книги из ГПНТБ / Смыслов, А. А. Уран и торий в земной коре

Биогенный фосфатный материал содержит от 4-10" 4 до 700 ■10"4 % урана. При этом в слабофоссилизированных фосфатных остатках и стяжениях много органического вещества (4—7%). По мере

глинистых отложениях морских бассейнов с сероводородным заражением придонных частей. Однако имеются примеры обога­ щения илистых осадков ураном, до (10 Ч-20)-10~4%, и в МОрЯХ? где такого заражения нет (Средиземное, Каспийское). Высокое содержание урана, до (10 -^20)-10_4%, устанавливается, в ча­ стности, в илах оз. Иссык-Куль, обогащенных органикой за счет

102

отмирания харовых водорослей. Повышенное содержание урана, до (5 10) •10"4% , фиксируется также в железо-марганцевых конкрециях. Наиболее вероятный путь обогащения конкреций ураном и другими компонентами — сорбция их гидролизных или ионных форм коллоидными частицами гидроокисей железа и марганца. Во всех случаях (и в халистатических зонах с серо­ водородным заражением и вне их) аномальные концентрации урана тесно связаны с повышенными количествами органического или фосфатного вещества.

В отличие от урана, торий находится в донных осадках океанов и морей в сравнительно низких и одинаковых количествах (в 3— 4 раза ниже кларка). Бедность современных осадков торием вполне объяснима его низким содержанием и слабой способностью к миг­ рации в водах. В связи с этим большая часть тория концентри­ руется в прибрежноморских россыпях или в алевролито-глини­ стых отложениях прибрежных зон. Низкое содержание тория и пониженное торий-урановое отношение — характерная радиогеохимическая особенность современного осадконакопления в от­ крытых частях морей и океанов. Наличие механического барьера для тория в береговой зоне полностью предопределяет его преиму­ щественное накопление в россыпях и в некоторых глинистых осадках дельтовых зон. Некоторое исключение составляют глу­ боководные красные глины открытых частей океанических впадин, в которых фиксируется повышенное содержание не только урана,

Коры выветривания

Радиогеохимические особенности продуктов кор выветривания рассматривались А. П. Виноградовым [50], В. И. Барановым [17], Ф. П. Кренделевым и В. А. Бобровым [90] и другими исследова­ телями. Несмотря на сравнительно большой круг работ, посвя­ щенных этой проблеме, конкретные данные о распределении урана, радия и тория в разных горизонтах кор выветривания весьма ограниченны. Имеющиеся материалы свидетельствуют о широком диапазоне содержаний урана, радия и тория, что связано с разной первичной радиоактивностью выветривающихся горных пород

иперераспределением элементов по вертикальному разрезу коры.

Взависимости от типа выветривающихся пород, в соответствии с классификацией И. И. Гинзбурга и других исследователей, могут быть выделены четыре типа кор выветривания: 1) сиал- литно-магнезиальный по породам, ультраосновного и основного состава, 2) выщелоченных карбонатных пород, 3) выщелоченных кремнеземистых пород по кварцевым и полимиктовым песчаникам, 4) сиаллитный, развивающийся преимущественно по наиболее радиоактивным силикатным горным породам.

Вкаждом из этих типов достаточно отчетливо проявлена вер­

тикальная зональность, которая выражена в закономерном

103

присутствии трех горизонтов: нижнего— дезинтеграции; среднего— гидрослюдисто-каолинитового по гранитоидам, сланцам, песчани­ кам; верхнего — глинистого (каолинитового). Содержание урана, радия и тория в горизонтах разных типов коры выветривания достаточно разнообразно. Вместе с тем можно отметить и ряд общих радиогеохимических особенностей продуктов кор выветри­ вания. В частности, намечается известная преемственность между

продуктов коры выветривания сиаллитного типа и минималь­ ной — сиаллитжнмагнезиального.

При выветривании разнотипных по составу и радиоактивности пород отмечается некоторое (в целом незначительное) уменьшение (по отношению к материнским породам) содержания урана, радия и тория в нижнем горизонте коры выветривания (зоне дезинтегра­ ции). Это связано, вероятно, с изменением формы нахождения элементов, увеличением пористости дезинтегрированных пород и некоторым выносом вследствие этого урана и радия в процессе механического и частично химического преобразования. Наиболее характерной особенностью этого горизонта является значительное изменение формы нахождения урана, проявляющееся в резком увеличении содержания его легкорастворимой (подвижной) раз­ ности.

По сравнению с зоной дезинтеграции в среднем гидрослю- дисто-каолинитовом горизонте фиксируется повышенное содер­ жание урана, радия и значительно реже тория. Обычно радио­ активных элементов (особенно, урана) в среднем горизонте больше по отношению не только к другим горизонтам, но и к материнским породам. Относительное обогащение этого горизонта ураном и радием, а также многими другими элементами (Мо, Си, РЬ, Zn, V) обусловлено их сорбцией гидрослюдистым, гидрохлорито­ вым и монтмориллонитовым материалом.

В верхнем (каолинитовом) горизонте кор выветривания, как правило, фиксируется значительное уменьшение содержания урана и радия, в то время как количество тория несколько увели­ чивается. В латеритной коре, резко обогащенной гидроокислами алюминия и железа (бокситы Тихвина, Енисейского кряжа и др.),

X 10“ 4%, что связано с накоплением в горизонтах выноса устой­ чивых к разрушению акцессорных минералов и сорбцией тория глинистыми частицами. По данным Л. М. Гофмана, количество тория в глинистом горизонте значительно увеличивается (до 63 X X 10“ 4%) на конечной стадии корообразования.

Характерной радиогеохимической особенностью продуктов кор выветривания является нарушение радиоактивного равно­ весия в урано-радиевом ряду — смещение в сторону избытка радия. Коэффициент равновесия между ураном и радием (Ra/U)

104

колеблется от единицы в зоне дезинтеграции до 1,7 — в глинистых продуктах каолинитового горизонта. Подсчеты баланса радио­ активных элементов, выполненные В. И. Васильевой с учетом плотности и пористости пород, свидетельствуют о значительном общем дефиците урана и радия в образованиях кор выветривания.

Метаморфические образования

В результате проявления разного рода наложенных процессов (автометаморфизм, региональный и контактовый метаморфизм, ультраметаморфизм, гидротермальный метасоматоз и др.) пер­ вично-осадочные и магматические породы претерпевают интенсив­ ные изменения, в ходе которых резко меняются их химический состав и радиоактивность. Наиболее значительными по масшта­ бам и направленности миграции урана и тория в земной коре являются процессы регионального метаморфизма и ультрамета­ морфизма. Их продукты — главная составная часть гранитно­ метаморфического слоя земной коры, в котором собственно гранитоиды, возникающие в результате плавления и метасоматической переработки метаморфических толщ, играют подчиненную роль. Формирование метаморфических докембрийских и более молодых пород охватывает самый длительный интервал геологи­ ческой истории земной коры. Совершенно очевидно поэтому, что оценка распределения урана и тория в метаморфических породах имеет первостепенное значение в изучении радиогеологической зональности земной коры и эволюции ее химического состава.

До последнего времени имелись единичные данные о содержа­ нии урана и тория в метаморфических породах. Лишь с 1963 г. в периодической печати публикуются работы, специально посвя­ щенные распределению урана, тория и калия в кристаллических породах докембрия и закономерностям миграции элементов при региональном метаморфизме и ультраметаморфизме [64, 75, 77, 89, 90, 209, 225, 266, 373, 387, 390, 391, 414, 440]. Несмотря на сравнительно большой объем аналитических данных, оценка среднего содержания урана и тория в метаморфических образова­ ниях представляет сложную задачу, так как их радиоактивность зависит не только от состава и геохимических особенностей пер­ вично-осадочных или магматических пород, но также от степени их метаморфизма и метасоматической переработки (табл. 18).

Среди метаморфических пород, слагающих области докембрийской складчатости, срединные массивы и геоантиклинальные поднятия, по содержанию урана и тория выделяют две группы образований: слаборадиоактивные (мафические силикатные породы: амфиболиты, амфиболитовые сланцы, аподиабазы; кварциты и карбонаты: мраморы, кальцифиры) и породы с нор­ мальной или слабо повышенной радиоактивностью (фельсические гнейсы, кристаллические сланцы, порфироиды, метаморфизованные песчаники). Различие радиоактивных свойств этих групп пород

105

массив

хорошо увязывается с различием их первичного химического состава.

Характерной особенностью продуктов метаморфизма второй радиогеохимической группы является избыточное содержание окислов SiO2, К 20, С 0 2 и Н 20 , что приводит к появлению таких минералов, как калиевый полевой шпат, биотит, серицит. В фельсических гнейсах и кристаллических сланцах наряду с петрогенными элементами важным фактором, определяющим уровень содержания радиоактивных элементов, является степень мета­ морфизма пород, т. е. структурные особенности минеральных парагенезов, возникающих в разных термодинамических обста­ новках.

Наиболее высокие содержания радиоактивных элементов, но не превышающие обычно 6-10“ 4% урана и (25 -f- 30)-ТО- 4 % тория (рис. 29), фиксируются в фельсических метаморфических породах, богатых калием: в биотит-полевошпатовых гнейсах и кварц-

гнейсы и порфироиды (Австралия, провинция Рам Джангл). Уровень радиоактивности роговообманковых и биотит-рогово-

обманковых гнейсов и кристаллических сланцев амфиболитовой фации несколько ниже; минимум содержания урана и тория в фельсических породах фиксируется в гиперстеновых и гипер- стен-плагиоклазовых гнейсах и сланцах гранулитовой фации. Закономерное уменьшение содержания урана и тория в гнейсах и кристаллических сланцах в разных фациальных зонах мета­ морфизма отчетливо фиксируется как по средним значениям элементов для метаморфических пород щитов и массивов, так и по результатам изучения отдельных толщ, породы которых метаморфизованы от эпидот-амфиболитовой до гранулитовой фаций [388]. Уменьшение уровней содержания урана и тория происходит на фоне меньшего по интенсивности понижения концентрации калия

(рис. 29, 30).

Падение радиоактивности фельсических пород тесно увя­ зывается также с потерей породами воды и углекислоты при дегидратации минералов («высушивание», по Н. Г. Судовикову) и возникновении минеральных парагенезов с повышенной плот­ ностью кристаллических структур [105]. Таким образом, общей радиогеохимической особенностью продуктов прогрессивного ре­ гионального метаморфизма является уменьшение радиоактивности с увеличением степени метаморфизма. При этом существенного повышения содержания урана и тория в породах эпидот-амфибо­ литовой и зеленосланцевой фаций не наблюдается. Уровень их’ радиоактивности в лучшем случае не выше, чем для неметаморфи­

108

зованных осадочных пород и вулканитов. Осадочные отложения с повышенным содержанием органики при метаморфизме не­ сколько обедняются ураном.

Th Ю'*%

Р и с. 29. Содерж ание урана и тори я в метаморфических п ородах .

Фации метаморфизма (цифры в кружках): I — зеленосланцеь ая и эпидот-амфиболитовая

II — амфиболитовая, I I I — гранулитовая, IV — эклогитовая.

Породы: 1 — гнейсы, г — кристаллические сланцы, з — амфиболиты, 4 — эклогиты, 5 — метаморфизованные карбонаты.

Радиоактивность фельсических горных пород падает также в процессе прогрессивного контактового метаморфизма в зонах ороговикования и скарнирования [89, 302]. Особенно велика потеря урана породами на фоне отторжения углекислоты и воды

109

и выгорания органического вещества при контактовом метамор­ физме первично-обогащенных рудными элементами битуминозных и углеродистых осадков (рис. 31). Содержание урана и тория в мафических породах (амфиболиты, амфиболовые гнейсы

UJh,lO~*%

Р и с. 30. П римерные уровн и содерж аний уран а , тори я и калия в минеральны х парагенезах метаморфических образований с норм альной радиоактивностью .

Фации: I — аклогитовая, I I — гранулитовая, I I I — амфиболитовая, IV — эпидотамфиболитовая и зеленооланцевая.

I — Балтийский щит; 2 — Енисейский кряж.

и сланцы, аподиабазовые порфириты), возникающих при мета­ морфизме главным образом вулканитов основного состава, повсе­ местно низкое и не зависит от фаций метаморфизма. По-видимому, содержание радиоактивных элементов в продуктах последователь­ ных стадий метаморфизма (вплоть до гранулитовых фаций) по отношению к первичным минеральным парагенезам и минеральным ассоциациям является недосыщенным (см. рис. 30).

ПО

Низкое содержание урана и тория характерно также для кварцитов и карбонатных пород (мергели, мраморизованныеизвестняки и кальцифиры). Исключение составляют графитсодер­ жащие кварциты и битуминозные мраморизованные известняки.

и,Ю'4%

Р и с. 31. Распределение урана в орогови кован н ы х п ор од ах из зон к он так то­ вого изменения гранитоидны х интрузий Средней А зии [88].

Сланцы; 1 — углеродисто-кремнистые, 2 — слабоороговикованные (биотит-хлоритовые роговики); 3 — интенсивно ороговикованные породы; 4 — гранодиориты; мраморы; ,5 — интенсивно перекристаллизованные, 6 — доломитизированные; известняки: 7 — окварцованные и частично скарнированные, 8 — неизмененные битуминозные; 9 — об­ ласти выноса урана при контактовом метаморфизме.

Минимальными среди метаморфических пород количествами урана

итория отмечаются эклогиты [385].

Вцелом среди метаморфических пород — продуктов региональ­

ного динамотермального и контактового метаморфизма — по

111

содержанию урана и тория различаются лишь образования, метаморфизованные в условиях амфиболитовой, эпидот-амфиболитовой и зеленосланцевой фаций. В продуктах более высоких ступеней метаморфизма (гранулитовые фации) содержание радиоактивных элементов практически выравнивается во всех типах пород.

В отличие от продуктов прогрессивного метаморфизма образо­ вания регрессивной стадии изучены менее детально. Некоторые

по гнейсам). Однако эти данные не увязываются с более поздними результатами и фактом значительного привноса в регрессивную стадию углекислоты и воды.

Существенное изменение радиоактивности горных пород вы­ зывают процессы ультраметаморфизма и гранитизации [75, 77]. В разных фациальных зонах метаморфизма фиксируется обычно проявление нескольких стадий ультраметаморфизма и грани­ тизации, с которыми связано возникновение мигматитов и разных по составу метасоматических гранитов с закономерно пони­ жающейся основностью и повышающейся щелочностью пород от древних к более молодым.

В ряде регионов (Балтийский, Алданский щиты и др.) в разные эпохи архейского и протерозойского диастрофизма фиксируются обычно две стадии ультраметаморфизма. С первой стадией анатектической гранитизации (в условиях высшей амфиболитовой и гранулитовой фаций при ограниченной роли процессов калишпатизации) связано формирование преимущественно гиперстено­ вых гранодиоритов и плагиогранитов и мигматитов чарнокитового комплекса, богатых кальцием и бедных радиоактивными элемен­ тами. Содержание урана и тория в чарнокитах обычно не выше, чем в гиперстеновых и других гнейсах и кристаллических сланцах гранулитовых фаций.

Во вторую стадию гранитизации и мигматизации метаморфи­ ческих пород, протекающую обычно в несколько фаз, форми­ руются неравновесные минеральные парагенезы с существенным привносом ряда компонентов, в частности калия (в результате проявления процессов кремне-калиевого метасоматоза). При этом происходит дальнейшая мобилизация вещества (в том числе и радиоактивных элементов) предшествующих фаз ультрамета­ морфизма и избирательное перемещение в расплав наиболее кислых разностей гранитоидов. В результате этих процессов продукты микроклинизации — палингенно-метасоматические и интрузивно-анатектоидные образования последних стадий — наиболее обогащены калием, ураном и торием (см. табл. 17, рис. 29). В калишпатизированных порфиробластических гнейсах, аляскитовых гранитах и, особенно, в пегматитах, как правило, резко увеличивается торий-урановое отношение благодаря боль­ шому количеству ториеносных акцессориев (торита и мона­ цита).

112