10-6 г/л.
В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов Рb и Не. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла. Из-за большого периода полураспада, урановое тепло выделяется медленно, но оно существенно подогревает Землю (в основном - её верхний слой) [6].
Глава 2. Геохимические свойства урана и его изотопов
Уран имеет порядковый номер 92 в периодической системе Д.И. Менделеева и относится к семейству актиноидов. В природном уране в большинстве случаев отмечается следующее соотношение изотопов: 238U - 99,285%, 235U - 0,71%, 234U - 0,006%. Данные изотопы урана имеют соответствующие периоды полураспада - 4,51 млрд.лет, 891 млрд. лет и 223,5 тыс.лет.
Химические свойства урана близки к двум группам элементов. Как и все актиноиды, он является представителем III группы и проявляет свойства, аналогичные торию, протактинию, а также иттрию и лантаноидам. Также, он входит по порядковому номеру в шестую группу и близок полонию, хрому, молибдену и вольфраму. Такая двойственность объясняется наличием валентных электронов, расположенных на трёх последних электронных оболочках.
Уран в природных соединениях в подавляющем большинстве случаев является четырёх или шестивалентным, и очень редко в оксидах и фосфатах (нингиоите) часть урана находится в пятивалентном состоянии.
Строение электронных оболочек шестивалентного урана аналогично радону и другим и однотипно другим инертным газам. Такие ионы обладают сродством к кислороду, что объясняет тесное геохимическое родство урана и кислорода. В этой связи уран является типичным оксифильным и, соответственно, литофильным элементом.
Ионный радиус четырёхвалентного урана составляет 0,093 нм., пятивалентного - 0,087 нм., шестивалентного - 0,083 нм., гантелевидного уран-иона - 0,32 нм. Четырёхвалентный уран часто изоморфно замещает торий, иттрий, цирконий, кальций, марганец и редкие земли в соответствующих породообразующих, рудных и акцессорных минералах. Это объясняет малое количество собственных минералов четырёхвалентного урана. За счёт высокой радиоактивности в минералах четырёхвалентного урана часто нарушается кристаллическая решётка и они становятся аморфными (метамиктный распад).
Относительно крупный размер иона U4+ и его высокая валентность определяет его амфотерность. В кислых условиях он ведёт себя как слабое основание, в щелочных - как слабая кислота. Поэтому в урансодержащих минералах четырёхвалентный уран входит, изоморфно замещая либо катионную, либо анионную части.
За счёт большого размера уранил-ион легко сорбируется природными и искусственными сорбентами. Естественными веществами, которые хорошо сорбируют уран, являются бурые угли и некоторые битумы, фосфаты, гидроокислы титана и глинистые минералы. Уран хорошо сорбируется в восстановительных нейтральных и слабо кислых средах.
Несмотря на то, что уран имеет большой порядковый номер и радиоактивно распадается, за счёт симметрии чётного ядра он достаточно распространён в земной коре. Его общий кларк по А.П.Виноградову 2,5*10-4% (2,5 г/т), что сопоставимо с распространённостью W, Sn, Br, Ta и на несколько порядков выше средних содержаний Bi, Hg, Au, I, Sb, Ag и Se. В магматических расплавах уран образует легкоплавкие соединения и при кристаллизации вместе с летучими компонентами накапливается в остаточном расплаве. Поэтому средние содержания урана в породах выше в кислых и щелочных породах и намного меньше в базитах и ультрабазитах. Средние содержания урана в горных породах земной коры следующие (в %):
Граниты и гранодиориты - 3,5*10-4
Диориты и андезиты - 1,8*10-4
Базальты и габбро - 5*10-5
Ультраосновные породы - 3*10-7
В осадочных образованиях урана в среднем больше в песчанике, чем в глинах и карбонатных породах. Средние содержания урана в осадочных породах (по Я.Н.Белевцеву) приведены ниже, n*10-4%:
Песчаники - 4,5
Глины - 3,7
Карбонатные породы - 2,2
Средние содержания урана в поверхностных водах составляют n*10-6 г/л, увеличиваясь на один-два порядка в поверхностных водах пустынных областей и уменьшаясь на порядок в поверхностных водоёмах гумидных зон.
Известны четыре формы нахождения урана: в виде изоморфной примеси; адсорбированном состоянии; собственных минералов урана; адсорбированном состоянии; в растворах межзерновой жидкости и газово-жидких включений. Так, в породообразующих минералах гранитоидов урана содержится около 40%, в акцессориях - 30%, в форме субмикровключений, в межзерновых швах и жидкой фазе находится порядка 30%. Уран, находящийся вне кристаллических соединений, образует так называемую свободную форму и легко выщелачивается из горных пород природными растворами.
По степени распространённости намечается следующий ряд геохимических барьеров осаждения урана в гипергенных условиях:
Восстановительный сероводородный, связанный с поступлением биогенного и реже абиогенного сероводорода;
Восстановительный резко глеевый, формирующийся за счёт водорода, продуцируемого главным образом бактериями;
Сорбционный, который формируется за счёт веществ с большой активной поверхностью (фосфаты, низко полимеризованные органические вещества, глинистые минералы, гидроокислы титана, кремния и железа);
Барьер нейтрализации ураноносных щелочных или кислотных растворов водами, содержащими соединения ванадия, фосфора, молибдена или мышьяка без изменения их валентности;
Эвапорационный за счёт образования пересыщенных растворов с урансодержащими соединениями при выпаривании воды в аридных областях;
Механический за счёт формирования россыпей тяжёлых плохо растворимых урансодержащих минералов.
Климатические условия во многом определяют возможности образования гипергенных образований урана. В аридных зонах уран накапливается в поверхностных и грунтовых водах в количествах больших относительно гумидных зон в десятки раз, что определяется широким распространением барьеров нейтрализации и эвапорационных. Совместно с ураном часто накапливается и радий, для осаждения которого благоприятной является почти полным химическим аналогом бария и стронция, сульфатная обстановка является барьерной. В гумидных условиях уран рассеивается в подземных окислительных пресных водах и в глеевых горизонтах почв [5].
Глава 3. Основные минералы урана
Много минералов урана открыто в последние десятилетия в связи с новыми методами исследований минералов на уровне электронной микроскопии и электронных микроанализаторов.
Уран отличается большой химической активностью и легко вступает в реакцию с другими элементами, образуя много минералов. В настоящее время известно более 170 природных соединений - урановых минералов, причём около 30 было открыто в последнее время. В природе существуют минералы преимущественно четырёх-, пяти- и шестивалентного урана. Помимо собственно урановых минералов есть большое число минералов, где он присутствует в качестве примеси, составляя лишь несколько процентов или доли процента. Это урансодержащие минералы.
Минералы урана можно разделить на две группы:
Собственные минералы урана, в которых уран входит закономерно в кристаллическую решетку и является постоянным элементом молекулы химичского соединения:
А) минералы четырёхвалентного урана;
Б) минералы уранила;
Урансодержащие минералы, в которых уран изоморфно входит в кристаллическую решётку.
Все минералы урана можно разделить на классы химических соединений: оксиды, титанаты, силикаты, сульфаты, карбонаты, арсенаты, фосфаты и молибдаты, в которых уран входит в виде простого иона четырёхвалентного урана или комплексного иона - уранила.
Минералы четырёхвалентного урана - силикаты, титанаты, урансодержащие цирконо-силикаты формировались в глубинных зонах земной коры и представляют собой сложные изоморфные соединения, обладают большой энергией кристаллической решётки, тёмной, часто чёрной окраской, высокой плотностью (от 4 до 6 г/см3), довольно большой твёрдостью (от 5 до 6 и более).
В связи с тем, что уран легко подвергается окислению или восстанвлению, которые сменяют друг друга при миграции растворов в земной коре, в одном и том же минерале часто присутствуют одновременно четырёх- и шестивалентные ионы. Минералы, в состав которых одновременно входит четырёх- и шестивалентный уран, фрмировались в довольно большом диапазоне термобарических и химических условий и обладают меняющимися свойствами. К ним относят главные рудные минералы урана - уранинит, настуран, урановые черни, часть гидроксидов, силикатов, молибдатов урана. К этой группе относятся и соединения урана с органическим веществом типа тухолита, карбурана и др. Образовались эти минералы в гидротермальных жилах, в осадочно-метаморфизованных и экзогенных месторождениях, в зоне цементации гидротермальных месторождений, но всегда в условиях недостатка кислорода. Они неустойчивы по отношению к выветриванию и поэтому, как правило, не сохраняются в россыпях. Окраска минералов чёрная или тёмно-бурая, твёрдостью от 1 до 6, плотность от 4 до 9 г/см3. Для них типичен раковистый излом, смолистый или матовый блеск. Кристаллическая форма не всегда хорошо выражена.
Минералы четырёхвалентного урана относятся к классам простых оксидов урана, сложных оксидов урана и молибдена, титанатов, силикатов, теллуритов, тантало-ниобатов и фосфатов урана. Преимущественно пятивалентный уран слагает фосфат урана - нингиот.
К простым оксидам урана относятся уранинит (KUO2*LUO3*MPbO), настуран (KUO2*LUO3*MPbO) и так называемая урановая чернь (KUO2*LUO3*MPbO*nH2O), отличающиеся друг от друга кристалломорфическими особенностями. Все три морфологические разновидности имеют одну и ту же кубическую гранецентрированную решётку типа флюорита и аналогичный состав, что позволяет относить их к одному и тому же минеральному виду - ураниниту.
Простые оксиды урана являются промышленными минералами. Среди них выделяются минералы с общей эмпирической формулой n1UO2*n2UO3, где n1+n2 соответствуют числу ионов четырёх- и шестивалентного урана.
К сложным оксидам урана и молибдена относятся седовит и моурит, кристаллизующиеся в ромбической сингонии. Они, как правило, возникают в зоне окисления молибден-урановых месторождений.
К титанатам урана относятся браннерит - (U4+,Ca,Th,Y)[(Ti,Fe)2O6]*n H2O и давидит - (Fe2+,Fe3+,U4+,TR)2(Ti,Fe3+,Cr,V)5O12.
К классу молибдатов урана относятся кузинит и молуранит. Молуранит встречен в альбититах, а кузинит - в осадочно-метаморфических породах.
Уран в четырёхвалентном состоянии содержится в метамиктных разновидностях циркона - аршиновите (гельцирконе), малаконе и других, но количество урана в этих минералах обычно невелико (до 2%).
Минералы шестивалентного урана образуются при поверхностном изменении соединений четырёхвалентного урана в условиях обилия кислорода, воды и углекислоты. Минералам этой группы присущи яркие цвета - жёлтые, оранжевые, зелёные. Довольно часто наблюдается люминесценция в ультрафиолетовых лучах. Физические свойства (блеск, твёрдость, спайность) значительно варьируют, так же, как и формы нахождения. Часто эти минералы либо образуют псевдоморфозы по скоплениям первичных руд, либо заполняют пустоты и трещинки в зоне окисления урановых месторождений. Многие из них легко растворимы в природных водах и поэтому мигрируют, буквально на глазах образуя налёты на стенках горных выработок.
Минералы уранила объединены в типы, название которым дано по тому адденду (анионной группе), с которым уранил-ион соединён. Известные в настоящее время минералы уранила относятся к 10 классам: гидроксиды, силикаты, карбонаты, сульфаты, молибдаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, селениты и теллуриты. Некоторые минералы являются переходными от одного класса к другому.
Многие минералы содержат уран, который изоморфно входит в их кристаллические решётки, не являясь основным минералообразующим элементом. Такие минералы, в отличие от собственных урановых минералов, принято называть урансодержащими. Количество урана составляет десятые и сотые доли процента, изредка доходит до нескольких процентов. В урансодержащих минералах из-за изоморфизма часто присутствуют в значительных количествах другие радиоактивные или редкие элементы - цирконий, ниобий, тантал, гафний, редкие земли, благодаря чему они являются весьма ценными комплексными рудами.
Наиболее распространёнными в природе минералами, изоморфно содержащими уран, являются:
галоидные соединения - флюорит;
оксиды - самарскит, колумбит-танталит, бетафит, лопарит, пирохлор, гатчеттолит;
фосфаты - монацит, ксенотим, апатит;
силикаты - циркон, циртолит, ортит, торит и др. [4].
Глава 4. Месторождения урана
Содержание урана в земной коре составляет 0,0003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырёх разновидностей отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Демократической Республике Конго <#"justify">Глава 9. Полевые радиометрические методы
Радиометрические методы используют при проведении экологических исследований и на всех стадиях геологоразведочных работ. Из полевых методов поисков и разведки широко применяют гамма- и эманационные методы.
Объектом исследования являются радиационные аномалии и ореолы рассеяния рудных тел. Нижний предел аномальной γ-активности Ра оценивают по величине нормального фона (сумма космического излучения, остаточного фона прибора и излучения пород) Риф с учетом колебаний этой величины σиф по формуле Pa = Pиф + 3σиф.
Аэрогамма-съемка
Аэрогамма-съемка - скоростной метод геологического и экологического картирования, а также поисков месторождений радиоактивных руд и связанных с U и Th нерадиоактивных полезных ископаемых (редкие земли, Та, Nb, Р, Mo, Sn, Al и др.).
Съемку выполняют в масштабах 1:50 000 - 1:10 000 при высоте полета не более 75 м. При проведении аэрогамма-съемки используют станции. Аэрогамма-спектрометры позволяют проводить измерения в четырех энергетических интервалах, три из которых предназначены для изучения характера распределения спектра энергий γ-излучения горных пород с целью определения усредненных по площади концентраций U (Ra), Th, К, а четвертый - для измерения интегрального потока γ-квантов. Результаты измерений выдаются на компьютер.
В рабочем полете оператор следит за приборами, отмечает на ленте ориентиры, а также геологические и геоморфологические особенности местности, и сверяет их с имеющимися картами (обычно используют топографическую основу масштаба 1:100 000).
В случае обнаружения аномалии ее сразу же детализируют серией параллельных маршрутов и уточняют контуры.
По исправленным значениям мощности дозы γ-излучения строят карты распределения U (Ra), Th, К. Одновременно по ним определяют нормальную радиоактивность природной среды и выделяют аномальные участки. По данным аэрогамма-спектрометрии строят карты распределения U, (Ra), Th, К.
При интерпретации обязательно учитывают в совокупности геологические, геоморфологические, физико-географические, радиометрические и геофизические данные. Если аномалия признана перспективной, то обязательно проводят ее наземную проверку.
При геологическом картировании часто применяют аэрогамма-съемку, так как различным типам горных пород свойственны закономерности распределения радиоактивных элементов. Можно выявлять горные породы гранитного состава, основные и ультраосновные, осадочные, обогащенные глиной и органикой, а также с низким содержанием радиоактивных элементов (известняки, кварциты).
Использование аэрогамма-съемки для поисков нерадиоактивных элементов основано на том, что существуют устойчивые или непостоянные, но частые связи таких полезных ископаемых с U и Th. Устойчивые связи характерны для редких элементов, где всегда имеются минералы, в состав которых входят U и Th. В этом случае аэрогамма-съемку используют так же успешно, как и при поисках радиоактивных элементов. Частая, но непостоянная связь с U и Th отмечена у осадочных месторождений Mo, S, W, фосфоритов, пегматитов с редкоземельными элементами цериевой группы. Применение аэрогамма-съемки эффективно, если установлена связь главных компонентов этих месторождений с U и Th.
Положительные результаты получены при поисках бокситов, в которых концентрации U и Th выше кларка, а концентрации К - ниже.
Автогамма-съемка
Наиболее благоприятны для применения автогамма-съемки равнинные или холмистые незаболоченные территории, где развиты открытые радиационные аномалии или вторичные ореолы рассеяния. Для проведения съемки используют автомобильные гамма-спектрометры, имеющие четыре канала. Съемку проводят в масштабах 1:10000 и 1:5000 (иногда 1:2000) по правильной сети профилей длиной 1-4 км. Для привязки концов профилей на местности прокладывают одну или две базисные магистрали. Скорость движения автомобиля не превышает 15-20 км/ч при съемке и 3-4 км/ч при детализации аномалий.
Результаты автогамма-съемки записывают на ленте аналоговой регистрации. Обработка лент заключается в усреднении линий записи, выделении аномалий, по километровой разбивке, переводе мощности дозы γ -излучения в пА/кг, введении поправки на инерционность аппаратуры. Счетно-решающее устройство, входящее в комплект автомобильного гамма-спектрометра, выдает данные о концентрации U (Ra), Th, К, которые считывают при обработке данных.
Результаты автогамма-съемки масштаба 1:10000 изображают в виде планов графиков мощности экспозиционной дозы и концентрации радиоактивных элементов, а съемки более крупных масштабов - в виде изолиний этих параметров. Эти материалы с целью выделения перспективных аномалий интерпретируют в комплексе с геологическими данными.
Пешеходная гамма-съемка
Пешеходная гамма-съемка используется на всех этапах радиогеоэкологических исследований. Благоприятны для проведения гамма-съемки районы с хорошо расчлененным рельефом, широко развитой современной гидросетью, со сравнительно хорошей обнаженностью или наличием элювиально-делювиальных образований мощностью до 2-3 м, не промытых в верхних частях. Основные виды пешеходной гамма-съемки следующие: поверхностная, шпуровая, спектрометрическая.
При проведении пешеходной гамма-съемки используют в основном радиометры со сцинтилляционными детекторами.
При выполнении спектрометрической гамма-съемки используют переносные гамма-спектрометры.
Поверхностная гамма-съемка занимает ведущее место среди остальных модификаций. Для выявления радиационных аномалий проводят специализированные поиски масштабов 1:50000 и 1:25000. Поисковые работы выполняют по маршрутам, намеченным по топографической карте, вкрест простирания пород, аномальных и тектонических зон. [4]
Список использованной литературы
уран изотоп геохимический
Минералогия и геохимия редких и радиоактивных металлов: Учебное пособие для вузов/ В.Я. Терехов, Н.И. Егоров, И.М. Баюшкин, Д.А. Минеев. - М.: Энергоиздат, 1987. - 360 с.;
Игнатов П.А., Верчеба А.А., Радиогеоэкология и проблемы радиационной безопасности: Учебник для студентов высших учебных заведений. - Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010. - 256 с.;
Радиогеоэкология : Учебн.пособие/ П.А. Игнатов, А.А. Верчеба; Моск. госуд. геологоразв. акад. М., 1994, 131 с.;
Яковлев П.Д. Промышленные типы рудных месторождений. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1986. - 358 с.;