3.5. ГЕОХИМИЯ УРАНА И ТОРИЯ ПРИ МЕТАМОРФИЗМЕ

Метаморфизм можно определить как сумму процессов, действующих ниже зоны выветривания и вызывающих перекристаллизацию вещества земной коры. Метаморфизм происходит в

58

твердых горных породах в результате изменения температуры, давления и химических условий. Первично-осадочные и магматические породы с разным уровнем радиоактивности претерпевают интенсивные изменения в результате проявления в разных термодинамических обстановках процессов регионального и контактового метаморфизма, ультраметаморфизма, приводящих к существенному изменению форм нахождения урана и тория и к миграции этих элементов.

Выделяются два основных фактора, определяющих концентрации урана и тория в метаморфических породах: 1) содержание элементов в исходной породе и 2) фация метаморфизма.

1. Первый фактор во многом обусловлен формационной принадлежностью первично-магматических или первично-осадочных пород. Так, формации протогеосинклинального структурно-фациального комплекса отличаются наиболее низкими концентрациями радиоактивных элементов в метаморфических породах: (1 - 2) · 10^-4 % U и (2 - 10) · 10^-4 % Th (по Титову, Билибиной, Кочкину, см.: Радиоактивные элементы в горных породах, 1975). Концентрации урана и тория, близкие к кларку, свойственны протоорогенным структурно-фациальным комплексам.

Определяющее влияние на концентрацию радиоэлементов в метаморфических толщах различных геологических эпох оказывает исходный состав осадочно-вулканогенных пород. Среди них пониженным содержанием урана и отчасти тория отличаются кварциты, известняки. Напротив, повышенное содержание рассеянного урана свойственно углеродистым, углисто-глинистым сланцам и другим породам, обогащенным органическим веществом и фосфором.

2. Процессы прогрессивного метаморфизма горных пород являются причиной направленной миграции урана и тория из термодинамических зон с высокими температурами и давлениями в условия с менее напряженными физико-химическими параметрами (Ермолаев, см.: Проблемы радиогеологии, 1983). При этом происходит снижение дисперсии концентрации по мере углубления процесса.

В физико-химических условиях низкой и средней ступеней регионального метаморфизма уменьшается средняя концентрация урана по сравнению с первичными породами. Однако заметного рассеяния тория в этом случае не наблюдается в отличие от фаций глубокого метаморфизма. Хорошей иллюстрацией могут служить данные К.Х. Хайера и Дж. Адамса по Балтийскому щиту (табл. 3.5) и Я.Н. Белевцева по Украинскому щиту (табл. 3.6) (см.: Проблемы радиогеологии, 1983).

59

Таблица 3.5

Уран и торий в метаморфических породах р-на Ланше, Северная Норвегия
(по Хайеру, Адамсу)

Таблица 3.6

Уран в сланцах и парагнейсах
Украинского щита, 10^-4 %
(по Белевцеву)

Проявления локального динамотермального метаморфизма, независимо от состава первичных осадков, характеризуются теми же особенностями, что и фации регионального метаморфизма. Во-первых, закономерно снижается концентрация урана, а на глубоких ступенях также и тория. Во-вторых, уменьшается дисперсия концентраций.

Контактовый метаморфизм. В условиях прогрессивного контактового метаморфизма (фации низкого давления) около гранитов, прорывающих хемогенные и терригенные отложения, также наблюдается миграция урана.

Торий при контактовом метаморфизме склонности к выносу не обнаруживает. Имеет место лишь его частичное перераспределение внутри экзоконтактных зон, что ведет к возрастанию неоднородности концентраций.

Регрессивный метаморфизм. Сведения о радиоактивных элементах при регрессивном метаморфизме скудны. Данные В.К. Титова и др. свидетельствуют о привносе урана и частично тория во всех фациях регрессивной стадии метаморфизма (Алданский, Балтийский и Украинский щиты). Наибольшее содержание урана и тория характерно для пород зеленосланцевой фации, минимальное - для гранулитовой.

Концентрации радиоактивных элементов в однотипных породах, претерпевших одинаковую степень метаморфизма прогрессивной и регрессивной стадий, близки. Обычно они несколько меньше в производных регрессивных стадий метаморфизма.

Сходное поведение урана и тория отмечается для зон контактового и дислокационного метаморфизма прогрессивной и регрессивной стадий.

60

Ультраметаморфизм. Если при прогрессивном метаморфизме общий состав исходных пород остается практически неизменным, то в стадию ультраметаморфизма система становится принципиально открытой. На этом, по сути дела регрессивном, этапе в породы, в той или иной степени "высушенные" на предшествующих ступенях прогрессивного метаморфизма, начинают поступать щелочи, кремнезем, вода. При допущении физико-химически закрытой системы уменьшение температуры может предопределить изменение коэффициентов активностей веществ и соответственно повысить активность летучих и легких петрогенных компонентов.

На начальных стадиях ультраметаморфизма продолжается вынос урана и тория. По мере углубления процессов ультраметаморфизма, вплоть до реоморфизма гранитогнейсов и широкого палингенеза, тенденция отторжения радиоэлементов, продолжающая тенденцию прогрессивного метаморфизма, сменяется на противоположную, а именно на мобилизацию рассеянного урана и тория и формирование расплавов повышенной радиоактивности. Например, по данным Я.Н. Белевцева для Украины, в гранитоидах, развившихся среди пород амфиболитовой фации, среднее содержание урана 3,4 · 10^-4 %, а в изофациальных гранитоидах гранулитовой фации - 1,4 · 10^-4 %.

Таким образом, процессы метаморфизма, во-первых, приводят к значительной перегруппировке вещества породы, в том числе рассеянных в ней урана и тория, а во-вторых, от пород, вовлеченных в прогрессивный метаморфизм, освобождаются значительные количества воды и углекислоты, определяющие среду транспортировки радиоактивных элементов. По Н.И. Ермолаеву (см.: Проблемы радиогеологии, 1983), реакции перекристаллизации и замещения протекают на границе двух фаз: породообразующий минерал - окружающий пленочный раствор. Из анализа распределения урана методом осколочной радиографии в объеме минеральных зерен следует, что отторжение радиоактивной примеси от горной породы может происходить как при поверхностных явлениях (процессах десорбции в образующуюся при метаморфизме водно-углекислую фазу), так и при перекристаллизации минерала-носителя. В процессе перекристаллизации происходит самоочистка кристаллизующегося вещества от микропримесей, в том числе от урана и тория.

С увеличением внешних параметров метаморфизма (Р - Т-условий) происходит смена главного механизма перераспределения микропримеси: от десорбции в отделяющуюся или фильтрующуюся водно-углекислую фазу к самоочистке по механизму перекристаллизации и, наконец, к растворению (замещению) минерала-носителя.

61

Рис. 3.7. Содержание урана и тория в метаморфических породах (Смыслов, 1974). Фации метаморфизма (цифры в кружках): I - зеленосланцевая и эклогитовая, II - амфиболитовая, III - гранулитовая, IV - эклогитовая. Породы: 1 - гнейсы; 2 - кристаллические сланцы; 3 - амфиболиты; 4 - эклогиты; 5 - метаморфизованные карбонаты

Правомочность этих представлений подтверждается экспериментами по извлечению урана из этих метаморфических пород водно-углекислыми растворами. Количество десорбированного урана закономерно снижается от продуктов метаморфизма в условиях зеленосланцевой ступени к продуктам гранулитовой ступени.

В ходе нарастания температуры и давления метаморфическая система отделяет не только уран, но и торий, что отражается на закономерном снижении торий-уранового отношения от фации к фации. Торий, не имеющий подобно урану крупноразмерной окисленной формы UO

2+

2

, неспособной к изоморфизму, в общем не участвует в поверхностных процессах, регулирующих перераспределение урана в условиях низких ступеней метаморфизма. Но

62

на высоких ступенях торий, подобно урану, отторгается по механизму перекристаллизации. Изменение концентрации U и Th в процессе метаморфизма иллюстрирует рис. 3.7.

При ультраметаморфизме имеет место возрастание радиоактивности от ранних этапов процесса к завершающим. В наиболее поздних продуктах - пегматитах ультраметаморфических комплексов - может наблюдаться значительная концентрация урана и тория при обеднении радиоактивной примесью вмещающих пород. Формы миграции радионуклидов в расплавах не ясны. Рудные месторождения урана и тория чисто метаморфического генезиса неизвестны. Процессы метаморфизма как бы "вскрывают" горные породы, переводя рассеянные в них уран и торий в формы, способные к дальнейшей геохимической миграции.

63