Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 8, стр. 1178-1183

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в осадочных отложениях между содержанием U и Th существует прямая корреляционная зависимость, тогда как в магматических породах зависимость между содержанием U и Th становится обратной [1]. Распределение урана и тория относятся к важным признакам многоуровневых конвективных рудогенных систем. По положительным сопряженным геохимическим аномалиям U и Th определяются контуры месторождений золота, редких металлов, жильных и стратиформных полиметаллических руд, при этом зона конкретного рудного тела характеризуется отрицательными аномалиями U и Th [2]. Аналогичная зональность прослеживается и для месторождений нефти, контур которых также контролируется положительными геохимическими аномалиям урана и тория. В целом в радиогеохимической практике поиска месторождений чаще всего применяется торий–урановое отношение, по значениям которого оценивается генезис пород. В работе коллектива авторов приведено обоснование более широкого применения в практике поисковых работ уран-ториевого отношения, вследствие различной подвижности урана и тория в зависимости от окислительно-восстановительных условий, избирательной аккумуляцией урана органическим веществом осадочных пород [3].

В районе работ (Южное Притиманье), где присутствуют вулканогенно-осадочные породы, актуальной становится задача оценки влияния наложенных процессов вулканизма и процессов гидротермального преобразования пород на содержание элементов в породах и нефти. Для решения поставленной задачи мы применили гамма-спектрометрический подход. Методическая часть работы состоит из измерения образцов пород, пластовых вод, нефтей, расчета показателя отношение активностей урана и тория А(U)/А(Th), определения масс ²³⁸U, ²³⁴Th и их соотношений. Ранее показатель А(U)/А(Th) был применен при изучении образцов керна скважины К-40 из отложений доманикового горизонта в центральной части Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции (НГП) на Севере России в исследовании [4]. В результате проведенных исследований в глубоко погруженных породах доманикового горизонта на глубинах свыше 3000 м выделены 4 уровня с повышенным содержанием урана, которые были сопоставлены с аналогичными уровнями в Ухтинском районе на западе Тимано-Печорской НГП, где отложения доманика выходят на поверхность [3, 4] и рассматриваются как толщи, производившие углеводороды. В связи с этим выявление в них корреляционных уровней с повышенным содержанием урана по радиогеохимическому показателю оказалось весьма актуальным для тематических работ при поисках нефти. Следует отметить, что определение высоких содержаний урана и тория и других высокозарядных элементов методом ИСП-МС (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой) остается сложной задачей и требует дальнейших исследований способов пробоподготовки вследствие ряда факторов при проведении разложения и раскрытия минералов различными кислотами [5]. По литературным и нашим данным различия в определении содержаний урана и тория методом ИСП-МС по сравнению с другими методами могут быть занижены в 3–5 раз. По нашим данным применение гамма-спектроскопии позволяет на основе неразрушающего метода уточнить заниженные значения тория в случае минеральных образований (ксенотим) и заниженные значения урана в случае органоминеральных образований в высокоуглеродистых породах (сланцах). В данной работе мы приводим только те значения, которые сопоставимы по двум методам исследований (гамма-спектроскопического и метода ИСП-МС).

Измерения образцов пород и нефти проводились спектроскопическим методом на гамма-спектрометре с HPGe-детектором с чувствительным объемом 51 см³ и методом ИСП-МС с целью получения более полной информации по вмещающим углеводороды толщам. Важное значение применения метода гамма-спектроскопии в комплексе с другими спектральными методами приведено в работе [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

В работах [1, 7] для разных типов магматических пород и гидротермальных полей приведены величины содержания U и Th по данным гамма-спектрометрии, масс-спектрометрического метода с индуктивно связанной плазмой (метод ИСП-МС) и нейтронно-активационного метода. На основе этих данных мы рассчитали величины уран-ториевого отношения для пород основного, среднего и кислого состава, включая туфы, а также провели расчеты для гидротермально измененных пород (табл. 1).

В табл. 1 приведены расчетные минимальные, максимальные и средние значения показателя U/Th для 79 образцов пород из отложений силура-карбона Южного Урала. Из табл. 1 следует уменьшение средних значений показателя U/Th от пород основного состава (базальты) к породам наиболее кислого состава (граниты). Для гидротермально измененных пород (25 образцов) на примере гидротермальных полей Исландии дана оценка минимальных и максимальных значений показателя U/Th, так как значительная часть определений урана в породах оценивается на уровне значений (<1 г/т) [7].

Приведенные в табл. 1 расчетные значения уран-ториевого отношения послужили эталоном при интерпретации экспериментальных гамма-спектроскопических и геохимических данных по образцам керна и нефти в районе работ в Тимано-Печорской НГП.

Для проверки сходимости результатов, получаемых двумя методами (гамма спектрометрическим и методом ИСП-МС), проведены измерения одних и тех же образцов пород. Результаты экспериментальных исследований образцов (анализ проведен соответственно на кафедре ядерно-физических методов исследования СПбГУ и в ООО “Полевая геофизика”) представлены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что результаты, полученные двумя методами, согласуются. При этом наибольшее сходство значений показателя U/Th прослеживается для образцов, содержащих глины (минеральная основа), чем для сланцевых пород с органо-минеральной основой.

Образцы пород на гамма-спектрометрические измерения были отобраны с разных глубин: на Возейской площади в центральной части Тимано-Печорской НГП глубины отбора образцов – от 2087 до 3682.25 м; на Ухтинской антиклинали глубины отбора образцов – от 38 до 278 м. В таблице 3 приведены измеренные значения активностей и расчетные значения содержания U и Th в г/т в образцах из глубоких скважин Возейской площади.

Из приведенных в табл. 3 значений расчетного содержания урана и тория и уран-ториевого отношения следует, что в разрезах скважин Возейской площади в отложениях среднего-верхнего девона присутствуют неизмененные породы (обр. № 1), осадочные породы доманикового горизонта, которые характеризуются накоплением урана и соответственно наибольшим значением показателя (1.09); вулканические прослои с туфами присутствуют в джъерском горизонте (значения уран-ториевого отношения составляют –0.22 при обратной корреляционной зависимости между U и Th). Гидротермально измененные породы верхнего девона в верхней части разреза (обр. № 2) определяются по наибольшим значениям показателя >8.67. С этой частью разреза связывается образование коллекторов за счет процессов гидротермального выщелачивания. В нижней части разреза породы также гидротермально изменены. Вследствие больших глубин залегания пород доманикового горизонта наличие гидротермальных процессов приводит к выносу элементов, а повышенное давление – к “отжатию” вод из пород и уплотнению последних. При этом значения уран-ториевого отношения уменьшаются за счет кислотного выщелачивания более подвижного урана в кислой среде по сравнению с торием.

В разрезах неглубоких скважин мы исследовали элементный состав образцов нефти в интервале глубин 38–278 м с применением гамма-спектроскопического, нейтронно-активационного методов и метода ИСП-МС. В табл. 4 приведены результаты исследования образцов нефти и вмещающих пород.

Из табл. 3 и 4 видно, что повышенное количество урана, превышающее в 5 и более раз кларковое значение, в гидротермально неизмененных породах доманикового горизонта не зависит от глубины скважин. Сланцы доманикового горизонта при этом характеризуются значениями уран-ториевого отношения больше 1. Из табл. 4 также следует, что по показателю U/Th в разрезе верхнего девона прослеживаются как магматические, так и гидротермально измененные породы. По данным нейтронно-активационного метода и метода ИСП-МС эти породы по сравнению с осадочными породами характеризуются большим разнообразием и повышенным содержанием литофильных, редких и благородных элементов. В районе работ ранее установлено, что гидротермально измененные вулканогенно-осадочные породы отличаются повышенными содержаниями: стронция, ванадия, хрома, никеля, молибдена, цинка, кадмия, серебра, рения, иридия, платины и контролируются показателями Sr/Ba ≥ 1 и U/Th > 1, тогда как в случае преимущественно гидрогенного осадконакопления породы обогащены барием, железом, рубидием, цирконием, редкоземельными элементами (лантаном, церием, неодимом, празеодимом, самарием), галлием, цезием и контролируются значениями показателей Sr/Ba < 1 и U/Th < 1 [8]. При этом значения показателя составляли Nd/Ba 0.1–0.2, т.е. фактически не отличались в породах с различными условиями осадконакопления. В работе [8] авторы предположили, что такие выровненные значения – результат наложенного влияния гидротермального процесса. В данной работе, не отрицая влияния на породы гидротермальных процессов, мы рассматриваем еще один способ обогащения пород широким рядом элементов за счет обогащения вулканогенно-осадочных образований продуктами деления урана. Отметим, что выявленные различия в составе элементов могут быть обусловлены фракционированием “легких” и “тяжелых” осколков при делении урана. Так, еще в 1957 г. было установлено, что инертный газ криптон, рубидий, стронций, цирконий, молибден относятся к легким осколкам при делении U²³⁵, а цезий, барий, церий, неодим, самарий – к тяжелым осколкам при делении U²³⁵ [9]. С учетом фундаментальных основ ядерной физики можно предположить, что в районе проводимых нами работ в гидротермальных условиях в вулканогенно-осадочные породы поступают преимущественно легкие осколки деления U²³⁵ (Sr, Zr, Cs, Mo), тогда как при гидрогенном осадконакоплении (и/или ослаблении влияния гидротерм) в породах накапливаются преимущественно тяжелые осколки деления U²³⁵ (Ba, Cs, Ce, Nd, Sm) и, в меньшей степени, поступают легкие осколки деления U²³⁵. При таком механизме вполне понятно установленное сходство значений показателя Nd/Ba не только для пород, формировавшихся в различных условиях (преимущественно гидрогенных и преимущественно гидротермальных), но и для нефтей разных пластов во вмещающих породах, как отношения “тяжелых” осколков Nd и Ba в процессе деления одного и того же (исходного) количества урана. При этом значения показателя Sr/Ba для пород, образовавшихся в разных условиях, отличаются так, как Sr (легкий осколок деления U²³⁵) соотносятся с гидротермальными процессами, возможно с более (высокотемпературными гидротермами), а Ba (тяжелый осколок) накапливается в относительно спокойных гидрогенных условиях (и/или в условиях низкотемпературных гидротерм). Для данного района величина показателя U/Th > 1 характеризует гидротермальные условия образования осадков, а его значения меньше 1 – гидрогенные условия. Что касается значений показателя U/Th для нефтей, то они варьируют в широком диапазоне от 0.75 до 15.38. Состав элементов в образцах нефти также различается. Нефти пласта II+б (региональная номенклатура) в нижней части тиманской свиты характеризуются следующими показателями и их значениями: U/Th < 1; Sr/Ba > 1; As/Cr < 1; Fe > V > > Ba. В нефтях из разных пластов верхней части тиманской свиты (в основном пласты A, I по региональной номенклатуре) расчетные значения показателя U/Th изменяются от 1.15 до 15.38. Значения показателей имеют фактически противоположные характеристики: U/Th > 1; Sr/Ba = 1, As/Cr > 1, V < Ba [8]. Такие различия, по нашему мнению, свидетельствует о различных способах поступления U и Th и других элементов в нефтепродуктивные пласты тиманской свиты. К основному способу обогащения нефти элементами отнесено гидротермальное влияние на нефти пластов A и I (которое контролируется величиной U/Th > 1. В пласте II + Б это влияние либо понижено, либо отсутствует, что определяется по пониженными значениями U/Th от 0.75 до 1.45. На этом основании выделены два типа нефти, металлоносность которых определяется совокупным влиянием различных процессов (магматических, гидротермальных и др.). В качестве подтверждения вхождения продуктов деления U²³⁵ на состав нефтей и вмещающих пород может служить факт обнаружения криптона в нефти на основе применения экспериментальной установки [8]. Заметим, что сами нефти в районе работ являются миграционными, так как отсутствуют отложения, способные генерировать нефть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение показателя A(U)/А(Th) в совокупности с массами и массовыми соотношениями количества урана и тория позволило охарактеризовать вулканогенно-осадочные толщи с наложенным поствулканическим гидротермальным влиянием. Установлено, что для магматических пород (обратная корреляционная зависимость между содержанием U и Th) расчетным путем установлено уменьшение средних значений показателя U/Th от 10.5 для пород основного состава (базальты) до 0.11 для пород наиболее кислого состава (граниты). В осадочных породах на примере сланцев (прямая корреляционная зависимость между содержанием U и Th) установлено, что показатель U/Th изменяется от 4.04 для наименее термически преобразованных сланцев (см. табл. 4) и до 0.36–0.44 для черных сланцев (см. табл. 1). Гидротермально преобразованные породы на глубинах свыше 3500 м характеризуются более низкими значениями U/Th (менее <0.08) за счет выноса U. В зоне разгрузки гидротерм (области пониженного давления, геохимические барьеры) значения показателя U/Th возрастают по нашим данным до 6.5–8.6 (см. табл. 3).

Выявлено повышенное количество урана в разрезах скважин, вскрывших доманиковые отложения (в табл. 3 и 4 превышение содержания урана в гидротермально неизмененных породах в 5 и более раз по сравнению с кларком).

Определены значения показателя U/Th, характеризующие туфовые прослои (для наших условий значения показателя U/Th равны 0.22), что является благоприятным условием формирования коллекторов (см. табл. 2–4).

На основе различия величин показателя U/Th в нефтях установлен различный характер поступления металлов: металлоносные нефти в нижней части тиманской свиты имеют признаки влияния магматических образований, тогда как нефти в ее верхней части обогащены элементами за счет гидротермального влияния (см. табл. 4).

Разнообразие элементов в составе вулканогенно-осадочных образований объяснено за счет накопления “осколочных элементов” при делении урана-235.