Введение к работе
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.
-
В вулканогенных породах Камчатки содержание естественных радиоактивных элементов определяется двумя главными факторами: а) фракционированием магмы в питающих очагах, б) ретроградным кипением магм при извержениях.
-
Максимальные содержания и дисперсия распределения естественных радиоактивных элементов, присущие породам различных вулканогенных фаций, уменьшаются по мере дегазации расплавов.
-
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.
