР/ч, в окрестностях Эссо до 8 мкР/ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) По результатам изучения продуктов современного вулканизма Камчатки и Курильских островов, обычно концентрация ЕРЭ в вулканитах коррелируется с содержанием калия, что согласуется с данными предшествующих исследователей. Наглядным примером подобной корреляции являются субщелочные базальты вулкана Толбачик, и андезидациты Карымского вулкана, близкие по содержанию калия и ЕРЭ.

2) Низкие значения Th/U и высокие значения Ra/U в излившихся породах и в гидротермальных новообразованиях - показатель активного флюидного и эманационного переноса ЕРЭ. Одним из важных факто-ров, определяющих соотношения тория, урана и радия, то есть Ra > U > Тh, может быть особенность строения питающей системы вулканов, а именно близповерхностные периферические магматические очаги.

3) Образование субмикроскопических скоплений урана, как и рост мегакристаллов плагиоклаза, происходят еще в периферических очагах. При быстрой закалке расплава часть микросгущений урана способна сохраниться, при медленном остывании и дегазации лавы эти аномалии рассеиваются, а общая концентрация U в продуктах извержения уменьшается.

4) В процессе извержений радиоактивное равновесие в рядах распада нарушается в пользу дочерних изотопов. Локализованные выходы фумарольных газов подводных вулканов на глубинах порядка 500 м могут формировать минеральные новообразования с высоким содержанием радия. В условиях суши подобные образования соответствуют эпитермальным месторождениям на глубинах порядка 250 м и могут быть эманирующими коллекторами.

5) Извержения вулканов, активная фумарольная и сейсмотектоническая деятельность вызывают многократное увеличение значения ОАRn, реагирующего на изменения фумарольной и сейсмотектонической обстановки. Данный параметр может быть использован в качестве предвестника извержений и землетрясений. Гамма- активность вулканитов более инертна, и ее заметные изменения проявляются обычно менее отчетливо по сравнению с изменениями ОАRn.

6) Полученные данные позволяют определить общую тенденцию в поведении радионуклидов (U, Th, K и радиогенных газов) в вулканическом процессе: резкое возрастание содержаний и отклонений от равновесия во время сейсмотектонической активизации и извержения с последующим плавным, реже прерывистым снижением содержаний ЕРЭ и достижением равновесного соотношения радиоизотопов.

Список основных публикаций по теме диссертации:

1. Андреев В.И. Распределение урана в вулканических продуктах Большого трещинного Толбачинского извержения.// Вулканология и сейсмология, 1979, № 6. С. 54-61.
2. Андреев В.И., Литасов Н.Е. Особенности распределения радиоактивных элементов в вулканитах Гамченского ряда вулканов. — В кн.: Современный вулканизм и связанные с ним геологические, геофизические и геохимические явления. Тбилиси, 1980, С. 117-118.
3. Андреев В.И., Литасов Н.Е, Пузанков Ю.М. Радиоактивность пород базальт-дацитовой и андезитовой формаций Гамченской вулкано-тектонической структуры. – Вулканология и сейсмология, 1985, № 2, С. 27-49.
4. Андреев В.И., Округин В.М., Пономарев Г.П., и др. Радиоактивность субвулканических и эффузивных пород Толбачинских вулканов // Вулканизм и связанные с ним процессы. Петропавловск-Камчатский, 1985, С. 128-130.
5. Андреев В.И., Рычагов С.Н., Пузанков Ю.М. радиоактивные элементы (U, Th, K) в структуре вулкано-гидротермальной системы Баранского (о. Итуруп): содержания, закономерности распределения // Минерало-рудообразование в вулкано-гидротермальных системах островных дуг (Камчатка, Курильские и Японские острова). Материалы Российско-Японского семинара. Петропавловск-Камчатский, 1998. С. 177-182.
6. Andreev V.I., Karpov G.A. Content of Radioactive Elements (U, Th and Ra) in Recent Volcanogenetic Roks as the indicator of Their Genesis and Evolution of Magmatic Chamber // The 4 th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic. Edinburgh Scotland 20-23 September, 1999. P. 325-341.
7. Андреев В.И., Карпов Г.А., Пузанков Ю.М., и др. Распределение радиоактивных элементов в породах некоторых действующих вулканов Камчатки // Вулканология и сейсмология. 2001. № 1.С. 39-48.
8. Андреев В.И., Делемень И.Ф. Опыт изучения пространственно-временной изменчивости поля радона на юго-восточном фланге Карымского вулкана в мае 1996 г.// Вулканология и сейсмология, 2002. № 6. С. 36-41.
9. Андреев В.И., Карпов Г.А., Магуськин М.А., и др. О влиянии извержений в кальдере Академии Наук и вулкана Карымский на окружающую среду. // Вестник Краунц. 2003. № 1. С. 60-74.
10. Андреев В.И., Пузанков Ю.М., Бобров В.А., и др. Радионуклиды в гидротермальных отложениях подводного вулкана Пийпа (Берингово море) // Вулканология и сейсмология. 2004. № 1. С. 39-45.
11. Андреев В.И., Карпов Г.А. Радон в спонтанных газах гидротермально-магматической системы кальдеры Академии Наук // Материалы конференции, посвященной Дню вулканолога, 30 марта – 1 апреля 2005 г. Петропавловск-Камчатский. 2005 С. 47-53.
12. Андреев В.И. Объемная активность радона в спонтанных газах Карымских гидротермальных источников в 1996 - 2005 гг.// Материалы международного симпозиума “Проблемы эксплозивного вулканизма” к 50 – летию катастрофического извержения вулкана Безымянный. Петропавловск – Камчатский, 2006. С. 166 – 170.
13. Андреев В.И. и др. Влияние Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) 1975-1976 гг. на некоторые параметры окружающей среды в течение 30 лет // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. № 8. С. 163-176

14 Андреев В. И., Пузанков М. Ю. Вулкан Большая Ипелька – геологические и геохимические особенности //Материалы конференции, посвященной дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский, 2010, С. 85-92.

_____________________________________________________________________

Размножено с готового оригинал-макета. Формат 297/210. Тираж 100 экз. 01.03.2011г.

ООО «Фон», 683006, г. Петропавловск-Камчатский, б-р Пийпа, 9