Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

1.3. Причины нарушения радиоактивного равновесия.

Если по своим массам члены одного ряда резко различаются, то по активности в условиях радиоактивного равновесия они равны. В открытой системе радиоактивное равновесие может быть нарушено в результате перемещения атомов одних членов ряда относительно других из cистемы либо в систему. При этом перемещение атомов должно происходить на расстояние, превышающее размер системы, и за время, более короткое, чем то, которое необходимо для восстановления равновесия. Обычно нарушение радиоактивного равновесия происходит на границе раздела фаз. Существует две основные причины, приводящие к нарушению радиоактивного равновесия: различие химических свойств элементов, изотопами которых являются исследуемые радионуклиды (раздел 1.1) и "диффузия атомов отдачи".

"Диффузия атомов отдачи" - достаточно сложный гетерогенный процесс перемещения атома, образовавшегося в результате радиоактивного распада. Такой атом называется "атомом отдачи". В результате радиоактивного превращения энергия распада перераспределяется между заряженной частицей и вновь образовавшимся ядром. Энергия отдачи при альфа-распаде равна: Е_отд. =Е*М/М_отд. Легко сосчитать, что для радионуклидов, входящих в природные ряды распада, она имеет величины от 69,5 до 168 кэВ (Таб. 1.2).

Энергия отдачи ядер, образовавшихся при -распаде, намного превышает энергию связи атома в кристаллической решетке, которая составляет 2-5 эВ, а при -распаде - близка к энергии связи. Это приводит к тому, что в процессе -распада вновь образовашийся атом отдачи покидает свою позицию в кристаллической решетке и становится примесным атомом. На пути движения атома отдачи образуется проплавленный канал - трек длинной 100-1000 , окруженный зоной разупорядоченной кристаллической структуры (каскады смещенных атомов). Эта зона легче подвергается растворению и замещению по сравнению с остальной ненарушенной частью решетки. Охлажденные до тепловых скоростей, атомы отдачи могут вступать в обычные химические реакции и реакции изотопного обмена (Несмеянов, 1972). Область стабилизации атома отдачи метастабильна, с повышенным содержанием энергии и дефектов кристаллической решетки. Такие зоны являются более благоприятными для циркуляции поровых растворов и флюидов. Поэтому атомы отдачи с большей вероятностью попадают в жидкую фазу (Старик, 1969).

Для членов радиоактивных рядов распада суммарный путь перемещения атомов отдачи будет определяться числом предшествующих -распадов, энергией каждого из них и градиентом концентраций первичных родительских радионуклидов (Osmond, Cowart, 1982). Такое перемещение указанные авторы назвали "диффузией атомов отдачи" - "recoil diffusion". Эффект радиоактивной отдачи хорошо виден на примере изотопов одного и того же элемента, находящихся в одном ряду распада (²³⁴U/²³⁸U, ²²⁸Th/²³²Th). В жидкой фазе наблюдается избыток атомов отдачи дочерних изотопов по сравнению с равновесным отношением, а в сопряженной твердой фазе - их дефицит (Чердынцев, 1969). Из таблицы 1.2 видно, что чем дальше находится радионуклид от начала ряда распада, тем больше величина суммарной энергии отдачи, воздействующей на него.

Помимо атомов отдачи в радиоактивных рядах образуется радиогенный изотоп ⁴Не₂ за счет -распада. После стабилизации в конце пробега -частица присоединяет 2 электрона и превращается в атом радиогенного изотопа гелия ⁴Не. Нарушение радиоактивного равновесия в рядах распада было использовано в геохронологии и получило название неравновесного изотопного метода.

Как уже упоминалось во Введении, после первых работ В.В.Чердынцева и его учеников, изучавших сам факт разделения радиоактивных изотопов в природе, основной упор был сделан на исследование урановых минералов, условий их образования и их поисков (Чалов, 1968, 1975; Сыромятников, 1961; Малышев, 1981; Иванов, 1974, Rosholt et al. 1965 и др.). Большой цикл работ прикладного характера был выполнен группой П.И.Чалова и его последователями по использованию изотопного отношения ²³⁴U/²³⁸U для определения скорости подземных потоков и их идентификации. Другим крупным объектом геохронологических и сопутствующих им геохимических исследований методом изотопных неравновесий явился Океан. Первые исследования были начаты еще в 30-х годах Урри и Пигготом. В нашей стране они широко проводились в Радиевом институте под руководством И.Е.Старика его учениками (Кузнецов, 1976), а также в ГЕОХИ В.И.Барановым и Л.А.Кузьминой-Христиановой и др. Первые исследования изотопов радиоактивных элементов в продуктах современного вулканизма были начаты В.В.Чердынцевым и его учеником В.М.Купцовым (Чердынцев, 1972). Первые работы зарубежных исследователей были посвящены вопросам геохронологии (Taddeucci et al., 1968; Cerrai et al. 1965; Аllegre, 1967; Capaldi et al. 1976 и др.). Не имея возможности перечислить всю имеющуюся в настоящее время литературу по изотопам U, Th, Ra, можно выделить лишь основные объекты исследований: геохронология экзогенных урановых месторождений (в первый период), геохронология океана, геохронология спелеотем, механизм извержения вулканов и др. В последние годы появились работы, где используются неравновесные отношения радионуклидов в качестве трассеров глубинных процессов, таких как частичное плавление и дифференциация расплава (Thomas, Hawkesworth, Van Calstern et al. 1999).

В то же время для современных континентальных процессов систематических геохимических исследований не проводилось, в частности нет исследования фоновых экосистем, принадлежащих к различным климатическим поясам, нет системных исследований районов техногенного загрязнения. Работы по естественным радионуклидам в районах современного вулканизма обычно носят локальный и прикладной характер. Как правило, приводимые систематики имеют формальный характер и не обосновываются геохимическими процессами. В своей работе мы постарались восполнить имеющиеся пробелы в исследованиях геохимии естественных радионуклидов.

Влияние физико-химических условий среды на геохимию изотопов радиоактивных элементов нами рассмотрена отдельно для экзогенных процессов (часть I) и эндогенных процессов (часть II). И в том и другом случае необходимо было исследовать те процессы, которые можно наблюдать непосредственно и возраст которых не превышает продолжительности жизни исследуемых радионуклидов. Одним из основных использованных методов был изотопный неравновесный метод - изучение особенностей и причин отклонения радионуклидов от радиоактивного равновесия.