Опыт применения VIS-NIR-SWIR-спектроскопии с целью картирования и типизации гидротермально-метасоматических изменений на флангах уранового месторождения Столбовое (Восточное Присаянье)

Месторождение Столбовое тяготеет к ядру Би­рюсинского горст-антиклинального внутреннего поднятия в пределах Восточного Саяна [2][3]. В его геологическом строении выделяются два структурных этажа — нижнепротерозойский гранито-гнейсовый фундамент и перекрывающий его субплатформенный осадочный средне-верхнерифейский чехол.

Фундамент образован нижнепротерозойскими гранито-гнейсами саянского комплекса с ксенолитами интенсивно дислоцированных амфибол-биотитовых, кварц-серицитовых сланцев и гнейсов часовенской толщи нижнего протерозоя. Отложения чехла сложены красноцветными терригенно-осадочными породами карагасской серии (шангулежской, тагульской и ипситской свит). Они полого, с резким угловым и стратиграфическим несогласием, залегают на поверхности цоколя. Также в геологическом строении площади принимают участие силлы нерсинского комплекса, залегающие среди песчаников среднего рифея, и более ранние дайки предположительно ангаульского комплекса раннерифейского возраста, относящиеся к породам основного состава. Последние прорывают гранитоиды саянского комплекса и перекрываются отложениями среднего рифея.

Становление гранито-гнейсов саянского комплекса завершилось формированием кремне-калиевых метасоматитов со шлировыми выделениями, обогащенными биотитом и акцессорными ториевыми, редкоземельными, урансодержащими и урановыми минералами: цирконом, монацитом, Th-монацитом, торитом, фергусонитом и уранинитом.

Гидротермальное урановое оруденение локализовано в измененных гнейсо-гранитах и приурочено к линейным крутопадающим прожилково-метасоматическим зонам. Метасоматические изменения карбонат-тонкослюдистого состава, развитые по массе породы со слабой и средней интенсивностью, придают околорудным ореолам характерную светло-желтовато-зеленую (оливковую) окраску. Мелкопятнистое распределение окраски в метасоматитах обусловлено избирательным замещением тонкими светлыми слюдами породообразующего плагиоклаза и биотита. Кварц и калиевый полевой шпат остаются неизмененными. По мере приближения к оруденелым прожилково-метасоматическим зонкам окварцевания интенсивность слюдизации возрастает, придавая породе пятнистую темно-зеленую окраску.

Слюдисто-глинистая минерализация играет ведущую роль в составе трех формационно-генетических типов ураноносных метасоматитов, связанных со средне-низкотемпературными процессами кислотного выщелачивания, — березитов, гидро­слюдизитов и аргиллизитов. Им соответствует ряд диоктаэдрических слоистых алюмосиликатов (серициты — гидрослюды — смешаннослойные слюда-смектиты — смектиты), обусловленный долей разбухающих межслоев в слюдах, меняющейся от 0 до 100% от серицитов к смектитам, и отражающий понижение температурных условий минералообразования [1][4]. Ранее диагностика слюдисто-глинистых минералов была возможна только с помощью прецизионных методов, требующих трудоемкой пробоподготовки и тщательного исследования.

Методика

Созданные в последнее время малогабаритные спектрометры UV-Vis-SWIR-диапазона, оснащенные персональными компьютерами, а также разработанные алгоритмы и реализующие их программы, которые позволяют оперативно проводить диагностику минерализации околорудных изменений в полевых условиях, привели к широкому внедрению спектроскопии диффузного отражения при проведении поисково-разведочных работ. Применение этого метода является особенно эффективным при поисках скрытых и слабо проявленных месторождений, на которых широкие ореолы изменений глинисто-слюдистого состава (березитов, аргиллизитов) могут выходить на дневную поверхность. Высокая сходимость результатов идентификации слюдисто-глинистой минерализации, диагностированной рентгенофазовым методом (РФА) и UV-Vis-SWIR-спектроскопией, доказана и продемонстрирована в некоторых зарубежных и отечественных публикациях [5]. Результаты применения UV-Vis-SWIR-спектроскопии продемонстрированы по месторождению урана Столбовое и его флангам.

Диагностика минерализации проводилась с использованием портативного спектрометра TerraSpec 4 Hi-Res (ASD Inc. Panalytical NIR Center, США) (рис. 1) без предварительного отбора материала, непосредственно на образцах керна. С помощью прибора было проведено измерение спектров диффузного отражения в Ultraviolet-Visible-Short-wave infrared (UV-Vis-SWIR) и определен состав глинисто-слюдистых, карбонатных фаз и хлоритов с использованием базы данных и программного обеспечения TSGVersion 7 (CSIRO, Australia).

Замеры проводились по керну скважин через 10 см. Образцы отбирались при документации скважин и характеризуют выделенный интервал, а в пределах интервала — конкретный тип изменений. По каждому образцу прибором проводилось несколько (2—6) замеров.

Результаты и обсуждение

Поисковые скважины пробурены в пределах сохранившегося осадочного чехла. Верхние части разреза представлены терригенными осадками шангулежской свиты среднерифейского возраста, в значительной степени выдержанными по своему литологическому составу. Среди осадочных пород преобладают слоистые песчаники, имеющие общую тенденцию к увеличению зернистости и возрастанию доли гравийно-галечного материала с глубиной. Цемент пород сложен бесцветными тонкими слюдами. Алевролиты образуют немногочисленные прослои, согласные с общим направлением слоистости. Основные различия в разрезах осадочных пород заключаются в степени их проработки поздней карбонатизацией и гипергенными процессами. Нижние горизонты пород чехла в разных скважинах также различны по степени насыщенности обломками пород фундамента — от почти полного отсутствия до формирования четко выраженного горизонта базальных конгломератов.

Диагностика показала, что в составе цемента терригенных пород чехла из тонкослюдистой минерализации присутствует только фенгит (рис. 2). В кристаллических породах фундамента фенгит фиксируется спорадически, обычно в интервалах неизмененных и слабо измененных пород, и не характерен для зон интенсивной метасоматической проработки.

Использование полевой спектроскопии позволило также установить, что в ряде скважин кора выветривания в гранитах либо отсутствует полностью, либо проявлена весьма незначительно.

Для иллюстрации полученных результатов нами выбраны колонки скважин № 4102, 4113 и 4109. Скважина № 4102 представлена интервалами с рудными пересечениями; №. 4109 пройдена по наименее измененным породам фундамента; №. 4113 имеет дифференцированный разрез, в пределах которого гранитоиды чередуются с измененными сланцами и дайками долеритов.

По результатам исследования разреза породы фундамента в скважине № 4102 характеризуются преобладанием биотитовых среднезернистых гранитов с нечетко выраженной гнейсоватостью. В верхней части разреза, до глубины 100 м, отмечаются реликты мелкозернистых гнейсов мощностью от 2 до 20 м. Изредка встречаются маломощные (до 2 м) тела крупноблоковых кварц-полевошпатовых пород пегматоидной текстуры. Контакты между перечисленными разновидностями, как правило, постепенные. Дайки основного состава имеют разнонаправленную ориентировку — угол пересечения с осью керна составляет от 10° до 75°.

Все породы фундамента в разрезе в разной степени изменены. К числу наиболее характерных изменений относятся: окварцевание, турмалинизация, тонкая слюдизация, карбонатизация и гематитизация. В локальных местах наиболее интенсивных изменений, часто с признаками тектонической проработки, текстурно-структурный облик породы почти полностью затушевывается. По данным гамма-каротажа в скважине установлена серия рудных пересечений мощностью 0,2—1,6 м, в том числе с содержанием урана 0,132%, приуроченное к дайке долерита, и в метасоматически измененных гранитах содержания урана не превышают 0,034%.

Фенгит в породах фундамента развит спорадически, но по всему стволу скважины. Присутствие каолинита, монтмориллонита, гетита обнаружено не только на границе с осадочным чехлом, но и во внутренних зонах среди гранитоидов, где установлены признаки гипергенных процессов в виде линейных кор выветривания, развитых по тектоническим нарушениям. Рудная зона, трассирующая дайку долерита, характеризуется резким увеличением доли сидерита в составе эпигенетической минерализации (рис. 3). При этом хлорит Fe-Mg состава тяготеет к безрудной дайке. Ниже оруденелой дайки, в измененных гранитоидах, среди слюдистой минерализации преобладает калиевая слюда — серицит, наряду с которым в локальном интервале между дайками и вблизи них, диагностировано значительное количество парагонитовой составляющей, указывающей на повышенную натровость состава тонких слюд.

В разрезе скважины № 4109 под базальным горизонтом песчаников находятся практически неизмененные лейкократовые граниты. При этом присутствие каолинита, монтмориллонита и гетита иногда фиксируется прибором в крутопадающих зонах дробления, по-видимому, являющихся линейными корами выветривания.

Породы фундамента представлены лейкократовыми биотитсодержащими крупно-среднекристаллическими гранитами, сменяющимися с отметки 205 м мезократовыми гранитами с гнейсовидной и порфировидной «очковой» текстурой. Значительную часть среди них составляют крупноблоковые кварц-полевошпатовые породы пегматоидной текстуры и дайки долеритов, имеющие ориентировку, субперпендикулярную к оси керна.

Наложенная минерализация отличается от таковой в скважине № 4102 меньшим количеством минеральных фаз и незначительной интенсивностью развития. Фенгит отмечается в породах по всему стволу скважины, но, как и повсюду, является лучшим репером для установления границы между чехлом и фундаментом. Развитие фенгита отмечается до глубины 150 м (до 99,7 м в чехле, далее незначительно в фундаменте). Ниже этой отметки фиксируется присутствие в основном мусковита (серицит). Карбонаты появляются в базальном горизонте песчаников и равномерно присутствуют в породах по всему разрезу скважины (рис. 4). Появление хлоритов в разрезе связано с наличием дайки долерита. При этом до отметки 190 м, где изменения выражены лишь хлоритизацией по породообразующему биотиту, диагностирован Fe-хлорит. Ниже по разрезу установлено развитие Fe-Mg хлорита, который является типовым минералом гидротермально-метасоматического преобразования пород. Он, как отмечалось выше, пространственно ассоциирует с дайками и силлами основного состава, сформировавшимися на позднерифейском этапе активизации.

Повышенные содержания урана, встреченные в единичных интервалах скважины, не превышают 0,035%. Метасоматическая проработка пород весьма слабая. Четкой связи зон повышенных значений радиоактивности с какой-либо разновидностью пород или изменений в них не отмечено.

В скважине № 4113 с песчаниками чехла контактируют гранитоиды со слабыми признаками поверхностных изменений (лимонитизации), сохранившие текстурно-структурный облик и целостность.

Ниже по разрезу присутствуют каолинит, монтмориллонит, гетит в дезинтегрированных участках пород линейной коры выветривания (рис. 5).

В разрезе отмечается частое чередование крупноблоковых кварц-полевошпатовых пород пегматоидной текстуры, гранитов разного текстурно-структурного облика, в том числе мезократовых «очковых» гранито-гнейсов, и сланцев. Дайки основных пород встречены в нижней части разреза. Визуально слюдистые изменения темно-зеленого и светлого желтовато-зеленого цвета проявлены незначительно и составляют не больше 5—10% объема породы. Породообразующий биотит в гранито-гнейсах большей частью хлоритизирован. По всему стволу скважины в породах встречаются участки тонкодисперсной гематитизации.

По результатам гамма-каротажа выделены единичные интервалы мощностью до 0,3 м с аномальными содержаниями урана не более 0,018%.

Визуально породы в этой скважине проработаны сильнее, чем в предыдущей. По результатам гиперспектроскопии состав минерализации, выявленной в скважине № 4113, аналогичен составу в других скважинах.

В интервалах, сложенных мезократовыми гранито-гнейсами, помимо серицита наблюдается заметное увеличение доли хлорита, обусловленное повышенным содержанием в них биотита (рис. 6). Хлоритизация максимально выражена вблизи дайки долерита и постепенно затухает на удалении от нее. Следует отметить, что в составе интенсивно измененной дайки главным является хлорит Fe-Mg состава.

Минералого-петрографическими исследованиями установлено, что оруденение представлено настураном и коффинитом. Как показали гиперспектроскопические исследования, оксидно-урановое оруденение пространственно приурочено к участкам развития серицита и Fe-хлорита, а присутствие в рудных зонах коффинита обычно сопровождается появлением парагонита и Fe-Mg-хлорита (табл. 1).

Определение абсолютного возраста урановых минералов показало, что настуран образовался в период 1313 ± 23 млн лет (U-Pb-метод термоионизационной масс-спектрометрии и изотопного разбавления, аналитик В.Н. Голубев, ИГЕМ). Наиболее близкими по времени образования являются дайки долеритов предположительно ангаульского комплекса, прорывающие породы фундамента, но перекрывающиеся породами осадочного чехла. Коффинит имеет более молодой возраст ≈ 700 млн лет (Pb-Pb-термоизохронный метод, аналитик Л.В. Сумин, ВИМС), отвечающий времени внедрения базитов нерсинского комплекса (743 ± 47 млн лет Sm-Nd по Е.В.  Склярову и 758 ± 4 млн лет Ar-Ar по Д.П. Гладкочубу) [6][7].

На основании данных, полученных в результате разностороннего изучения вещества с использованием новейшего диагностического метода UV-Vis-SWIR-спектроскопии, можно заключить, что на границе раннего и среднего рифея были образованы околорудные метасоматиты, основным компонентом которых являются тонкие калиевые слюды — серицит и фенгит. Близ одновременно с ними отлагались сидерит, Fe-хлорит, халцедоновидный кварц, пирит. В этих метасоматитах локально проявлена оксидно-урановая минерализация, приуроченная к пиритизированным прожилково-метасоматическим криптокварцевым зонкам.

На позднерифейском этапе активизации в тектонически нарушенных зонах с силикатноурановым оруденением телескопированно происходило образование гидрослюдистых изменений со значительной примесью натровой составляющей, в которых и спектроскопически, и рентгенофазовым анализом диагностированы парагонит, парагонит-иллит. С ними ассоциируют Fe-Mg-, Mg-хлориты и высокожелезистые и Mn-карбонаты. С их отложением в рудных зонах связано частичное разрушение настурана, перераспределение урана и переотложение его в виде коффинита, с которым обычно еще ассоциируют кальцит, халькопирит, сфалерит. На позднерифейский возраст этой минерализации с парагонитовой (Na) составляющей указывает не только ее тесная пространственная связь с коффинитом, но и тот факт, что она на 50—100% замещает долеритовый силл нерсинского комплекса, локализованный в средне-верхнерифейских песчаниках, вскрытый скважиной № 23 на месторождении Столбовое. Внедрение силла сопровождается образованием специфического контактово-метасоматического адинола между двумя близлежащими силлами и в экзоконтакте одного из них. В результате контактового воздействия вмещающие кварцевые песчаники превращены в тонкозернистый альбитит или хлорит (Mg)-альбитовый метасоматит с содержанием Na₂O 5—11%. Это, вероятно, является свидетельством того, что долериты нерсинского комплекса характеризуются щелочно-натриевой специализацией.

Заключение

Метод измерения спектров в UV-Vis-SWIR-диапазоне позволяет:

• оперативно выполнять диагностику всех глинисто-слюдистых минеральных разновидностей, карбонатных фаз и хлоритов;
• в совокупности с геологическими наблюдениями и минерало-петрографическими исследованиями осуществлять детальное минералогическое картирование околорудных ореолов и их зонального строения;
• достоверно выделять минеральные ассоциации и последовательность их образования, а также проводить необходимую типизацию эпигенетических изменений по признакам, характерным для региональных (метаморфических), постмагматических, метасоматических (приразломных) и других образований;
• фиксировать признаки площадных и глубоко проникающих линейных кор выветривания, с которыми связаны процессы окисления гипогенного оруденения;
• косвенно судить о глубине эрозионного среза выявленных образований на основе вещественной зональности метасоматических ореолов.