Естественная радиоактивность горных пород

В горных породах присутствуют более 50 радиоактивных изото­пов. Радиоактивность гор­ных пород зависит от содержания в ней трех элементов: урана, то­рия и калия, которые отличаются не очень низкими содержаниями в горных породах и относительно высокой активностью (уран и то­рий — за счет элементов своих рядов). Поскольку в радиоактивных рядах много излучателей, горная порода характеризуется сложным спектром гамма-излучения.

Большинство гамма-квантов имеет низкую энергию, что затрудняет идентификацию по ним элементов. На рис. 6.1 приведена жесткая часть спектра гранитов. Наиболее выразительны пики энергий 1,76 и 2,2 МэВ, соответствующие элементам уранового ряда, а также пики энер­гий 0,92 и 2,62 МэВ, отвечающие элементам ториевого ряда. Энер­гия 1,45 МэВ принадлежит калию. По величине пиков названных энергий с помощью гамма-спектрометров можно раздельно опре­делить содержание урана, тория и калия.

Раздельное определение основных радиоактивных элемен­тов по их гамма-излучению позволило накопить большой факти­ческий материал о распространенности этих элементов в горных породах, о их поведении в геологических процессах. Фактически с помощью измерения такого физического явления, как радиоак­тивность, изучается геохимия радиоактивных элементов, радиогеохимические закономерности формирования и изменения горных пород.

Формы нахождения радиоактивных элементов в горных поро­дах

В горных породах уран и торий присутствуют в трех формах:

1. в виде собственных минералов; наиболее распространены торианит, уранинит, торит и др.;

2. в виде изоморфной примеси в минералах;

3. в рассеянной форме: в дефектах структур породообразующих минералов, в адсорбированном состоянии на поверхности минеральных зерен и в микротрещинах.

В связи с низкими, порядка 10^-4 %, содержаниями урана и то­рия в горных породах преобладают третья и вторая формы их на­хождения. Следует отметить, что в рассеянной форме уран и торий наиболее подвижны, наиболее способны к выщелачиванию мета­морфическими и гидротермальными растворами.

В слабо- и нормальнорадиоактивных минералах, к которым относятся основные породообра­зующие полевые шпаты, железо-магнезиальные силикаты, уран и торий находятся в рассеянной форме; в высокорадиоактивных акцессориях - преимущественно в виде изоморфных примесей.

К алий, в силу относительно высокого содержания в породе, образует в основном собственные минералы. Повышен­ное его количество отмечается в калиевых слюдах и полевых шпа­тах, в глинистых минералах.

Радиоактивность осадочных пород

С одержание радиоактивных элементов в осадочных породах в среднем более низкое, чем в магматических. Это связано со значительной дифференциацией радиоактивного вещества при разрушении магматических пород и осадконакоплении. В силу это­го осадочные отложения в целом характеризуются более низкими торий-урановыми отношениями (<3,7) по сравнению с магмати­ческими.

Генеральной закономерностью осадочных пород является зна­чительно более низкая радиоактивность кремнистых и карбонат­ных разностей пород (мергели, доломиты, кремнистые сланцы) по сравнению с терригенными (песчано-глинистыми) разностями. Особенно низким содержанием в этих породах отличаются К и Th.

Наблюдаемое часто повышенное содержание урана для терригенных отложений в ряде случаев наблюдается за­висимость радиоактивности от степени дисперсности осадков. Содержание радиоактивных эле­ментов и общая радиоактивность растут от песчанистых разностей к песчано-глинистым и максимальны для глинистых разностей пород. Это обстоятельство позволяет в случае песчано-глинистых разрезов определять степень глинистости пород по их радиоактив­ности, тем самым разделяя песчанистые пористые породы, кото­рые могут служить коллектором для нефти, газа и воды, от глинис­тых пород, способных выполнять роль экрана.

Повышенная радиоактивность глин связана с их высокой спо­собностью сорбировать катионы, особенно с большими зарядами, каковыми являются ионы тория и урана, а также с содержанием калия в глинистых минералах. Однако закономерности радиоак­тивности терригенных пород чаще всего не так просты. Причиной от­клонения от общих закономерностей служат конкретные условия выветривания и осадконакопления, индикаторами которых и яв­ляются радиоактивные элементы.

Большинство закономерностей в пове­дении радиоактивных элементов в седиментационном процессе может быть объяснено следующими обстоятельствами:

а) преиму­щественной миграцией тория и калия в твердом состоянии в виде частиц и взвесей, а урана — в растворе;

б) высокой способностью ионов тория и урана сорбироваться на заряженной поверхности глинистых минералов, органики, фосфоритов, гидроокислов же­леза, алюминия, марганца и других природных коллоидов;

в ) спо­собностью урана резко терять свою подвижность при переходе из шестивалентного состояния, в котором он преимущественно на­ходится в растворах, в четырехвалентное, если на пути миграции встречаются восстановительные барьеры, такие как углерод- или пиритсодержащие породы.

В большей мере совпадают области накопления калия и тория. Осадки прибрежных мелководных фаций, формирующиеся в не­посредственной близости от области сноса, характеризуются мак­симальным накоплением калия и тория.

В осадках относительно глубоководных фаций, представлен­ных тонким глинистым материалом, концентрация тория вновь повышается.

Существуют две области накопления урана в осадках: прибрежно-морская и глубоководная. В первой содержа­ние урана резко неравномерное, зависимости его от глинистости отложений, характерной для глубоководных осадков, не наблюда­ется. Глубоководные глинистые осадки характеризуются относи­тельно равномерным и высоким содержанием урана. Наибольшие обуглероженность и ураноносность наблюдаются у пород, форми­ровавшихся в условиях резко восстановительной среды.

Таким образом, для пород переходных условий осадконакопления отмечаются согласованное понижение содержаний всех трех радиоэлементов и низкая радиоактивность в сравнении с по­родами глубоководных и прибрежных фаций. Последние могут быть распознаны по соотношениям в содержаниях радиоактивных элементов.

Во всех случаях глинистые и углеродистые породы ха­рактеризуются повышенными содержаниями, по крайней мере, урана и тория; обогащенность их также калием указывает на пре­имущественно мелководные условия осадконакопления, хотя и в этом могут быть исключения. Чаще всего наиболее согласованные изменения содержания обнаруживаются у Th и К.