книги из ГПНТБ / Баранов, В. И. Радиогеология учебник

В. И. БАРАНОВ РАДИОГЕОЛОГИЯ

К А. ТИТАЕВА

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для студентов геологических специальностей университетов

(Издательство Московского университета 1973

УДК 550.40

(С) Издательство Московского университета, 1973 г.

В В Е Д Е Н И Е

Радиогеология — наука, изучающая распределение радиоак­ тивных изотопов в земном веществе in использование их специфи­ ческих свойств, обусловленных радиоактивностью, для исследова­

широкая распространенность на Земле радиоактивных элементов, содержащихся в измеримых количествах во всех изученных про­ бах горных пород, вод и воздуха. В 1908 г. в Дублине на съезде Британской ассоциации Д. Джоли обратил внимание ученых на

логии.

Наиболее полно идеи о значении радиоактивности в геологии были развиты В. И. Вернадским, который предложил выделить среди геологических наук раздел, названный им радиогеологией. «Сейчас можно и нужно говорить о новой создающейся науке — о радиогеологии, науке о радиоактивных свойствах нашей плане­ ты, о происходящих в ней, ей свойственных, особых радиоактивных явлениях» (Вернадский, 1935). Основными задачами нового раз­ дела геологии В. И. Вернадский считал радиоактивное определе­ ние геологического времени, составление радиогеологической кар­ ты, изучение роли радиоактивного распада в создании внутренней энергии Земли, использование «гелиевого дыхания Земли» в каче­ стве меры ее радиоактивности, изучение геохимии радиоактивных элементов и их продуктов распада. Большая часть этих задач остается актуальной и в настоящее время.

Начиная с 40-х годов нашего века овладение внутриатомной энергией привлекло усиленное внимание к естественным радио­ активным элементам урану и торию как к атомному сырью, в свя­ зи с чем одним из важнейших разделов радиогеологии стали поис­ ки этих элементов.

Совершенствование методов определения изотопов позволило

3

топов и позволяющие в ряде случаев определять их очень низкие концентрации, недоступные другим методам.

Задача настоящей книги — дать геологам необходимый объем сведений по основным разделам радиогеологии. В связи с особой спецификой объектов исследований авторы сочли целесообразным изложению собственно радиогеологии предпослать раздел, посвя­ щенный основам радиоактивности и методам ее изучения.

Книга представляет собой расширенный курс лекций по радио­ геологии, который в течение многих лет читают авторы на кафедре геохимии геологического факультета Московского государствен­ ного университета им. М. В. Ломоносова.

Книга является совместной работой обоих авторов, при этом физические вопросы изложены преимущественно В. И. Барановым, геологические — Н. А. Титаевой.

способного вызывать почернение фотопластинки и флуоресценцию многих веществ, явилось толчком к открытию радиоактивности. Через год, в 1896 г., изучая фосфоресценцию под влиянием лучей Рентгена, А. Беккерель обнаружил, что соли урана испускают без воздействия извне проникающее излучение, способное разряжать электроскоп и вызывающее почернение фотоэмульсии. Излучение не зависит от соединения, в котором находится уран.

от нее радиоактивность тория установил Г. Шмидт. К этому же периоду относятся первые исследования минералов урана и тория. Пьер и Мария. Кюри установили, что урановая смоляная руда и урановые минералы обладают значительно большей радиоактив­ ностью, чем соли урана. 18 июля 1898 г. появилось их сообщение о новом элементе, выделенном из урановой руды, близком по хи­ мическим свойствам висмуту и названном ими полонием. 12 декаб­ ря супруги Кюри сообщили об открытии радия.

В 1899 г. П. и'М . Кюри обнаружили окрашивающее и хими­

4

компонента — гамма-лучи — была обнаружена П. Вилларом и А. Беккерелем в 1906 г. Было доказано, что альфа-лучи — ядра гелия, а бета-лучи —электроны. Вслед за этим Рамзай и Траверс обнаружили присутствие гелия в урановых и ториевых минералах, а Дебьерн — в препарате актиния.

активных превращений, которая уже была высказана супругами Кюри в менее четкой форме: атомы радиоактивных элементов пре­ терпевают самопроизвольные превращения в атомы других элемен­ тов с постоянной для данного вещества скоростью. Превращение сопровождается альфаили бета-излучением.

В 1905 г. Э. Швейдлер установил статистический характер бета-распада. В 1906 г. Кэмпбэлл открыл бета-активность калия и рубидия.

Исследования 1905—1910 гг. показали, что химические и фи­ зические (за исключением радиоактивности) свойства многих вновь открытых радиоактивных веществ совпадают. Это позволило

Ф.Содди ввести понятие изотопии. Лишь в 1919 г., после того как

Ф.Астон сконструировал первый масс-спектрометр, было окон­ чательно доказано существование стабильных изотопов элементов.

Многие важнейшие для радиогеологии открытия и идеи при­ надлежат П. Кюри. В 1903 г. он совместно с Л. Лабордом обна­ ружил, что радиоактивный распад сопровождается выделением тепла, количество которого пропорционально числу распадающих­ ся атомов. «Этим открытием был впервые в геологии научно по­ ставлен вопрос о реальном источнике энергии геологических про­ цессов» (Вернадский, 1937).

Идею о возможности определения геологического времени так­ же впервые высказал П. Кюри. Выступая в 1902 г. на заседании Французского физического общества, он указал, что постоянство скорости радиоактивного распада дает человечеству меру време­ ни — «эталон времени», не зависящий от процессов, совершающих­ ся в окружающей среде. Возможность определения возраста при­ родных объектов по накоплению продуктов распада практически установили Э. Резерфорд и Б. Болтвуд в 1904 г. Б. Болтвуд пока­ зал, что отношение Pb/U в первичных урановых минералах связано с их возрастом, а отношение U/Ra и U/Th в горных породах по­ стоянно.

Большие работы по определению U, Th, Ra и Не в минералах и породах провел Р. Стретт, который в 1908 г. установил, что ве­ личина гелий-уранового отношения также зависит от геологиче­ ского возраста минералов. Стретт обнаружил повсеместное присут­ ствие радия в литосфере и биосфере. На основании расчетов он сделал вывод, что концентрация радия должна убывать с глуби­ ной, иначе температура Земли была бы намного выше существую­ щей.

5

Д. Джоли был одним из первых, кто оценил значение радио­ активности в геологии. В 1907 г. он доказал радиоактивную при­ роду плеохроических ореолов, получив их экспериментально, и предложил использовать их для определения абсолютного возра­ ста. Идеи Джоли оказали большое влияние на В. И. Вернадского, который первый в России понял огромную важность изучения при­ родной радиоактивности. По его инициативе начиная с 1909 г. Академией наук было организовано несколько радиевых экспеди­ ций с целью поисков радиоактивных минералов на территории России, в которых принимали участие К. А. Ненадкевич, А. Е. Фер­ сман, В. И. Крыжановский, Д. С. Белянкин, Л. А. Кулик и др.

Вернадский предложил включить в число геологических дис­ циплин новую науку — радиогеологию и определил ее основные задачи. Огромное значение радиогеологических исследований В. И. Вернадский первый оценил с точки зрения получения важ­ нейшего энергетического сырья. За 24 года до открытия искус­ ственной радиоактивности ц за 35 лет до взрыва первой атомной бомбы он писал: «Перед нами открываются в явлениях радио­ активности источники атомной энергии, в миллионы раз превы­ шающие все те источники сил, какие рисовались человеческому воображению» (В. И. Вернадский. «О необходимости исследования радиоактивных минералов Российской империи». М., 1910).

В нашей стране исследования по радиогеологии, начатые еще в период первой мировой войны, получили особенно широкий раз­ мах после Великой Октябрьской социалистической революции. В 1922 г. в Ленинграде был создан Радиевый институт Академии наук, возглавляемый В. И. Вернадским. В отличие от аналогичных зарубежных учреждений в этом институте наряду с физическим и химическим отделами был создан также геологический отдел.

В Радиевом институте под непосредственным руководством В. И. Вернадского развивались работы по геохимии радиоактив­ ных элементов, определению абсолютного возраста (Л. В. Комлев,

По основным проблемам радиогеологии в СССР были выпол­ нены фундаментальные исследования.

А. П. Виноградов высказал гипотезу, что образование земной коры, гидросферы и атмосферы могло происходить при процессе, аналогичном зонной плавке. При этом предполагается, что источ­ ником разогрева является радиогенное тепло. Расчеты радиоген­ ного тепла позволили восстановить термическую историю Земли

иЛуны (Е. А. Любимова и Б. Ю. Левин).

Вгеологии огромное значение имеет возможность определе­ ния абсолютного (выраженного в годах) возраста геологических

6

образований и оценка длительности геологических и геохимических процессов. Наряду с усовершенствованными классическими уран- и торий-свинцовым и гелиевым методами определения абсолютного возраста геологических образований Э. К. Герлингом был разра­ ботан один из наиболее перспективных методов — калий-арго­ новый.

Коллективная работа ряда лабораторий позволила на основе хорошо привязанных геологически реперных проб создать совет­ скую шкалу абсолютного возраста геологических формаций. Пред­ ложена первая геохронологическая шкала для докембрия (А. П. Виноградов, Н. П. Семененко, А. И. Тугаринов). Успешно

Большое значение имеют широкие обобщения возрастных от­ ношений отдельных регионов и сопоставление абсолютного воз­ раста родственных геологических образований и структур глобаль­ ного характера (А. П. Виноградов, Н. П. Семененко, А. И. Туга­ ринов) .

После предложенного геофизиком Л. М. Курбатовым метода определения возраста морских отложений по неравновесным отно­ шениям продуктов распада урана зарубежными и советскими учеными начато широкое применение иониевого и других мето­ дов для определения скорости отложения морских илов. В нашей стране эти методы разработаны В. И. Барановым, И. Е. Стариком, Л. А. Христиановой и др. Весь комплекс продуктов уранового и ториевого рядов используется для хронологии четвертичных отло­ жений (В. В. Чердынцев с сотрудниками). В. В. Чердынцевым и П. И. Чаловым обнаружен и использован в радиогеологии эффект разделения изотопов урана в природе. Ведутся также работы по использованию радиоуглеродного метода в геологии и археологии, в частности для определения эпох оледенения и времени древних захоронений.

Методы ядерной геохронологии позволили вплотную подойти к проблемам, имеющим в будущем, несомненно, большое познава­ тельное и практическое значение. Речь идет об определении возра­ ста веществ и тел Солнечной системы. Благодаря применению этих методов удалось показать, что значительная часть веществ и тел Солнечной системы имеет общее происхождение и образовалось около 4,5 млрд. лет назад. Были уточнены оценки возраста Земли и ее оболочек, а также влияние радиоактивного распада на изме­ нение химического состава земного вещества.

Первые радиометрические поиски месторождений были начаты

7

Г Л А В А I

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

Название «радиоактивность» впервые предложено Кюри для обозначения способности некоторых веществ самопроизвольно ис­ пускать характерные излучения. В дальнейшем это слово стали применять в более широком смысле, а именно:

1. Радиоактивность — способность неустойчивых атомных ядер самопроизвольно переходить в более устойчивые состояния за ко­ нечный промежуток времени. Этот переход всегда сопровождается выделением энергии и подчиняется статистическому закону. В этом

электронов для нейтрального атома равно величине положитель­

численно равен порядковому номеру элемента в периодической

массовому числ^ А. Радиус атомных ядер растет, как корень куби­ ческий из числа нуклонов, т. е. плотность ядер приблизительноодинакова и равна 1,3-10й г/см3. Радиус ядра R приблизительно» равен

9