girniy.ru 1

Улан - Уде

ИСТОЧНИКИ РАДИЯ (226Ra) И ПРИЧИНЫ ВАРИАЦИЙ ОБЪЕМНОЙ АКТИВНОСТИ РАДОНА (ОА 222Rn) В СВОБОДНЫХ ГАЗАХ ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(на примере гидротермально-магматических систем, связанных с действующими вулканами Камчатки).


В.И. Андреев., О.Ф. Карданова, И.Б. Словцов, Г. А. Карпов.

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН Петропавловск-Камчатский via@kcs.iks.ru



Содержание урана в вулканогенных породах и разноглубинных ксенолитах Камчатки обычно ниже кларковых значений [Титаева и др., 1977, Андреев и др., 2001]. В то же время ОАRn в свободных газах гидротермальных источников, в гидротермально-измененных породах и в снежных толщах, по сезонам покрывающих и обрамляющих эти источники, достигает величин в десятки и сотни тыс. Бк/м3.


Высокие значения ОАRn связаны, с образованием эманирующих коллекторов в зоне вскипания геотермального флюида [Таран, 1988]. Условия формирования таких коллекторов соответствуют условиям возникновения гидротермальных, эпигенетических месторождений радиоактивных элементов; Т ~ 150 0С и глубины ~0,5 км [Наумов, 1975]. В верхних горизонтах эманирующего коллектора вероятен сдвиг радиоактивного равновесия в пользу дочернего изотопа 226Ra относительно материнского 238U. Подобное нарушение довольно обычно для современных и голоценовых вулканогенных пород [Титаева и др., 1977] и особенно сильно, до порядка, проявляется в некоторых типах современных гидротермально-измененных пород, в частности во фторидах [Андреев и др., 2001].

При формировании гидротермальных рудопроявлений радиоактивных элементов в условиях соответствующих глубинам в несколько сот метров сдвиг радиоактивного равновесия может достигать трех и более порядков. Такие соотношения были установлены в минеральных новообразованиях (преимущественно барите), отложенных на глубине ~1000 м фумаролами действующего подводного вулкана Пийпа [Андреев и др., 2004].



Эманирующие коллекторы с повышенными содержаниями 226Ra могут формироваться в глинах, суглинках и осадках из гидрокарбонатных вод (?), которые являются хорошими сорбентами, в естественных условиях обычно характеризуются сравнительно высокими, по сравнению с породами других типов, концентрациями радия и обладают высокими коэффициентами эманации 222Rn. [Гудзенко и Дубинчук, 1987].


Вариации объемной активности радона (ОАRn) в значительной мере связаны с деформациями горных пород, предшествующих и сопутствующих сейсмотектоническим активизациям. Так, в Карымском вулканическом центре мощная сейсмотектоническая активизация, сопутствующая возникновению и кратковременному извержению кратера Токарева, последовавшего 02.01.1996, а также начавшемуся одновременно и продолжающемуся десятый год извержению расположенного в 6 км вулкана Карымского, вызвала деформации земной поверхности: оползни, обвалы, разрывы и другие обрушения. Эти явления сопровождалась значительным возрастанием ОАRn в спонтанных газах источников Академии Наук и других новых источников, возникших в кальдере Академии Наук. В то же время прекратилась фумарольная деятельность расположенного в кальдере Карымского вулкана самого мощного теплого (~ 40°С) источника, выделяющего диоксид углерода с высокой (~18 кБк/м3) ОАRn (?). Одновременно в ближайших окрестностях этого источника возникло множество мелких термальных источников с ОАRn в первые тысячи Бк/м3, медленно снижающейся в течение последних 10 лет до уровня < 1 кБк/м3 (?).

Таким образом, на примере Карымского вулканического центра видно, что существенное повышение и вариации ОАRn в естественных газах гидротермально-магматических систем связаны с деформациями вмещающих пород, обусловленными изменением сейсмотектонической обстановки.

На примере Кихпинычского долгоживущего вулканического центра (КДВЦ) видно, что содержание радиоактивных элементов (РАЭ) в глинах термальных полей (табл. 1), образовавшихся в результате гидротермальной деятельности, выше среднего (кларкового), характерного для неизмененных пород сходного химического состава (Комлев, 1975). Наиболее высокие содержания U и Th в белых каолинитовых глинах кипящих котлов и в каолинитизированных дацитах Южно-Кихпинычского термального поля (ЮКТП). Вместе с тем в гидротермально измененных породах КДВЦ наблюдаются значительные, до порядка и более, вариации РАЭ и характерные для камчатских вулканитов сравнительно небольшие содержания тория и соответственно невысокие индикаторные торий-урановые отношения.



В районе КДВЦ наибольшие значения радона отмечены на Северном термальном поле в кратере в. Старый Кихпиныч (табл. 2). В районе этого поля в 1982 г. произошло обрушение, фиксировавшееся по ИК-аэрофотосъемке в виде горячего кольца. После августовского землетрясения 1983 г. площадь разогрева на этом поле продолжала увеличиваться как минимум до 1993 года [Карданова и др., 1994]. К 1997 г. площадь обрушения увеличилась почти вдвое. Высокое содержание ОАRn может быть связано с продолжающимся процессом разрушения северной стенки кратера. Постройку в. Старый Кихпиныч делит на две части Узонско-Валагинский разлом [Шанцер, 1979]. Известно, что разломы земной коры могут сильно увеличить длительность и величину радоновой предвестниковой аномалии, а также размеры зоны ее проявления. Возможно, свою лепту в увеличение содержания радона на этом термальном поле внесло готовящееся сильное (К=15,5) Кроноцкое землетрясение 05.12.1997 г. Очень высокие содержания радона могли быть его предвестниками. Радоновые предвестники землетрясений могу появляться за несколько месяцев перед сильными К=15-17 класса землетрясениями [Зубков, 1981]. Известно также, что вне очаговой зоны радоновый эффект обусловлен изменением напряженного состояния пород в процессе подготовки землетрясения. Это изменение вызывает вариации радонсодержащих газовожидкостных потоков, особенно в местах расположения скважин, которые действуют как механические усилители предвестниковых деформаций и обусловленного ими радонового эффекта. Этим можно объяснить наличие предсейсмических радоновых эффектов на расстояниях, намного превышающих размеры очага землетрясения. В нашем случае вместо скважин - «механических усилителей» выступают сольфатары.


Из приведенных данных по содержанию РАЭ в вулканогенных породах и ОАRn в свободных газах гидротермальных источников Камчатки и сопоставлению наших результатов с работами других исследователей можно сделать следующие выводы:

  1. Содержание РАЭ в современных неизмененных вулканитах Камчатки ниже, а в гидротермально измененных породах - глинах выше среднего для пород сходного химического состава;


  2. Для современных камчатских вулканитов характерно низкое торий-урановое отношение и неравновесность – избыток радия (226Ra) не подкрепленного ураном (238U);

  3. Повышенные значения ОАRn обусловлены коллекторами радия – эпитермальными рудопроявлениями РАЭ, сформировавшимися на глубинах в первые сотни метров;

  4. Значительные повышения ОАRn в свободных газах происходят в результате сейсмотектонической активизации, увеличивающей эманационную способность и проницаемость вмещающих пород.




Таблица 1. Содержание РАЭ в районе КДВЦ *

№ п/п

U

Th

K

Th/U

Местоположение; состав

1

2,1

46

1,3

21,9

ЮКТП; каолинит

2

2,8

8

0,72

2,86

То же

3

2,4

4,6

0,58

1,91

То же

4

3,8


5,5

1,02

1,45

То же

5

31

4,2

0,15

0,13

То же

6

3,5

7,3

2,1

2,09

То же

7

2

3

0,34

1,5

То же

8

1,7

2,1

0,34

1,24

ЮКТП; обеленная порода

9

6,2

8,4

4,97

1,35

ЮКТП; пестрая каолинитизированная порода

10

3,6

2,8

0

0,78

То же

11

1,8

3,1

1,03

1,72

ЮКТП; каолинит, алунит, пирит

12


2,2

2,9

0,13

1,32

ЮКТП; каолинит, аморфный кремнезем

13 а

0,3

1,2

0

4,3

Вершина сопки Желтой, юго-западный сектор;

13 б

1,5

1,1

0,4

0,73

каолинит - алунитовая измененная порода

14

0,3

0,1

0,04

0,33

То же

15

0,1

0,9

0,06

9

Кратер в. Старый Кихпиныч; обеленная порода

16

0,4

0,8

0,06

2

То же

17

2,2

2,9

0,13

1,32

То же

18

2,3

3,5


0,24

1,52

Верхне - Гейзерное поле; голубая глина с пиритом

19

3

< 1

0,07

<0,33

То же

20

1,1

2,5

0,76

2,27

То же

21

1,9

0,9

0,52

0,47

Верхне - Гейзерное поле; красноватая глина

22

3,5

8

0,44

2,29

То же; светлая глина с серой



















Примечание. * - Гамма - спектральный метод (г/т); ИГиГ.



Таблица 2. Содержание радона в спонтанных газах гидротермальных систем и источников Камчатки (Бк/м3)




п/п

Гидротермальная система, источник

Температура на

поверхности, °C

Кол-во

опред. Rn

Rn max ,

Бк/м3

Высокотемпературные системы и источники**

1

Узон – Гейзерная

30 - 98

73

3 700 000*

2

Паужетская

47 - 100

34

2 405 000*

3

Больше-Банная

40 - 98

15

5 550 000*

4

Киреунская

48 - 98

7

1 794 500*

5

Источники Академии Наук

99

4

962 000*

6

Кошелевская

35 - 99

8

666 000*

Низкотемпературные системы и источники**


1

Начикинская

75 - 80

11

296 000*

2

Налычевская

68 - 70

13

29 600*

3

Карымские источники

24 – 40

81

18 500*

Содержание радона на полях КДВЦ (08.1997)***

1

Конус Савича (Молодой Кихпиныч), дно кратера

36-43

3

239 000

2

Северное (кратер в. Старый Кихпиныч)

20-95

6

8 490 000

3

Южное (кратер в. Старый Кихпиныч)

78-96

5

5 340

4

Южная кромка кратера в.Старый Кихпиныч

<16

1

88 000

5 а

5 б


ЮКТП, котлы и источники

ЮКТП, северный край поля, снежник

68-96

0

11

1

1 200 000

1 460 000

6

Южный склон в. Старый Кихпиныч

(руч. Извилистый)

<16

2

980

7

Исток реки Мутной

<16

2

950
















Примечание: * - пересчитано: 1 эман = 1·10-10 кюри/л = 3,7 бк/дм3 [Титаева, 2000]; 1 бк/м3 = 1·103 бк/дм3. ** - [Сугробов и др., 1974], *** - по материалам авторов.

Список литературы


Андреев В. И., Карпов Г. А., Пузанков Ю. М., Фазлуллин С. М. Распределение радиоактивных элементов в породах некоторых действующих вулканов Камчатки // Вулканология и сейсмология. 2001. № 1. С 39-48.

Андреев В. И., Пузанков Ю. М., Бобров В. А., Рашидов В. А., Пузанков М. Ю. Радионуклиды в гидротермальных отложениях подводного вулкана Пийпа // Вулканология и сейсмология. 2004. № 1. С. 39-46.

Гудзенко В. В., Дубинчук В. Т. Изотопы радия и радона в природных водах. М.: Наука, 1987. 156 с.

Зубков С.И. Радоновые предвестники землетрясений // Вулканология и сейсмология, 1981, № 6. С. 74-105.


Карданова О.Ф., Дубровская И.К. Состояние кратера вулкана Старый Кихпиныч с 1980 по 1989 гг. // Вулканология и сейсмология. 1994. № 1. С. 19-33.

Комлев Л. В. Основные этапы развития радиоактивных элементов. Сб. Радиоактивные элементы в горных породах. Новосибирск. Наука. 1975. с 6-10.

Наумов Г. Б. Поведение радиоактивных элементов в гидротермальных процессах. В сб. Радиоактивные элементы в горных породах. Новосибирск. Наука. 1975. с 155-161

Сугробов В.М., Чирков А.М. О распределении радона в современных гидротермальных системах Камчатки. – В кн. Гидротермальные минералообразующие растворы областей активного вулканизма. – Новосибирск: Наука, 1974, С. 22-24.

Таран Ю. А. Геохимия геотермальных газов. М. Наука. 1988. 160 с.

Титаева Н. А., Векслер Т. И., Орлова А. В. Радий в современных вулканических породах Камчатки // Изв. высш. учебн. заведений. Геология и разведка. 1977. № 4. С. 70-75

Титаева Н.А. Ядерная геохимия. – М.: Изд-во МГУ, 2000. 336 с.

Шанцер А.Е. Некоторые особенности эволюции тектоно-магматических структур Камчатки в зависимости от ее блокового строения и движения блоков в позднем кайнозое // Бюл. Вулканол. станций. 1979. № 57. С. 53-65