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

ТАБЛИЦА 1

Оценки среднего содержания урана и тория в горных породах в разные периоды радиогеохимического изучения земной коры

Данные заимствованы из работы Г. В. Войткевич [59].

это — люминесцентный метод определения урана в Венском исследовательском радиевом институте [306, 393], радиохимический анализ в Радиевом институте АН СССР [278], масс-спектромет- рический анализ [63] и другие.

Радиогеохимические исследования в этот период были связаны с изучением геохимии урана и тория в основном изверженных пород, преимущественно гранитов [120, 121, 357, 409], и в меньшей степени — осадочных отложений земной коры [132]. Наряду с ха­ рактеристикой отдельных интрузивных массивов были сделаны обобщения материалов по геохимии урана и тория [439, 447] и получены первые надежные данные о среднем содержании радио­

Наибольший объем работ был выполнен Л. В. Комлевым по из­ учению геохимии урана и тория гранитоидов Украины, Казахстана и других регионов Советского Союза. Объем исследований резко расширился после второй мировой войны, когда выявилось ис­ ключительное значение радиоактивных элементов как неисчер­ паемого источника ядерной энергии.

Начиная с конца 40-х годов (третий период) в наиболее разви­ тых странах развернулись планомерные площадные радиометриче­ ские поиски (наземные и воздушные) урановых и ториевых руд, в результате которых был получен обширный материал по суммар­ ной гамма-активности горных пород (преимущественно в пределах складчатых областей). Особое значение имела аэрорадиометрическая съемка, по материалам которой построены карты гамма-поля, отражающие общие особенности пространственного распределе­ ния урана, радия, тория и калия в почвенном слое (на закрытых рыхлыми отложениями участках) или в горных породах (на обна­ женных территориях).

Наряду с радиометрическими методами началось интенсивное развитие радиогеохимических исследований, базирующихся на ре­ зультатах опробования горных пород с последующим определе­ нием урана и тория в лабораторных условиях [9, 40, 60, 194, 236, 280, 323—325, 346, 366]. Изучались уже не только гранитоиды, но и другие породы: осадочные [7, 17, 351], метаморфические [48], вулканогенные [3].

Наряду с описаниями отдельных типов пород, интрузивных массивов или комплексов появились работы, последовательно освещавшие особенности распределения радиоактивных элемен­ тов во всех типах магматических образований, закономерно возникающих в ходе формирования складчатых областей земной коры [2, 261]. Это позволило выявить основные черты поведения урана и тория при эволюции магматизма в разные стадии тек- тоно-магматического развития подвижных поясов.

12

радиогеохимии и физико-химических особенностей миграции ра­ диоактивных элементов в разных обстановках (в ходе магматиче­ ской дифференциации, в гидротермальном процессе при широком диапазоне Eh и pH, в водных растворах и т. д.). Третий период важен как этап накопления фактического материала по региональ­ ной геохимии урана и тория, изотопному составу радиоактивных элементов и продуктов их распада для геохронологических целей, как этап изучения генерации радиогенного тепла в разных гео­ логических образованиях и т. д.

В 50-х годах и начале 60-х появились обобщения по региональ­ ной геохимии радиоэлементов, базирующиеся на большом факти­ ческом материале [48, 49, 289]. Особое значение имеет работа Л. В. Комлева по радиоактивности гранитоидов, в которой выде­ лено несколько их радиогеохимических типов. Типизация грани­ тоидов по содержанию и соотношению урана и тория не потеряла своего значения, а интересные обобщения стимулировали развитие радиогеохимических исследований в разных регионах. Изучение распределения урана и тория в горных породах особенно широко развернулось в 60-х годах. Этому способствовали разветвление сети научно-исследовательских и производственных центров, за­ нимающихся изучением региональной геохимии, разработка пре­ цизионных экспрессных методов определения урана и тория как в лабораториях (колориметрический, рентгеноспектральный и другие методы), так и непосредственно в полевых условиях (гам­ ма-спектрометрия).

Все это предопределило возможность планомерных площад­ ных радиогеохимических исследований с построением карт рас­ пределения урана, радия, тория и калия. Изучение всего набора геологических формаций, развитых в разных геоструктурных зонах, позволило создать реальную основу для построения радио­ геохимических карт крупных регионов и для геохимического районирования складчатых и платформенных областей земной коры, на чем неоднократно настаивал В. И. Вернадский. С этой целью разработаны общие принципы и методика составления ра­ диогеохимических карт как основы для познания закономерностей пространственного распределения урана и тория в горных породах и геологических формациях земной коры и геохимического райони­ рования [267].

В четвертый период получен значительный материал по радио­ активности ультраосновных и основных пород и метеоритов с по­ мощью высокочувствительных методов нейтронной активации

иизотопного разбавления [63, 268]. Детальное радиогеохимическое изучение магматических, осадочных и метаморфических пород и минералов позволило зарубежным и советским исследо­ вателям охарактеризовать главнейшие особенности миграции урана

итория в ходе регионального метаморфизма [88, 89, 388], гидро­ термального метасоматоза [50] и других геологических процессов. Наиболее полное отражение эти вопросы нашли в коллективной

13

монографии «Основные черты геохимии урана» под редакцией

А. П. Виноградова.

Вцелом 60-е годы можно рассматривать как период интенсив­ ного развития планомерных площадных радиогеохимических ис­ следований, направленных на изучение региональных закономер­ ностей распределения урана и тория в минеральном веществе разных уровней организации (минералы, горные породы, геологи­ ческие формации) и на разработку радиогеохимических критериев ураноносности.

Радиогеологические исследования теснейшим образом связаны

сдеятельностью В. И. Вернадского. Начатое под его руководством и при его непосредственном участии радиогеологическое изучение минералов и горных пород России было продолжено его много­

A.Б. Ронов, А. И. Тугаринов, Г. В. Афанасьев, В. Г. Войткевич,

B.И. Герасимовский и многие другие).

Несмотря на большой объем выполненных исследований, сте­ пень радиогеохимической изученности континентов земного шара крайне неравномерна (рис. 1). Наиболее изучены геологические образования Северной Америки, Европы, Азии (в пределах глав­ ным образом территории Советского Союза и Японии) и Австра­ лии. На этих континентах проведены площадные радиометрические съемки (преимущественно воздушные) и выполнено в большом объеме геохимическое опробование осадочных, магматических и метаморфических образований континентальной части земной коры. Вне территории Советского Союза особенно детально оха­ рактеризована радиоактивность горных пород рудных провинций в пределах Скалистых гор, Флориды (США), южной части Канад­ ского щита, Северной Австралии.

Значительно хуже изучена территория Африки, Южной Аме­ рики, а также большая часть юга Азии. На обширных пространст­ вах этих континентов радиогеохимические исследования проводи­ лись лишь на локальных участках рудных провинций (Траванкор, Витватерсранд и др.) и в пределах выходов отдельных типов гор­ ных пород (траппы Декана, Эфиопии и др.).

Горные породы океанических впадин (кроме островных дуг и отдельных вулканических и коралловых островов) охарактери­ зованы слабо. Некоторое исключение составляет акватория Ти­ хого океана, для которой накоплен сравнительно большой мате­ риал по радиоактивности не только океанических осадков, но и горных пород глубинного происхождения.

Несмотря на разную степень изученности континентов, имеются данные по радиоактивности горных пород практически всех геоструктурных зон: щитов, фанерозойских складчатых областей, чехла платформ и др. Радиоактивность метаморфических и маг­ матических формаций докембрийских складчатых областей наи­ более обстоятельно изучена в пределах Украинского [64, 75,

14

Рио. 1, Радиогеохимическая изученность горных пород земного шара.

Области, исследования: г — наиболее детальные и планомерные, 2 — несистематические отдельных типов горных пород, 3 — слабо изученные или неизученные, 4 — горных пород в пределах океанических впадин.

сл

Г Л А В А II

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЯХ

Определение содержания урана и то­ рия в минеральном веществе земной коры может быть выполнено с помощью разнооб­ разных методов лабораторного анализа (химических, физико-химических, ядерных и др.) и с применением широкого комплек­ са полевой радиометрии, главным обра­ зом разных модификаций гамма-съемки, включая гамма-спектрометрию. Примене­ ние столь обширного комплекса возможно лишь при условии строгого контроля за ка­ чеством и сопоставимостью получаемых данных, а также при учете вклада отдель­ ных изотопов в общий баланс радиоактив­

шого количества неустойчивых (радиоак­ тивных) изотопов разных легких и тяже­ лых элементов. По условиям возникнове­ ния и нахождения в земной коре естест­ венные радиоактивные элементы могут быть разделены на четыре основные группы.

\. Долгоживущие радиоактивные эле­ менты (тяжелые), образовавшиеся в на­ чальный (догеологический) этап разви­ тия планеты и являющиеся родоначаль­ никами трех естественных радиоактивных семейств: урана j^38U, актиноурана AcU (?»5U) и тория |032Th. Содержание этих элементов в земной коре (при отсутствии дополнительных эпох нуклеосинтеза) по­ степенно уменьшается в соответствии с пе­ риодами их полураспада.

2. Короткоживущие радиоактивные элементы — дочерние про­ дукты распада урана, актиноурана и тория, входящие в состав этих семейств. Нахождение в земной коре многочисленной группы этих элементов, являющихся основными р- и у-излучателями горных пород, полностью зависит от содержания родоначальников семейств. Избирательное «отделение» дочерних элементов (иония, радия, радона и др.) в результате каких-либо геохимических про­ цессов (выщелачивания, эманирования и др.) приводит к их сравнительно быстрому (в геологическом понимании) исчезнове­ нию (распаду).

3. Долгоживущие одиночные (легкие и тяжелые) радиоактив­ ные элементы (f9K, |77Rb, 92 7Sm и др.), не образующие семейств и возникшие в начальную (догеологическую) эпоху развития Земли. Их содержание в земной коре постепенно уменьшается со скоростью, определяющейся периодом полураспада изотопов.

на Земле было значительно большим, но многие изотопы с периодом

горных пород земной коры связана с радиоактивным распадом

незначительна. По распаду ядер этих элементов определяют радио­ логический возраст горных пород и минералов (рубидиево-строн­ циевый, углеродный методы и т. д.).

Из второстепенных радиоактивных элементов наиболее хорошо изучен рубидий — элемент с ярко выраженными литофильными свойствами, сходный по физико-химическим параметрам с калием, что объясняется близостью их атомных орбитальных и ионных радиусов. Б некоторых минералах (лейцит, лепидолит) радиоак­ тивность рубидия может быть соизмеримой с радиацией калия, урана и тория. В большинстве же случаев основными а-, р- и у-излучателями являются калий, родоначальники трех радиоак­ тивных семейств (||8U, ffU , |o2Th) и многочисленная группа эле­ ментов — продуктов их распада.

Одна из главных проблем радиогеологии состоит в изучении содержания основных естественных радиоактивных элементов

18

и фельзиты (рис. 2). Нарушение равновесия в урано-радиевом ряду значительно чаще фиксируется в выветрелых горных поро­ дах на участках месторождений и рудопроявлений урана, где наложенные процессы приводят к существенному увеличению со­ держания легкоизвлекаемого урана.

о/ •2 *3 Д4 + 5 о б v7 /gi- 8

Рис. 2. Соотношение урана ил по данным люминесцентного анализа и радия

Разработаны разные варианты гамма-съемки (пешеходная, автомобильная, каротажная, воздушная), при проведении которых используется аппаратура преимущественно на счетчиках Гей­ гера — Мюллера и сцинтилляционных. Эти методы, которые при­ меняются в основном при поисках радиоактивных руд, могут быть использованы и при радиогеохимических исследованиях для

20