Глава 6. Радиогидрогеохимическое рассеяние

Радиоактивность пород. Закономерности распространения радионуклидов в земной коре определяются магматическими и постмагматическими процессами. Радиоактивность магматических пород связана с накоплением в них урана, тория и радия. Наиболее высокие значения кларков этих элементов наблюдаются в гранитах и соответственно равны 3,6 ∙ 10 ^{– 4} %, 1,2 ∙ 10 ^{– 4} % и 13 ∙ 10 ^{– 10} %. В базальтах содержание этих элементов значительно меньше, а их кларки соответственно равны: 1,9 ∙ 10 ^{– 4} %, 0,4 ∙ 10 ^{– 4} % и 0,3 ∙ 10 ^{– 10} %.

Как указывалось выше, первичная радиоактивность пород объясняется процессами магматического и постмагматического происхождения. Разрушение пород этого генезиса привело к разрушению радионуклидов в толщах, образовавшихся на их основе. Речь идет об осадочных породах, которые делятся на пять групп – терригенные, кремнистые, карбонатные, соленосные и каустобиолиты. Наиболее высоким содержанием радионуклидов отличаются терригенные отложения. Для них характерна зависимость содержания урана от гранулометрического состава пород. Его содержание возрастает в ряду конгломераты – песчаники – алевролиты – аргиллиты. Среди акцессорных минералов осадочных пород наибольшей радиоактивностью отличаются сфен, моноцит, ортит, циркон, апатит, лопарит.

Месторождения радиоактивных элементов и сопровождающие их первичные ореолы связаны гранитоидным магматизмом, скарново-пегматитовым рудообразованием, постмагматическими гидротермальными процессами, стратиформной аккумуляцией радионуклидов в осадочных породах. Наиболее крупные месторождения урана приурочены к древним складчатым областям (Австралия, Южная Африка, Казахстан, Канада).

Радиоактивность природных вод. Содержание радиоактивных элементов в природных водах колеблется в значительных пределах. Так, например, уран определяется в пределах от n ∙ 10 ^{– 9} до n ∙ 10 ^{– 1} г/л, радий – от n ∙ 10 ^{– 15} до n ∙ 10 ^{– 9} г/л и радон – от сотен долей до сотен тысяч Бк/л. В поверхностных водах концентрация урана значительно ниже, чем в подземных водах. Наиболее низкие значения наблюдаются в морских водах. В них концентрация ЕРН (естественных радионуклидов) в тысячи раз меньше, чем в горных породах. В таблице 4 приведены сведения распределения ЕРН в различных природных средах для радона, урана и радия.

Таблица 4

Концентрации радона, урана и радия в природных водах [3]

Как видно из таблицы 4, наибольшей обогащенностью радиоактивными элементами отличаются воды урановых месторождений. Весьма значительные их содержания наблюдаются в водах кислых магматических пород. Заметно меньшие их величины фиксируются в водах осадочных отложений. Таким образом, наблюдается прямая связь между содержаниями ЕРН во вмещающих породах и циркулирующих в них подземных водах. В условиях окислительной среды наибольшими значениями отличаются уран и радон, а в условиях восстановительной обстановки – радий. Все это указывает на возможность проведения радиогидрогеохимических поисков месторождений ЕРН.

Особенности водной миграции некоторых ЕРН. Миграция радиоактивных элементов может осуществляться двумя способами – путем выщелачивания и эманирования и, соответственно, называться миграцией первого и второго рода. Водный перенос радиоактивных веществ происходит в разных видах и формах: растворенном, диссоциированном, недиссоциированном, простых ионов, солей, комплексных соединений, коллоидов и механических взвесей. Он регулируется прежде всего физико-химическими процессами – растворимостью минералов, Еh-pH среды и др. Содержание радиоактивных веществ в воде выражается в весовой форме г/л или мг/л.

Радиоактивный распад вещества сопровождается ионизированным излучением и образованием дочерних элементов из материнских. При ионизирующем излучении происходит выделение α- и - частиц протонов, фотонов, - квантов, нейтронов и т.д. Источниками ионизирующего излучения являются радиоактивные элементы. Они образуют соответствующее семейства (урана, актино-урана, тория, калия), в которых происходят радиоактивные превращения от материнских элементов до стабильных изотопов – конечного звена этих превращений. Радиоактивный распад осуществляется по экспоненциальному закону. Устойчивость ядер материнских элементов характеризуется периодом полураспада. Это время, в течение которого число ядер материнского элемента уменьшится вдвое. Продолжительность полураспада долгоживущих элементов составляет миллиарды лет. Например, U²³⁸ имеет период полураспада 4,5 ∙ 10⁹ лет. В его семействе находятся радиоактивные элементы, период полураспада которых колеблется в большом диапазоне: U²³⁴ – 0,25 ∙ 10⁶ лет, Тh²³⁴ – 24 дня, Тh²³⁰ – 75 ∙ 10³ лет, Ra²²⁶ – 1,6 ∙ 10³ лет, Rn ²²² – 3,8 дня, Po²¹⁰ – 138 дней.

В соответствии с периодом полураспада содержание радиоактивных элементов в земной коре заметно сократилось по сравнению с их первичными кларками. Сейчас кларк урана составляет 0,0003 % или 3 мг на тонну. Пять миллиардов лет назад его содержание было гораздо больше. Так, например, у К⁴⁰ оно тогда было около 2 %, а сейчас – 0,119 %.

За единицу радиоактивности принят беккерель (Бк). Он равен одному распаду в секунду источника ионизирующих излучений. Размерность беккереля – с^-1 (¹/с). Для характеристики мощных излучений используют единицы называемые кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 ∙ 10¹⁰ Бк. Численно 1 Ки равен количеству Rn²²², находящегося в равновесии с 1 г Ra²²⁶. Кроме беккереля в качестве единицы радиоактивности нередко используется эман. Он представляет собой величину равную 10^-10 Ки.

В поисковой гидрогеохимии основное внимание уделяют распространению урана, радия и радона. Дадим их некоторые миграционные характеристики.

Уран. В природе уран существует в двух ступенях окисления U⁴⁺ и U⁶⁺. U⁴⁺ характерен для восстановительной обстановки, образует слабые основания и существует в сильно кислых растворах. С понижением кислотности гидролизуется соединение U(OH)₄. Наиболее растворимы в воде UO²⁺ и U(CO₄)₂. По этой причине U⁴⁺ наиболее устойчив в серно-кислых, сульфатных, хлоридных и нитратных растворах.

U⁶⁺ образуется в окислительной среде и легко гидролизуется с образованием двухвалентного комплексного аниона уранила . Соединения U⁶⁺ хорошо растворимы в воде и устойчивы в растворах. Особенно хорошо растворимы соединения U⁶⁺ ванадатами, фосфатами и арсенатами. U⁴⁺ является первичным по отношению к U⁶⁺. Минералы первого из них имеют темную окраску, а второго, образующегося в зоне окисления, – светлую (ярко-желтую, зеленую и оранжевую). Сведения о содержании урана в водах зоны окисления урановых месторождений приведены в таблице 4.

Водная миграция урана происходит в шестивалентной форме. Его ореольные концентрации зафиксированы в 300-500 метрах ниже по ходу движения подземных потоков от урановых месторождений. Геохимическим барьером, который препятствует водной миграции урана, является наличие соединений фосфора и глинистого органического вещества в окислительных условиях.

На условия водной миграции урана значительное влияние оказывает физико-географическая обстановка. Так, в условиях аридного климата концентрация урана в подземных водах может возрастать до 10^-2 - 10 ^-1 г/л. Испарительный режим в этом случае способствует как увеличению минерализации, так и содержанию урана в подземных водах. Одновременно с накоплением в подземных водах урана в них часто наблюдается повышение содержания молибдена, ванадия, мышьяка, что может служить косвенным признаком уранового оруденения. Так же надо относиться к повышенным концентрациям сульфат-иона в кислой среде и гидрокарбонат-иона в щелочной среде.

Радий. Это двухвалентный щелочно-земельный элемент сходный по своим свойствам с барием. С водой радий образует сильное основание Ra(OH)₂ . Он образует разнообразные соединения с карбонатами, сульфатами, хлором, фтором, азотом, фосфором, хромом и др. Собственных минералов и месторождений радий не образует, поэтому он используется как сопутствующий гидрогеохимический показатель урановых месторождений. Из таблицы 4 видно, что концентрация радия в зоне окисления урановых месторождений на порядок больше, чем в окружающих водных объектах. С глубиной концентрация радия возрастает и достигает максимума в хлор-кальциевых рассолах (10^-9 г/л). Накопления радия происходят также в гранитоидах, глинистых сланцах, фосфоритах, нефтях и битумах. Размеры водных ореолов рассеяния по радию обычно невелики и не превышают 200-300 метров.

Радон. Он является самым тяжелым в группе благородных газов. В его образовании участвуют Ra²²⁶ и Th²³². Короткоживущие изотопы радона существуют весьма недолго (3,8 дня). Поскольку эманирование радона происходит непрерывно, он постоянно существует в местах его генерации. При этом он может находиться в свободном, растворенном состоянии и в сорбированном виде. Над урановыми и ториевыми рудами образуются газовые ореолы рассеяния. Их протяженность зависит от проницаемости вмещающих пород. При коротком периоде полураспада (как у Rn²²²) она обычно не превышает нескольких десятков метров. При миграции радона в водорастворенном состоянии протяженность ореолов рассеяния может увеличиваться в 1,5-2 раза.

Фоновые концентрации радона в приземном слое атмосферы составляют 2 Бк/м³ воздуха. На участках урановых месторождений концентрация радона в воздухе увеличивается в тысячи раз, а в воде достигает десятков тысяч Бк в литре.

Методика радиогидрогеохимических исследований. Радиогидрогеохимические исследования являются хотя и важными, но косвенными методами при поисках урановых месторождений. Они позволяют по повышенным концентрациям ЕРН в подземных водах и радона в растворенном и свободном состоянии выделять геохимические аномалии и намечать перспективные участки для последующих поисков. Ведущее место в системе поисков урановых месторождений занимает -метод. Он может вестись с воздуха, на поверхности земли и в скважинах. С его помощью получается первичная информация о радиоаномалиях. При проведении радиогидрогеохимических исследований изучают распределение в подземных водах урана, радия и радона, а также продуктов радиоактивного распада и элементов-спутников уранового оруденения: молибдена, свинца, мышьяка, ванадия, фосфора, селена и др. Для изучения радононосности территории проводится эманационная съемка. Большое внимание при проведении радиогидрогеохимических исследований уделяется установлению физико-химической обстановки миграции химических элементов, окислительно-восстановительным условиям, протяженности, контрастности, режиму ореолов и потоков рассеяния. Большое влияние на особенности миграции радиоактивных элементов оказывают ландшафтно-климатические факторы. В аридных условиях при интенсивном испарительном режиме происходит накопление урана в подземных водах. В областях гумидного климата максимальная концентрация урана наблюдается в последождевой период, следующий после длительной засухи. В условиях криолитозоны наиболее контрастные концентрации урана в подземных водах наблюдаются на начальном этапе таяния сезонной мерзлоты.

Радиогидрогеохимические исследования могут проводиться в несколько этапов с разной степенью детальности. В сеть опробования включаются наиболее представительные водопункты, источники, скважины, колодцы, водотоки с водосборной площадью до нескольких квадратных километров. Для проведения режимных наблюдений выбираются участки, характеризующие определенные условия формирования ореолов и потоков рассеяния.