Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

Исследованный нами район Южного Урала расположен в пределах Кочкарских гранитных интрузий, представленных на участках работ микроклин-биотитовами и двуслюдяными микроклиновыми гранитами герцинского времени (Львов, 1965). Граниты характеризуются кларковым содержанием U и Th (в среднем: 5,8 г/т U и 29 г/т Th для гранитов и 3,3г/т U и 12г/т Тh для вмещающих гранитогнейсов) и фоновой для гранитов гамма-активностью (20-30 мкР/час).

Район находится в поясе лесостепей, на границе с аридной климатической зоной. Он характеризуется жарким и сухим летом, где испарение преобладает над количеством осадков, которое сравнительно невелико (350-400 мм/год). Интенсивное испарение и низкий уровень грунтовых вод не благоприятны для выноса элементов. Поэтому коры выветривания и почвы обычно содержат карбонаты и другие растворимые соли. Речные и озерные воды района Южного Урала чаще имеют сульфатно-гидрокарбонатно- магниево-кальциевый состав и минерализацию 0,2- 0,6 г/л, а в грунтовых водах, вскрытых неглубокими колодцами, минерализация достигает 1 г/л и преобладает хлоридно-гидрокарбонатный анионный состав со смешанным составом катионов. Реакция вод слабощелочная (рН = 7,2 - 8,2). Содержание U на порядок выше, чем в водах Северного Урала: (0,3-4,0)*10^-6 г/л. Содержание Ra - примерно такое же: (0,5-1,4)*10^-12 мг/л.

По данным Б.К.Львова (1965), концентраторами U в гранитах Кочкарских интрузий Южного Урала являются породообразующие минералы, в которых заключено более 50-70% общего его количества. Видимо здесь преобладают рассеянные подвижные формы, так как U легко выщелачивается слабыми щелочно-карбонатными растворами. С акцессорными минералами связано от 1% до 50% U. Характер распределения Th зависит от присутствия минералов-концентраторов. В присутствии монацита, ортита и торита подавляющая часть Th связана с этимим минералами. В гранитах, практически лишенных указанных акцессориев, главная масса Th рассеяна в породообразующих минералах.

Переход урана в поверхностные воды происходит не только из пород, но и из продуктов их разрушения. При этом доля "подвижного" U зависит от промытости рыхлых отложений и снижается последовательно от свежих пород к их элювию и делювию. Так, в цепочке граниты- элювий- делювий средние значения доли подвижного U в % составляли: 74 - 38 - 27. Для условий лесостепной зоны Южного Урала в элювии гранитов формируются карбонатные испарительные барьеры, на которых при разрушении карбонатных комплексов U соосаждается в составе карбонатов. Изотопный состав U и Th в таком элювии соответствует составу поверхностных вод. Это свидетельствует в пользу того, что наряду с изотопами U, и изотопы Th в данных условиях находились в форме карбонатных комплексов и поступали в карбонаты при их осаждении.

Рис. 2.4. Гистограммы распределения отношения 234U/238U в почвах различных природно-климатических поясов гумидной зоны.

Рис. 2.5. Гистограммы распределения отношения 228Th/232Th в почвах различных природно-климатических поясов гумидной зоны.

Во всех звеньях экосистемы лесостепей радионуклидные спектры свидетельствуют об особенно резких отклонениях от радиоактивного равновесия, по сравнению с экосистемами других природно-климатических зон (Рис. 2.4 и 2.5). Природно-климатические условия лесостепной зоны Южного Урала оказались наиболее благоприятными для выщелачивания и дальнейшей миграции радионуклидов по сравнению с другими изученными зонами. Действительно, слабощелочные поверхностные и грунтовые воды, содержащие существенные концентрации СО₃^2-, отличаются высоким содержанием урана по сравнению с районами таежных и тундровых ландшафтов, не зависимо от содержания урана в подстилающих породах. По литературным данным (Евсеева, Перельман, Иванов, 1974), в условиях лесостепной зоны U в поверхностных и грунтовых водах находится в форме уранил-карбонатного комплекса. Изотопные спектры свидетельствует о подвижности не только U, но и Th, что подтверждается высокими значениями изотопных отношений ²³⁴U/²³⁸U (до 3,03) и ²²⁸Th/²³²Th (до 8,5) в поверхностных и грунтовых водах района (Таб. 2.1).

Для изотопов Ra наиболее высокие концентрации были отмечены в грунтовых водах хлоридного состава с минерализацией около 1 г/л (Титаева, 1979), которые благоприятны для удержания в растворе ионов Ва, являющихся в данных условиях носителями для изотопов Ra. В поверхностных водах концентрация последних падает за счет соосаждения с карбонатами Са и Ва. Поэтому отношение ²²⁶Ra/²³⁸U в грунтовых водах больше 1, а в поверхностных - меньше, где U удерживается в растворе в форме карбонатных комплексов, а Ra соосаждается с карбонатами щелочноземельных элементов.

В донных осадках мы наблюдаем обратное соотношение: 3/4 всех исследованных проб илистых донных осадков имеют величины ²²⁶Ra/²³⁸U > 1 (до 7,0) и все без исключения пробы обогащены ²²⁸Ra ( ²²⁸Ra/²³²Th =1,429,5). Сравнение изотопных спектров в речных донных осадках русловой и пойменной фаций на одном и том же сечении речек показало резкое различие их изотопных спектров (Рис. 2.1). Илистые, обогащенные органическим веществом, осадки пойменной фации обогащены ураном относительно остальных радионуклидов. Избыток дочернего изотопа (²³⁴U/²³⁸U = 1,293,1 ) cвидетельствует о том, что в данной ситуации происходила сорбция урана из воды . Однако корреляция С_орг и U не была обнаружена. Зато была отмечена значимая корреляционная зависимость между коэффициентом распределения U (между осадком и водой) в илах и отношением FeO/Fe₂O₃, харакеризующим окислительно-восстановительные условия среды. Значимая положительная корреляция также была отмечена между содержанием U в воде и Ra в осадках, особеннно в местах подрусловой разгрузки грунтовых вод. Для фиксации Ra видимо существенную роль играло разбавление хлоридных более минерализованных грунтовых вод сульфатно-гидрокарбонатными менее минерализованными речными водами.

В песчанисто-дресвянистых осадах русловой фации, напротив, наблюдались те же геохимические процессы миграции радионуклидов, что и в горных породах. Индикаторные изотопные отношения урана и тория в них (²³⁴U/²³⁸U и ²²⁸Th/²³²Th) всегда ниже равновесного значения, что характеризует процесс выноса элементов из твердой фазы. Концентрация тория в осадках обоих типов практически одинакова, что свидетельствует о ничтожной роли водной миграции для него в речных водах. В то же время для U наблюдается разкое обогащение илистых осадков относительно сопряженных песчанистых (от 3,6 до 63,5 раз).

Миграция ²³⁰Th - дочернего изотопа тория из ряда урана - происходит также достаточно интенсивно. Используя ²³²Th в качестве трассера минерально-обломочной компоненты, мы сравнили величины изотопного отношения ²³⁰Th/²³²Th в песчанистых и илистых осадках. Оказалось, что при переходе от первых ко вторым для каждого сечения реки отношение возрастало в среднем в 3,6 раза, что свидетельствовало о поступлении ²³⁰Th в осадок в значительной степени из растворенного состояния. Для всех проб воды величина этого отношения была равна, в среднем, 6,5 для илистых осадков - 4,8, а для песчанистых - 1,3. В ряде точек русла, где происходила подрусловая разгрузка грунтовых вод, наблюдалось повышенное содержание изотопов U в воде, а ²³⁰Th и ²²⁶Ra в донных осадках (r = 0,68), подобно мочажинам Северного Урала.

Характер почвообразовательных процессов и физико-химическая обстановка в почвах лесостепной зоны резко отличается от двух других рассмотренных выше природно-климатических обстановок. В этих условиях формируются почвы черноземного ряда с гумусовым горизонтом мощностью 20-40 см, в котором преобладают слаборастворимые гуматы Са, с тяжелым механическим составом и преобладанием монтмориллонита в составе глинистых минералов, а также высоким содержанием обменных оснований. Реакция среды слабощелочная или близкая к нейтральной.

Корреляционные связи радиоактивных элементов с составом почв были отмечены лишь для U. В черноземах он чаще приурочен к карбонатным горизонтам, трассирующим положение испарительного барьера в тот или иной период и связан с осаждением карбонатов. Во всех подтипах болотных почв U тесно связан с гумусом и восстановительной обстановкой. Изотопный состав U в почвах лесостепной зоны отличается максимальным размахом величины ²³⁴U/²³⁸U (от 0,486 до 4,106) по сравнению с почвами других природно-климатических поясов (Рис. 2.4). Это свидетельствует об интенсивной водной миграции U в почвах этой зоны. Судя по изотопному составу U, его аккумуляция преобладает над выносом в 72% почвенных проб.

Максимум концентраций Th в черноземных почвах чаще также приходится на карбонатные горизонты. Это позволило предположить, что миграция Th, возможна лишь в пределах почвенного профиля, происходила также в составе карбонатных комплексов. Изотопное отношения ²²⁸Th/²³²Th, как и и урана в этих почвах также отличалось максимальным размахом (Рис. 2.5), что лишний раз подтвердило возможность водной миграции в условиях лесостепного пояса.

Подвижность Ra, в связи с появлением носителя Ва, в лесостепной зоне также оказалась выше, чем в условиях тундрового и таежного природно-климатического поясов. В то же время его геохимия в почвах контролируется двумя противоположными процессами: 1) выщелачиванием из подстилающих пород и переносом грунтовыми водами хлоридного состава и 2) соосаждением с сульфатами и карбонатами Ва на испарительных барьерах. Это подтверждается тем, что наиболее высокие концентрации и ²²⁶Ra, и ²²⁸Ra, были обнаружены в карбонатных горизонтах почв и карбонатных стяжениях в почвообразующем элювии гранитов. В ряде случаев была отмечена положительная корреляция радия с фракцией физической глины, что свидетельствовало о наличии для него и сорбционных барьеров.