5.3.3. Причины нарушения радиоактивного равновесия

Нарушения радиоактивного равновесия возникают в открытой системе, когда подвижность дочерних и материнских атомов неодинакова в той геохимической среде, где находится система. Обычно нарушения радиоактивного равновесия наблюдаются на границе раздела двух фаз, т.е. на границе двух систем. В природе часто такие условия создаются при взаимодействии природных вод, циркулирующих по порам и трещинам, с горными породами, рыхлыми осадками или почвами. В зависимости от состава растворенных в воде ионов, величин рН и Eh одни дочерние нуклиды могут оказаться более растворимы, чем другие. В результате селективного выщелачивания произойдет дифференциация радионуклидов, принадлежащих к одному ряду распада. Жидкая фаза окажется обогащенной наиболее растворимыми членами ряда; твердая фаза, напротив, будет испытывать их дефицит. В результате и горные породы, и циркулирующие по ним воды будут характеризоваться нарушением радиоактивного равновесия в рядах распада. Процессы селективного осаждения радионуклидов из природных вод и последующей их адсорбции на твердой фазе также являются механизмами, способствующими нарушению радиоактивного равновесия среди членов одного ряда.

Существует две основные причины дифференциации членов ряда: 1) различие химических свойств радионуклидов и (или) 2) различная доступность для растворов и различные формы нахождения.

1. Химические свойства радионуклидов, входящих в природные ряды распада, обсуждались в гл. 3 и предыдущих разделах данной главы. Используя эти данные, можно предсказать, как будут вести себя те или иные радионуклиды в конкретных геохимических условиях. Приведем некоторые примеры.

125

• 1) Так, при выветривании горных пород природные воды будут окислять атомы урана, находящиеся на поверхности минеральных зерен, и переводить их в раствор. При этом дочерние атомы изотопов тория (²³⁴Th и ²³⁰Th), обладающие существенно меньшей растворимостью, в значительной степени останутся на месте. В результате горные породы в зоне выветривания и особенно почвы приобретают неравновесные отношения активностей с избытком ²³⁰Th (²³⁰Th/ ²³⁴U 2,0), а воды, напротив, характеризуются относительным дефицитом ²³⁰Th (²³⁰Th/ ²³⁴U 0,5).
• 2) В океанической воде ²³⁸U и ²³⁴U находятся в растворе в составе устойчивых карбонатных комплексов, а образующийся из ²³⁴U дочерний радионуклид ²³⁰Th будет адсорбироваться на взвешенных частичках или соосаждаться с гидроксидами железа, обогащая таким образом донные осадки. В результате радиоактивное равновесие оказывается нарушенным и в воде, и в осадках.
• 3) Примером иной геохимической обстановки может служить взаимодействие подземных вод с водовмещающими породами в зоне контакта с углеводородными залежами, создающими резко восстановительные условия. В этих условиях окисления атомов урана не происходит и переход их в воду ничтожно мал. В то же время дочерний ²²⁶Ra легко выщелачивается из горных пород и весьма устойчив в растворе в хлоридных бессульфатных барийсодержащих рассолах. В итоге радиоактивное равновесие на контакте порода - вода резко нарушается, а отношение активностей ²²⁶Ra/ ²³⁸U в рассолах может достигать 102 - 104.

2. Различная подвижность дочерних и материнских атомов особенно хорошо видна на примере пар изотопов одного и того же элемента, не отличающихся по химическим свойствам: ²³⁴U/ ²³⁸U, ²²⁸Th/ ²³²Th, ²²⁴Ra/ ²²⁸Ra и др. При выщелачивании горных пород или продуктов их разрушения в раствор легче будут переходить дочерние изотопы по сравнению с материнскими. Для природных вод в зоне активного водообмена типичные величины отношений активностей изотопных пар обычно больше равновесного значения (единицы), а для горных пород - меньше. Причиной различия подвижности изотопов одного и того же элемента при взаимодействии в системе порода - вода служит происхождение дочерних продуктов в результате радиоактивного распада в отличие от материнских, поступивших в минерал при его кристаллизации. Основной механизм, определяющий эту подвижность, - альфа-отдача, которую испытал дочерний атом. В соответствии с законом сохранения импульса вновь образовавшееся в результате альфа-распада дочернее ядро приобретает энергию радиоактивной отдачи Е_отд, которая во столько раз меньше энергии α-частицы Е_α, во сколько раз его масса М_отд больше массы α-частицы М_α (Несмеянов, 1978):

E_отд = 

EαMα

Mотд

.

126

Например, при распаде ²³²Th, обладающего минимальной энергией α-частиц (Е_α = 4,0 МэВ) среди представителей всех трех рядов, образуется ядро ²²⁸Ra. Оно приобретает энергию отдачи E_отд =

4,0 МэВ × 4

228

= 70 кэВ, которая достаточна, чтобы пройти в кристаллической решетке минерала расстояние около 200 Å (Osmond, Cowart, 1982). Для радиоактивных рядов суммарный путь радионуклида будет определяться числом предшествующих альфа-распадов. Такое перемещение атомов рассматривают как своеобразную "диффузию отдачи", которая является функцией:

• а) количества событий α-распада в цепи;
• б) энергии индивидуальных событий распада;
• в) градиента концентраций родительских радионуклидов.

Подвижности дочерних радионуклидов способствует тот факт, что атомы отдачи, перемещаясь в решетке минерала, покидают структурную позицию, которую занимали материнские атомы, и становятся примесными атомами. Попадая на грани минеральных зерен или в микротрещины, они легче подвергаются выщелачиванию. Кроме того, нарушенная структура решетки вдоль трека атома отдачи благоприятна для проникновения поровых вод и развития вторичных процессов.

Хорошим доказательством повышенной мобильности дочерних радионуклидов в результате ос-отдачи является выделение ²³⁴Th из цирконов в воду. При этом растворения зерен циркона не происходит (К. Kigoshi, см.: Osmond, Cowart, 1982).

В некоторых случаях радиоактивное равновесие нарушается между двумя твердыми фазами. Например, диффузия радона из зерен циркона во вмещающую породу, облегченная за счет радиоактивной отдачи, будет приводить к накоплению радиогенного свинца за пределами рассматриваемой системы, которой является кристалл циркона. Это, в свою очередь, приведет к омолаживанию возраста цирконов, которое возникает не в результате термодиффузии атомов свинца, а за счет диффузии отдачи радона.

127