5.5. СИСТЕМАТИКА ИЗОТОПНЫХ ОТНОШЕНИЙ УРАНА И ТОРИЯ

5.5.1. Систематика изотопных отношений ²³⁴U/ ²³⁸U и ²²⁸Th/ ²³²Th
в зоне соприкосновения литосферы и гидросферы

Рис. 5.9. Схема разделения генетически связанных изотопов урана и тория в зоне гипергенеза

Как уже говорилось в разд. 5.3, разделение генетически связанных изотопов урана (²³⁴U/ ²³⁸U) и тория (²²⁸Th/ ²³²Th) происходит на контакте твердой и жидкой фаз при их взаимодействии, т.е. на границе литосферы и гидросферы (рис. 5.9). В результате дифференциации изотопов радиоактивных элементов жидкая фаза обогащается дочерними изотопами (²³⁴U и ²²⁸Th), а твердая, напротив, испытывает их дефицит. В итоге для природных вод характерны величины активностей ²³⁴U/ ²³⁸U > 1 и ²²⁸Th/ ²³²Th > 1 для горных пород или продуктов их разрушения в зоне взаимодействия фаз будет наблюдаться

136

Рис. 5.10. Гистограмма распределения отношений ²³⁴U/ ²³⁸U и ²²⁸Th/ ²³²Th в системе порода - вода: 1 - изверженные горные породы; 2 - поверхностные воды.

δ²³⁴U(%) =

(234U/238U)i - (234U/238U)равн

(234U/238U)равн

 · 100;

δ²²⁸Th(%) = 

(228Th/232Th)i - (228Th/232Th)равн

(228Th/232Th)равн

 · 100

отклонение от радиоактивного равновесия в противоположную сторону: ²³⁴U/ ²³⁸U < 1 и ²²⁸Th/ ²³²Th < 1. Систематика этих величин приведена на гистограммах рис. 5.10. Указанные закономерности подтверждаются опытами по выщелачиванию горных пород слабым раствором соды, не разрушающим решетки минералов. При этом раствор всегда обогащается дочерними изотопами.

137

Осаждение урана и тория приводит к обогащению твердой фазы элементами с иным изотопным составом, соответствующим раствору. В результате донные осадки, почвы и другие полигенные образования будут содержать уран и торий, состоящий из нескольких фракций, различающихся по изотопным отношениям. Минерально-обломочный компонент будет близок к продуктам разрушения горных пород (²³⁴U/ ²³⁸U < 1 и ²²⁸Th/ ²³²Th < 1), а сорбционный компонент - к изотопному составу воды (²³⁴U/ ²³⁸U > 1 и ²²⁸Th/ ²³²Th > 1). Суммирование урана и тория различных фракций может привести к формированию изотопных составов, близких к радиоактивному равновесию (²³⁴U/ ²³⁸U = 1 и ²²⁸Th/ ²³²Th = 1). Радиоактивное равновесие в указанных изотопных парах в подобных случаях, особенно часто наблюдаемое в почвах, не свидетельствует об отсутствии миграции элементов, а лишь является результатом смешения фракций урана и тория с различным изотопным составом.

Урановая и ториевая изотопные систематики позволяют использовать отношения ²³⁴U/ ²³⁸U и ²²⁸Th/ ²³²Th в качестве геохимических индикаторов миграции этих элементов. Как следует из сказанного выше, если уран и торий твердой фазы (горные породы, минералы, донные осадки, почвы и др.) характеризуются дефицитом дочерних изотопов (²³⁴U/ ²³⁸U < 1 или ²²⁸Th/ ²³²Th < 1), то, следовательно, преобладает процесс выщелачивания и выноса элемента. В случае избытка дочерних изотопов (²³⁴U/ ²³⁸U > 1 или ²²⁸Th/ ²³²Th > 1) в твердой фазе преобладающая часть элемента поступает в результате осаждения из раствора.

Рассмотрим некоторые случаи использования индикаторных отношений урана и тория.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ "ЗАКРЫТОСТИ" ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ДАТИРОВАНИЯ

1. Если в урансодержащих минералах, предназначенных для геохронологических определений U - Pb-методом, в недавнее время (последний миллион лет) происходили потери урана (выщелачивание), то отношение активностей ²³⁴U/ ²³⁸U в нем будет меньше единицы (δ²³⁴U < 0). Напротив, поступление урана и осаждение его на поверхности микротрещин и по периферии зерен даст величину ²²⁴U/ ²³⁸U > 1. Такие образцы непригодны для определения по ним уран-свинцового возраста.
2. При датировании четвертичных вулканических пород иониевым методом отношение активностей ²³⁴U/ ²³⁸U не всегда может служить индикатором "закрытости" системы. Дело в том, что исходный магматический расплав и образовавшаяся из него порода характеризуются равновесным изотопным составом урана (²³⁴U/ ²³⁸U = 1) и равноправным распределением всех изотопов урана (Титаева, 1986). Лишь по истечении 40 тыс. лет в вулканической породе накопится такое количество атомов отдачи ²³⁴U, которое позволит заметить изотопный сдвиг в результате выщелачивания урана. Таким образом, для более молодых пород величина ²³⁴U/ ²³⁸U не может служить индикатором выщелачивания урана. Следует отметить, что интенсивность выщелачивания урана из современных вулканических пород ничтожно мала и находится в пределах 0,2 - 2,0%, т.е. не превышает аналитическую ошибку.

138

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТОЧНИКА УРАНА СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМ
И ВУЛКАНИЧЕСКИХ ЭКСГАЛЯЦИЙ

В современных вулканических районах большая часть гидротермальных источников характеризуется неравновесным значением отношения изотопов урана ²³⁴U/ ²³⁸U ≠ 1 (Чердынцев, 1978). Это свидетельствует о том, что источником основной части урана являются более древние вулканические породы, из которых гидротермальные растворы его выщелачивали. Для минералов, образовавшихся в местах выхода горячих вулканических газов (возгонов), обнаружен равновесный изотопный состав урана. Например, для кратерных возгонов Большого трещинного Тол-бачинского извержения 1975 - 1976 гг. на Камчатке характерна величина ²³⁴U/ ²³⁸U = 1. Это свидетельствует о выносе урана из кипящей магмы с высокотемпературными вулканическими газами и о его ювенильности (Титаева, 1983).

ПОИСКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД, ДРЕНИРУЮЩИХ ГЛУБИННЫЕ РАЗЛОМЫ
ОБЛАСТЕЙ АЛЬПИЙСКОЙ СКЛАДЧАТОСТИ

Как правило, эти области характеризуются повышенной сейсмической активностью. В момент толчка образуются сейсмические и акустические волны, способствующие вскрытию пор и переходу поровых вод в гравитационные. В результате этого формируются подземные воды с аномально высокими значениями ²³⁴U/ ²³⁸U, достигающими 8 - 12 при фоновых значениях 1,2 - 2,5. Обоснованность метода подтверждена исследованием изотопного состава урана в период Ташкентского землетрясения, а также экспериментальными исследованиями (Радиоизотопная геохимия, 1980; Горбушина, Тыминский, 1979).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАХОЖДЕНИЯ УРАНА В ОКЕАНЕ

Изотопное отношение ²³⁴U/ ²³⁸U в океанической воде постоянно и равно 1,15 (1,14). Если принять допущение, что весь растворенный в океанической воде U приносится реками, средний изотопный состав урана в водах которых равен 1,25, можно рассчитать

139

примерное время, в течение которого уран сохраняется в океане (Osmond, Cowart, 1982):

Т = (1,25 - 1,15) : (1,15 - 1,00) · λ₂₃₄ = 250 тыс. лет.

ПОИСКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАНА

При взаимодействии подземных вод с урановыми рудами, содержащими собственно урановые минералы, формируются водные ореолы рассеяния с высокими концентрациями урана (≥ 10^-5 - 10^-4 г/л) и близравновесным изотопным отношением ²³⁴U/²³⁸U ≈ 1 (Сыромятников, 1961; Чердынцев, 1969; Чалов, 1975). Один из примеров показан на рис. 5.11. Причина этого явления - процесс растворения урановых оксидов (настуранов, уранинитов, черней) с ²³⁴U/ ²³⁸U = 1 в зоне окисления месторождения. Растворению способствует формирование в этой зоне кислых сульфатных вод, образующихся в результате окисления сульфидов, обычно сопровождающих урановую минерализацию. Наблюдается прямая корреляция между содержанием сульфидов в руде и величиной ²³⁴U/ ²³⁸U. В литературе, особенно по изучению урановых руд, принято обозначение ²³⁴U/ ²³⁸U = у (Чердынцев, 1969).

Близравновесное изотопное отношение урана в подземных водах в сочетании с повышенным относительно фона общим содержанием урана является качественным поисковым признаком уранового оруденения и используется при гидрохимических поисках урана. Более обычна пониженная по сравнению с фоном величина ²³⁴U/ ²³⁸U, которая характеризует водный ореол рассеяния вокруг рудного тела. Основным процессом, влияющим на формирование изотопного состава урана γ_ор и его концентрацию С_ор в водах ореола, является смешение двух компонентов: рудного с С_р и γ_р и фонового с С_ф и γ_ф. Другим процессом может быть изотопный обмен, который в большинстве случаев играет подчиненную роль. Формирование изотопного состава урана в ореоле будет определяться зависимостью (Сыромятников, 1961)

Рис. 5.11. Зависимость изотопного отношения урана от его концентрации в водах уран-сульфидного гидротермального месторождения (Сыромятников, Иванов, Трофимов, 1976)

140

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ МИГРАЦИИ
УРАНА И ТОРИЯ

Изотопный неравновесный метод с большим успехом может использоваться для изучения миграции естественных радионуклидов не только в природных системах, но и в системах, возникших на земной поверхности в результате производственной деятельности человека (техногенные аномалии; см. гл. 10). Если техногенная аномалия содержит повышенные относительно природного фона концентрации U и Th, то на ее участке весьма вероятно возникновение условий, благоприятных для резкого нарушения радиоактивного равновесия в природных рядах распада. Изотопные отношения ²³⁴U/ ²³⁸U и ²²⁸Th/ ²³²Th в этом случае могут служить индикаторами интенсивности миграции. Следует помнить, что время накопления измеримых количеств атомов отдачи ²³⁴U составляет порядка 40 тыс. лет. В то же время атомы отдачи ²²⁸Th будут присутствовать уже через несколько месяцев. Поэтому отношение ²²⁸Th/ ²³²Th можно использовать в качестве индикатора миграции практически всегда. Отношение ²³⁴U/ ²³⁸U применимо лишь там, где имеет место загрязнение урансодержащими минералами, возраст которых не менее 40 тыс. лет (не произошла гомогенизация изотопов U).

Как правило, на техногенных аномалиях наблюдаются более сильные отклонения от радиоактивного равновесия, чем в природных системах. Это происходит по следующим причинам.

1. Обычно в составе загрязняющих веществ помимо U и Th присутствуют повышенные концентрации макроэлементов, в том числе и анионогенных. Метеорные воды, просачиваясь через эти вещества, обогащаются макрокомпонентами и становятся химически более активными. Взаимодействуя с частичками загрязняющих веществ, они будут из них выщелачивать в первую очередь менее прочно связанные атомы отдачи.
2. Техногенное загрязнение на поверхности фоновых почв создает градиент концентраций, способствующий увеличению скорости диффузии атомов отдачи. Чем выше градиент, тем более резкое отклонение от равновесия будет наблюдаться.

Пример. Изучение почв вокруг Назаровской ТЭС Канско-Ачинского угольного бассейна, расположенной в долине реки Чулым, показало следующее распределение радионуклидов. В самом верхнем горизонте почв - подстилке (0 - 2 см) - распределение U и Th образует максимум вблизи ТЭС. На глубине около 10 см график распределения элементов имеет зеркальную форму с минимумом вблизи ТЭС (рис. 5.12). Отношение ²²⁸Th/ ²³²Th минимально около ТЭС (0,25 - 0,32). На расстоянии 7 - 10 км от ТЭС концентрации в том и другом горизонтах равны между собой и соответствуют фону, так же как и отношение ²²⁸Th/ ²³²Th (0,85 - 0,98).

141

Рис. 5.12. Распределение концентраций U, Th и С_орг, а также рН по ландшафтному профилю, проходящему через угольную ТЭС. Глубина отбора проб почвы: а - 0 - 3 см; б - 8 - 12 см; 1 - 12 - номера точек опробования

Приведенные цифры свидетельствуют о том, что в районе ТЭС поверхность почв загрязняется U и Th в результате выпадения летучей золы. В то же время выделение кислых газов (SO₂, СО, СО₂) при сжигании угля способствует повышению концентрации сульфат- и карбонат-ионов и выщелачиванию различных металлов по всему почвенному разрезу. Выщелачивание приводит к выносу U и Th из слоев с фоновыми концентрациями элементов и формированию минимума на кривой распределения в этом горизонте. Выщелачивание влияет на фракционирование изотопов тория за счет интенсивного выноса атомов отдачи

142

Рис. 5.13. Распределение изотопов урана и тория по ландшафтному профилю, проходящему через угольную ТЭС. Обозначения см. на рис. 5.12

²²⁸Th. Градиент концентраций между слоями почв обеспечивает диффузию ²²⁸Th в нижележащие горизонты (рис. 5.13).

143