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

Г Л А В A I V

ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ГЕОХИМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Начиная с висмута все элементы периодической системы ра­ диоактивны. Период полураспада 2 0 9 B i очень велик, так что пока он не представляет интерес в радиогеологии. Полоний, астат, ра­ дон, франций, радий, актиний и протактиний являются продуктами радиоактивного распада урана и тория. Их содержание в природ­ ных образованиях мало. Особенно мало содержание астата и франция, которые в радиогеологии совсем не используются. Уран и торий — наиболее распространенные и широко, используемые радиоактивные элементы. Следующие за ураном нептуний и плу­ тоний содержатся в земном веществе в следовых количествах. Ос­ тальные радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе, имеют

протактиний, уран, нептуний и плутоний. Их химические свойст­ ва имеют много общего. Семейство актиноидов «5/-элементов» — более тяжелый аналог семейства лантаноидов — ч<4/-элементов». Р1зучение структуры электронных оболочек актиноидов показало, что при переходе от более легких элементов к более тяжелым у них не появляются новые электронные уровни, а происходит до­ стройка более глубоко расположенной 5/-подоболочки. Подобно

101

В связи с тем что происходит заполнение внутренней оболоч­

никало сомнений в принадлежности актиноидов к указанным выше

расположен нептуний. Сходство актиноидов с элементами своих подгрупп уменьшается от актиния к урану и для трансурановых элементов л е наблюдается совсем.

§ 2. АКТИНИЙ

Актиний — первый член семейства актиноидов и аналог лан­ тана. По своим химическим свойствам он чрезвычайно близок к редкоземельным элементам. Актиний в соединениях сильно элект­ роположителен и проявляет себя исключительно как трехвалент­ ный элемент. Ионный радиус А с 3 + 1,10 А, радиус иона La3 + — 1,06 А. Небольшое различие радиусов ионов, аналогичная элект­ ронная структура по типу инертных газов и одинаковый заряд определяют близость химических свойств актиния и лантана. Все химические соединения актиния изоструктурны с соответствующи­ ми соединениями лантана. Для актиния, подобно лантану, харак­ терны нерастворимые в воде фторид, гидроокись, оксалат, карбо­ нат, фосфат.

102

Актиний имеет самые крупные размеры из трехзарядных ионов и поэтому обладает более основными свойствами, чем лантан. Ка­ тион А с 3 + сильнее адсорбируется, чем La3 +. Гидроокись А с ( О Н ) 3 более растворима, чем La (ОН)з. При действии паров воды на галогениды лантана происходит полный гидролиз с образованием гидроокиси, в то время как при гидролизе галогенидов актиния образуются оксигалогениды (например, AcOCl).

Наиболее долгоживущий изотоп актиния — 897 Ас — продукт распада урана-235. Обладая сравнительно небольшой продолжи­ тельностью жизни (7, i/2 = 21,6 года), он является постоянным спут­ ником урана. Весовые концентрации его очень малы: на 1 т чистой урановой смоляной руды приходится 0,15 мг 2 2 7 Ас, Геохимия акти­ ния практически не изучена ввиду его низкого содержания в. при­ родных образованиях. Можно предположить, что отделенный от материнского продукта •— протактиния актиний будет вести себя подобно лантану. Самостоятельные микроконцентрации, не связан­ ные с протактинием, актиний может образовывать только в са­ мых молодых геохимических объектах или объектах, претерпеваю­ щих изменения в настоящее время.

Убедительных данных по этому вопросу пока нет. Существуют лишь отрывочные сведения о существовании неравновесных отно­ шений актиния п протактиния в некоторых гипергенных и гидро­ термальных минералах (в частности, в молибденитах).

§ 3. ТОРИЙ

Химические свойства

Торий, подобно лантану, по своим свойствам близок, с одной стороны, к другим актиноидам, с другой — к элементам своей под­ группы в периодической системе (Ti, Zr, Hf). Аналогично другим членам семейства актиноидов торий имеет несомненное сходство

слантаноидами.

Вприродных соединениях торию свойственно одно валентное состояние — четыре. В лабораторных условиях получены соедине­ ния тория с валентностью I I и I I I .

в решетки всех их минералов. Изоморфизм тория и циркония про­ является значительно слабее.

Основные соединения тория

Двуокись тория Th0 2 — одно из важнейших его соединений. Она жаропрочна и труднорастворима. Температура плавления 3220°. Растворимость зависит от термической обработки. Прока­ ленная при температуре не выше 600° ТлОг сравнительно легко

103

шенных температурах. Фторид тория очень слабо растворим в во­ де (0,17 мг/л). Хлорид, бромид и йодид хорошо растворимы в воде

сульфата тория в воде ниже растворимости редких земель цериевой группы.

Нитрат тория образует несколько кристаллогидратов и яв­ ляется наиболее растворимой солью тория'(65,6%).

Фосфаты тория малорастворимы в воде и кислотах. Молибдаты и хроматы тория практически нерастворимы в воде, но ра­ створяются в кислотах.

Оксалат тория слабо растворим в воде (0,07 мг/л ThOo) и не­ сколько лучше — в кислотах.

Соли торня в растворе сильно гидролизуются, поэтому их вод­ ные растворы имеют кислую реакцию. Некоторые исследователи

Крупный высокозаряженный ион Тп4 + проявляет сильную тен« денцию к образованию комплексных соединений. Торий образует семейства комплексов с анионами многих солей: карбонатами, сульфатами, сульфитами; нитратами, фторидами, хлоридами, хло­ ратами, броматами, йодатами, оксалатами, тратратами, цитратами, салицилатами и др. Комплексы с более слабыми кислотами бо­ лее прочные. Значительный интерес представляют внитрикомплексные соединения тория с органическими веществами (аминополнкарбоновыми кислотами, кетонами и др.).

сульфатные, гуматные, карбонатные, фторидные комплексные со­ единения (например, [ T h ( C 0 3 ) 4 ( O H ) 2 ] & _ , ThFIT, T h F l - и др.).

Минералы тория

В природе известно более ста ториевых и торийсодержащих минералов. Во всех минералах торий является четырехвалентным катионом и имеет координационное число 8. Торий — типично ли-

104

•тофильный элемент. Для него характерно высокое сродство к кис­ лороду, поэтому он встречается исключительно в кислородных со­ единениях (окислах, силикатах, фосфатах, карбонатах, фторкарбонатах). В природе не известны сульфиды, селениды, галогениды тория.

Характерна постоянная изоморфная и парагенетическая связь тория с редкоземельными элементами, особенно цериевого ряда, а также с четырехвалентным ураном. Число собственных минералов тория незначительно.

Торианит (Th, U ) 0 2 содержит 45—93% Th02 , изоморфен с уранинитом, образуя с ним сложные переходные разности. Обычно

Торит ThSi04 содержит от 50 до 77% Th02 . Обычно имеет примесь урана, редкоземельных элементов цериевой группы, же­ леза. Разновидностями торита являются ураноторит и ферриторит, различающиеся по концентрации урана и железа. Торит с большим содержанием воды называют оранжитом. Морфологическая раз­ ность торита (моноклинная) — хуттонит.

Водный силикат тория — торогуммит (от 18 до 50% тория).. Он изоструктурен с торитом, является продуктом его изменения.

Поведение тория в магматическом процессе во многом опре­ деляется его литофильным характером, сравнительно низким со­ держанием и ассоциацией с более распространенными редкозе­ мельными элементами. Торий не замещает изоморфно ни один изпетрогенных элементов в породообразующих минералах и накап­ ливается в остаточных расплавах. Эта закономерность хорошо вы­ держивается как для пород Земли в целом, так и для отдельных магматических очагов. Среднее содержание тория в основных типах магматических пород приведено в табл. 16.

Отмечается общее возрастание концентрации тория от уль­ траосновных пород к кислым. Ультраосновные породы, которые, по представлению А. П. Виноградова, являются остатками после выплавления базальтов, наиболее обеднены торием.

105

Более щелочные разности базальтов обогащены торием. Гра­ ниты, богатые кальцием, содержат меньше тория, чем бедные кальцием граниты. В процессе дифференциации магматического расплава содержание тория может меняться более чем в 10 раз, увеличиваясь к кислым и щелочным дифференциатам. Так, для ультраосновных пород Кольского полуострова содержание тория меняется с увеличением щелочности пород от 0,4 г/г в оливинитах до 10 г/г в якупирангитах-уртитах. Для долеритов о. Тасмании

чем нередко отмечается корреляция тория с натрием. Наиболее

рий имеет тенденцию накапливаться в наиболее поздних, кислых дифференциатах.

Основные формы нахождения тория в изверженных породах сводятся к трем группам.

1.Собственные торцевые минералы.

2.Торийсодержащие акцессорные минералы, в которых торий изоморфно замещает преимущественно редкоземельные элементы,

106

а также Zr, возможно Са (монацит, ортит, пирохлор, перовскиг, допарит, циркон, сфен, апатит и т. д.).

3. Торий, рассеянный в дефектах кристаллических решеток по­ родообразующих минералов или сорбированный на поверхности минеральных зерен и стенках трещин.

Соотношение между отдельными формами меняется в значи­ тельных пределах в зависимости от условий кристаллизации маг­ мы, содержания тория и редкоземельных элементов. Для пород основного состава преобладает рассеянная форма тория в породо­ образующих минералах. В кислых и щелочных породах доля рас­ сеянной формы может составлять от 10 до 90%. В породах с вы­ соким содержанием тория и редкоземельных элементов большая часть тория заключена в собственных и торийсодержащих акцес­ сорных минералах. В эффузивных породах содержание тория в основной массе на 1—2 порядка выше, чем в фенокристаллах.

Магматические месторождения тория в настоящее время эко­ номической ценности не представляют и не разрабатываются. Они характеризуются весьма низким содержанием тория и могут рас­ сматриваться лишь как потенциальные источники тория. Такими месторождениями являются массивы гибридных и пегматоидных гранитов, щелочных сиенитов, щелочных ультраосновных пород, обогащенных торитом, монацитом, пнрохлором, колумбитом, лопаригом, эвдиалитом и др.

Торий в постмагматических процессах

Пегматиты, связанные с гранитными и щелочными породами, обогащены торием нередко значительно больше, чем материнские породы. Гранитные пегматиты отличаются большим разнообрази­ ем ториевых, уран-ториевых и торийсодержащих минералов, осо­ бенно ниобо-тантало-тнтанатов. В нефелинсиенитовых пегматитах торий может концентрироваться в лопарите и ловчоррите.

Высоким содержанием тория нередко отличаются редкометальные «арбонатиты, в которых тории сосредоточен в пирохлоре, монаците, баетнезите, торите, торианите. При благоприятных условиях торий может мигрировать из магматического очага- в пневматолито-гидротермальную и гидротермальную стадии. Ско­ рее всего перенос тория осуществляется в щелочной (натровой) карбонатной или фторкарбонатной среде в форме комплексных со­ единений.

При этом могут возникать жильные или контактово-метасо- матические рудные концентрации с торитом, монацитом, торианитом, бастнезитом и др. Собственно пегматитовые торнйсодержащие образования не являются промышленными. Пегматиты, претерпев­ шие позднейшую гидротермальную или метасоматическую перера­ ботку, иногда характеризуются более высокими содержаниями то­ рия (и урана) и представляют экономический интерес.

Потенциальным источником тория могут быть редкометальные карбонатиты, из которых торий может извлекаться попутно с нио-

107

бием и редкими землями. Более богатыми и в настоящее время эксплуатируемыми являются гидротермальные месторождения то­

термальных (гипотермальных) образований. Понижение темпера­ туры гидротермальных растворов приводит к разделению путей

находится в резко подчиненной концентрации. Например, в мезо-

месторождений являются практически бесториевыми. Редкоземель­ ные элементы сопутствуют торию.

Торий в гипергенных процессах

Геохимия тория в зоне пшергенеза изучена недостаточно. Из­ вестно, что при выветривании горных пород основная часть тория мигрирует с обломочным материалом и тонкими взвесями. Торий входит в состав минералов, устойчивых к'химическому выветрива­ нию, что приводит к образованию россыпей ториевых и торийсодержащих минералов. Россыпи монацита, торита, торианита, ко­ лумбита являются основными промышленными месторождениями тория.

вания мезокайнозойского возраста на гранитах, сиенитах, пегма­ титах, мигматитах, карбонатитах. Наиболее богаты но запасам аллювиальные и прибрежно-морские россыпи. Они встречаются во лшогих странах и являются основным источником тория. Сре­ ди них первое место по содержанию тория и запасам занимают прибрежно-морские монацитовые россыпные месторождения. Так, пляжевые прибрежные пески Бразилии на протяжении 1600 км содержат до 20% монацита, а прибрежные пески Индии — до 5%. Концентрация тория в индийских монацитах достигает 10%, в бра­ зильских — 6%. Помимо монацита россыпи содержат ряд дру­ гих экономически полезных минералов: цирков, рутил, ильменит, силлиманит.

Перенос тория природными водами в значительной степени

108

связанного со взвесью. Та же закономерность наблюдается и в океанической воде, а также прослеживается в древних осадочных породах. Например, содержание тория в карбонатных породах Русской платформы резко повышается в эпохи морских транс­ грессий и интенсивных поднятий Балтийского щита (рифей, кемб­ рий, юра), причем основная часть тория сосредоточена в нераство­ римом остатке. В глинах Русской платформы содержание тория примерно в 5 раз больше, чем в карбонатах (1,1 - Ю - 3 и 2,4-10_ 4 % соответственно).

Доказано, что некоторая часть тория мигрирует в виде истин­ ных и коллоидных растворов. В природных водах, омывающих по­ роды с большим содержанием тория, его концентрация резко по­ вышается, достигая 10- 6 —10"5 , при фоновых значениях не больше j 0-8._ ю - 7 2 /Л _

Формы переноса тория мало изучены. Опыты с природными водами показали, что в подземных водах Средней Азии находится от 10 до 50% тория в виде истинных растворов. При этом основ­ ная часть тория связана в анионных комплексах. В результате исследования вод северных районов было найдено, что торий на­ ходится в них в составе не только анионных, но и катионных ком­ плексных соединений. Скорее всего в водах аридного климатиче­ ского пояса с высокими концентрациями карбонатных ионов в ра­ створе торий может входить в состав растворимых комплексов:

Th(C03 )5~ или двойных солей типа Na 6 [Th(C0 3 ) 5 ] -

Карбонатные комплексы тория менее устойчивы к гидролизу, чем комплексы уранила. Поэтому повышенные концентрации тория в Еоде обнаруживаются лишь вблизи от места его выщелачивания из пород.

В кислых сульфатных водах с р Н ~ 4 торий может существо­

вать в растворе при концентрациях до п - Ю - 3 — Ю - 4 г и о н - в виде

л

ThSO^+ или Th(S04)5J.

В гумидных районах растворенные в водах органические кис­ лоты также могут давать с торием растворимые комплексные со­ единения и способствовать его миграции. В условиях зоны гипергенеза при отсутствии комплексообразователей и нормальной кис­

вод, гидроокись тория может мигрировать также и в форме псевдоколлоидов. Подтверждением существования растворимых соеди­ нений тория в природе могут служить повышенные концентрации его в растениях, произрастающих над ториеносными породами.

109

Отрицательно заряженные природные коллоиды, такие, как гидроокислы железа и марганца, глинистые минералы, благопри­ ятны для сорбции гидроокиси тория. Длительное воздействие торнйсодержащнх вод на природные сорбенты может привести к везникновенню эпигенетических концентраций тория. Известны красноцветные песчаники, в составе цеменита которых вместе с вторичным Fe(OH)3 находится от 0,001.до 0,1% тория. Часть тория связана с гидроокисью железа и не имеет собственных мине­ ральных форм, часть представлена тоикодисперсным торитом и торогуммитом.

Нередко железные шляпы над пегматитами и жильными обра­ зованиями, латериты над карбонатными и щелочными породами сильно обогащены торием. Часть тория ассоциирует с лимонитом, часть представлена тонкодисперсным торитом и торогуммитом. Концентрации ТпОг достигают 4% и могут иметь как первичное, так и вторичное происхождение.

При благоприятных условиях торий может накапливаться в органическом веществе. Радиоактивный углеводородный минерал тухолит может содержать до 48% ТпОг 'на золу. Тухолнт встре­ чается в пегматитах, скарнах и гидротермальных жилах разных стран мира.

Известны повышенные содержания (до 0,5%) тория в угле­ водородном веществе, заполняющем кости ископаемых рыб.

Малая устойчивость растворимых соединений тория препят­ ствует переносу значительных его концентраций, в связи с чем эпи­ генетические месторождения тория встречаются сравнительно редко.

Изотопы тория

В природе встречено 5 изотопов тория: два — в семействе урана, два — в семействе тория и один — в семействе актиноурана. Несмотря на общность их химических свойств, геохимическая судьба этих изотопов различна. Об этом можно судить по отно­ шению изотопов, входящих в одно радиоактивное семейство. В се­ мейство тория входят 2 3 2 Тп и 2 2 8 Th (RaTh). В породах, не подвер­ гающихся в настоящее время выщелачивающему действию природ­ ных вод, они находятся в радиоактивном равновесии. В большин­ стве природных вод 2 2 S Th преобладает над 2 3 2 Th. Причиной этому служит преимущественное выщелачивание дочернего изотопа по

UXi над 1о. Отношение изотопов 23 4Jh/230 Th почти в 10 раз превы-

110