GEOLOGIJA 28/29, 271—291 (1985/86). Ljubljana UDK 550.4:553:552.5(497.12) = 862 Problematika određivanja geohemijskog fona i šuma na primeru raspodele urana u sedimentima Žirovskog vrha Determination of the geochemical phone and noise at the example of uranium distribution in beds of Žirovski vrh Veljko Omaljev Geoinstitut, Rovinjska 12, 11000 Beograd Kratak izvod U ovom radu je dat primer određivanja vrednosti geohemijskog fona i geohemijskog šuma, po novim definicijama autora kao parametara geo- hemijskog polja, za kompleks klastičnih sedimenata i orudnjenja šireg područja ležišta urana Zirovski vrh (površine oko 3 km^). Ovaj rad, uz primenu novih pojmova i termina, predstavlja praktičnu razradu nove metodologije statističkih ispitivanja u geohemiji (dvojni histogrami). Ranije su formiranim statističkim uzorcima dodate tri probe sa višim sadržajima urana, da bi se dobio srednji sadržaj urana za širi prostor ležišta od 10,2 ^g/g, što predstavlja vrednost lokalnog geohemij- skog fona urana za istraživani prostor ležišta. Određivanje geohemijskog šuma je izvedeno u tri kombinacije s obzi- rom na usvojene vrednosti praga geohemijskih anomalija. Sva ispitivanja su izvedena u iQgaritamskoj statističkoj razmeri »log 1 :20« fig/g. Abstract The paper presents an example of determining the values of geoche- mical phone and geochemical noise, in accordance with the new defini- tions given by the author for parameters of the geochemical field, in the sedimentary clastites complex and mineralisation in the wider area of the uranium deposit Zirovski vrh (area approximately 3 km^). The paper represents practical elaboration of a new methodology of statistical analysys in geochemistry (dual histograms) by application of new con- cepts and terms in geochemistry. To earlier formed statistical samples were added three specimens with higher uranium content in an attemp to obtain an average uranium content of 10.2/ug'g for the wider area of the deposit, what represents the value of the local geochemical uranium phone for the wider area of the deposit. The determination of geochemical noise was conducted in three com- binations, with regard to the adopted values of threshold of geochemical anomalies. All analyses were done on the logarithmic statistical scale »log 1 : 20« /ug/g. 272_Veli ko Omaljev Uvod Problematici određivanja geohemijskog fona elemenata u stenama nije po- klonjena odgovarajuća pažnja. Ova konstatacija nije karakteristična samo za našu geohemijsku praksu, već je to stanje koje je momentalno nedovoljno izučeno (definisano) na svetskom nivou. Stanje nedovoljnog poznavanja složene problematike određivanja geohemijskog fona u stenama kao geohemijskim sredinama uslovljava pojavu višeznačnog rešenja, prisutnog u praksi. Ovoj problematici se pristupa rutinski, bez teoretske razrade goehemijske suštine pojma »geohemijski fon«. Prilikom izrade doktorske disertacije, autor se susreo sa ovom problemati- kom (1976—1979. godine), a uvidevši da pojam »geohemijski fon« nije dovoljno jasno definisan nije ga upotrebio u tekstu disertacije (Omaljev, 1982a). Slična je situacija i kod drugih autora, koji izbegavaju (koliko je to moguće) upotrebu termina »geohemijski fon« u publikacijama, a u izveštajima se može naići na veoma različito definisan način izračunavanja geohemijskog fona. Međutim, u diskusijama se nastupa kao da je u vezi sa geohemijskim fonom sve jasno, što dovodi do zaobilaženja izjašnjavanja pojedinaca, zaklanjajući se iza savremenih autoriteta u geohemijskoj nauci. Autor ovog rada smatra da je takvo stanje u geohemijskoj nauci neodrživo, prvenstveno iz praktičnih razloga i zato je pristupio teoretskom izučavanju geohemijske suštine pojma »geohemijski fon«. Rezultati ovih izučavanja objav- ljeni su u predavanjima, referatima i ostalim publikacijama (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b) te ih je za razumevanje ove problematike neophodno upoznati. U ovim publikacijama su analizirani postignuti rezultati u smislu novih definicija pojmova »geohemijsko polje«, »geohemijski fon« i »geohemijski šum« elemenata u geološkim telima. Izučavanja raspodele hemijskih elemenata u stenama kao geološkim telima svode se (po mome mišljenju) na izučavanje forme reljefa geohemijskog polja, kao polja uticaja vektora jediničnih koncentracija izučavanog elementa (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b). Osnovni' parametar geohemijskog polja su geohemijski fon i geohemijski šum izučavanog elementa, a koji se odnose na numeričko izražavanje veličine »zasićenosti«« izučavane geohemijske sredine (stene kao geološkog tela) atomima izučavanog elementa. Reljef geohemijskog polja je najjasnije grafički izražen (predstavljen) izo- linijama koncentracija izučavanog hemijskog elementa na geohemijskoj karti. Međutim, najjasnija grafička predstava reljefa geohemijskog polja elementa je dvojni histogram, koji je autor definisao u brojnim publikacijama (Omal- jev, 1978, 1979, 1982d, 1982e, 1984). Prilikom prospekciono-istražnih radova na Zirovskom vrhu, u periodu od I960, do 1966. godine, obavljeno je sporadično geohemijsko uzorkovanje njegovih crvenih i sivih klastičnih sedimenata. Pri prospekcijskom istraživanju uranove mineralizacije na Zirovskom vrhu nije bilo sistematskog litogeohemijskog uzorkovanja (litogeohemijske prospekcije), a pomenute litogeohemijske probe uzimane su usputno, uz petrografska i mineraloška izučavanja klastičnih sedi- menata, kao i uz mineraloško-geohemijska izučavanja uranove mineralizacije. Radiometrijske analize na U, Th i K uradili su R. Nedimović i S. Gojković Problematika određivanja geohemijskog fona i šuma_273 u Radiometrijskoj laboratoriji Geoinstituta u Beogradu (u periodu od 1961 do 1966. godine). Problematici određivanja lokalnog geohemijskog fona urana u crvenim i sivim gredenskim sedimentima Žirovskog vrha dosad nije poklanjana odgo- varajuća pažnja. Prilikom hidrogeohemijske prospekcije urana na Zirovskom vrhu (P o k r a j a c , 1962 — rukopis) uzet je mali broj litogeohemijskih proba da bi se mogao odrediti lokalni geohemijski fon urana u njegovim sivim i crvenim gredenskim slojevima. Ocena srednjih sadržaja U, Th i К, kao i odnosa Th U od strane Protića i Gojkovića (1965 — rukopis) je bila dugo u upotrebi kao vrednost geohemijskog fona. a sami autori nisu pomenute srednje sadržaje definisali kao geohemijski fon izučavanih radioaktivnih ele- menata u ovim stenama. Analizu količina urana u stenama Žirovskog vrha uradio je Pire (1977) na osnovu dostupnih podataka iz izveštaja i publikacija. Ocena količina urana u ovim stenama izvedena je preko srednjeg sadržaja urana, a Pire nije upo- trebio termin geohemijski fon. Autor je statistički obradio raspodelu U, Th i K C1979) u gredenskim slo- jevima Žirovskog vrha na osnovu 484 litogeohemijske probe. Srednji sadržaji izučavanih radioaktivnih elemenata mogu se smatrati geohemijskim fonom za gredenske slojeve Žirovskog vrha (sa izuzetkom ležišta urana), ali autor u ovom radu nije upotrebio termin »geohemijski fon«. Slično je i sa raspodelom U, Th i K u alevrolitima, psamitima i psefitima Žirovskog vrha (Omaljev, 1982e), srednji sadržaji predstavljaju lokalni geohemijski fon izučavanih radio- aktivnih elemenata (sa izuzetkom ležišta urana), ali autor nije upotrebio ovaj termin. U ovom radu se izlaže problematika određivanja vrednosti geohemijskog fona i geohemijskog šuma na primeru sivih klastičnih sedimenata ležišta Zi- rovski vrh i na osnovu litogeohemijskih proba uzetih u ranijem periodu istra- živanja uranove mineralizacije ovog ležišta. Statistički uzorci su dopunjeni probama orudnjenja urana (3 probe), da bi se dobio lokalni geohemijski fon urana za ležište Zirovski vrh koji je jednak oceni srednjeg sadržaja urana za kompleks stena sa orudnjenjem urana celog ležišta približne površine oko Зкт^ (Omaljev, 1982a). Ispitivanja su izvedena u logaritamskoj statističkoj razmeri »log 1 : 20« ¡iglg. Parametri geohemijskog polja Parametri geohemijskog polja, po novim definicijama autora (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b), su geohemijski fon i geohemijski šum (za koji autor predlaže naziv »fersman«). U bogatoj geohemijskoj literaturi nema, sem izuzetka starijih publikacija, definicija geohemijskog fona kao parametra koji ima primenu u praksi istočnih zemalja (uključujući i Jugoslaviju). Ostalo je nejasno ko je prvi upotrebio termin »geohemijski fon« za srednji sadržaj izučavanog hemijskog elementa u stenama kao geohemijskoj sredini. Nejasno je šta zapravo znači reč »fon« u slučaju njegove upotrebe kao parametra srednjeg sadržaja. Predpostavljam da se ovde misli na pojam »nivo«, jer se u literaturi na ruskom jeziku često sreće fraza »na fone«, misleći »na nivou« nečega. No, postoji verovatnoća da 18 - Geologija 28/29 274 Veljko Omaljev reč »fon« ima poreklo od francuske reči »fond«, što znači osnova nečega ili pozadina nečega (usmeno saopštenje S. Pirea). Slično značenje ima engleska reč »background«, što takođe znači osnova ili pozadina nečega, a upotrebljava se u geohemijskoj literaturi u istom značenju kao francuski »fond« ili ruski »fon«. Polazeći od definicije Fersmana (1953, 1958) za geohemijski termin »klark«, kao »srednjeg sadržaja hemijskog elementa u geohemijskom sistemu«, autor je izložio svoju definiciju geohemijskog fona kao »srednjeg sadržaja hemijskog elementa u geološkom telu« (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b). Fersmanov termin »klark« predstavlja (po našem mišljenju) »globalni geohemijski fon« i zato su ovi parametri na jednak način definisani. Međutim, definicija gehemijskog fonia u »Geologičeskom slovaru« (1978) je: »Fon geohemijski je srednji sadržaj elementa u steni određenog tipa, koje zauzimaju značajne površine, a nisu vezane sa konkretnim ležištima«. Ona sadrži značajnu dilemu šta da se radi sa ležištima mineralnih sirovina, odnosno sa lokalnim geohemijskim fonom stena u kojima se ležište nalazi. Ova ograni- čenja u velikoj meri destimulišu istraživače da se odlučnije pozabave lokalnim geohemijskim fonom za konkretna ležišta metaličnih mineralnih sirovina, od- nosno sa geohemijskim fonom geološke formacije u kojoj se konkretno ležište nalazi. Nova definicija geohemijskog fona (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b) dozvoljava određivanje vrednosti lokalnog geohemijskog fona za rudo- nosne geološke formacije i ležišta mineralnih sirovina. Pri tome se mora voditi računa da se okonturi deo geološkog tela za koji se računa geohemijski fon, jer bez okonturenog volumena (odnosno mase stene), pojam srednjeg sadržaja hemijskog elementa u geološkom telu nema matematičkog smisla. U mojoj definiciji uzimam da je »fon« reč grčkog porekla i da znači »zvuk«, a kao takva upotrebljava se u akustici. Na taj način »geohemijski fon« definišem kao »zvuk (signal) prisutnih atoma« izučavanog elementa u okonturenom geo- loškom telu. Međutim, činjenica je da ostaje problem konkretnog određivanja vrednosti geohemijskog fona za rudonosni deo geološke formacije, a naročito za konkretna ležišta (sa najužom okolinom). Ovaj problem nije nerešiv, ali zahteva objektiv- nost istraživača kod formiranja statističkg uzorka da verno predstavlja geološko telo koje se ispituje, odnosno geološku populaciju atoma izučavanog elementa u njemu. Svaka greška u formiranju statističkog uzorka vodi u grešku od- ređivanja srednjeg sadržaja elementa (geohemijskog fona), bilo u smislu osiro- mašenja, ili što je znatno češći slučaj, u smislu njegovog obogaćenja. Napori savremenih istraživača su jednostrano usmereni (definicijom geohe- mijskog fona) ka eliminaciji geohemijskih proba »na koje su uticali rudonosni procesi«, odnosno koje su »kontaminirane izučavanim elementom«. Pri tome se nije vodilo računa da je »kontaminacija« rudnim elementom bitna karakte- ristika rudonosne geološke formacije ili ležišta (u smislu kompleksa stena i orudnjenja). Smatram da je na taj način veštački bitno promenjen karakter geohemijske sredine u kojoj se nalazi ležište mineralne sirovine, što se bitno odražava na rezultate geohemijskih izučavanja. Metalogenetski pristup u geo- hemijskim izučavanjima zahteva uzimanje kompleksa stena-orudnjenja u geo- hemijskim izučavanjima. Problematika određivanja geohemijskog fona i šuma 275 Rudonosni procesi predstavljaju migraciju rudnih elemenata, a pri tome dolazi i do njihove akumulacije ili rasejavanja. Od naučnog i praktičnog značaja je saznati veličinu akumulacije rudnog elementa u rudonosnoj formaciji ili konkretnom ležištu. Privođenje rudnog elementa u stenu kao geohemijsku sredinu dovodi do karakterističr:ih promena u statističkoj raspodeli izučavanog elementa, koji se može sagledati na dvojnom histogramu. Populacija rudnog elementa u ležištu je složena jer se sastoji iz nekoliko parcijalnih populacija — reliktnih (singenetskih) i novostvorenih (epigenetskih). Postoji interes za odva- janje reliktnih od novostvorenih parcijalnih populacija elementa, što je mo- guće izvesti na dvojnom histogramu. Novostvorene parcijalne populacije rudnog elementa nalaze se u logaritam- skom repu (Omaljev, 1979, 1982e) i predstavljaju »geohemijske anomalije«, uključujući i orudnjenje (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b). Operacijom odvajanja logaritamskog repa od reliktne (singenetske) parcijalne populacije rudnog elementa u ležištu (rudnoj formaciji), u stvari, odsecamo orudnjenje od okolnih stena konkretnog ležišta. Srednji sadržaj singenetskog dela populacije je parametar reliktnog geo- hemijskog polja, koji je po intenzitetu ograničen pragom geohemijskih anoma- lija. Geohemijske anomalije (uključujući i orudnjenje) treba shvatiti kao »zvuč- ni signal« mineralizacije, a tada se geohemijsko polje singenetskog dela popu- lacije ponaša kao »geohemijski šum«, koji ometa prijem tog korisnog signala. Predloženo je imenovanje geohemijskog šuma terminom »fersman« (Omal- jev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b). U ovom radu držimo se termina »geohemijski šum« da ne bi došlo do incidenata u vezi s koriščenjem termina pre njegovog usvajanja. »Background« kao geohemijski termin u literaturi na engleskom jeziku, kao i termin »fond« na francuskom jeziku, u suštini odgovaraju pojmu »geohemijski šum« izučavanog elementa. Predpostavljam da nema bitne razlike u suštini ovih termina, bez obzira što »background« i »fond« nisu jasno definisani kao elementi (parametri) geohemijskog polja. Termin »geohemijski fon« na ruskom jeziku u suštini ne odgovara niti mojemu terminu »geohemijski fon« niti novom pojmu »geohemijski šum«, već se nalazi nekako na sredini. Termin »geohemijski fon« po novoj definiciji autora nema analoga u svet- skoj geohemijskoj literaturi, sem izuzetka Fersmanovog termina »klark« (koji mi definišemo kao »globalni geohemijski fon«). Na engleskom i francuskom jeziku se upotrebljavaju bezlični (opšti) nazivi »srednji sadržaj« (mean, average concentration, la teneur moyenne). U literaturi na ruskom jeziku se takođe ponekad nalazi termin »srednji sadržaj« kada se želi iskazati nivo akumulacije rudnog elementa u rudonosnoj sredini (na taj način se nadoknađuje nedostatak ruskog termina »geohemijski fon«). Kao meru akumulacije hemijskog elementa u izučavanoj geohemijskoj sredini (geološkem telu), Fersman (1953) je uveo pojam »klark koncentracije ili koeficijent koncentracije«, kao odnos »lokalnog klarka sa klarkom cele zemljine kore«. S obzirom na nove definicije geohemijskog fona i geohemijskog šuma, definišemo dva koeficijenta koncentracije (Omaljev, 1982b, 1982c, 1983a, 1983b): »Koeficijent koncentracije Klarka« (Кс) je odnos geohemijskog fona 276 _Veljko Omaljev Tabela 1. Struktura statističkog uzorka ležišta urana Zirovski vrh, sa parametrima raspodele urana (u ^g/g) sa klarkom, i »Koeficijent koncentracije Fersmana« (Kf) je odnos geohemijskog fona sa geohemijskim šumom. Smatram da koeficijent koncentracije Klarka izražava geohemijsku speci- jaHzaciju izučavanog geološkog tela, a koeficijent koncentracije Fersmana izražava metalogenetsku specijalizaciju. Statistički uzorci sivih sedimenata Statistički uzorak koji predstavlja osnovnu populaciju urana u sivim kla- stičnim sedimentima sive subformacije Zirovskog vrha je formiran ranije (Omaljev, 1979). Najveći broj geohemijskih proba (302) je uzet sa površine i iz istražnih radova ležišta urana Zirovski vrh u širem smislu, po konturi koju je autor dao u svojoj monografiji (Omaljev, 1982a), a koja obuhvata sivu subformaciju na kojoj je bilo bušenja do 1977. godine, površine oko 3 km-. Samo 7 geohemijskih proba je uzeto van ove konture, 5 proba sa Zirovskog vrha in 2 probe iz okoline Sovodnja. Ukoliko bismo eliminisali probe uzete van konture ležišta, srednji sadržaj urana u statističkom uzorku bi se promenio tek na trećoj decimali (od 7,176 na 7,178/yg/g), a forme krivih gustina ostaju neizmenjene. Zato smo ostali na kompletnom statističkom uzorku sivih klastičnih sedimenata ležišta urana Zirovski vrh od 309 litogeohemijskih proba. Ove geohemijske probe su prvenstveno uzimane u sterilnim ili veoma slabo ■mineralizovanim stenama i zato su sadržaji urana uvek ispod 100 pigjg. Zato ovaj statistički uzorak ne odgovara osnovnoj geološkoj populaciji urana za širi prostor ležišta Zirovski vrh, jer u njemu postoje i rudna tela urana. Ranije je bio ocenjen srednji sadržaj urana za širi prostor ležišta (oko 3 km^) na vrednost od 10,2//g/g (Omaljev, 1982a). Da bismo dobili srednji sadržaj urana (10,2 //g/g) dopunili smo statistički uzorak sa tri litogeohemijske probe sa slede- čim koncentracijama urana: 146 //g/g (sivi konglomeratični pescar), 348 i 472 //g/g (sivi pescar), sve iz jame na horizontu 580 m ležišta Zirovski vrh (tabela 1). Statistički uzorak sivi alevrolit raje mogao biti posebno statistički izučavan zbog premalog broja podataka (12 proba). Detaljan opis ostalih statističkih uzoraka dat je ranije (Omaljev, 1979, 1982e), a sada dajemo samo promene koje su se desile nakon proširenja statističkih uzoraka uključenjem u njih proba sa visokim koncentracijama urana. Dvojni histogrami parcijalnih i kolektivnog statističkog uzorka prikazani su na si. 1, a opisi se nalaze u odgovarajućim odeljcima. Problematika određivanja geohemijskog fona i šuma 277: SI. 1. Dvojni histogrami raspodele urana u ležištu Zirovski vrh Fig. 1. The dual histograms of uranium distribution in the Zirovski vrh ore deposit 278_Veljko Omaljev Promene se odnose samo na dužinu, odnosno na intenzitet logaritamskog repa. Dužina logaritamskog repa je ranije bila ograničena (Omaljev, 1979, 1982e) samo na II log dekadu, a sada imamo tri probe u III log dekadi (si. 1). Naročito su velike promené u formi krive gustine funkcija fx(x) koja predstavlja raspo- delu relativnih frekvencija urana (kao elementa), jer ove tri probe učestvuju sa preko 30 "/o od ukupne količine urana u kolektivnom statističkom uzorku sivih klastičnih sedimenata ležišta. Populacija urana u sivim psefitima je kompaktnija u odnosu na populaciju u sivim psamitima, gde je jasno da postoje mnogobrojne parcijalne populacije i u I log dekadi (si. 1, pod a). To je svakako posledica vrlo složenih geohemijskih uslova migracije urana u sivim psamitima, što je uslovilo stvaranje mnogo- brojnih populacija urana, uključujući i one iz logaritamskog repa koje pred- stavljaju geohemijske anomalije (orudnjenje urana). Dalja razmatranja parci- jalnih populacija uraria u I log dekadi nije predmet ovog rada. Ona ipak zaslužuje detaljnija izučavanja, jer se u tom delu populacije kriju zagonetke stvaranja uranovog orudnjenja u ležištu Zirovski vrh. Sivi psamiti Populacija urana u sivim psamitima ležišta urana Zirovski vrh je pred- stavljena statističkim uzorkom od 180 podataka-proba, nakon uključenja dve probe orudnjenja urana. Sivi peščari su najznačajnije stene ležišta, a u kolektiv- nom statističkom uzorku učestvuju sa 57,69 "/o po broju podataka. Neizvesno je stvarno učešće sivih psamita u stenama ležišta Zirovski vrh, a dobija se utisak da je njihovo količinsko učešće na prostoru ležišta manje. Raspodela urana je logaritamska (po drugom zakonu raspodele, O m a 1 j e v , 1978, 1982d), sa param.etrima raspodele M = 5,1< x = 13,39