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

В габброидах минералы имеют существенно отличные уровни содержания урана и тория по сравнению с вышеописанными поро­ дами. В немногочисленных опубликованных работах [380, 416] приводятся данные о содержании урана в двух радиогеохимических типах габброидов. В первом типе содержание урана (0,1 -4- -4- 0,3) •10“ 4, во втором (0,5 -4- 1,0) •10“ 4%, т. е. и в том, и в другом случае радиоактивность породообразующих и акцессорных мине­ ралов габброидов на один-два порядка ниже, чем в аналогичных минералах гранитоидов и нефелиновых сиенитов (рис. 16). Мине­ ралы габброидов недосыщены ураном и торием из-за низкого первичного содержания этих элементов в расплаве. В интрузивных

этого элемента, находящегося в породе.

Для габброидов в целом не только уровень насыщенности минералов ураном и торием, но и минеральный ряд возрастающей радиоактивности

Ру Hb Р1 -> 01 -> Mt -*• Bt -> Sph -*■ Ар -v Zr

существенно отличается от рядов, установленных для гранитоидов

инефелиновых сиенитов.

Вультраосновных породах содержание урана и тория в минера­

лах изучено наиболее слабо, что объясняется прежде всего труд­ ностями определения низких содержаний радиоактивных элемен­ тов, свойственных этим образованиям. В некоторых породообра­ зующих минералах ультраосновных пород содержание урана находится на грани чувствительности его определения

(табл. 8).

71

Т А Б Л И Ц А 8

Содержание урана в минералах ультраосновных пород (по И. Г. Берзиной, В. В. Чердынцеву и др.)

минералах в количестве сотые доли грамма на тонну. Здесь можно выделить следующий ряд возрастающей радиоактивности мине­ ралов:

ных процессов. Количество наложенного урана в минералах зависит от интенсивности проявления постмагматических про­ цессов.

Как видно из вышеизложенного, в процессе кристаллохими­ ческой дифференциации в глубинных зонах земной коры суще­ ствовали благоприятные условия для интенсивной миграции рассеянных элементов в расплаве, которая приводила к декон­ центрации урана и тория в одних минералах (по отношению к расплаву) и к концентрации в других, преимущественно в акцессориях. Это обусловило резко контрастное распределение урана и тория в породах, при котором содержание элементов в минера­ лах с крайними значениями радиоактивности отличается в 1000 раз и больше.

Содержание урана и тория в одних и тех же минералах интру­ зивных пород разного состава неодинаково и зависит от целого ряда факторов: особенностей кристаллохимической дифференци­ ации, содержания урана и тория в расплаве, наличия редкоземель­ ных элементов и т. д. Существенно различаются и ряды минералов, упорядоченные по степени их радиоактивности.

Вместе с тем для всех типов интрузивных пород существуют и некоторые общие закономерности распределения урана и тория по минералам. Так, в гранитоидах, сиенитах, габбро, перидотитах

72

и других глубинных магматических образованиях минимальные количества радиоактивных элементов устанавливаются в наиболее распространенных для данного типа пород породообразующих

Рис. 17. Корреляционная зависимость между содержанием урана и тория в минералах и значением удельной минералообразующей работы W/n (со­ ставили Е. В. Плющев и А. А. Смыслов).

Минералы: I — хранитоидоя, II — габброидов.

Содержание] i — урана, 2 — тория; линии соотношений Win и содержания элементов! 3 — урана 4 — тория.

минералах, а максимальные — в самых редких акцессорных. Таким образом, чем больше распространенность минерала в ин­ трузивной породе, тем меньше в нем содержание урана и тория.

73

Эта наиболее характерная радиогеохимическая особенность минералов проявляется вне зависимости от состава пород и пер­ вичного содержания элементов в расплаве. Ее трудно объяснить с позиций изоморфизма; по-видимому, это легче сделать, исходя из представлений о деконцентрации и концентрации атомов раз­ ных, и прежде всего петрогенных, элементов в процессе минералообразования [200] и механическом захвате при этом элементовпримесей.

Магматогенное минералообразование может быть представлено как процесс создания центров кристаллизации, где благодаря концентрации одних элементов и деконцентрации других из гомо­ генных расплавов формируются в основном «очищенные» от по­ сторонних примесей кристаллические постройки минералов. Чем больше в расплаве породообразующих элементов, слагающих тот или иной минерал, тем меньше энергетических затрат и времени требуется на его формирование. Наилучшую сходимость с рядами породообразующих и акцессорных минералов, упорядоченных по содержанию радиоактивных элементов, имеют ряды, построен­ ные по относительной величине удельной минералообразующей работы [200] (рис. 17).

Некоторые исследователи считают, что уран и торий концен­ трируются в ранних по времени образования фемических и акцес­ сорных минералах. Но это не согласуется с хорошо установленным фактом обогащения ураном и торием поздних дифференциатов магматических комплексов (остаточных расплавов). Анализ показывает, что обогащение минералов радиоактивными элемен­ тами зависит не от времени их выделения, а от продолжительности формирования. В геохимическом смысле длительность кристалло­ химической дифференциации магматических расплавов приводит не к выравниванию концентраций урана и тория, а к резко кон­ трастному дифференцированному распределению элементов. Ха­ рактер распределения радиоактивных элементов между минера­ лами интрузивных пород свидетельствует о том, что наряду с изо­ морфизмом не меньшую роль в геохимическом балансе урана и тория играет механический захват чуждых элементов, тем боль­ ший, чем длительнее формируется минерал.

Минералы и основная масса вулканогенных пород

Винтрузивных породах, кристаллизация которых происходит

вглубинных условиях сравнительно медленно, существуют благо­

приятные предпосылки для интенсивной миграции элементов в ходе кристаллохимической дифференциации и формирования резко дифференцированного распределения урана и тория по минералам. Вулканогенные породы (в первую очередь эффузивные) формировались из гетерогенных неравновесных систем, в которых кристаллизация могла остановиться в любой момент. Можно

74

выделить несколько этапов кристаллизации вулканитов: глубин­ ная (интрателлурическая) — выделение вкрапленников; поверх­ ностная — формирование микрофельзитовых, сферолитовых или иных структур и перекристаллизация (девитрификация) стекол.

В отличие от глубинных условий, в приповерхностной обста­ новке при резко ограниченном времени застывания пород возмож­ ности длительной миграции урана и тория и, следовательно, концентрация их атомов в одних минералах и деконцентрация в других резко ограничены. Последнее наиболее характерно для процессов формирования вулканических стекол, которые, по мнению ряда исследователей, представляют собой переохлажден­ ные расплавы. Поэтому в них создаются благоприятные условия для «захоронения» (сохранения) воды, углекислого газа, галоидов и других летучих компонентов, в том числе многих редких и рас­ сеянных элементов, в частности урана и тория [333]. Своеобразие условий кристаллизации магматических расплавов в приповерх­ ностной обстановке является причиной принципиально иного поведения и распределения урана и тория в вулканогенных поро­ дах по сравнению с интрузивными.

Образующиеся в результате процессов глубинной кристал­ лизации вкрапленники плагиоклаза, полевого шпата и кварца (табл. 9, рис. 18, 19) содержат незначительные количества урана и тория, обычно на порядок (возможно, на два порядка) ниже общего содержания элементов в породе [20]. Доля урана, при­ ходящаяся на вкрапленники кварца и полевых шпатов, обычно не превышает 5—10%.

В отличие от полнокристаллических интрузивных пород, содержание урана и тория в биотите несколько меньше, чем общее содержание элементов в породе и основной массе. На долю акцес­ сорных минералов (апатит, сфен, циркон) в вулканогенных поро­ дах приходится незначительная часть от общего количества элементов (первые проценты) при относительно высоком абсолют­ ном содержании. Некоторые авторы [333] связывают сравни­ тельно низкий уровень радиоактивности акцессорных минералов с повышенным содержанием в расплаве галогенов (F и G1), кото­ рые, по их мнению, препятствуют вхождению металла в кристал­ лические структуры акцессорных минералов. Не исключено также, что решающую роль в таком балансе элементов играет прежде всего низкое содержание акцессориев в вулканических породах. Это объясняется большой скоростью застывания рас­ плавов, при которой ограниченны геохимическая дифференциация и концентрация малых элементов (Ti, Р, Zr, Та, Nb, U, Th), необходимых для формирования акцессорных минералов.

Минералого-геохимическое изучение вулканогенных пород кислого, среднего и основного состава на территории Казахстана, Забайкалья [333] и других регионов показывает, что подавля­

75

t

Т А Б Л И Ц А 9

Содержание и распределение урана и тория в минералах и основной массе вулканогенных пород (по Л. Н. Шатковой, И. Б. Савиновой, А. А. Смыслову)

П р и м е ч а н и е . В числителе — содержание урана (тория) в основной массе или минерале, 10~4%; в знаменателе — количество урана, приходящееся на основную массу или минерал, %.

торий распределены равномерно в стекловатой основной массе, что связано с быстрым механическим захватом атомов элементов. В других случаях в микрофельзитовой и микрокристаллической основной массе наблюдаются центры концентрации урана, что существенно уменьшает содержание и равномерность распределе­ ния урана в породе [333].

В пределах отдельных вулкано-тектонических структур, где развиты породы, обогащенные ураном, торием и другими литофильными, а также летучими (F, С1) элементами, намечается зависимость между содержанием урана и степенью кристаллич­ ности пород. При этом в микрофельзитовых разностях липаритов по сравнению с гиалиновыми фиксируется существенное умень­ шение содержания урана, фтора, хлора и резкое увеличение торий-уранового отношения (до 5—10 и выше). Треки индуциро­ ванного деления урана в вулканитах с разной основной массой и радиоактивность пород указывают на то, что при фельзитизации стекол (наряду с некоторым стяжением урана в центрах кристал­ лизации) значительная часть урана уходит вместе с летучей фазой при сохранении содержания тория. Поэтому высокое торийурановое отношение в породах отдельных вулканических центров может свидетельствовать о частичном выносе урана в условиях приповерхностной кристаллизации и вовлечении его в гидро­ термальную постмагматическую миграцию.

Так же как и в интрузивных породах, в вулканитах по трекам индуцированного деления фиксируется приуроченность некоторой части урана к трещинам, выполненным лимонитом, карбонатом, иногда гематитом и другими минералами. Эта форма нахождения урана связана, вероятно, с наложенными гидротермально-мета- соматическими или гипергенными процессами.

Таким образом, принципиально иные условия кристаллизации вулканогенных пород приводят к значительно более равномерному распределению подавляющей части урана и тория. В отличие от интрузивных образований, в вулканитах, особенно в обсидианах, перлитах и других гиалиновых разностях, процессы геохимической миграции (концентрация и деконцентрация) урана и тория в ходе кристаллохимической дифференциации расплавов проявляются значительно слабее. Лучшая сохранность радио­ активных элементов в вулканических стеклах позволяет рас­ сматривать их в качестве природных объектов, наиболее точно отражающих первичное содержание и характер распределения урана и тория в магматическом расплаве.

Равномерное рассеяние урана и тория в основной массе вул­ канитов связано, вероятно, с быстрым механическим захватом элементов в результате скоротечных процессов близповерхностной кристаллизации расплавов. Образующиеся при интрателлурической кристаллизации вкрапленники кварца, полевого шпата, плагиоклаза и даже темноцветных минералов (биотит) обеднены ураном и торием по отношению к основной массе. Формирование

79

вкрапленников приводит к постепенному насыщению магмати­ ческих расплавов летучими компонентами и некоторыми рудными элементами: ураном, литием, цезием, ниобием и др. [333]. При наиболее быстром застывании таких расплавов в виде обсидианов, перлитов и других эффузивных пород со стекловатой основной массой уран и торий сохраняются в них вместе с летучими. Именно с этим и связана, вероятно, повышенная радиоактивность вулка­ нических стекол по сравнению с раскристаллизованными разно­ стями, что отмечалось еще Дж. Адамсом [3] и другими исследо­ вателями.

Особенности поведения урана и тория в вулканических стеклах и слабо раскристаллизованных вулканитах заставляют крити­ чески отнестись к попыткам оценить истинное содержание этих элементов в расплаве по результатам исследования полнокристал­ лических интрузивных пород, сформировавшихся в глубинных условиях. Подобного рода оценки должны проводиться, вероятно, с очень большой осторожностью.

Минералы метаморфических пород

Данные о содержании и соотношении урана и тория в мине­ ралах, возникающих в результате процессов регионального мета­ морфизма и ультраметаморфизма, самые малочисленные. Можно отметить лишь несколько работ [21, 168], где имеются относи­ тельно полные сведения о содержании урана в минералах мета­ морфических образований. Кроме того, в литературе приводятся результаты определения концентраций радиоактивных элементов в отдельных акцессорных минералах (преимущественно в цирконе и монаците) метаморфических пород в связи с оценкой их радио­ логического возраста. Сведения о содержании тория в метамор­ фических минералах практически отсутствуют. По опубликован­ ным материалам в совокупности с данными, полученными по Северному Казахстану на основе регистрации треков спонтанного деления в гнейсах и анализа содержания урана и тория в отдель­ ных минералах кристаллических сланцев, можно сделать лишь предварительные выводы о распределении урана и тория по мине­ ралам метаморфических пород (рис. 20, табл. 10).

Из приведенных данных видно, что наименьшие количества урана (тг-10~б%) фиксируются в главнейших минералах мета­ морфических пород (кварц, полевые шпаты), а также в высоко­ глиноземистых (кордиерит, силлиманит и др.). К этой же группе минералов может быть отнесен и гранат. Несколько выше уровень радиоактивности темноцветных и рудных минералов (биотит, роговая обманка, ильменит, магнетит, апатит). И наконец, зна­ чительная часть урана и тория в метаморфических породах разных фаций метаморфизма сосредоточена в цирконе и монаците. В по­ лосчатых полевошпатовых гнейсах и кристаллических сланцах уран имеет тенденцию концентрироваться в темноцветных

80