Содержание природных радионуклидов Ra²²⁶, Th²³², K⁴⁰ в титановых рудах и вмещающих породах Пижемского месторождения

Одно из крупнейших в России Пижемское титановое (псевдорутил-лейкоксен-кварцевое) месторождение, запасы которого по категориям С₁ и С₂ утверждены ГКЗ в 2020 г. в количестве 300 млн т руды и 12,8 млн т TiO₂ (по борту 3 мас.% TiO₂), расположено в северной периклинальной части Вольско-Вымской гряды Среднего Тимана (Республика Коми). Геологическое строение, вещественный и минеральный состав руд и вмещающих пород хорошо изучены [2][3]. Титаноносная малоручейская толща PR₃mr с лейкоксен-псевдорутиловым оруденением c угловым несогласием субгоризонтально залегает на рифейских глинистых сланцах PR₃lv итакже с угловым несогласием перекрывается терригенно-осадочными и вулканогенно-осадочными породами среднего-верхнего девона. Руды и породы не содержат остатков руководящей биоты. Среднее содержание TiO₂ в пижемских сероцветных песчаниках средней малоручейской толщи (PR₃mr²) — 5,7 мас.%, при средней мощности пласта 5,6 м, в красноцветных песчаниках нижней малоручейскойтолщи (PR₃mr¹), соответственно, 3,5 мас.% (35 м). На восток и северо-восток мощность рудных пластов значительно увеличивается, до 40 и 100 м соответственно.

В рудах Пижемского месторождения диагностировано 40 минералов и их разновидностей: ильменит, пикроильменит, рутил, Fe-рутил, псевдорутил — (Fe²⁺, Fe³⁺)_2-nTi₃O₉*SiO₂, лейкоксен — TiO₂*SiO₂,Nb-рутил («ильменорутил»), Ta-Nb-рутил («стрюверит»), колумбит, циркон, монацит, куларит, ксенотим, флоренсит, хромит и другие. Главные рудные титановые минеральные фазы — лейкоксен ипсевдорутил — не имеют строгой ориентировки и сортировки в песчаниках, как и остроугольные зерна кластогенного кварца. Цементом рудных песчаников являются гематит, сидерит, гидромусковит, каолинит. Сидерит часто образует гидротермальные прожилки толщиной до 1—2 мм. По классификации ВИМС кварц-лейкоксеновые титановые месторождения относятся к гидротермально-метаморфогенным коренным месторождениям [14]. В них на месте происходит ступенчатое гидротермально-метаморфическое преобразование ильменита в рутиловый лейкоксен с выносом железа приучастии флюида и углекислоты: ильменит → Fe-рутил → псевдорутил → лейкоксен + сидерит + рутил [3].

Полные результаты исследования, а также частичные данные по химическому составу пород (рентгенофлуоресцентный метод, стандартная методика, лаборатория ИГЕМ) размещены в таблице. Наименьшие содержания радионуклидов установлены для кварцевых (D₂pz) и кварц-каолинитовых (PR₃mr³) песчаников стекольного качества.

Известно обязательное требование при проведении разведочных буровых работ, которые должны сопровождаться геофизическими исследованиями — каротажем скважин. При проведении геолого-разведочных работ (ГРР) в пределах Пижемского месторождения основном видом каротажа был гамма-каротаж, который позволял точно отбивать литологические разности пород: кварцевые песчаники пород вскрыши, конглобрекчиевый горизонт полиминерального проявления Ичетью [7]; титановые руды малоручейской толщи; подстилающие рифейские глинистые сланцы. Источником γ-излучения является радионуклид Ra²²⁶, который накапливается в древних зернах циркона и малакона при α-распаде в нем примеси урана [6][10]. Установлено, что примерно 10% зерен циркона в проявлении Ичетъю и малоручейской титаноносной толщи содержат аномально высокие примеси иттрия, фосфора, урана и других некогерентных компонентов, которые отличают эту гидротермально измененную разновидность циркона от обычного магматического циркона. Геофизиком И.И. Зальцманович было предложено использовать данные γ-каротажа для экспрессной оценки содержания TiO₂ в титан-циркониевых песчаниках и песках (в том числе и в пижемских рудах) вместо дорогостоящих химических анализов. Предполагалось, что существует корреляция между значениями γ-излучения (или содержанием циркона) и содержанием титановых минералов в руде. Это предположение не оправдалось из-за неоднозначности и низкой корреляции между ZrO₂ и TiO₂ (r = 0,579) в сероцветных песчаниках и (r = -0,632) в красноцветных песчаниках [3].

Концентратором природного радионуклида Th²³² является монацит (куларит), в котором содержание тория варьирует от следов до нескольких процентов, это обстоятельство позволило радиоизотопнымии химическими методами оценить возраст монацита [2][4][5][11]. Кроме этого минерала в крайне малых количествах (в единичных зернах) в конглобрекчиевом горизонте проявления Ичетъю обнаружены торианит (Th,U,Pb)O₂ и неназванная фаза ThPO₄ — фосфат тория [9], но эти два последних минерала не могут заметно повлиять на концентрацию радионуклида Th²³² в рудах проявления Ичетъю.

Природный радионуклид K⁴⁰ концентрируется в калиевых минералах. Главным концентратором калия в пределах Пижемского месторождения является гидромусковит-иллит, содержащий 9—11 мас.%K₂O, который вместе с каолинитом слагает глинистый цемент в псевдорутил-лейкоксен-кварцевых титановых рудах, он же является главным породообразующим минералом глинистых сланцев рифейских пород фундамента [8]. Содержание калия и его радионуклида K⁴⁰ возрастает в литологическом разрезе пород месторождения сверху вниз.

Все три охарактеризованных выше природных радионуклида имеют большое значение и используются при проведении аэрогеофизических радиоизотопных исследований. Такая аэросъемка 1:50000масштаба уже была проведена ранее в исследуемом регионе — Среднем Тимане [1]. Ее результаты были использованы при геологическом картировании и поисках месторождений. Еще более полезной оказалась бы крупномасштабная радиоизотопная съемка 1:10000 и 1:5000 в пределах самого Пижемского месторождения. Она могла бы уточнить геологические границы разноформационных образований: выявить мелкие аномалии (Ra²²⁶ и Th²³²), связанные с выходами конглобрекчиевого горизонта полиминерального проявления Ичетъю; четко провести границы между выходами пород рифейского фундамента и титаноносной толщей под рыхлыми маломощными четвертичными ледниковыми отложениями.

Природный радионуклид радий (Ra²²⁶) концентрируется в минерале цирконе ZrSiO₄, которого больше всего в сероцветных песчаниках (PR₃mr²), а также частично в монаците. Природный радионуклид торий (Th²³²) содержится в минерале монаците (куларите) — фосфате редких земель (Ce,Nd,La)PO₄, этот минерал концентрируется в сероцветных и красноцветных титаноносных песчаниках. Природный радионуклид калий (K⁴⁰) содержится в основном в калиевой слюде (гидромусковите-иллите), который вместе с каолинитом, сидеритом и гематитом образует поровый межзерновой цемент титановых руд в песчаниках, алевролитах и аргиллитах, этого минерала больше всего в цементе пород нижней красноцветной толщи (PR₃mr¹) и глинистых сланцах (PR₃lv) фундамента. При переработке титановых руд поразработанной в ИМЕТ РАН технологии калийсодержащая слюда — гидромусковит-иллит уходит в шламовую фракцию, а монацит и циркон — в мелкую тяжелую фракцию (d ≈ 4,0 г/см³). Таким образом, получаемые концентраты титановых минералов, состоящие из ильменита, псевдорутила и лейкоксена, и их обескремненные товарные продукты будут почти полностью свободны от природных радионуклидов.

Впервые определенные показатели содержания природных радионуклидов в титановых рудах и вмещающих породах Пижемского месторождения оказались минимальными, они характеризуют все изученные пробы как содержащие природные радионуклиды (радий Ra²²⁶, торий Th²³² икалий K⁴⁰) в фоновых количествах и ниже фона (табл.), такие содержания безвредны для человека. Титановые руды относятся к I классу минерального сырья (А_эфф< 0,74 кБк/кг) и могут быть использованы в качестве сырья в технологических процессах для получения концентратов и товарной продукции, а кварцевые и кварц-каолинитовые песчаники стекольного качества — в строительной промышленности без ограничений.