В природных минералах обычно имеются точечные дефекты кристаллической структуры. К точечным дефектам относятся (Марфунин, 1983): 1) вакансии анионов и катионов; 2) "межузельные" интерстициальные положения атомов и молекул; 3) примесные ионы (изоморфные и интерстициальные) и примесные радикалы; 4) атомы при неупорядоченном распределении;
281
5) агрегаты вакансий и примесей. Более крупные агрегаты дефектов образуют скопления - кластеры и далее - коллоидальные выделения. Скопление вакансий образует поры разного размера.
Нахождение дефектов в структуре минерала нарушает ее электронейтральность. Под действием ионизирующего излучения происходит ионизация дефектов. Одни дефекты отдают электрон (это описывается как захват положительного элементарного заряда - дырки), другие дефекты захватывают выбитый электрон. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные дефекты, которые носят название радиационных электронно-дырочных центров.
Примерами радиационных центров минералов могут служить следующие.
1. В кварце примесь катионов с меньшим зарядом, чем Si4+, например Аl3+, замещающего Si4+, создает положение с недостатком положительного заряда и один электрон в оболочке аниона кислорода становится лишним. При облучении электрон выбивается из ближайшего к Аl3+ аниона, кислорода О2-, который превращается в О-. Отсутствие электрона в анионе обозначается как захват дырки, которая ведет себя подобно положительно заряженному электрону. Такой центр называется дырочным.
2. Примесь катиона с большим зарядом создает недостаток отрицательного заряда, т.е. анионную вакансию. Она заряжена положительно и является ловушкой для электронов. Так, примесь Ni2+ в структуре LiF образует ионы Ni+. При захвате электрона вакансией аниона образуется электронный центр, который называется F-центром, и электронейтральность восстанавливается.
3. Вакансия кислорода в структуре кварца создает избыток положительного заряда и является ловушкой электронов (SiO
в кремнекислсродном тетраэдре). Вакансия такого типа, захватывающая электрон, образует электронный центр в кварце, который обозначается как
E1-
центр.
Возникшие таким путем радиационные электронные или дырочные центры характеризуются наличием неспаренного и, следовательно, парамагнитного электрона. Поэтому для определения таких центров наиболее пригоден метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
При палеодозиметрических исследованиях чаще используют Е1-центры в кварце, сохранность которых достигает 500 млн лет. Их преимуществом является однотипность, так как E1-центры представляют собой неспаренный (одиночный) электрон, локализующийся на разорванной связи Si - О. Они не связаны с изоморфными примесями, как Аl-, Ti- и Ge-центры. Существует функциональная связь между концентрацией E1-центров и величиной палеодозы. Экспериментально установлено, что Е1 -центры
282
на контакте с радиоактивными рудами в основном создаются α-частицами. α-частицы сначала образуют соответствующие дефекты кристаллической структуры в кварце (предцентры), выбивая ионы кислорода из структурной позиции. Затем образовавшиеся вакансии захватывают электроны, возникшие в процессе ионизации. При фоновых концентрациях радионуклидов радиационные центры возникают чаще под действием γ-излучения. При этом происходит заполнение электронами и дырками дефектов, возникших ранее в процессе кристаллизации.
E1-центры используются чаще при изучении руд (Моисеев, 1987).
1. Определение возраста урановой рудной минерализации осуществляют по концентрации E1-центров в кварцевых зернах, контактирующих с урановыми минералами в рудах. Расчеты выполняют на основании уравнения Риккати:
dCE/ dt = ∑ fj Pj (R) bj Сn - KC,(12.2)
где СЕ - локальная концентрация E1-центров; fj - эффективность образования E1-центров под действием j-го вида излучения (α-, β-, γ-); Pj (R) - мощность потока j-го вида излучения на дозиметр (зерно кварца) радиусом R от единицы концентрации источников излучения в горной породе; bj - число частиц j-го вида излучения; Сn - концентрация излучателя во вмещающей породе; КСЕ - скорость самопроизвольной гибели Е1-центров. Эффективность образования E1-центров определяется экспериментально. Так, число Е1 -центров в кварце, образованных одной частицей или фотоном, равно (Моисеев, 1987): fα= 1,02; fβ = 0,13; fγ = 2 · 10-4. Формулы для практического расчета возраста, выведенные на основании решения уравнения Риккати и подстановки соответствующих численных значений, имеют вид (Моисеев, 1987)
tα = 2,79 · 10-14 (С - С) Iα,(12.3).
tβ = 2,15 · 10-13 (С - С) Iβ,(12.4).
tγ = 3,94 · 10-15 (С - С) Iγ,(12.5).
где Ij - плотность потока соответствующего излучения.
Средний возраст будет равен t = (tα + tβ + tγ) : 3. Вследствие малого вклада γ-излучения в палеодозу последним членом можно пренебречь.
2. Оценка миграции урана М (вынос - привнос) может быть выполнена по соотношению концентраций урана, определенных прямым методом и рассчитанных по распределению Е1-центров (Моисеев, 1987):
М = 100 (СU - Срасч) / Срасч, %.(12.6)
283
Если величина М < 0, то часть урана была вынесена, если М > 0 - часть урана была привнесена, при М = 0 система оставалась закрытой. Это позволяет провести, в частности, оценку оруденения на глубину по распределению E1-центров вблизи поверхности.
Например, известное урановое месторождение Блайнд-Ривер в Канаде было открыто Ф. Жубэном следующим образом. Опробование содержания урана на поверхности не давало обнадеживающих результатов. На основании распределения E1-центров Жубэн предположил наличие богатых руд на глубине. Когда истек срок контракта с компанией, проводившей разведку, Жубэн пробурил скважины и нашел промышленные руды (Марфунин, 1983).
284
