На участках земной коры, обладающих повышенной радиоактивностью и водонасыщенностью, создаются благоприятные условия протекания природных радиолитических процессов. Такие условия могут возникнуть в пределах урановой или ториевой минерализации, в радиеносных рассолах на контакте с углеводородными залежами, на месторождениях калийных солей и т.д. (см. гл. 3). Изучение природных радиолитических процессов представляет большой интерес не только для объяснения геохимической обстановки в условиях повышенной природной радиоактивности. Знание этих процессов необходимо для прогнозирования геохимических последствий захоронения в геологические формации высокоактивных отходов ядерной промышленности (см. гл. 10).
Геохимические эффекты, связанные с радиолизом подземных вод, наиболее отчетливо проявляются в восстановительной обстановке зон затрудненного и весьма затрудненного водообмена (Вовк, 1979). Здесь нередко наблюдаются в воде неожиданно высокие концентрации кислорода, сульфатов, растворенного урана, не соответствующие физико-химическим условиям среды. Отмечена прямая корреляционная зависимость между указанными компонентами, а также содержанием ряда металлов и радиоактивностью среды (Гуцало, 1971). Эти факты трудно объяснить какими-либо другими процессами, помимо радиолитических.
Для того чтобы природные радиолитические процессы давали заметный эффект, необходимо поглощение водой доз ионизирующего излучения, достаточных для ее радиолитического разложения. Максимально возможный выход продуктов разложения воды G в результате ионизации и возбуждения составляет около 12 молекул на 100 эВ, что составляет около 2,4% от исходного количества воды.
Продукты радиолиза воды, реагируя с химическими элементами, находящимися в низких степенях окисления, будут окислять их, восстанавливая те, которые находятся в высших степенях окисления. В результате должны измениться подвижность элементов и интенсифицироваться их обмен в системе порода - вода.
290
По данным И.Ф. Вовка (1979), в радиеносных подземных водах радиолитический выход кислорода для среднекаменноугольного (С2) водоносного комплекса Днепровско-Донецкой впадины будет составлять около 120 мг/л. Фактическое его содержание почти на порядок ниже расчетного, что вполне объясняется расходованием образующегося при радиолитическом разложении воды кислорода на разнообразные окислительные процессы.
Геохимическим подтверждением правильности выполненных расчетов является реальное содержание кислорода в подземных водах зоны затрудненного и весьма затрудненного водообмена. Например, для подобных вод нефтяных и газовых месторождений Днепровско-Донецкой впадины молекулярный кислород встречен в 90 из 270 пробуренных скважин. Его содержание в свободных газах составляло от десятых долей процента до 20% относительного объема, а в отдельных случаях достигало 50% - до 50 - 300 см3/л (Вовк, 1979; см. также рис. 12.1).
Хорошим примером скопления водорода радиолитического происхождения могут служить месторождения калийных солей. В ряде месторождений (Страсфуртском, Соликамском, Березниковском и др.) содержание водорода в свободно выделяющихся газах, вскрытых горными выработками, достигало 30 - 50% и было обычно приурочено к пластам карналлита.
Рад политическое разложение органического вещества, растворенного в воде, практически полностью переводит его в углекислый газ. Взаимодействие продуктов радиолиза воды с рассеянным органическим веществом водовмещающих пород вызывает сопряженные окислительно-восстановительные реакции гидрогенизации
Рис. 12.1. Зависимость между содержанием радия и кислорода в подземных водах Днепровско-Донецкой впадины
(Гуцало, 1971)
Рис. 12.2. Зависимость содержания SO
и H
2S от радиоактивности в подземных водах уранового рудопроявления
(Вовк, 1979)
291
и дегидрогенизации, карбоксилирования и декарбоксилирования и т.д. При этом основными продуктами разложения будут метан и углекислый газ. Помимо них могут возникать различные углеводороды, аммонийный и газообразный азот, сероводород, карбоновые кислоты, карбонильные соединения, фенолы и т.д. Расчеты показывают (Вовк, 1979), что их количества вполне обеспечивают реально наблюдающуюся газонасыщенность.
Существующие данные говорят о том, что окисление сульфидов происходит в глубоких зонах земной коры, где отсутствует окислительная обстановка, и вряд ли может быть объяснено иными процессами, помимо радиолитических. Наиболее интенсивно радиолитический сернокислотный процесс проявляется на урановых месторождениях с сульфидной минерализацией (рис. 12.2). Радиолиз подземных вод удовлетворительно объясняет и появление сульфатов в радиеносных нефтяных водах. Все эти процессы приводят к высвобождению многих малых элементов, связанных в горных породах, и способствуют формированию рудоносных рассолов. Экспериментальное изучение радиолитических процессов при облучении природных гетерогенных систем, содержащих воду, показало, что происходят существенное изменение физико-химической обстановки и вынос химических элементов из пород в воду. Например, при облучении донных осадков Черного моря содержание малых элементов в перовом растворе резко увеличилось по сравнению с контрольными, необлучавшимися пробами: I - в 16 - 30 раз, Сu - в 2 - 10, Рb - в 3,47; Zn - в 5 - 12 раз, сильно возросло содержание СO2 и Н2 (Вовк, 1979).
292
