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, Г. А. Карпов, И. Б. Словцов
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 сотен 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 существенные вариации ОАRn в естественных газах гидротермально-магматических систем связаны с деформациями вмещающих пород, вызванными изменением сейсмотектонической обстановки.
В вулканитах Кихпинычского долгоживущего вулканического центра (КДВЦ) 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 ОАRn 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 вулкана Старый Кихпиныч делит на две части Узонско-Валагинский разлом [Шанцер, 1979]. В зонах разломов земной коры может сильно увеличиваться длительность и величина радоновой предвестниковой аномалии, а также размеры зоны ее проявления. Возможно, свою лепту в увеличение ОАRn на этом термальном поле внесло готовящееся сильное декабрьское землетрясение 1997 г. в районе Усть-Камчатска (К=15,5). Очень высокая ОАRn могло быть его предвестником. 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 сопоставления наших результатов с работами других исследователей можно сделать следующие выводы:
Содержание РАЭ в современных неизмененных вулканитах Камчатки ниже, а в гидротермально измененных породах и минеральных глинах выше среднего для пород сходного химического состава;
Для современных камчатских вулканитов характерно низкое торий-урановое отношение и неравновесность – избыток радия (226Ra) не подкрепленного ураном (238U);
Повышенные значения ОАRn обусловлены коллекторами радия – эпитермальными рудопроявлениями РАЭ, сформировавшимися на глубинах в первые сотни метров;
Значительные повышения ОАRn в свободных газах происходят в результате сейсмотектонической активизации, увеличивающей эманационную способность и проницаемость вмещающих пород.
Список литературы
Андреев В. И., Карпов Г. А., Пузанков Ю. М. и др. 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. и др. 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. |
