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

друг от друга периодами полураспада: Тип=3,8 дня, Г Т п = 5 4 , 5 сек, ТАп=:3,9 сек. Сравнительно короткоживущие изотопы радона в при­ роде постоянно образуются из своих материнских изотопов радия в тех природных объектах, в которых они заключены. В процессе эманирования они переходят в природные воды и воздух. Благо­ даря разности концентраций радона между почвенным воздухом и атмосферой происходит постоянное выделение его в атмосферу. Постоянное перемешивание атмосферы приводит к появлению наи­ более долгоживущего изотопа радона на высоте 8км.

В земной коре миграция радона происходит либо в газообраз­ ном, либо в растворенном состоянии. Содержание радона зависит от его концентрации в породах и величины эманирования. Рыхлые или сильнотрещиноватые породы, обладающие наибольшей поверх­ ностью, характеризуются повышенным эманированием (зоны текто­ нических нарушений, коры выветривания и т. д.). Эманирование почв достигает 50%. Радон, скапливающийся в почвенном воздухе, может создавать газовые ореолы над проявлениями урановой или торцевой минерализации, зонами дробления, сопровождающими разломы. Протяженность ореолов обусловлена рядом факторов, в первую очередь — периодами полураспада изотопов радона. Наи­ более протяженные (десятки метров) чисто газовые ореолы дает собственно радон, ореолы торона, а тем более актинона ничтожномалы. Обычно газовые ореолы сопровождают радиевые солевые ореолы и вследствие этого имеют протяженность в несколько сотен метров.

Хорошая растворимость радона приводит к миграции его преимущественно с природными водами. Обычно содержание радона в водах измеряется единицами эман. В связи с трещинной тектоникой и повышением содержания рассеянного урана и радия в таких зонах, концентрация радона может возрастать до первых сотен эман. Напорные воды глубоких тектонических трещин в об­ ластях альпийского орогенеза нередко сильно обогащены радоном и представляют бальнеологический интерес (радоновые воды азот­ ных терм, радоновые углекислые воды). В некоторых из этих вод наблюдается небольшое обогащение ураном и радием. В отдель­ ных случаях,, когда воды перед выходом на поверхность сопри­ касаются с рыхлыми, обогащенными радием осадками, содержа­ ние радона в них может возрастать до нескольких тысяч эман при кларковых содержаниях урана и радия. Примером могут служить радоновые углекислые воды в травертиновых отложениях.

В водах, дренирующих урановые рудные тела, концентрация радона, как правило, повышается над окружающим фоном. В зави-

симости от состава руд и рудовмещающих пород эта концентрация колеблется от 50 до десятков тысяч эман. Радон, выделяющийся из урановых руд и подземных вод на урановых рудниках, может достигать высоких концентраций (сотен и тысяч эман) и представ­ лять большую опасность для горняков.

не обнаружено. Химия и геохимия рубидия и калия близки. Оба

и рубидия в породах верхней мантии примерно на порядок выше, чем в альпинотипных ультраосновных породах, а их отношение близко к среднему значению для земной коры (K/Rb=200—800).

Калий является петрогенным элементом и входит в состав породообразующих минералов. Основные калиевые минералы магматических пород — слюды и полевые шпаты. Рубидий не обра­ зует собственных минералов и находится в качестве изоморфной примеси в минералах калия. Склонность к рассеянию у рубидия проявлена более резко, чем у калия. В кровле гранитных интрузий, в остаточных образованиях малого объема (пегматиты, аплнты) наблюдается отчетливое обогащение рубидием по отношению к калию. Так, лепидолиты из пегматитов могут содержать до 1,5% Rb при отношении K/Rb, равном 6.

Обогащение рубидием наблюдается в гидротермальных обра­ зованиях. Например, в гидротермальном биотите, мусковите и микроклйне его содержание может достигать 0,1—1%.

132

Калий и рубидий поступают в океаны с речным и береговым стоком, как в ионной форме в виде истинных растворов, так и в

тах — 0,007, в базальтах — 0,006, в глинах-—0,001). Сравнительно высокое отношение Rb/K в глинах указывает на то, что рубидий

•лучше сорбируется в процессе континентального стока, чем калий.

Впроцессе садки морских солей отношение Rb/K сохраняется,

ив карналлитовой и отчасти сильвинитовой зонах соляных место­ рождений можно обнаружить повышенные концентрации рубидия.

Отношение Rb/K в биосфере океана отлично от Rb/K биосфе­ ры континентов. В морских организмах отношение Rb/K аналогич­ но Rb/K морской воды и близко к 0,0005. В почвах и наземных рас­ тениях оно значительно выше и приближается к 0,01.

Материалы о содержании и распределении радиоактивных элементов в горных

Радиоактивные элементы в горных породах. «Тез. докл. Всесоюзн. совещ.». Но­

дат, 1957.

133

Г Л А В А V

ЗЕМНОЕ ТЕПЛО И РАДИОАКТИВНОСТЬ

земное ядро, а легкие силикатные породы, подобно шлаку, засты­ вали на поверхности,_обра-

чича, на которой скорость сейсмических волн меняется скачком.

135

твердое. Температура внутренних зон Земли, по В. А. Магниц­ кому, имеет следующие наиболее вероятные значения: на глу­ бине 100 км — 100—1300°, на глубине 400 км — 1400—1700°, на глубине 2900 км — 4700°. Давление закономерно возрастает с глу­ биной и в центре Земли достигает 3,6-106 атм.

§ 2. ЗЕМНОЕ ТЕПЛО И РАДИОАКТИВНОСТЬ

Измерение температуры в буровых скважинах и шахтах пока­ зывает повсеместное повышение температуры с глубиной. Вблизи земной поверхности температурный градиент составляет Г на 30—40 м. Температурные наблюдения, а также вулканическая дея­ тельность, сопровождающаяся выходом на поверхность земли рас­ плавленной силикатной массы, свидетельствуют о высоких темпе­ ратурах в земных недрах.

До открытия радиоактивности высокую температуру внутрен­ них частей земного шара объясняли остаточным теплом остываю­ щей Земли,- бывшей первоначально, как предполагали большинство ученых, в огненно-жидком состоянии. Применяя законы охлажде­ ния нагретых тел, английский физик Кельвин рассчитал, что время, необходимое для понижения температуры первоначально расплав­ ленной Земли до современного уровня, должно составлять несколь­ ко десятков миллионов лет. Однако целый ряд геологических про­ цессов требовал для своего завершения значительно большего промежутка времени. Так возникло противоречие, которое разре­ шилось после открытия выделения тепла при радиоактивном рас­

Первые расчеты радиогенного тепла, выполненные Стреттом, показали, что при равномерном содержании радиоактивных эле­ ментов во всем земном веществе, соответствующем гранитам, коли­ чество выделенного тепла в 100 раз превышало бы наблюдаемые потери тепла в мировое пространство. Чтобы свести тепловой ба­ ланс Земли, была высказана гипотеза о том, что радиоактивные элементы сосредоточены главным образом в сравнительно тонком, поверхностном слое Земли. После разработки оболочечиого строе­ ния Земли были бценены величины содержаний радиоэлементов

136

в различных оболочках (табл. 21) и удалось свести тепловой ба­ ланс в целом.

Термическая история Земли, по современным данным, пред­ ставляется следующим образом. В допланетную историю Земли при конденсации частиц из протопланетного облака часть их кине­ тической энергии сохранялась и переходила в тепловую. Увеличе­ ние объема конденсированной массы повышало давление внутри ее, что приводило к уплотнению вещества и сопровождалось нагре­ ванием. По расчетам Е. А. Любимовой, максимум температур в этот период находился на глубине 2500 км и составлял величину 500—2000° (в зависимости от размеров частиц). Такой температу­ ры было недостаточно для плавления внутренних частей Земли.

Дальнейшее разогревание Земли происходило под действием радиогенного тепла, которое распространялось за счет теплопро­

ция радиогенного тепла происходила достаточно медленно, и лишь

137

Изменения, происходящие ниже глубины оттока, не влияют на тепловой поток.

Измерение теплового потока в различных участках Земли на разной глубине показало закономерное его увеличение от наиболее древних складчатых областей (докембрийские щиты) к областям

Увеличение теплового потока сопровождается уменьшением силы тяжести. Это явление можно объяснить тем, что под зонами низких тепловых потоков расположены наиболее холодные, а сле­ довательно, более плотные участки мантии и наоборот. Действи­

растания величин тепловых потоков по сравнению с океаном, так как содержания радиоактивных изотопов и мощность континен-

138

тальной коры в несколько раз превышают эти величины для коры океанической.

Равенство тепловых потоков можно объяснить неоднород­ ностью верхней мантии. Под континентами она более дифференци­ рована, и радиоактивные изотопы из нее в значительной степени вынесены в кору. Верхняя мантия под океаном подверглась значи­ тельно меньшей дифференциации и, возможно, содержит радиоак­ тивные изотопы до глубины — 500 км. Следовательно, мантия под океанами должна иметь более высокую температуру, что подтверж­ дается геомагнитными наблюдениями. Можно ожидать, что вклад мантии и коры в суммарный тепловой поток должен быть неодина­ ков в различных зонах Земли. Приближенные расчеты показывают,

Закономерности распределения теплового потока Земли позво­ ляют в первом приближении объяснить основные закономерности формирования магматических очагов. Как показывают расчеты, температуры на поверхности Мохоровичича под тектонически ста­ бильными областями наиболее низкие — 400—800°. Эти темпера­ туры недостаточны даже для частичного плавления пород на глубине.

В тектонически активных областях наблюдается резкая диф­ ференциация тепловых потоков и температур на поверхности Мо­ хоровичича. В областях кайнозойского вулканизма температура может достигать 1200—1300°, в то время как в близлежащих жело­ бах и краевых прогибах она опускается.до 200—600°. На участках сочленения различных зон перепад температур может достигать 1000°. Это приводит к появлению термоупругих напряжений, кото­ рые разрежаются разрывными деформациями — образованием раз­ ломов. В местах локального падения давления может образовы­ ваться жидкая магма. Глубинные разломы являются основными каналами, по которым магма внедряется в различные зоны земной коры и при благоприятных условиях изливается на поверхность.

Плавление возможно на определенной глубине — в зоне оча­ гов. Эта зона начинается в нижней части земной коры и заканчи­ вается в мантии на глубине примерно 500—700 км. По геофизиче­ ским данным, в этой зоне находятся очаги вулканических извер­ жений и гипоцентры глубокофокусных землетрясений.

Глубина зоны очагов зависит от этапа тектонического разви­ тия региона. В начальные стадии формирования геосинклинального прогиба процесс сжатия вещества приводит к повышению темпе­ ратуры, но зона очагов располагается значительно ниже поверх­ ности Мохоровичича. Магматическая деятельность проявляется во внедрении основных и ультраосновных магм и их дифференциатов.

Прогибание коры приводит к накоплению огромных толщ осадков. Сравнительно меньшая теплопроводность слабометаморфизованных осадочных пород способствует накоплению тепловой

139