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

сопровождается незначительной зоной метасоматической перера­ ботки вмещающих пород.

Рудоотложение может происходить в породах любого состава, но более благоприятными являются кислые породы. Потеря угле­ кислоты приводит к повышению щелочности раствора, переходу в

месторождений урана образуется в условиях более высоких давле­ ний (1500—2500 бар) и интервале температур 250—350°С. Рудные тела этого типа представлены мощными зонами (несколько десят­ ков метров) метасоматически измененных пород с уранинитом,, браннернтом, вкрапленными в карбонатной массе и не сопровож­ дающимися другими рудными минералами.

Реакции образования карбонатов могут происходить в поро­ дах, богатых силикатами и алюмосиликатами Са, Mg, Fe, карбона­ ты которых труднорастворимы. Следовательно, основные рудовмещающие породы будут более благоприятны для данного типа руд,, чем кислые.

Для описанных выше типов месторождений урана характерна практическое отсутствие тория и редкоземельных элементов. Они сопутствуют урану лишь в наиболее высокотемпературных раство­ рах повышенной щелочности. В этих условиях U, Th и TR могут совместно мигрировать в форме галоидных, прежде всего фторидных комплексов. По мере падения щелочности раствора первыми разрушаются фторсодержащие комплексные соединения тория и редких земель, в то время как уран может сохраняться в растворе. При высоком парциальном давлении углекислоты дальнейшая миграция урана будет происходить в форме карбонатных комплек­ сов уранила. Таким образом, с момента окисления урана до U ( V I ) его поведение резко отличается от поведения тория и редких земель и их дальнейшая геохимическая история не совпадает.

Метасоматические месторождения — один из важнейших ис­ точников урана. Они характеризуются значительным разнообра­ зием, обусловленным составом рудовмещающих пород, подверг­ шихся метасоматической переработке. А. И. Тугаринов выделяет характерные геологические особенности, общие для всех метасоматических месторождений урана:

а) пространственная связь месторождения с более древними ураноносными метаморфическими или осадочными породами, явив­ шимися источником урана;

б) отсутствие непосредственной связи с магматическими явле­ ниями, которые могли служить лишь энергетическим источником движения поровых растворов;

в) весьма убогий минеральный состав руд, соответствующий минеральному составу рудовмещающих толщ;

г) приуроченность рудных тел к участкам замедленного про-

121

сачивания рудных растворов, например к перегибам пластов на участках развития пликативных дислокаций;

д) комплексное строение урановых месторождений, включаю­ щих наряду с типично метасоматическими рудами более древние ураноносные образования и секущие их жильные урановые рудопроявления.

Процесс рудообразования можно представить в следующем виде.

Процесс должен был протекать на значительной глубине, так как проникновение растворов по ультрапористым породам было возможно лишь в условиях высоких температур и давлений. Вынос урана из исходных пород скорее всего происходил в виде щелоч­ ных карбонатных комплексов, так как метаморфизоваиные осадки обычно несут следы потери щелочей, С 0 2 наряду с ураном. Для рудных тел, напротив, характерна ассоциация урановых минера­ лов с карбонатами, выщелачивание и окисление рудовмещающих пород. Метасоматические месторождения урана возникли в ран­ нюю стадию регрессивного метаморфизма, до возникновения основной массы дизъюнктивных дислокации, поэтому движение растворов происходило достаточно медленно и приводило к наи­ более полному их взаимодействию с вмещающими породами.

Осаждение урана из растворов . происходило на участках естественных мембран, застаивания растворов, в случае связыва­

Собственно щелочной метасоматоз возникает на ранней стадии регрессивного метаморфизма при температурах 300—400°. Он про­ текает при высокой щелочности растворов и в отсутствие осадите-

железистых породах (железистых кварцитах, амфиболовых слан­ цах), алюмосиликатных породах (кварцево-слюдистых сланцах, гранитоидах, скарнах), в карбонатных породах (доломитах, доломитизированных сланцах, мраморах), в углеродсодержащих поро­ дах (углистых и графитизированных сланцах), в богатых сульфи­ дами породах (колчеданных).

Руды метасоматических месторождений урана чаще всего представлены вкрапленным хорошо раскристаллизованнымурани­ нитом (иногда коффинитом, давидитом и др.), что указывает на весьма медленный процесс рудообразования.

122

Уран в зоне гипергенеза

Поведение урана в зоне гипергенеза' определяется формой его нахождения, окислительно-восстановительными условиями среды, составом жидкой и твердой фазы, климатическими особенностями

ит. д.

Впроцессе выветривания горных пород уран вовлекается в осадочный цикл как в растворенном состоянии, так и с обломочным материалом. Та или иная форма переноса урана зависит прежде всего от формы его нахождения. Легче всего переходит в раствор рассеянный уран, находящийся в сорбированном состоянии. Ско­ рость выветривания и растворения собственных минералов урана различна. Сравнительно чистые окислы урана (настуран,' урани­ нит) растворяются наиболее легко. Присутствие титана и тория повышает устойчивость минералов к выветриванию (ураноторит, браннерит, давидит и др.).

Минералы, в которых уран содержится в виде изоморфной при­ меси, обладают различной устойчивостью, но обычно более высо­ кой, чем собственно урановые минералы. Наиболее устойчивы цир­

зависит от устойчивости минерала-хозяина. Например, уран, изо­

климатической зоны с жарким, сухим климатом и бедной расти­ тельностью характерна повышенная карбонатность и щелочность вод зоны активного водообмена. Эти воды легко выщелачивают уран из пород и переносят его в форме уранил-карбонатных ком­ плексов. При окислении сульфидов, часто сопутствующих урано­ вой минерализации, образуется серная кислота, активно раство­ ряющая минералы и способствующая переходу урана в раствор. В условиях гумидного климата, с обилием влаги и растительности, воды обладают значительно меньшей минерализацией и являются более кислыми за счет растворенного органического вещества. Перенос урана поверхностными водами северных и центральных широт этой зоны в форме уранил-карбонатных комплексов ограни­

Все процессы выщелачивания урана протекают в окислитель­ ных условиях. Восстановительная обстановка способствует пере­ ходу U (VI) в U ( I V ) , практически неподвижной в зоне гипергенеза.

123

Помимо переноса урана с растворами значительная его часть мигрирует в сорбированном состоянии на тонкой механической взвеси и коллоидах. С обломочным материалом мигрирует уран, заключенный в акцессорных и породообразующих минералах. Ме­

взвешенного материала, содержащего уран, происходит по обыч­ ным законам, главным образом при замедлении течения.

Осаждение растворенных в воде соединений урана может происходить при изменении физико-химических условий среды.

Согласно В. В. Шербине, из кислых сульфатных растворов уран может выпадать в результате следующих процессов:

а) при разбавлении кислых вод метеорными кислотность раствора понижается и начинается гидролиз сульфатных соедине­

сульфидов или органического вещества, происходит частичное вос­ становление урана с образованием урановых черней;

д) возможно, значительную роль в осаждении урана могут играть процессы сорбции на коллоидах (гидроокиси железа, кремниевой кислоте, углекислом веществе).

Выпадение урана из карбонатных растворов может происхо­ дить также в результате взаимодействия ряда причин, приводя­

кальция и магния среде могут выпадать уранил-карбонатные мине­

даться: а) в процессе сорбции на глинистых, органических и дру­ гих сорбентах; б) при восстановлении U(VI) до U(IV) окисляю-

124

Все описанные выше процессы могут приводить к небольшим близповерхностным аккумуляциям урана, часто не имеющим эко­ номического значения.

Основная часть урана, поступающая в океаны и моря с кон­ тинентов, отлагается в пределах шельфа. Это главным образом обломочный и взвешенный материал. Собственно урановые рос­ сыпные месторождения при этом не образуются. Уран присутствует лишь в виде примеси в россыпных месторождениях монацита и циркона. Более 99% растворенного в воде урана находится в фор­ ме уранил-карбонатных комплексов. Концентрация урана в мор­ ской воде довольно постоянна (1—3) - Ю - 6 г/л. Выпадение урана из воды может происходить за счет разрушения этих комплексов, как уже указывалось выше. Основным фактором, способствующим накоплению урана в морских илах, можно считать его восстанов­ ление до U (IV), которое может происходить, например, в присутст­ вии окисляющегося органического вещества. В процессе седиментогенеза уран не достигает концентраций, достаточных для образо­ вания собственных минералов и рудных концентраций.

Диагенез осадков, в условиях которого они подвергаются интенсивному воздействию различных химических и биологических процессов, более благоприятен для накопления урана. Находя­ щиеся в илах организмы энергично поглощают кислород, в резуль­ тате чего среда становится восстановительной, что приводит к ре­

ках, как правило, связано с органическим веществом, но высокое содержание органического вещества еще не является признаком ураноносности.

Характерна связь урана с морскими фосфоритами, видимо, за счет образования труднорастворимых фосфатов урана. Для ураноносных осадочных пород (фосфоритов, черных сланцев) характер­ но обилие сульфидного железа (пирита), а также весьма неравно­ мерное распределение урана. Процессы диагенеза способствуют накоплению повышенных, но не рудных концентраций урана на больших площадях. Образование рудных концентраций в основном обязано эпигенетическим процессам.

Возникновение эпигенетических месторождений урана в оса­

вод. Руды такого типа характеризуются неравномерным, пятнис­ тым распространением, хотя концентрации в ряде случаев дости­ гают целых процентов. Для образования руд необходимы следую­ щие условия.

1. Повышенная концентрация урана в подземных водах. Источ­ ником урана в водах могут быть кристаллические породы с повы-

125

шенным, но рассеянным содержанием урана, бедные осадочные концентрации, распределенные на больших площадях, разрушаю­

щающне породы эпигенетических месторождений урана приурочены к пластам пород со средней проницаемостью (песчаники, конгломе­ раты, трещиноватые известняки) или их контактам с водоупорами.

3. Наличие геохимических барьеров на пути циркулирующих вод. Под геохимическим барьером понимают резкую смену физикохимической обстановки, происходящую на сравнительно неболь­ шом интервале водоносного горизонта. Наиболее важное значение для отложения урановых руд имеет смена окислительных условий восстановительными (Eh ниже — 100 мв). Такие изменения могут

ского вещества битумного ряда (битумы, нефть и т. д.), а также не

ся достаточно долгоживущими и нашли применение в радиогеоло­

активном распаде вновь образующееся дочернее ядро испытывает радиоактивную отдачу, энергия которой гораздо больше энергии молекулярных связей. Это приводит к смещению дочерних атомов с участков кристаллической решетки, ранее занимаемых материн­ скими атомами. Таким образом, продукты распада оказываются менее прочно связанными, чем материнское вещество, и легче переходят в раствор, при соприкосновении его с кристаллами. Действительно, природные воды в большинстве случаев обогащены дочерним изотопом 2 3 4 U , в то время как в породах, подвергшихся выщелачиванию, отмечается его дефицит по сравнению с равновес­ ным отношением. В окислительных условиях атомы 2 3 4 U , диффун­ дировавшие к поверхности минеральных зерен и микротрещинам,

126

легче окисляются и шестивалентная фракция урана породы оказы­ вается обогащена 2 3 4 U .

Вулканические эксгаляции ' содержат оба изотопа урана в радиоактивном равновесии, что говорит об их контакте с жидкой магмой, где можно ожидать гомогенного распределения изотопов.

§ 6. РАДИЙ

Химические свойства

Радий — двухвалентный щелочноземельный элемент, послед­ ний в группе бериллия. В соответствии с занимаемым в подгруппе местом основные свойства радия выражены наиболее сильно.

По своим химическим свойствам радий весьма похож на ба­

меньше растворимости BaSCXj.

Хромат и карбонат радия также являются слаборастворимыми соединениями.

Гидроокись радия Ra(OH)2 образуется при действии щелочей на растворы солей радия и обладает наибольшей растворимостью во всей подгруппе щелочноземельных элементов (38 г/л).

Радий, как и другие щелочноземельные элементы, образует комплексные соединения . с рядом органических кислот и солей. Известны нерастворимые комплексы радия с лимонной, яблочной, винной и некоторыми другими кислотами. Растворимые внутрикомплексные соединения радия с трилоном Б (двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной 'кислоты), нитрилтриуксусной кис­ лотой устойчивы, хотя и несколько менее, чем соответствующие соединения бария.

В водных растворах радий может находиться в ионной, моле­ кулярной и псевдоколлоидной формах. Из разбавленных растворов" он легко сорбируется твердой фазой. При уменьшении рН раствора количество адсорбированного радия резко падает.

Радий в природе

В природе известно четыре изотопа радия. Наиболее долгоживущий из них 2 2 6 Ra (Г./, = 1602 года) является продуктом распа-

127

да урана. 2 2 8 Ra(MsThI) и 2 2 4 Ra(ThX) образуются при распаде тория, 2 2 3 Ra (АсХ) — при распаде актиноурана. Их периоды полу­

изотопа радия, он будет находиться в радиоактивном равновесии с материнским продуктом. Так, в горных породах и минералах, ко­

Причина этого заключается как в химических свойствах радия, так и в непрочном положении его в кристаллической решетке минера­ лов, подобно другим продуктам распада. Причем более короткоживущие изотопы выщелачиваются сравнительно легче.

ния радия в раствор, чем хлоридный. Сульфатные воды чаще со­

сульфата радия из раствора не происходит., так как его концентра­ ция всегда значительно ниже величины растворимости RaS04 .

Большое значение для выщелачивания и удержания радия в растворе имеет минерализация вод. Наиболее высокие концентра­ ции радия (до 10~8 г/л) наблюдаются в высокомииерализованных хлоридно-натриево-кальциевых рассолах. Такие воды характерны для закрытых структур с восстановительной обстановкой, имеют лластовый характер и обычно приурочены к нефтяным или газовым месторождениям.

Радий поступает в рассолы из пород с нормальным, рассеян­ ным содержанием радиоактивных элементов. Такие воды обогаще-

128

Породы, вмещающие рудные тела, обычно обогащаются выне­ сенным из пределов .месторождения и сорбированным вторичным радием. В пределах гидротермальных урановых месторождений встречены радиеиосиые бариты медово-желтого цвета, так называе­ мые радиобариты. Первоначально предполагали, что в данном слу­ чае имела место совместная кристаллизация Ra и Ва. Однако методы радиоавтографии позволили установить, что радием обога­ щены лишь периферические зоны кристаллов барита, следователь­ но, весь радий — вторичного сорбционного происхождения. Вокруг урановых рудных тел могут возникать радиевые ореолы рассеяния на глинистых и органических природных сорбентах за счет сорбции радия, вынесенного водами за пределы месторождения.

Поступление радия в растения происходит гораздо интенсив­ нее, чем поступление урана и тория.

§ 7. РАДОН

Химические свойства

Радон является самым тяжелым в группе благородных газов. В соответствии с положением в периодической системе элементов его валентность равна 0. Однако, как и большинство других благо­

n-хлорфенолом (Rn-3C6 H4 0HC1) и толуолом (Rn-2Ce H6 CH3 ). Эти соединения не устойчивы, так как связь носит не химический ха­ рактер. Так, давление диссоциации гексагидрата радона равно око­ ло 1 атм при 0°. Подобно ксенону, радон при 400° соединяется с фтором, образуя устойчивый фторид RnF4 . Предполагают, что связь

выше величина равна 15,08, для сероуглерода — 23,14. Радон хоро­ шо растворяется в жирах. Поглощение радона жировой тканью человека может быть весьма опасным.

.Уменьшение концентрации радона в воздухе приводит к выде­ лению его из раствора. Выделение радона из жидкости или твер­ дого тела носит название эманнрования (от старого названия ра­ дона— эманация радия). Радон легко адсорбируется различными твердыми сорбентами. Особенно велика его адсорбция на активи­ рованном угле. Полная десорбция радона с угля происходит при температуре 300—400°.

130