07.03.2021

Естественная радиоактивность пород докембрийского фундамента восточной части Русской платформы


На востоке Русской платформы кристаллический фундамент покрыт мощной толщей осадочных образований и вскрывается лишь скважинами, что значительно осложняет его исследование. Глубина залегания кристаллического фундамента колеблется от 1500 м в Прикамье до 3000 м и более в южных районах Куйбышевской и северо-западных районах Оренбургской областей. Изучение керна большого количества пробуренных здесь скважин показало, что слагающие фундамент породы по составу, структуре и степени метаморфизованности имеют много общего с докембрийскими образованиями Украинского и Балтийского щитов. Это сходство наряду с постепенно пополняющимися данными абсолютной геохронологии позволяет проводить довольно уверенные стратиграфические сопоставления.

В составе пород фундамента преобладают метаморфизованные в условиях гранулитовой и амфиболитовой фаций, часто гранитизированные и превращенные в мигматиты различные плагиогнейсы и амфиболиты с абсолютным возрастом порядка 1800—2200 млн. лет (по калий-аргоновому методу). Эти породы большинством исследователей сопоставляются с беломорской серией Балтийского щита и свитой архейских гнейсов Побужья. Такие сопоставления в значительной степени подкрепляются широким развитием на востоке платформы графитоносных высокоглиноземистых гнейсов, которые по минералогическому и химическому составу и по характеру сопутствующих им метаморфических пород являются полными аналогами графитовых гнейсов Завалья и других районов юго-западной части Украинского щита.

Менее метаморфизованная суперкрустальная серия пород, представленная амфиболовыми роговиками, мелкозернистыми турмалинсодержащими гнейсами, слюдистыми сланцами и кварцито-сланцами, сопоставимая с верхней частью криворожской серии, вскрывается весьма небольшим числом скважин (около 30). Среди гранитоидов, интрудирующих в толщу архейских гнейсов, наиболее четко выделяется более древняя группа плагиогранитов и кварцевых диоритов, часто раз-гнейсованных и катаклазированных, сопоставляемая с кировоградско-житомирским (по Ю.Ир. Половинкиной) комплексом Украины, и более молодая существенно микроклиновых гранитов, в ряде случаев с отчетливыми явлениями метасоматического происхождения — аналог нижнепротерозойских токовских гранитов. Скважинами в Волгоградском Поволжье обнаружен еще один тип двуслюдистых плагиомикроклиновых гранитов, занимающих по возрасту, видимо, промежуточное положение.

Магматические породы основного ряда представлены залегающими в толще архейских гнейсов и мигматитов интрузивными телами габбро, габбро-норитов, пироксенитов и перидотитов, часто разгнейсованными и несущими кварц-плагиоклазовые и кварц-микроклиновые прожилки. Амфиболизированные диабазы известны не только среди архейских пород. Они вскрываются и в поле развития нижнепротерозойских серицитовых и слюдистых кварцито-сланцев северо-восточного склона Воронежской антеклизы.

В пределах Куйбышевского Поволжья и юго-западной части территории Татарстана в тесной ассоциации с пироксен-плагиоклазовыми сланцами и высокоглиноземистыми биотит-силлиманит-кордиерит-гранатовыми гнейсами и мигматитами большое развитие получают породы габбро-норито-чарнокитовой серии, весьма сходные с аналогичными образованиями Побужья.

Все породы фундамента интенсивно дислоцированы и в зонах разломов катаклазированы. Судить о распространенности тех или иных дислоцированных образований по скважинам можно лишь приближенно, но простой подсчет числа случаев вскрытия отдельных типов пород показывает, что наиболее широким развитием в фундаменте восточной части Русской платформы пользуются архейские гнейсы, сланцы и мигматиты, являющиеся продуктом метаморфизации и гранитизации первичноосадочных и осадочно-эффузивных образований. На них падает около 60% вскрытий.

Нижнепротерозойские суперкрустальные породы имеют спорадическое развитие (около 3% вскрытий) и сохранились лишь в неэродированных участках карельских геосинклинальных трогов (Волгоградское Поволжье, отдельные части Кировско-Кажимского прогиба, зона Сарайлинского прогиба и др.). Судя по отсутствию мощных железорудных отложений, гранитов типа рапакиви и значительных массивов анортозитов, протерозойский этап формирования фундамента в восточной части платформы протекал иначе, чем на Балтийском и Украинском щитах, и, вероятно, консолидация фундамента здесь произошла несколько раньше.

Изучение естественной радиоактивности докембрийских пород восточной части Русской платформы проводилось по кернам скважин, расположенных в пределах территорий Татарстана, Башкирии и Куйбышевской области, в целях получения объективных критериев для уточнения отбивки кровли фундамента и интерпретации результатов радиометрических исследований скважин. Как показано геологическими работами, в тех районах, где метаморфические породы покрыты маломощными наносами, радиометрические методы (пешеходная гамма-съемка, аэрогамма-съемка, эманационная съемка) позволяют достаточно точно отбивать контакты комплексов гнейсов различного состава, границы магматических интрузий, зоны тектонических нарушений и т. п.

Радиоактивность пород определялась геофизическими методами с контрольными радиохимическими анализами, показавшими хорошую сходимость полученных результатов. Анализы в достаточно представительных по весу пробах выполнялись на универсальном радиометрическом анализаторе, позволяющем проводить раздельное определение Ra, U, Th и К в породах с содержанием этих элементов, близким к кларковым.

На первом этапе исследований проанализировано 77 образцов, представляющих 13 типов различных пород. Несмотря на небольшое количество анализов, полученные результаты уже сейчас позволяют поставить целый ряд вопросов для дальнейших исследований и поэтому, с нашей точки зрения, заслуживают обсуждения.

Кроме того, эти новые данные несколько восполняют те весьма пока немногочисленные сведения, которые имеются в опубликованной литературе по радиоактивности метаморфических образований.

Радиоактивность отдельных минералов не изучалась, но здесь как и в близких по типу магматических и метаморфических породах, можно с достаточным основанием предполагать, что носителями U, Th и Ra являются как различные акцессорные компоненты — монацит, циркон, апатит, сфен и др., — так и породообразующие минералы, в решетку которых может входить до 50% общего количества радиоактивных элементов. Комплекс акцессорных минералов устанавливался не только при исследовании шлифов, но и при просмотре фракционированных по удельному весу искусственных протолочек. Каких-либо гидротермальных выделений радиоактивных минералов жильного характера ни в образцах, ни в шлифах отмечено не было, хотя возможность таких рудопроявлений надо считать вероятной, поскольку полиметаллическая свинцово-цинковая минерализация в ряде районов имеет место.

При рассмотрении первичного материала обратили на себя внимание весьма значительные колебания содержаний отдельных элементов в зависимости от степени метасоматической микроклинизации пород. Поэтому при подсчете средних цифр породы были подразделены на две группы: 1) не несущие видимых метасоматических изменений и 2) затронутые кремниево-калиевым метасоматозом, в той или иной степени микроклинизированные.

Полученные данные приведены в табл. 1. Радий дается в эквиваленте равновесного урана; для того чтобы получить его процентное содержание в породе, нужно умножить имеющуюся в таблице цифру на коэффициент радиоактивного равновесия 3,4*10в-7. Калий, выраженный в процентах, вычисленных по изотопу К40.

Соотношения между Th и К и U и К для неизмененных пород и разностей с метасоматическими кварц-микроклиновыми прожилками и выделениями показаны также на рис. 1.

Абсолютные количества этих элементов невелики, что вообще свойственно большей части магматических и метаморфических образований с рассеянной радиоактивной минерализацией.

Проанализируем поведение радиоактивных элементов в неизмененных породах первой группы (см. табл. 1). Для магматических разностей здесь обнаруживаются соотношения, уже хорошо известные по литературным источникам, а именно: в породах группы габбро их содержится меньше, чем в гранитоидах. В таком распределении сказывается литофильный характер радиоактивных элементов.

О радиоактивных свойствах метаморфических образований имеется гораздо меньше сведений. В опубликованных таблицах в большинстве случаев они объединены в очень широкие по минералогическому составу группы — гнейсы, мигматиты, гранито-гнейсы и т. д., что, естественно, вызывает значительные колебания в содержании радиоактивных компонентов и поэтому затрудняет сравнение этих цифр с полученными нами значениями.

На рис. 1. (I) достаточно четко видно, что большая часть исследованных пород характеризуется в общем небольшими содержаниями Th и К, и поэтому их анализы концентрируются в левой нижней части диаграммы. При этом амфиболиты, как следовало ожидать, тяготеют к диабазу и пироксен-плагиоклазовым гнейсам, а биотит-роговообманковые гнейсы занимают промежуточное положение между этими двумя группами. Несколько неожиданно оказались относительно обогащенными торием исследованные образцы габбро-норитов, выявить минералогическую форму этого элемента пока еще не удалось.

Близкая, но менее четкая картина отражена на рис. 1 (II), что связано, видимо, со спецификой геохимии урана и большим разнообразием форм его нахождения в магматических и метаморфических породах. Многими исследователями, в частности Е. Ларсеном и др., подмечено, что колебания концентраций урана имеют место в любой разновидности пород — не только между образцами близких по типу гранитоидов из различных мест, но и взятыми из одного и того же массива. Радий во всех случаях находится в равновесных соотношениях с ураном.

Чрезвычайно сильно изменяются количества и соотношения радиоактивных элементов в породах второй группы, подвергшихся кремниевокалиевому метасоматозу, который легко устанавливается по появлению тех или иных количеств микроклина, метасоматически замещающего плагиоклазы, биотит и даже роговую обманку гнейсов. В габбро-норитах вначале появляются антипертитовые вростки в плагиоклазах, пироксены замещаются биотитом. Обычно предшествующий калиевому натровый метасоматоз вызывает понижение номера плагиоклазов.

На рис. 1 (I, II) видно, что проявление щелочного метасоматоза во всех типах пород как магматических, так и метаморфических вызывает увеличение содержания калия и в подавляющем числе случаев —тория. Между содержаниями этих элементов, несомненно, существует прямая зависимость. Поведение урана более сложно. Для некоторых типов пород щелочной метасоматоз не только не ведет к повышению содержания этого элемента, но количество его у биотит-роговообманковых плагиогнейсов, плагиогранитов и гранодиоритов даже снижается.

При высоком содержании тория бедны ураном метасоматические микроклиновые граниты, что необычно для этих пород. М.С. Филипповым и Л.В. Комлевым на большом числе анализов гранитоидов Украинского кристаллического щита показано закономерное увеличение содержания урана и тория в направлении от существенно плагиоклазовых древних докриворожских гранитоидов к микроклиновым токовским. Повышенная радиоактивность токовского гранита по сравнению с житомирскими доказана и работами А.М. Ушаковой.

Днепровско-токовские граниты, как указывалось выше, являются в значительной степени метасоматическими и считаются нами аналогами микроклиновых гранитов исследуемой территории. Поскольку для этой группы пород у нас имеется только два определения, то, естественно, делать какие-либо серьезные выводы пока преждевременно.

Вместе с тем из имеющихся данных достаточно четко видно общее повышение содержания радиоактивных элементов в породах, затронутых кремниево-калиевым метасоматозом, причем особенно резко это сказывается на калии и тории.

Детальное минералогическое изучение тех же протолочек, которые использовались для геофизических определений, показало существенные различия не только в количестве калийсодержащих породообразующих минералов, особенно микроклина и биотита, но и в общем содержании и разнообразии акцессорных компонентов.

Среди последних возрастает количество циркона и монацита, реже ортита, а также появляются новообразования ксенотима. В ряде случаев, особенно в гранитизированных биотит-плагиоклазовых и биотит-гранатовых и графитовых гнейсах, которые большинством исследователей рассматриваются как парапороды, наблюдались цирконы двух генераций — округленные или овальные зерна с гладкой поверхностью, заимствованные из осадочных пород, и призматические с хорошо выраженными бипирамидальными окончаниями — новообразованные. Иногда вследствие разницы в окраске и характере включений в удлиненных призмах отчетливо различается находящийся внутри окатанный кристалл (рис. 2, 3).

В плагиогранитах такие новообразования выделить трудно, поскольку магматическим породам уже изначально свойственны цирконы преимущественно удлиненной формы. Монацит в породах, не затронутых щелочным метасоматозом, имеет характер единичных зерен, а в пироксен-плагиоклазовых гнейсах и породах группы габбро не обнаружен.

Появление кварц-микроклиновых выделений и даже антипертитовых вростков в плагиоклазах этих пород, приводящее в конечном счете к формированию чарнокитов различной основности, сопровождается резким увеличением количества монацита и появлением ксенотима. Последний был обнаружен только в породах, затронутых щелочным метасоматозом, в виде крупных (до 0,5 мм) неправильных кристаллов с довольно хорошо выраженной спайностью по (110), буроватых в проходящем свете в связи с обилием точечных землистых продуктов разложения. В протолочках обычно наблюдались только обломки таких кристаллов.

На весьма позднее образование монацита указывает также тот факт, что его зерна иногда располагаются вдоль поздних трещинок, содержат включения каких-либо иных минералов или имеют совершенно неправильную форму, нетипичную для акцессорных компонентов и обусловленную стесненными условиями роста. Подобные особенности монацита отмечались для фундамента восточной части Русской платформы и ранее.

Появление новообразований таких акцессорных минералов, как циркон, монацит, ксенотим, ортит и некоторых других в связи с калиевым метасоматозом докембрийских пород, описано для гранитоидов Балтийского щита и других районов. Таким образом, это явление достаточно широко распространенное.

Проведенные нами исследования показали, что данные новообразования, а также замещение ряда породообразующих минералов калиевыми полевыми шпатами, приводят к заметному повышению общей радиоактивности не только гранитоидов, но и самых различных метаморфических образований. Это повышение становится заметным на ранних стадиях проявления кремний-калиевого метасоматоза — в гнейсах с кварц-микроклиновыми прожилками, в чарнокитах и т. п. Естественно, что последнее необходимо иметь в виду при проведении любых радиометрических исследований как скважин, так и в условиях открытых территорий.

Специального обсуждения заслуживает вопрос об источнике радиоактивных элементов. Поскольку абсолютная радиоактивность пород, несущих кварц-микроклиновые прожилки, увеличивается, то их образование нельзя рассматривать только как перераспределение вещества породы в условиях зоны ультраметаморфизма. Здесь, по-видимому, происходит значительный привнос щелочей, кремнезема, радиоактивных компонентов и редких земель, входящих в состав таких акцессорных минералов, как монацит и ксенотим. Максимальное развитие процессов метасоматической микроклинизации, видимо, связано с периодом формирования токовских гранитов на Украине и их аналогов в восточной части Русской платформы.

Отмеченные в исследованных нами докембрийских отложениях, а также многими другими авторами в архейских гранитоидах новообразования циркона и монацита, связанные с весьма поздними метасоматическими процессами, заставляют осторожно подходить к использованию этих минералов для определения абсолютного возраста вмещающих пород, в тех случаях, когда наблюдаются проявления щелочного метасоматоза.





Яндекс.Метрика