Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ АЛМАЗОНОСНЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК

Изобретение относится к методам поисков и разведки месторождений алмазов и может быть использовано при проведении поисковых геологоразведочных работ на алмазы для выявления алмазоносных кимберлитовых трубок.

Кимберлиты представляют собой субвулканические образования, слагающие на платформе воронки от десятков до нескольких сотен метров в диаметре, трубчатые тела, жилы и дайки. Воронки трубок прослеживаются на большую глубину и сливаются с дайкообразными телами ультраосновных пород. Трубки приурочены к крупным разломам в кристаллическом фундаменте платформ. Характерной особенностью кимберлитов является содержание ксенолитов мантийных пород, некоторые кимберлитовые трубки содержат алмазы в промышленных концентрациях.

Основная проблема поиска алмазоносных кимберлитовых тел состоит в недостаточном, на сегодняшний день, комплексе прогнозных показателей, необходимых для их выявления.

В Архангельской алмазоносной провинции (ААП) практика поисковых работ долгие годы была ориентирована на выявление магнитных характеристик трубок взрыва, однако магнитные аномалии являются далеко не единственным критерием наличия кимберлитового тела. В настоящее время возможности магнитного метода поисков кимберлитовых тел в значительной мере себя исчерпали, т.к. аномалии - «лидеры» в Архангельской алмазоносной провинции на данный момент практически все заверены. Более того, известны высокопродуктивные трубки, которые достаточно слабо выявляются по данному критерию. В связи с этим при поисках слабомагнитных и немагнитных кимберлитовых тел в ААП необходимо использовать другие прямые и косвенные поисковые признаки.

В качестве новых критериев алмазоносности и выбора поисковых показателей на эталонных объектах ААП проводились исследования по комплексу изотопно-радиометрических показателей [1]. На основе этого предложен комплекс наземных изотопно-радиогеохимических методов, включающий в себя наземную гамма-спектрометрическую и эманационную съемку, неравновесный уран-изотопный метод для поисков коренных источников алмазов.

В результате исследований изотопного состава урана природных вод Золотицкого кимберлитового поля ААП было установлено, что процессы фракционирования изотопов ²³⁴U и ²³⁸U в породах околотрубочного пространства приводят к активной миграции ²³⁴U в воду и формированию вокруг трубки ореола с аномальными значениями γ=²³⁴U/²³⁸U. Величина γ=²³⁴U/²³⁸U была предложена в качестве поискового признака кимберлитовых трубок. Однако изотопный анализ является весьма дорогостоящим методом, что ограничивает широкое применение данного показателя.

На этой территории было установлено также накопление естественных радиоактивных элементов U, Th, K в околотрубочном пространстве известных кимберлитовых тел и рудоконтролирующих зонах. Это отражается в формировании повышенных по отношению к фону ореолов концентраций U, Th, K в перекрывающих трубки отложениях.

Установлено также, что разрывные нарушения, сопровождающие экзоконтакты трубок, обуславливают аномальную объемную активность радона-222, которая фиксируется в почвенном воздухе над ними. Повышенное содержание радона было предложено в качестве поискового признака.

Результаты исследований изотопно-радиометрических показателей, выбранных в качестве поисковых признаков, проведенных в окрестностях месторождения им. М.В. Ломоносова на площади около 100 км² не позволили выявить четкой приуроченности к известным кимберлитовым трубкам ореолов рассеяния радиоактивных элементов в перекрывающих отложениях. Главной из причин, осложняющих применение радиометрических методов на данной территории, является ее закрытость, проявляющаяся в развитии мощной толщи перекрывающих отложений, а также наличие большого количества болот и озер.

При исследовании кимберлитовых площадей, потенциально перспективных на поиск алмазов в кимберлитовых трубках, были установлены соответствия результатов проведенных исследований комплексу критериев с определенными характеристиками распределения их значений:

- Геоэлектрохимические критерии. На их основе кимберлитовые трубки взрыва фиксируются комплексной кольцевой положительной геохимической аномалией подвижных и слабозакрепленых форм ионов металлов, выделяемых над перекрытой трубкой вне площади трубки по ее обрамлению, и минимальными значениями содержания подвижных форм металлов над трубкой, которые определяются одним из успешно применяемых на практике геоэлектрохимическим методом (термомагнитный геохимический метод ТМГМ) - методом определения подвижных форм элементов, связанных с их способностью концентрирования на оксидах и гидроксидах железа и марганца [2);

- Ядерно-физические критерии. На их основе кимберлитовые трубки взрыва фиксируются положительной аномалией нейтронного потока над трубкой и минимальными значениями в зоне влияния трубки, которые определяются методом регистрации свободных нейтронов.

Аномалии естественного нейтронного поля (ЕНП), направленные от Земли, были выявлены в конце прошлого века - начале XXI века. Они подтверждены рядом долгосрочных экспериментов на Памире и на Камчатке [3, 4, 5]. Экспериментально было установлено, что амплитуда возрастания интенсивности нейтронного излучения в периоды полнолуния и новолуния, а также перед землетрясениями превышала нейтронный фон в десятки раз. Для объяснения его возникновения был предложен возможный путь образования нейтронных всплесков эндогенной природы.

Природа происхождения эндогенных нейтронных аномалий еще до конца не выяснена, она может иметь разные причины и происхождение: от цепных реакций в недрах [6] до процессов в толщах осадочных пород при увеличении тектонических напряжений.

В работе [7] было установлено, что одним из генераторов литосферных нейтронов является α-излучение радона и дочерних продуктов его распада, первичным источником которых является ²²⁶Ra. При этом была проведена экспериментальная оценка корреляции потоков литосферных нейтронов с особенностями состава пород, характеризующихся повышенной активностью ²²⁶Ra и ²³²Th. В результате этих работ [4-7] было сделано предположение, что существует еще один неизвестный источник нейтронов в нижней атмосфере с энергией менее 0.5 эВ. Физическая природа этого феномена была объяснена существованием в земной коре альфа-активных элементов, входящих в радиоактивные семейства элементов, родоначальниками которых являются уран и торий. В продуктах их распада присутствует радий и радон, последний представляет собой радиоактивный газ. Газ мигрирует к поверхности по разломам и трещинным зонам. Известно, что радон испускает альфа-частицы с энергией 5-9 МэВ. Испускаемые радоном альфа-частицы по пути миграции в осадочных породах и в почвенных горизонтах взаимодействуют с ядрами элементов земной коры и атмосферы. Энергия взаимодействия альфа-частиц с ядрами элементов земной коры и атмосферы считается достаточной для генерации нейтронов со средними энергиями, примерно равными 1 МэВ.

Полученные данные позволяют считать доказанным наличие потока тепловых нейтронов, испускаемых недрами Земли.

Наличие аномалий нейтронного потока для идентификации тектонических нарушений, имеющих глубинную связь с магматическим очагом в виде «корневой» части кимберлитовых трубок, позволяет их использовать в качестве поисковых критериев применительно к алмазоносным трубкам.

Выявление аномалии нейтронного потока, получаемой на основе метода регистрации свободных нейтронов, предложено анализировать в комплексе с результатами геоэлектрохимических методов с предварительной стандартизацией по средним значениям разрозненных геохимических данных.

Известен «Способ поисков кимберлитовых трубок геохимическими методами» [8] по патенту РФ №2117319, опубл. 10.08.1998 г. В основе способа лежит установленная закономерность формирования геохимических полей над первичным магматическим очагом. При этом установлено, что химические элементы мигрируют путем, определенным законами конвективного тепломассопереноса, концентрируясь в ядерной и фронтальной зонах циркуляционной системы, а на геохимических барьерах формируют участки эпигенетической концентрации, характерные для структур разного ранга. Эти участки могут формироваться не только на дневной поверхности, но и на любой глубине над магматическим очагом, что позволяет вести поиски не только по потокам, но и по вторичным ореолам рассеяния. При конвективном тепломассопереносе зона накопления имеет многоуровневую организацию. В плане все члены образовавшейся системы имеют близкий к концентрическому тип зональности геохимических полей. Все структуры I порядка (кимберлитовое поле), имеющие диаметр около 60 км, модифицируются на семь кимберлитовых узлов (структур II порядка), имеющих поперечник 20 км, в каждом из которых выделяются семь структур диаметром около 6-7 км. Таким образом, мелкие структуры (кластеры) имеют плотную упаковку в более крупных структурах. При проведении геологической съемки масштаба 1:200000 в Архангельской области было установлено, что среди элементов, ассоциирующихся с кимберлитовыми структурами, кларк концентрации (КК) больше 10 имеют следующие элементы: Ва, Sc, Mn, Cr, La, Pb, Co, P, Zn, Ni, Mo, Cd, Sn.

На участке, перспективном на коренные источники алмазов, расположение этих элементов по площади подчиняется определенной закономерности:

- по периферии структуры кимберлитовой конвективной колонны I порядка (по границам круга диаметром около 65 км) ассоциируют элементы Ва, Sc, Mn, Cr;

- по периферии структур II порядка (кругов с диаметром около 20 км) располагается La;

- по границам структуры III порядка (круг диаметром около 7 км) обнаружена точка эпигенетической концентрации Со.

Отмечается, что Pb в данном случае в большей степени связан со структурами II порядка, хотя и характерен для структур всех рангов.

Для анализа используются данные опробования, как потоков рассеяния, так и вторичных ореолов рассеяния, после чего анализируются их пространственные взаимоотношения с целью установления их связи с кимберлитовыми структурами определенного ранга.

Недостатком этого способа является региональный уровень работ, что не позволяет быстрым способом выходить на поисковые объекты. К тому же отбор проб на геохимический анализ из коренных пород выполняется с применением бурения скважин.

Известен «Способ исследования площадей, потенциально перспективных на коренные источники алмазов» [9] по патенту РФ №2488854, опубликован в 2013 г., относящийся к области поиска и разведки месторождений алмазов, основанный на комплексном применении различных методов исследований. Согласно этому способу при исследовании площадей, потенциально перспективных на коренные источники алмазов, устанавливают соответствие результатов проведенных исследований площадей определенным показателям ряда критериев, а именно: минералогическим, геохимическим, тектоническим, геоморфологическим, геофизическим.

Для реализации способа выполняют следующие действия:

- изучение топографии участка: по топографическим картам масштаба 1:50000-1:25000 проводят морфоструктурный анализ рельефа местности на исследуемой площади, выделяют межгорные депрессии;

- изучение геофизических карт: изучают карты магнитного поля, поля силы тяжести, электрического поля масштаба 1:50000-1:25000 с целью выделения на исследуемой площади участков отрицательного магнитного поля, отрицательного поля силы тяжести и участков с высокой проводимостью электрического поля, совмещение на местности этих признаков указывает на наличие площадей интенсивно проработанных глубинным (мантийным) флюидно-эксплозивным материалом;

- проведение глубинной литогеохимической съемки предусматривает выделение на исследуемой площади участков с аномальными содержаниями элементов сидеро-литофильной группы (хром, никель, кобальт, иттрий, марганец) и халькофильной группы (медь, свинец, цинк), а также барий, которые характерны для алмазоносных пород (туффизитов);

- отбор и исследование образцов с целью изучения петрохимических и петрологических особенностей алмазоносных пород (туффизитов);

- составление поэлементной карты геохимического поля с целью выделения на исследуемой площади участков с аномальными содержаниями элементов как сидеро-литофильной, так и халькофильной групп, характерных для алмазоносных пород (туффизитов).

По результатам проведенных исследований площади устанавливают соответствие полученных результатов следующему комплексу критериев:

- минералогические критерии: наличие спутников алмаза - гранаты (включая пиропы), хромшпинелиды, хромдиопсиды лерцолитового и дунит-гарцбургитового парагенезиса, минералы эклогитового парагенезиса (ильменит, рутил, сфен, лейкоксен, апатит, турмалин), рудные минералы (магнетит, гематит, лимонит, пирит), стекла и сферулы;

- геохимические критерии: диатремы туффизитов фиксируются комплексными лито-геохимическими аномалиями как сидеро-литофильной группы (хром, никель, кобальт, иттрий, марганец), так и халькофильной (медь, свинец, цинк), а также аномалией бария;

- тектонические критерии: в пределах участка широко развиты элементы надвиговой и разрывной тектоники, к местам их пересечения приурочено подавляющее количество диатрем;

- геоморфологические критерии: с элементами надвиговой и разрывной тектоники корреспондируются элементы современного рельефа, образуя межгорные депрессии;

- геофизические критерии: диатремы расположены на площадях развития низкоомных зон, отрицательного магнитного поля и локальных аномалий поля силы тяжести.

При соответствии площадей комплексу указанных критериев делают вывод о наличии коренных источников алмазов - алмазоносных пород (туффизитов).

Недостатком этого способа является тот факт, что он требует проведения большого объема разноплановых геологических, геохимических и геофизических работ, что влечет за собой большие временные и финансовые затраты, как при выполнении полевых, так и камеральных работ с последующей заверкой выявленных площадей.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу является «способ изучения пространственного распределения источников геофизических и геохимических полей» по патенту РФ №2346299, опубликован. 10.02.2009 г. [10]. Источниками таких полей могут являться месторождения полезных ископаемых различных типов. Сущность способа: проводят измерения геофизических полей с построением карт распределения их интенсивности. Выделяют аномалии составляющих этих полей, по которым выбирают источники аномалий. Рассчитывают поля этих источников и о правильности их выбора судят по близости наблюдаемого и расчетного полей. Дополнительно на той же площади изучают пространственное распределение концентраций подвижных химических элементов термомагнитным геохимическим методом (ТМГМ) и газов в подвижных формах нахождения, получая геохимические поля. Выбирают произвольные точки в пространстве под исследуемой площадью. Проводят полосовую фильтрацию полученных геофизических и геохимических полей с учетом глубины выбранных точек. Рассчитывают ковариации расчетных аномалий от источников полей, помещенных в выбранные точки, с составляющими наблюдаемых полей, выделенными фильтрацией. Строят карты распределения ковариации в земле. По пространственному совпадению участков локальных экстремальных значений ковариации геофизических и геохимических полей получают положение в земле источников полей.

Недостатком этого способа является неоднозначность выделенных комплексных аномалий, большая трудоемкость в установлении их природы, значительные временные затраты.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности поисковых работ на алмазоносные кимберлитовые тела (трубки взрыва) по физическим характеристикам, слабо отличающимся от вмещающей среды.

Заявляемый способ для выявления новых поисковых критериев алмазоносных кимберлитовых трубок состоит из комплексирования методов:

- выявление аномалий подвижных форм элементов термомагнитным геохимическим методом (ТМГМ), который основан на определении элементов, накапливающихся вблизи земной поверхности на гидроокислах железа и марганца,

- измерение естественного нейтронного потока эндогенной природы, фиксируемого методом регистрации свободных нейтронов.

По результатам проведенных опытно-методических работ над перекрытыми двумя трубками по двум методам исследований (метод нейтронной съемки нейтронного потока, геоэлектрохимический метод (ТМГМ)) выделяются пространственно сопряженные друг с другом следующие комплексные аномалии:

- размер положительной аномалии нейтронного потока, определяемой методом регистрации свободных нейтронов, совпадает с проекцией площади трубки на поверхность;

- положительная комплексная кольцевая геохимическая аномалия вне площади трубки, определяемая геоэлектрохимическими методами (ТМГМ);

- комплексная геохимическая аномалия с минимальными значениями расположена над трубкой.

В результате работ был предложен новый способ выявления кимберлитовых трубок.

Его основное отличие от прототипа состоит в том, что в нем оптимизировано количество учитываемых показателей, необходимых для прогноза выявления алмазоносных кимберлитовых трубок: нейтронные аномалии, геохимические аномалии подвижных и слабозакрепленных форм металлов.

При реализации способа выполняют следующие действия:

- проведение поверхностной геоэлектрохимической съемки с отбором проб из иллювиального горизонта на перспективных участках, выделенных по структурно-тектоническим и геолого-геофизическим признакам;

- проведение нейтронной съемки по точкам отбора геоэлектрохимических проб (методом регистрации свободных нейтронов проводится измерение нейтронного потока с применением поискового прибора NSD-A01 (НПЦ «АСПЕКТ»);

- проведение лабораторной обработки проб (определение количественного содержания подвижных и слабо закрепленных форм элементов-спутников кимберлитового магматизма);

- составление карты значений нейтронного потока;

- составление поэлементных карт геохимического поля со стандартизированными значениями распределения подвижных форм элементов (проводится для выявления положительных и отрицательных аномалий);

- составление интегральной карты распределения исследуемых компонентов по стандартизованным показателям, включающих распределения подвижных форм элементов и значений нейтронного потока.

При соответствии на изучаемой площади данных комплексу установленных для эталонного объекта значений делают вывод о наличии кимберлитовых тел.

Сущность заявляемого технического решения поясняется рисунками 1-2, где представлены:

Фиг. 1 - Распределение стандартизированных содержаний подвижных элементов над перекрытой кимберлитовой трубкой ААП

Фиг. 2 - Распределение интенсивности нейтронного потока над перекрытой кимберлитовой трубкой ААП

В таблице 1 приведены значения импульсов нейтронного потока над телом трубки и в зоне ее влияния.

Пример реализации способа

Апробация критериев поиска была проведена на двух эталонах - алмазоносных трубках на территории Зимнебережного алмазоносного района Архангельской области.

Нейтронной съемкой над телом каждой трубки фиксируется локальная положительная аномалия нейтронного потока, превышающая фон в среднем на 20-30 импульсов. Размеры аномалии коррелируют с размерами трубки. В зависимости от размеров трубок аномалии проявляются по 5-15 рядом расположенных точках опробования.

Положительная аномалия нейтронного потока обрамляется по внешнему краю характерной отрицательной кольцевой аномалией с пониженной интенсивностью нейтронного поля до 15-30 импульсов. При этом в зоне влияния кимберлитовой трубки, но вне ее площади, присутствуют локальные аномальные выбросы нейтронного потока, связанные с одной, максимум, с двумя рядом расположенными точками опробования (фиг. 2).

Геоэлектрохимическими методами (ТМГМ) над перекрытыми трубками выделяется комплексная положительная кольцевая аномалия диаметром до 1,5 км и шириной 300-500 м, к минимуму в центральной части которой приурочено тело трубки. Аномалия связана с привносом, в первую очередь, легких и тяжелых редкоземельных элементов (La, Се, Nd, Sm, Eu, Y, Gd, Dy, Ho, Yb, Lu), Li-Rb-Be, a также Сu и K. (фиг. 1) Положение комплексной геоэлектрохимической аномалии совпадает с характерным кольцевым минимумом нейтронного поля. Механизм образования кольцевой положительной геохимической аномалии можно объяснить тем, что при внедрении кимберлитовой трубки подземные воды, содержащиеся в поровом пространстве вмещающих пород, нагреваются, увеличиваясь в объеме более чем в 3 раза. В результате теплового расширения подземных вод формируется фильтрационный поток, направленный от трубки во все стороны. С ростом температуры увеличивается растворимость солей в воде. В результате описанных физико-химических процессов непосредственно вокруг трубки формируется зона, обедненная подвижными и слабо закрепленными компонентами, а на расстоянии порядка 500-1000 м - обогащенная зона. Размеры зон выноса и привноса подвижных форм нахождения элементов в несколько раз превышают размеры самой трубки, что позволяет эффективно использовать аномалии геоэлектрохимической съемки в качестве поискового признака.

Результаты нейтронной съемки по двум широтным профилям, каждый длиной 10 км с шагом по профилю 200 м, один из которых прошел через алмазоносную трубку, позволяют говорить о том, что аномальные значения нейтронного потока фиксируются только в окрестностях перекрытых трубок взрыва. На остальной части профилей присутствуют только единичные аномальные выбросы нейтронного потока, связанные с 1-2 точками наблюдения.

Результаты применения нейтронной съемки в комплексе с геоэлектрохимическими методами (ТМГМ) позволяют рекомендовать апробированный комплекс методов для оценки перспективности участков ранга кустов кимберлитовых трубок и их фрагментов при поиске слабомагнитных трубок взрыва в ААП.

Установленные над площадью трубки аномалии нейтронного потока и образование кольцевых геохимических аномалий подвижных форм металлов позволяют считать этот комплекс новым поисковым критерием выявления кимберлитовых трубок.

СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ АЛМАЗОНОСНЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК

СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ АЛМАЗОНОСНЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК

ЛИТЕРАТУРА

1. Яковлев Е.Ю. Использование изотопно-радиогеохимических методов для поисков коренных месторождений алмазов на территории Архангельской алмазоносной провинции / Автореферат диссертации // Архангельск. - 2016. - 21 с.

2. Путиков О.Ф., Маргович Е.Г., С.А. Вешев, Н.А. Ворошилов, С.Г. Алексеев, М.Б. Штокаленко / Геоэлектрохимические методы при поисках нефтегазовых и рудных месторождений // Записки горного института, т. 162, 2005. - С. 50-54.

3. Кузьмин Ю.Д. Регистрация интенсивности нейтронного потока на Камчатке в связи с прогнозом землетрясений / Геофизический мониторинг Камчатки. Материалы научно-технической конференции, 17-18 января 2006 г. Петропавловск-Камчатский / Под. ред. В.Н. Чеброва, Г.Н. Копылова // Петропавловск-Камчатский: Оттиск, 2006. - С. 149-157.

4. Володичева Н.Н., Нечаев О.Ю., Сигаева Е.А. / Тепловые нейтроны от поверхности Земли во время кульминаций Луны и Солнца в дни новолуний и полнолуний. Физика Земли, атмосферы и гидросферы. ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. №3, 2013.

5. Шестопалов И.П., Белов С.В. Соловьев, А.А., Кузьмин Ю.Д. / О генерации нейтронов и геомагнитных возмущениях в связи с чилийским землетрясением 27 февраля и вулканическим извержением в Исландии в марте-апреле 2010 г. // Геомагнетизм и аэрономия, т. 53, №1, 2013. - С. 130-142.

6. Каржавин В.К. Цепной процесс, трубки взрыва, алмазы / Вестник Кольского научного центра РАН, №1, 2012. - С. 165-171.

7. Демин Н.В., Бондаренко В.М. / Мониторинг потоков нейтронов в приземном слое атмосферы, генерируемых радиоактивными эманациями в горных породах // Записки Горного института. 2004, т. 158. - С. 10-107.

8. Черных В.А. / Способ поисков кимберлитовых трубок геохимическими методами // Патент №2117319 от 10.08.1998.

9. Иванов Е.И., Кузнецов Г.П., Ваганов В.И./ Способ исследования площадей, потенциально перспективных на коренные источники алмазов // Патент РФ №2488854 от 27.07.2013.

10. Штокаленко М.Б., Алексеев С.Г., Вешев С.А., Ворошилов Н.А, Маргович Е.Г. / Способ изучения пространственного распределения источников геофизических и геохимических полей // Патент РФ №2346299 от 10.02.2009.