Основы литогеохимических, гидрогеохимических и биогеохимических методов поисков кимберлитов
Благоприятной предпосылкой применения геохимических методов поисков кимберлитов является резкое отличие их химического состава от вмещающих пород. В кимберлитах отмечается повышенное содержание, в %: TiO2 1,5; Cr2O3 0,01—0,2; NiO 0,01—0,7; P2O5 0,55; Cl 0,25; F 0,4; В 0,02. Преобладание в кимберлитах калия над натрием позволяет отличать последние от сходных с ними ультраосновных пород. Специфической особенностью кимберлитов является обогащенность их стронцием, редкоземельными элементами, причем содержание этих элементов в трубках значительно выше (на 1—2 порядка), чем во вмещающих породах. Кимберлиты по сравнению с вмещающими породами, а также траппами и другими основными породами характеризуются повышенным содержанием (в n*10в-4%) урана 2,5 (в траппах 1,5, известняках 1,0). При процессах выветривания и денудации кимберлитов элементы-индикаторы (никель, кобальт, хром, цинк, медь и др.) концентрируются в рыхлых аллювиальных и делювиальных образованиях и обусловливают формирование вторичных ореолов и потоков рассеяния, которые по своим размерам значительно превышают объемы кимберлитовых трубок и распространяются на значительные расстояния от них. Литогеохимические поиски по вторичным ореолам и потокам рассеяния широко применяются при поисках алмазоносных месторождений. Вторые используются в основном на стадии средне- и крупномасштабного геологического картирования (1 : 200 000 и 1 : 50 000) в комплексе со шлиховым опробованием. Анализ имеющихся материалов показывает, что в районах, где возможно применение литогеохимических методов поисков по вторичным ореолам рассеяния, метод является весьма эффективным. Об этом свидетельствуют данные литогеохимических поисков по вторичным ореолам рассеяния, проведенных в горно-таежных и тропических условиях в Сибири, Индии, Судане, Конго, Сьерра-Леоне. Конфигурация ореолов рассеяния элементов вокруг кимберлитовых тел иллюстрируется на рис. 1. При локализации кимберлитов среди карбонатных пород вокруг них образуются положительные геохимические ореолы Ni, Cr, Co. Эти элементы концентрируются главным образом в составе сильно измененной основной массы кимберлитов и в процессе выветривания высвобождаются легче, чем примеси, содержащиеся в минералах.
Размеры ореолов превышают параметры трубок в 1,5—2 раза. Ореолы кобальта, никеля отмечаются в непосредственной близости от кимберлитовых тел, смещение эпицентров аномалий относительно средней части диатрем на склонах с крутизной в несколько градусов составляет лишь 50—150 м. В зонах развития солифлюкционных процессов смешение ореолов по склону достигает 150 м. Содержание элементов во вторичных ореолах рассеяния вокруг кимберлитовых тел Сибири составляет, %: никель 0,02—0,03 (контрастность 3—7), хром 0,05—0,08 (контрастность 3—4), титан 1,0—3,0 (контрастность 3—5). Контрастность аномалий уменьшается по мере удаления от кимберлитовых тел. Ряд геохимической подвижности: Ni—Co—Cr—V—Zr—Cu. Над кимберлитовыми телами, залегающими в карбонатных породах, отмечаются отрицательные ореолы свинца.
Кимберлитовые тела, локализующиеся среди траппов, генерируют вторичные ореолы никеля, хрома, кобальта. В породах субстрата отмечаются повышенные концентрации ванадия, галлия. Размеры и форма ореолов над этими образованиями зависят от мощности перекрывающих элювиально-делювиальных образований и интенсивности процессов солифлюкции. В рыхлых
образованиях разломы, определяющие размещение кимберлитовых тел, фиксируются ореолами ртути и радиоактивных элементов. Аномалии обычно линейно ориентированные. Для поисков коренных и россыпных месторождений алмазов могут применяться минералогические методы. Особенно важное значение имеют ассоциации тех минералов, которые наблюдаются в самих алмазах. Исследование алмазов и его спутников, изучение изменения концентрации, размера зерен и степени их износа позволяют обнаруживать коренные тела. Алмазы переносятся на значительные расстояния (до 15 км) от кимберлитовых трубок. При переносе речными потоками алмазы не изнашиваются, а раскалываются. С увеличением расстояния переноса алмаза в реках число обломков и поврежденных кристаллов увеличивается. Если алмазы миновали промежуточные коллекторы, следы износа в них выражаются в сглаживании ребер, гранных швов, появлении фигур удара, серповидных трещин. В связи с низким содержанием алмазов (стотысячные и миллионные доли процента) в кимберлитовых трубках при поисках используются минералы-спутники, которые, обладая устойчивостью и более высокой концентрацией, по сравнению с алмазом, чаще встречаются в аллювиальных образованиях. Ввиду большой плотности (3,2—4,7) парагенетические спутники алмаза (ильменит, пироп, хромшпинелид, хромдиопсид, циркон) концентрируются в тяжелой фракции рыхлых образований и довольно легко диагностируются в поле.
Экспериментальные исследования показали возможность применения гидрогеохимического, биогеохимического методов при поисках кимберлитовых тел. Минеральные фазы кимберлитов и продукты их выветривания растворяются в воде, обусловливая формирование гидрохимических аномалий. Элементом-индикатором кимберлитов является цинк, водные ореолы которого прослеживаются в речных долинах (вниз по течению) до 5 км от трубок (содержание элемента в 10—100 раз больше фоновых). Соединения этого элемента (бикарбонатные соли) относятся к группе легкорастворимых образований, отличающихся значительной подвижностью. Особенности распределения цинка в гидрохимических пробах вокруг алмазоносной трубки иллюстрируются рис. 2. При приближении к трубке содержание цинка в ореолах достигает 0,05 мг/л при фоновом значении 0,005 мг/л. Резкое увеличение концентрации цинка в водных пробах наблюдается около контакта с кимберлитами. Кроме цинка в качестве индикаторов используют также Ni, Co, Cr, V, Ga, Cu. Воды с повышенным содержанием суммы перечисленных металлов обычно контролируют зоны распространения кимберлитовых тел. Корни многих растений, проникая на глубину от 2 до 12 м, концентрируют элементы закрытых ореолов рыхлых образований. Повышенные количества Ni, Cr, Ti установлены в золе растений, отобранных в непосредственной близости от кимберлитовых тел. На расстоянии от кимберлитов эти элементы содержатся в растительности в меньшем (до 5 раз) количестве. Таким образом, растительный покров может быть индикатором кимберлитовых тел. В горно-таежных районах задернованные и слабо выраженные в рельефе кимберлитовые трубки, так же как и окружающие их осадочные породы, покрыты рыхлыми образованиями, различно сохраняющими влагу. Над кимберлитами наносы имеют более высокое содержание влаги и повышенные концентрации фосфора, хлора, калия, что обусловливает относительное богатство растительностью участков над ними, выявляющихся на цветных ИК-аэрофотоснимках, снятых на малой высоте. Растительный покров на большинстве трубок характеризуется наличием подлеска из ольховника, отличающегося значительной высотой и сомкнутостью по сравнению с подлеском на вмещающих породах. Над кимберлитами высота древостоя составляет 9—11 м при среднем диаметре ствола 0,25 м. На вмещающих известняках лиственичные редколесья отличаются низкорослым и очень разреженным древостоем. В местах нахождения кимберлитовых тел на аэрофотоснимках наблюдается более темный фототон, обусловленный увеличением сомкнутости древесных и кустарниковых растений. Отличие кимберлитовых тел от вмещающих пород по магнитной восприимчивости и содержанию радиоактивных элементов является благоприятной предпосылкой для применения геофизических методов (аэромагнитная, гравиметрическая, гамма-спектрометрическая съемки). Общей закономерностью являются повышенная магнитная восприимчивость кимберлитов, высокое значение уран-ториевого отношения (20 и более) против 2—5 единиц в делювии траппов.
Практические рекомендации по литогеохимическим и минералогическим методам поисков кимберлитов по вторичным ореолам и потокам рассеяния. Литогеохимические исследования по вторичным ореолам и потокам рассеяния осуществляются в три этапа: при рекогносцировочных, поисковых и детальных работах.
Литогеохимические исследования по потокам рассеяния на первом этапе проводят в комплексе со шлиховой и гидрохимической съемкой одновременно с геологосъемочными работами в масштабе 1 : 200 000. В слаборасчлененных открытых районах аридной зоны необходимо проводить рекогносцировочные литогеохимические исследования по вторичным ореолам рассеяния, в результате которых определяются общая геохимическая и минералогическая характеристики исследуемого района. Эти работы проводятся во время прохождения маршрутов, вкрест господствующего простирания пород и разломов с учетом пересечения развитых в районе интрузивных массивов. При этом могут быть обнаружены ореолы и потоки рассеяния кимберлитовых тел.
Поисковые литогеохимические исследования по вторичным ореолам и потокам рассеяния в масштабе 1 : 50 000 проводят в районах, где после проведения рекогносцировочных минералогогеохимических исследований или иных работ получены положительные результаты. Поиски по потокам рассеяния необходимо проводить одновременно с гидрохимическим опробованием. Их применение на конкретных площадях зависит от развития гидросети и возможности поступления минералов и горных пород из месторождений в речные долины. Особенно эффективно комплексное применение шлихового опробования и поисков по речным потокам рассеяния.
В районах со слабо выраженными путями современного стока поиски осуществляют литогеохимическим методом. Целью поисковых литогеохимических исследований по вторичным ореолам и потокам рассеяния является выявление кимберлитовых тел.
Детальные литогеохимические исследования по вторичным ореолам рассеяния проводят на локальных площадях, с признаками алмазоносности. Целью этих работ является выявление, оконтуривание кимберлитовых диатрем, а также их оценка.
Литогеохимические поиски по потокам рассеяния в масштабах 1 : 200 000—1 : 50 000 осуществляются путем опробования песчаноглинистой фракции русловых отложений по сети маршрутов: при рекогносцировочных съемках в масштабе 1 : 200 000 расстояние между пунктами отбора проб по руслу составляет 250—500 м (2—3 пробы на 1 км2 площади), а при поисках в масштабе 1 : 50 000 соответственно 100 м и 20 проб. Маршруты прокладывают вдоль русел рек, ручьев, логов. Одновременно с литогеохимическим опробованием аллювия проводятся шлиховое опробование и измерения магнитной восприимчивости мелкой фракции с помощью каппаметра ЭКП-3. Для обнаружения ореолов рассеяния поисковые и детальные литогеохимические съемки должны быть выполнены по сети профилей, удовлетворяющей одному из общепринятых масштабов (табл. 1).
Учитывая изометричные формы кимберлитовых тел и возможные минимальные размеры вторичных ореолов, литохимическое опробование при поисках в масштабах 1:50 000—1:25 000, 1 : 10 000 рекомендуется проводить соответственно по сеткам 150x150, 100x100 и 50x50 м. Эта сеть может изменяться в зависимости от предполагаемых размеров трубок и условий применения литогеохимических поисков. Выделяются категории площадей: горно-таежные, с тропическим ландшафтом, которые в свою очередь делятся на территории, покрытые продуктами выветривания местных пород и принесенными издалека образованиями. Литогеохимические поиски в новых районах необходимо начинать с отбора проб из разных горизонтов делювиальных образований. В процессе этих исследований проводятся анализ и обобщение результатов геохимических работ на геологически изученных участках при максимально частой сети отбора проб по профилю (через 5—10 м) не глубины 0,2—0,5 м. Осуществляется выбор наиболее представительной фракции и начальной массы проб. При литогеохимических поисках по потокам рассеяния опробуют илисто-глинистую или песчаную фракцию аллювия с поверхности или из закопушек с глубины 15—20 см в пределах сухой пойменной части русла.
При поисках по ореолам рассеяния в пробу отбирается песчано-глинистая фракция элювиально-делювиальных образований. Отбор проб производят из-под гумусового горизонта почвы с глубины 20—30 см.
В районах преобладания ослабленных у поверхности и погребенных вторичных ореолов рассеяния пробы следует отбирать из представительного горизонта, который в условиях замедленной денудации совпадает с верхним гумусированным горизонтом почвенного профиля (открытые ореолы) или иллювиальным горизонтом на глубине 0,5—0,8 м от поверхности (закрытые ореолы).
Глубинные литогеохимические поиски по вторичным ореолам рассеяния в перспективных районах осуществляют путем опробования скважин (шпуров) на глубине представительного горизонта. Масса пробы должна быть 50—150 г, истирание их необходимо проводить до 200 меш. Пробы подлежат анализу на следующие химические элементы: никель, медь, кобальт, хром, марганец, ванадий, галлий, ниобий, цинк, свинец, цирконий, ртуть. Анализы на никель целесообразно проводить в полевой обстановке. Для этого фракция <80 меш обрабатывается смесью HCl+HNO3 (1:3) или HF и в экстракте определяют никель. Выделение слабоконтрастных геохимических аномалий, оценка местного геохимического фона осуществляются путем вариационно-статистической обработки данных. Параметры распределения элементов в пробах определяются с учетом литологических особенностей вмещающих, пород. По содержанию элементов группы железа выделяют высоко- и среднеаномальные ореолы. Для усиления контрастности литогеохимических ореолов проводится построение мультипликативных ореолов Cr*Ni*Co. Рекомендуется совместное применение минералогических и геохимических методов с построением совмещенных шлиховых и геохимических карт. В ряде случаев при затруднениях в диагностике минералов шлиховые пробы (каждая вторая) подвергаются спектральному анализу; при этом значительно усиливается контрастность геохимических аномалий.
На карты выносятся сведения о качественном и количественном составе минералов, геохимические аномалии, оконтуриваются участки, перспективные на алмазы. Определяются возможные направления сноса продуктов размыва кимберлитов. При этом учитываются геохимические признаки известных (эталонных) трубок и трапповых образований.
Совмещение зон развития минералов-спутников с вторичными ореолами и геофизическими аномалиями позволяет более объективно прогнозировать кимберлитовые тела.
Минералогические методы применяются при опробовании аллювиальных и делювиальных образований; при этом: а) выявляются коренные и россыпные месторождения; б) определяются вероятные источники сноса; в) устанавливается дальность транспортировки минералов; г) выявляются мелкие дайки траппов, трассирующие разломы. Особое внимание уделяется отбору проб из мелких, иногда пересыхающих притоков крупных речных долин и логов. Рекомендуется проходка одиночных шурфов в устьях сухих рек с целью намыва тяжелой фракции. Особенно тщательно опробуются водотоки вокруг магнитных аномалий удаленных от выходов траппов. Исходная масса пробы определяется на месте ее отбора, наиболее оптимальным является объем 20 л. При выборе мест отбора следует учитывать то обстоятельство, что гранатовый концентрат накапливается обычно ниже головной части кос. Учитывая сравнительно небольшую плотность гранатов (3,64— 3,74 г/см3), при проведении минералогических исследований необходимо добиваться сохранности в пробе 25—30% легкой фракции (серого шлиха). На участках значительного скопления спутников алмаза проводится мелкообъемное (1 м3) опробование отложений для выявления алмазов. В случае положительных результатов намечаются конкретные районы для постановки детальных работ. Шлихи просеивают на ситах с диаметром отверстий 0,5—1 мм, визуально отмечают присутствие пиропа в крупной фракции (+1,0 мм) и его примерное содержание. На основании шлихового опробования оконтуриваются границы возможного распространения кимберлитовых тел. По значительному увеличению в пробах пиропа, пикроильменита и других минералов ориентировочно намечаются участки возможного нахождения трубок. При обобщении результатов исследований учитывают видовой состав минералов и их размер, преобладание в шлихах пикроильменита над пиропом, присутствие келифитовой оболочки в зернах пиропа, сохраняющейся на расстоянии 0,2—1,0 км, а также лейкоксеновой и перовскитовой рубашки на пикроильмените, устойчивой на удалении до 3 км от материнского источника. Опыт работ свидетельствует, что до 15 км переносится пироп и пикроильменит, до 8 км — магнетит, до 5 км — хромдиопсид, до 2 км — оливин и перовскит. Содержание зерен диаметром более 0,5 мм на расстоянии 300 м от диатрем составляет: пироп 75%, пикроильменит 91%, а на расстоянии 2,2 км — пироп 30%, пикроильменит 65%.
Шлиховое опробование делювия позволяет выявлять контуры возможной коренной алмазоносности, а также проводить поиски отдельных кимберлитовых тел вблизи разведанных участков. Признаком новых диатрем является наличие в делювиальных отложениях алмазов, отличающихся по морфологическим и физическим особенностям от разведанных тел (обычно в каждой конкретной трубке присутствуют алмазы с определенным набором признаков). Вблизи кимберлитовых тел сколы в минералах-спутниках алмаза характеризуются ярким блеском, а в пробах делювия отмечаются минералы легкой фракции (флогопит, хлорит, серпентин). Шлиховое опробование делювиальных образований при поисках в масштабе 1 : 50 000 проводится через 100 м, линии маршрутов прокладываются по склонам речных долин выше границы распространения руслового аллювия. Делювиальные пробы отмучиваются от глины и промываются на лотках. В некоторых случаях для оконтуривания локальных площадей проводится дополнительные профили опробования (до 4) вверх по склону в 100—150 м от основных поисковых линий.
По парагенным ассоциациям минералов ориентировочно устанавливают дайки траппов, пересекающих зоны разрывных нарушений, а также выходы карбонатитов, с которыми могут быть связаны кимберлитовые тела. Минералами-индикаторами мелких тел трапповой формации являются диопсид, авгит, ильменит, магнетит, а карбонатитов — пирохлор, колумбит, торит, циркон.
Результаты опробования систематизируются, выделяются типичные минеральные парагенезисы. Процентно-весовое отношение минералов приводится из расчета на 1 м3. На картах в логарифмическом масштабе полосами различной ширины указывается изменение процента выхода тяжелой фракции шлихов вдоль русел рек, а внутри полос ленточным способом иллюстрируется процентное соотношение минералов. Проводятся контуры конкретных перспективных зон, приводятся результаты минералогического анализа делювиальных образований и протолочек коренных пород; указывается процентное отношение массы пиропа и ильменита к массе тяжелой фракции.
При поисках кимберлитовых тел целесообразно применять комплекс методов, включающих минералогическое опробование и литогеохимическую съемку.
Геофизические методы в алмазоносных районах применяют при региональных исследованиях, детальных поисках и оценочных работах с привлечением аэромагнитной и гравиметрической съемок в масштабе 1 : 200 000. Наиболее эффективна магниторазведка. Аэромагнитные съемки при поисках кимберлитовых трубок сопровождаются наземными магнитными работами в масштабах 1 : 10 000—1 : 5000. В ряде случаев однозначное выделение аномалий, обусловленных кимберлитами, затруднено. Для разбраковки ложных аномалий (останцы траппов, туфов, скопления в делювии долеритов, магнетитсодержащих песчаников) и достоверной интерпретации истинных аномалий применяется аэромагнитная съемка с одновременной регистрацией магнитного поля на нескольких уровнях с помощью двух аэромагнитометров. Этот метод позволяет из числа фиксируемых выделять те аномалии, которые вызваны трубчатыми телами — объектами большого распространения на глубину.
При размещении кемберлитов среди гранитов могут применяться радиометрические методы поисков. Трубки выявляются отрицательными аномалиями гамма-поля и повышенными аномалиями магнитного поля. Гамма-спектрометрическим методом (повышенные содержания тория, урана) могут выявляться трубки, выполненные кимберлитами слюдяного и туфового типов и перекрытые наносами мощностью до 15 м.
Эффективным методом поисков россыпных месторождений алмаза является шлиховое опробование. При поисках россыпных месторождений необходимо учитывать интенсивность денудационных процессов и развития кор выветривания, способствующих образованию богатых залежей алмазов. В последних наблюдаются гранаты с конусовидной пирамидальной и черепитчатой скульптурами.
Шлиховый метод позволяет устанавливать площади развития древних терригенных образований как наиболее вероятных коллекторов алмазов. Для россыпей основным критерием их продуктивности является присутствие самих алмазов. При обробовании аллювиальных образований необходимо учитывать, что аккумуляция алмазоносного материала происходит в отрицательных формах рельефа — карстовых депрессиях, озерных ваннах и т. д. Особое внимание уделяется тем речным долинам, в которых отчетливо проявлены лестницы террас на склонах, указывающие на неоднократный размыв и переотложение обломочного материала с выносом мелких частиц и обогащением полезным компонентом. Пробы необходимо отбирать на участках перегиба продольного профиля русла от крутых к пологим, а также на отрезках долин с глубоким врезом, небольшой шириной и мощностью аллювия.
При поисках россыпей проводятся бурение скважин, а также проходка (зимой) шурфов по поперечным профилям речных долин и отбор шлиховых проб. Расстояние между выработками определяется в каждом случае индивидуально, в зависимости от особенностей строения россыпей. Учитывая струйчатое распределение алмазов в элювиальных образованиях и приуроченность их к приплотиковой части, предпочтительна проходка шурфов глубиной до 20 м, достигающих коренных пород. При этом опробование оказывается достоверным и представительным. Обращается внимание на возможность обнаружения кимберлитов в коренном залегании. Первичные осадочные коллекторы указывают на близость кимберлитовых тел. Цоколем являются кимберлитовые трубки, непосредственно из которых происходит поступление алмазов. При оценке россыпей наиболее перспективны участки, связанные с краевыми частями зон максимальных размывов, нижние и верхние части перекатов, центральные части плёсовых лощин. Немаловажным благоприятным фактором, учитывающимся при поисках россыпей, является грубообломочный (олигомиктовый или мономиктовый) состав осадков, локализующихся среди карбонатных пород субстрата.
При поисках россыпей геохимическое опробование рыхлых образований проводят в пределах зрелых речных долин, где выявление минерализации шлиховым методом затруднено.