Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

3.1.1. Если горно-добывающее предприятие связано с добычей полезных ископаемых, имеющих высокие (урановые руды), либо повышенные содержания U и Th, то их экологическое воздействие, помимо общих особенностей таких предприятий, получает особую специфику, обусловленную радионуклидами. Среди последних важное место с точки зрения экологии занимают предприятия по добыче и переработке редкометальных руд, минералы которых содержат в виде изоморфной примеси ²³⁸U и ²³²Th.

В качестве примера такого предприятия мы приводим данные по исследованной нами территории заброшенного рудника на месторождении редкометальных метасоматитов Мраморное, расположенного в зоне горной тундры на Полярном Урале (Гл. 2). Воздействие на окружающую среду там связано, прежде всего, с находящимися на поверхности рудными отвалами и изливающимися из подземных горных выработок рудничными водами. Участок вполне может служить моделью для подобных более крупных предприятий.

В рудных отвалах, содержащих минералы, устойчивые в иной, эндогенной, обстановке, под воздействие атмосферного воздуха и поверхностных и метеорных вод получают развитие процессы окисления и трансформации входящих в них компонентов. Может происходить окисление эндогенного урана и переход в более устойчивые в поверхностных условиях и подвижные соединения уранила. Очень важную роль в подобной ситуации играет окисление сульфидов, находящихся в составе руд и рудовмещающих пород, в частности пирита:

4FeS₂ + 15O₂+ 14H₂O 4Fe(OH)₃ + 16H⁺ + 8SO₄^2-

На месторождении Мраморное наблюдается интенсивное окисление пирита при фильтрации воды ручья через рудные отвалы. При этом фильтрующиеся воды ручья приобретают низкие значения рН (4-5), оказываются обгащены сульфат-ионом и железом. Аналогичный состав имеют и рудничные воды, вытекающие из подземных горных выработок. В этих водах были обнаружены наиболее высокие из известных концентрации тория - 3*10^-5 г/л (При фоне 10^-9г/л). Подтверждением действительного перемещения тория в растворенном состоянии было его изотопное отношение (²²⁸Th/²³²Th = 4,1) (Гл. 2).

Рис. 3.1. Вынос тория из рудных отвалов водами ручья (Титаева, Такаев, 1983).

При выходе из под рудных отвалов происходило разбавление вод ручья метеорными: рН возрастало до 6, а затем - 7, концентрация сульфатов и Fe падала, резко снижалась концентрация Th. Повышенные относительно фоновых значений концентрации тория в воде ручья сохранялись еще на протяжении 30-40 м (Рис. 3.1). В донных осадках вокруг водной аномалии образовалась обширная аномалия Th и U в донных осадках, при общей низкой концентрации в воде последнего. Положительная корреляция содержаний в воде Th, U , SO₄^2-, Fe и отрицательная - с величиной рН позволила предположить, что в данной ситуации и Th и U мигрировали в форме растворимых сульфатных комплексов, которые разрушались при разбавлении. Дальнейшая миграция этих элементов происходила преимущественно в составе взвеси (Гл. 2). Было отмечено, что сульфатная среда, хотя и при отсутствии носителей, была неблагоприятна для миграции Ra. Во всех донных осадках исследованного ручья было отмечено высокое отношение ²²⁶Ra/²³⁸U (29-210) в единицах активности.

Доказательством того, что в данном случае поступление тория в воды ручья было вызвано частичным растворением рудных минералов, явились эксперименты по сернокислотному выщелачиванию метасоматитов (Таб. 3.1). При этом в раствор перешло до 80% Th (промышленное вскрытие подобных руд производится с помощью серной кислоты). Была проведена серия опытов по выщелачиванию Th и U из метасоматитов с помощью растворов: Н₂0 (дистиллят), 5% Na₂CO₃ и 0,1 н. H₂SO₄. Вода имитировала ультрапресные воды района, стандартная содовая вытяжка позволяла сравнивать с подвижными формами других районов, а сернокислотная вытяжка имитировала кислые трещинные воды метасоматитов (Таб. 3.1).

В образцах исследованных метасоматитов основная часть Th была связана в виде изоморфной примеси в редкоземельных минералах, в меньшей степени находилась в форме торита. Для U были характерны как рассеяенные, так и изоморфные формы. Поэтому за исключением достаточно выветрелого образца М-12, в водных и содовых вытяжках процент извлечения U выше, чем Th. Напротив, в сернокислую вытяжку, частично растворяющую редкоземельные минералы и торит, перешло от 53,4 до 78,9% валового тория. Видно, что доля урана, связанного с этими минералами, существенно ниже.

Таким образом, образовавшаяся на земной поверхности за счет редкометальных рудных отвалов аномалия, в процессе выветривания испытывала некоторую трансформацию радионуклидного состава: изотопы урана и тория выносились за пределелы аномалии и переходили в донные осадки, а изотопы радия стабилизировались в пределах отвалов. Водная миграция изотопов тория создавала более общирную по площади аномалию в почвах и донных осадках, обогащенную продуктами распада и являющуюся постоянным источником ²²⁰Rn (торона).

3.1.2. Перераспределние радионуклидов под действие факторов выветривания известно и для открытых горных выработок, где полезные ископаемые имеют фоновые или даже пониженные концентрации радионуклидов. Примером может служить Канско-Ачинский буроугольный бассейн, где концентрация урана в угле составляет, в среднем 5,3 г/т, а тория - 7,1 г/т (Назаровское месторождение). В карьерах при соприкосновении окисляющихся сульфидов с углеродистым веществом углей в условиях повышенной влажности образуется серная кислота и происходит самовозгорание углей (Гаврилин, Озерский, 1996). На границах выгоревших и обыкновенных углей возникает окислительно- восстановительный барьер, на котором накапливаются элементы с переменной валентностью, в том числе и уран. Возникающий при этом сульфатный барьер в обогащенных Ва канско-ачинских углях создает аккумуляции радия, где гамма-активность достигает 100, а иногда 400 мкР/час при фоне в неокисленных углях , в среднем, около 3 мкР/час (0,003 мкЗв/час). Это приводит на работающих разрезах (например, на Березовском) к необходимости дополнительных затрат для изъятия и захоронения так называемых "гореликов". Обычный процесс окисления углей под действием грунтовых вод и кислорода воздуха, не сопровождающийся горением и протекающий менее бурно, также приводит к появлению сажистых (окисленных) углей с повышенной гамма-активностью, иногда достигающей до 100 мкР/час. Сжигание таких углей в электростанциях непременно должно приводить к радиоактивному загрязнению окружающей среды.