Введение к работе
Актуальность работы определяется необходимостью перевода геолого-геохимических и геоэкологических исследований на более высокий уровень, отвечающий реализации возможностей аналитических методов ядерной геофизики, использование которых в сочетании с арсеналом средств современной вычислительной техники может и должно играть более действенную и активную роль. Это'означает, что получаемая информация должна охватывать не только данные по элементному составу изучаемых объектов, но также включать в себя характеристики связей между элементами, параметры группировок элементов и объектов, то есть выражаемые количественным образом закономерности, прямо или косвенно отражающие специфику исследуемых природных или антропогенных процессов и явлений. Это позволит в значительной степени повысить эффективность изучения, рационального использования и защиты природных ресурсов.
Наибольшим интересом исследователей к ядерным методам анализа вещества, особенно к методу нейтронной активации, отмечена середина 70-х - 80-х годов ( Колесов Г.М., 1993 ). После аварии на Чернобыльской АЭС этот интерес заметно упал во всем мире, и в практике аналитических исследований объектов окружающей среды за прошедшие десять лет произошли существенные изменения. Получили дальнейшее развитие такие методы анализа, как атомно-эмиссионный с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрический с ICP- и лазерным возбуждением, атомно-абсорбционный с термической атоми-зацией, сравнимые с- нейтронно-активационным методом по своим возможностям. Таким образом, метод инструментального нейтронно-акти-вационного анализа ( ИНАА ) так и не получил должного применения при решении геолого-геохимических задач. Между тем, именно ИНАА, по нашему мнению, способен стать универсальным аналитическим методом и отвечать следующим основным требованиям:
обеспечивать одновременное определение в образце широкого круга элементов, преимущественно редких и рассеянных;
обладать чувствительностью, достаточной для определения содержаний редких элементов значительно ниже кларковых;
гарантировать высокую точность измерений в широком диапазоне концентраций элементов;
- быть применимым для изучения самых разнообразных по приро
де и вещественному составу объектов.
Перечисленные требования в совокупности не выполняются ни в одном из современных инструментальных видов анализа геологических материалов, и этим определяется важнейший аспект актуальности предлагаемой работы. С другой стороны, ее актуальность обусловлена необходимостью повышения эффективности прогнозирования и поисков глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых и непосредственно связанными с этой задачей потребностями нового направления в геохимии - геохимии редких элементов, зарекомендовавших себя в качестве надежных индикаторов различных природных процессов, включая рудообразование, в высокочувствительном и точном аналитическом методе.
Цель и задачи работы. Цель работы состояла в необходимом для эффективного применения в геологических науках развитии метода ИНАА, в разработке основанных на этом виде анализа новых методик изучения разнообразных по природе и вещественному составу геологических объектов и выполнении цикла исследований, имеющих самостоятельное значение и показывающих, что прецизионные данные метода ИНАА по широкому кругу редких элементов с концентрациями на уровне кларков и ниже, обработанные на ЭВМ с применением аппарата многомерной статистики, позволяют решать крупные геолого-геохимические задачи.
Основные задачи:
повышение чувствительности метода ИНАА сложных по составу геологических материалов на широкий круг редких элементов за счет оптимизации условий облучения нейтронами и условий измерения наведенной активности;
обеспечение высокой точности результатов ИНАА при определении содержаний редких элементов на уровне кларков и ниже;
исследование деталей количественного распределения редких элементов в разных генерациях одного минерала, отражающих особенности процесса их образования;
исследование условий образования и размещения стратиформ-ных месторождений золота и серебра, локализованных в черносланце-вых толщах; разработка новых поисковых критериев золотого и серебряного оруденения;
- изучение состава и особенностей распределения редких эле
ментов в донных отложениях озера Байкал в связи с проблемой ант
ропогенного воздействия на его экосистему, а также с целью пале-
оклиматических реконструкций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
усовершенствован метод ИНАА - повышена его чувствительность и расширен круг определяемых элементов в различных геологических материалах, причем для большинства редких элементов достигнуты пределы обнаружения, значительно меньшие соответствующих кларков; разработан ряд приемов повышения точности ИНАА, позволяющих снизить погрешности и улучшить правильность результатов;
разработаны новые методики изучения геологических объектов, явлений и процессов, основанные на прецизионных определениях с помощью усовершенствованного ИНАА редких элементов при содержаниях на уровне кларков и ниже;
показано, что данные многоэлементного ИНАА служат надежной базой для многомерного статистического анализа на ЭВМ получаемой геолого-геохимической информации;
впервые метод ИНАА применен для изучения типохимических особенностей минералов, разные генерации которых отвечают многостадийному процессу формирования горных пород; показано, что этот метод существенно расширяет область минералогических исследований, связанную с изучением микропримесных элементов в минералах, и позволяет по новому подойти к решению задач генетической минералогии;
впервые проведены базирующиеся на данных метода нейтронной активации комплексные детальные исследования стратиформных месторождений золота одного из рудных узлов Северо-Восточной Якутии; получены новые сведения о процессах рудогенеза в углеродистых терригенных отложениях, о роли вмещающих пород, об источнике рудного вещества; установлены новые критерии поисков золотого и серебряного оруденения;
впервые выполнен с помощью усовершенствованного ИНАА цикл исследований донных отложений озера Байкал; показано, что содержание и распределение редких элементов в приповерхностном слое осадков озера имеет естественный природный характер и не несет следов антропогенного воздействия; установлено, что фракциониро-
вание легких редкоземельных элементов в вертикальных колонках глубоководных осадков Байкала отражает изменения условий осадкообразования во времени и, прежде всего, климата.
Защищаемые положения:
.1. Разработанный автором аппаратурно-методический комплекс инструментального неитронно-активационного анализа сложных по составу материалов обеспечил существенное улучшение главных метрологических характеристик метода, расширение круга определяемых элементов, снижение пределов и повышение точности их количественных определений.
-
Усовершенствованный метод ИНАА обеспечил надежную аттестацию состава редких элементов в 21 стандартном образце геологических материалов. Содержания элементов, установленные методом ИНАА в процессе аттестационных исследований, практически совпадают с сертифицированными впоследствии значениями концентраций, что подтверждает высокие метрологические характеристики аналитического метода.
-
Инструментальный нейтронно-активационный анализ впервые применен для изучения типохимических особенностей породообразующих минералов по примесным элементам. Пр
-
С помощью ИНАА исследована геохимическая специализация литологических разновидностей вмещающих пород стратиформных месторождений золота и серебра. Подтверждено гидротермально-метамор-фогенное происхождение золотого оруденения, разработана научная основа для выделения перспективных площадей, идентификации типов оруденения, выбора поисковых геохимических критериев и способов интерпретации поисковых данных.
-
Нейтронно-активационное исследование донных отложений озера Байкал показало отсутствие их антропогенного загрязнения редкими элементами; особенности состава и распределения редких элементов в осадках Байкала отражают специфику процесса осадкона-копления в озере и имеют геохимическую природу. Разработан новый способ палеоклиматических реконструкций по изменению содержаний
легких лантаноидов в ненарушенных вертикальных колонках донных осадков.
Практическая ценность исследований состоит в том, что проведенное усовершенствование метода ИНАА значительно повышает его достоверность и увеличивает надежность основанных на нем методик изучения геологических объектов и процессов. Разработанные методики имеют универсальный характер и позволяют по-новому изучать геологические образования и их эволюцию путем выявления количественных закономерностей, недоступных традиционным аналитическим методам. Полученные в работе результаты содействуют повышению эффективности теоретических и практических исследований в области минералогии, геологии рудных местрождений, палеоклиматических реконструкций; они используются в практических целях рядом геологических организаций.
Внедрение результатов работы. Усовершенствованный метод ИНАА более десяти лет ( с середины 80-х годов ) используется лабораторией стандартных образцов Института геохимии СО РАН при проведении аттестационных анализов новых геохимических стандартов.
Полученные в диссертации результаты внедрены и использовались в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ( ОНИЛ ) методики разведки месторождений Сибири и Дальнего Востока Министерства геологии СССР при Иркутском политехническом институте при выполнении тематических работ по изучению золоторудных месторождений стратиформного типа в черносланцевых отложениях Якутии.
В настоящее время внедрены в виде рекомендаций, переданных в ПГО "Якутскгеология", результаты исследований, составившие аналитическую и геохимическую части работы, законченной ОНИЛ МинГео СССР в 1990 г. по теме: " Анализ эффективности вариантов систем разведки золоторудных месторождений стратиформного типа Якутии ".
Полученные в диссертации результаты внедрены и использовались при проведении научно-исследовательской работы по" проекту: "Исследование состава" и геохимических особенностей донных отложений озера Байкал методом многоэлементного нейтронно-активационно-го анализа" ( грант No 93-7-12 Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию 1994 г.).
Результаты диссертации по развитию многоэлементного ИНАА применительно к решению геолого-геохимических задач вошли в прог-
рамму специального курса лекций " Ядерно-геофизические и геохимические методы при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых ", читаемого автором на факультете Геологии,' геоинформатики и геоэкологии Иркутского государственного технического университета, а также в конспект лекций " Ядерная геофизика " ( Булнаев А. И., 1990).
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований сообщались в докладах на различных научных совещаниях и конференциях: на IV Всесоюзном совещании по активационному анализу ( Тбилиси, 1977г.); на региональной конференции "Состояние и пути повышения эффективности геофизических работ в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке" ( Иркутск, 1978 г.); на X конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири ( Иркутск, 1982 г.); на V Всесоюзном совещании по активационному анализу и другим радиоаналитическим методом ( Ташкент, 1987 г.); на региональной конференции "Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири" ( Иркутск, 1987 г.); на Всесоюзном совещании "Теория и практика геохимических поисков в современных условиях" ( Ужгород, 1988 г.); на научной сессии "Ядерная геофизика в геологии" ( Ленинград, 1988 г.); на межвузовской конференции "Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Восточной Сибири" ( Иркутск, 1989 г.); на III региональной конференции "Аналитика Сибири-90" ( Иркутск, 1990 г.); на международной конференции по экологии Сибири "Сибэ-ко-93" ( Иркутск, 1993 г.); на международной конференции "Ядерная физика для охраны окружающей среды" ( Дубна, 1995 г.), на международной конференции "Закономерности эволюции Земной коры" ( Санкт-Петербург, 1996 ).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 32 печатных работах, опубликованных в издательствах: Академии Наук, Ленинградского университета, Атомиздате и др.; в журналах: Водные ресурсы, . Вопросы геофизики. Геохимия, Журнал аналитической химии, Записки всесоюзного минералогического общества; в зарубежных периодических изданиях: Cazopls pro mine-ralogll a geplogll. Acta Unlversltatls Carolinae, Sboralk geolo-gickych ved ( Чехословакия ), Geostandards Newsletter. ( Франция), Analyst ( Англия ).
Исходный фактический материал. За пятнадцать лет работы при непосредственном участии автора или под его руководством методом ИНАА исследовано более трех тысяч образцов самых разнообразных геологических материалов - породообразующих, рудных и акцессорных минералов, горных пород всех генетических типов, почв, рыхлых отложений, донных осадков, сухих остатков поверхностных и подземных вод, разного рода геоэкологических проб, и сделано порядка 60 тысяч элементоопределений. Результаты не всех анализов включены в диссертационную работу, но каждый из них учитывался автором при формулировании методических рекомендаций, выводов и заключений.
В процессе изучения геолого-геохимических особенностей исследуемых объектов проводились минералого-петрографические, геолого-структурные и литолого-фациальные исследования, использовались данные других аналитических методов, микрозондирования, декрипи-тации, радиоуглеродных датировок и петромагнитных измерений.
В большинстве случаев выбранные для исследования объекты отражали пространственно-временную эволюцию геологических образований. В этих объектах методом ИНАА определялись содержания редких элементов, представляющих все основные геохимические группы - ли-тофильную, халькофильную и сидерофильную. Интерпретация полученной информации проводилась после обработки данных ИНАА средствами многомерного статистического анализа.
Личный вклад автора. Все работы, использованные в диссертации, были выполнены при непосредственном участии автора на всех этапах, начиная от-постановки задачи и до подготовки материалов к публикации. Автором была намечена программа работ по совершенствованию метода ИНАА, осуществлялось планирование и проведение экспериментов, координация ядерно-геофизических и геолого-геохимических исследований. В организации и выполнении измерений автору помогали сотрудники ЛГУ П.И.Бивень. А.В.Мейер, С.А.Кузьмин и студенты-геофизики ИПИ Е.Ю.Мазурин, В.И.Кононов, О.В.Гордеев.
На формирование представлений, изложенных в предлагаемой работе, значительное влияние оказало общение с профессорами П.А.Вагановым, В. А. Мейером, А. А. Кухаренко, А. Г. Булахом, В. И. Лебедевым, А.Н.Жуковским, А.Ю.Давыденко. Н.О.Кожевниковым, В.Д.Мацем, В.А. Филонюком; доктором геолого-минералогических наук И.С.Ломоносовым, кандидатами наук . Г.Ф.Анастасенко, А.В. Мейером, Р.А.Кузне-
цовым, В.Б.Панкратовым, В.А.Лукницким, В.А.Бобровым. Л.Л.Петровым, Л.З.Граниной; научным сотрудником Г.И.Жуковым.
Особую признательность автор выражает заведующему кафедрой геофизических методов разведки Иркутского государственного технического университета, академику РАЕН, профессору Г.С.Вахромееву за постоянную поддержку и помощь в создании и развитии лаборатории многоэлементного ИНАА, а также за внимание к его исследованиям, за ценные и полезные советы и консультации.
Для обработки данных ИНАА на ЭВМ автором использовались программы для многомерного статистического анализа, разработанные на кафедре геофизических методов разведки ИрГТУ под руководством профессора А.Ю.Давыденко. Работоспособность аппаратурного спектрометрического комплекса обеспечивали инженеры В.Н.Плесовских и А.Ф.Шолохов. Н.В.Хайдурова и О.И.Назарова оказали ценную помощь в оформлении диссертации. Всем названным коллегам, способствовавшим выполнению работы, автор выражает искреннюю и глубокую благодарность.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы 205 страниц машинописного текста, 50 таблиц, 55 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 235 наименований.