Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

2.7. Использование изотопного отношения U для исследования его миграции в глубокиз зонах экзогенеза.

Закономерности изменения изотопных отношений ²³⁴U/²³⁸U и ²²⁸Th/²³²Th в системе порода-вода, характерные для зоны гипергенеза, могут использоваться и для определения направления миграции урана и тория в более глубоких участках земной коры, где нет возможности выполнять непосредственные наблюдения.

В качестве примера мы приводим полученные с нашим участием данные по кимберлитам Якутии (Зверев, Кравцов, Илупин, Титаева и др. 1979). В образцах, взятых из кимберлитовых трубок с разных глубин, радиоактивное равновесие между изотопами урана отсутствовало. В большей части образцов наблюдался дефицит дочернего изотопа урана (²³⁴U/²³⁸U < 1), что свидетельствовало о процессе выноса урана. Образцы с минимальным изотопным отношением (до 0,56), принадлежали разрушенным, хорошо проницаемым для подземных вод, измененным вторичными процессами и карбонатизированным кимберлитам, из которых уран, видимо, частично выносился подземными водами. Вынос был обнаружен даже на глубине 717 м.

Образцы, имевшие повышенное изотопное отношение (до 1,42) в своем большинстве принадлежали эруптивной базальтической брекчии и нередко были приурочены к водоносным горизонтам. Очевидно, что здесь происходил процесс сорбции вынесенного из кимберлитов урана на глинистом материале брекчий. При этом перемещение урана происходило в направлении пониженных концентраций.

Другим примером может служить изотопный состав урана в каменном угле из глубоких шахт Донбасса и Шпицбергена (Зверев, Кравцов, Войтов, Пряхина, Титаева, Чешко, 1979). На глубине более 700 м все без исключения проанализированные образцы угля имели повышенное относительно равновесного значения изотопное отношение U. Избыток дочернего изотопа (1,03 - 1,38) свидетельствовал о постоянно протекающем процессе аккумуляции урана из подземных вод на окисляющемя угле в поверхностной зоне водопроводящих трещин, что привело к восстановлению и прочной фиксации U.

1. В условиях гипергенеза различных природно-климатических поясов гумидной зоны происходит взамодествие твердой и жидкой фаз, приводящее к нарушению радиоактивного равновесия в природных рядах распада. При этом в процессе выщелачивания в раствор легче переходят дочерние изотопы урана и тория (атомы отдачи) по сравнению с родоначальниками рядов, а твердая фаза обедняется этими изотопами. В природных растворах основные изотопы ²³⁸U и ²³²Th являются носителями для остальных изотопов, имеющих крайне низкие концентрации в природе.

2. В процессе осаждения из раствора донные осадки наследуют изотопный состав U и Th жидкой фазы. Если в осадки поступают подвергшиеся выщелачиванию продукты разрушения горных пород, то такие осадки отличаются дефицитом дочерних изотопов. При смешении тех и других изотопный состав соответствует средневзвешенному. Все сказанное в полной мере относится и к почвам. Изотопный состав U и Th в растениях свидетельствует о том, из какой фракции почв корневая система может извлекать эти элементы. Таким образом, отношения генетически связанных изотопов U и Th могут служить трассерами характера процессов, которые управляют поведением этих элементов. На Рис. 2.5 схематично показыны эти возможности.

3. Поведение изотопов радия в зоне гипергенеза зависит от присутствия носителя - Ва. Будучи атомами отдачи и щелочноземельными элементами, изотопы Ra сравнительно легко выщелачиваются из твердой фазы природными водами. В северной и средней полосе, где минерализация поверхностных вод меньше 0,5 г/л, изотопы радия ведут себя как радиоколлоиды, адсорбируясь на любой поверхности твердой фазы и по своей подвижности близки к подвижности элемента-гидролизата тория. В южных районах гумидной зоны концентрация носителя Ra - Ba в природных водах достаточна для удержания его изотопов в растворах, особенно хлоридного состава. Стабилизация изотопов Ra в этих условиях происходит в результате соосаждения с карбонатами, сульфатами и гуматами Ва и Са на геохимических барьерах.

4. Осаждение изотопов радия на геохимических барьерах в условиях, благоприятных для концентрирования природных газов (например в трещиноватых зонах разломов), создает природные коллекторы изотопов радона, постоянно образующегося из соответствующих изотопов Ra.

5. Подвижность урана в зоне экзогенеза приводит к вариациям его концентраций в верхних слоях литосферы, доступной для геохимического опробования, а как следствие этого - к вариациям отношения Th/U в горных породах. Видимо, большой разброс этого отношения не дает возможности надежно его использовать в виде геохимического индикатора, несмотря на многочисленные попытки.