Радіоактивність гірських порід

Радіоактивність гірських порід зобов’язана присутністю в них радіоактивних елементів, які можна поділити на три групи.

В першу, основну групу, входять уран, торій із продуктами розпаду, а також калій (К⁴⁰) та частково рубідій (Rb), енергія розпаду яких має суттєве значення для геологічних процесів.

До другої групи відносяться радіоактивні ізотопи Ca⁴⁸, Zr⁹⁶, In¹¹³, I¹¹⁵, Sn¹²⁴, Te¹³⁰, La¹³⁸, Nd¹⁵⁰, Sm¹⁵², Lu¹⁷⁶, W¹⁸⁰, Re¹⁸⁷, Bi²⁰⁹, Ca⁴⁸, Zr⁹⁶. Але всі вони характеризуються або незначним поширенням в гірських породах, або великим періодом напіврозпаду, в зв’язку з чим їх радіоактивність має мізерну малу величину. Радіоактивні елементи цих двох груп утворилися у догеологічний період існування земної речовини і зазнавали за останні 3-5 млрд. років тільки незворотні процеси розпаду.

У третю групу радіоактивних елементів, які відіграють певну роль при радіометричних дослідженнях, відносяться елементи, які утворюються в теперішній час. В результаті ядерних реакцій, під впливом космічного випромінювання і нейтронів. Роль цієї групи радіоактивних елементів значно підвищилася у зв’язку з проведенням ядерних випробувань, аварій на АЕС, в результаті яких в атмосферу була викинута велика кількість радіоактивних продуктів ділення, які розсіюються повітряними потоками по всій землі.

Постільки, третя група радіоактивних елементів при випромінюванні природної радіоактивності гірських порід відноситься переважно до перешкод, які вилучаються із результатів вимірювань, а питома радіоактивність другої групи мізерна, основну роль в радіогеології відіграє перша група радіоактивних елементів, і перш за все, уран, торій із продуктами розпаду та К⁴⁰. Їх розповсюдження у природі обумовлюється основними геохімічними закономірностями.

Уран і торій при своєму розпаді утворюють родини природно-радіоактивних елементів. Калій, після розпаду, переходить у стабільний елемент. Розповсюдженість цих елементів залежить від їх фізико-хімічних властивостей, серед яких найважливіші значення мають валентність, хімічна активність, розчинність з’єднань, розміри іонних (та атомних) радіусів, поляризуємість іонів тощо.

Так, уран характеризується більшим зарядом і складною будовою електронної оболонки. В природних умовах він зустрічається як у чотиривалентній формі (у відновних умовах), так і в шестивалентній (в окисному середовищі) формах.

Іонний радіус чотиривалентного урану (r=1,05 Å) близький до торію (r=1,1 Å). елементам групи рідкісноземельних елементів (r=0,99 – 1,18 Å) і кальцію (r=1,06 Å), який він часто заміщує у мінералах.

Висока валентність і великий іонний радіус іона визначають амфотерні властивості урану – в кислому середовищі він себе веде як слабка основа, а в лужному – як слабка кислота. Іони чотирьох валентного урану в кислому середовищі є відновниками по відношенню до Fe³⁺, Mg²⁺, V⁵⁺, Mo⁶⁺, Cr⁶⁺. В той же час шестивалентні іони є окисниками по відношеннями до Cu⁺, Sn²⁺, Ti³⁺, V²⁺, Cr²⁺. У лужних розчинах шестивалентний уран є окисником по відношенню до Fe² (лимоніт), відновлюючись при цьому із утворенням з'єднань черні чотиривалентного урану.

З киснем уран утворює стійкі окисли (UO₂ і U₃O₄), а із галогенами - леткі і нестійкі з’єднання. З сіркою з’єднання урану невідомі. В природних умовах з’єднання чотиривалентного урану мають чорні, коричневі і бурі кольори, властиві для відновних умов. В той самий час, в окислювальних умовах з’єднання шестивалентного урану мають яскраві зеленуваті, жовтуваті, червоні кольори. За розміром радіуса іона, валентністю, енергетичному коефіцієнту чотиривалентний уран близький до торію. В природі торій зустрічається у вигляді окислів (торіанід), або силікатів (торід). З ураном він утворює, завдяки ізовалентному ізоморфізму, сумісні сполуки. Їх головними носіями є циркон, сфен, ксенотим, апатит, монацит, ортит та інші акцесорні мінерали. За хімічними властивостями радій близький до барію. Він завжди двовалентний, і в природних умовах, внаслідок низького кларку (10^-10 %), переважно зустрічається в розсіяному стані.

З трьох природних ізотопів калію радіоактивним є К⁴⁰. Внаслідок своєї розповсюдженості, його бета- гамма-радіоактивність співмірна з радіоактивністю урану, який міститься в породі. Найбільш поширеними мінералами, які містять калій і які мають вплив на радіоактивність порід, є сильвін, карналіт, мікролін, ортоклаз, біотит, мусковіт.

За радіоактивністю серед мінералів кристалічних порід виділяються чотири групи (згідно А.А.Смислова):

1) слаборадіоактивні головні породоутворюючі мінерали, будова яких визначається головними петрогенними елементами (кремній, кисень, алюміній): кварц, польові шпати;

2) мінерали з нормальною і слабопідвищеною радіоактивністю – біотит, амфіболи, піроксени. В кристалічних гратках, поряд із головними петрогенними елементами, приймають участь магній, залізо та інші хімічні елементи;

3) акцесорні та рудні мінерали з підвищеною радіоактивністю, в яких провідну роль у будові кристалічних граток, відіграють елементи з пониженим кларком (фосфор, титан та ін.): апатит, флюорит, ільменіт, магнетит тощо;

4) високорадіоактивні акцесорні мінерали, що містять елементи з низькими кларками порядку 10^-2 до 10^-4 % (Zr, Ce, La, Na, Ta тощо): циркон, сфен, монацит, ортит та ін.

В породоутворюючих мінералах уран і торій може заміщувати кальцій, але головна їх маса захоплюється при кристалізації мінералів. В акцесорних мінералах головна маса урану та торія ізоморфно заміщує ряд елементів (рідкоземельних елементів, цирконій та ін.).

Взагалі, вміст урану і торію в мінералах-концентраторах вивержених порід залежить від розповсюдженості мінералів-носіїв - чим вищий вміст останніх, тим нижчий вміст цих елементів у мінералах-концентраторах.

До головних особливостей розподілу радіоактивних елементів в породах є їх розсіяння і нерівномірність розподілу. Вона проявляється як в окремих геосферах, так і в породах. Максимальний вміст радіоактивних елементів приурочений до верхньої гранітної оболонки Землі і до кислих вивержених порід, згідно збільшенню в них вмісту кремнезему і калію. Зокрема, на вміст цих елементів суттєвий вплив мають умови формування порід, характер та час диференціації, глибина формування порід, прояви гібридизму та ін. У відповідності з цим, за рівнем вмісту радіоактивних елементів і загальною радіоактивністю виділяються наступні різновиди гранітів:

1) Слабкорадіоактивні граніти, багаті кальцієм і натрієм (K<Na), із вмістом U<2¸3×10^-4 %, Th<8¸10×10^-4 % і Th/U<2-3 в яких уран і торій, в основному, зв’язані з породоутворюючими мінералами. До таких порід відносяться плагіограніти, гранодіорити габро-плагіогранітної діорит-гранітової формації.

2) Нормальнорадіоактивні граніти, з близьким до кларку вмістом радіоактивних елементів та Th/U»2,5 - 4,5, які відносяться до гранодіорит-гранітових формацій. У них радіоактивні елементи знаходяться в приблизно рівних кількостях у породоутворюючих та акцесорних мінералах.

3) Підвищено-радіоактивні граніти з підвищеним вмістом Th, в яких більша частина радіоактивних елементів зосереджених в акцесорних елементах.

4) Високорадіоактивні лейкократові аляскітові рідкіснометалевого типу граніти із підвищеним вмістом U, Th, Be, Mo, W (Th/U»5¸10, U³5¸6×10^-4 %, Th³30¸40×10^-4 %). У них значна частина урану і торію знаходиться поза ізоморфної форми.

Найбільш високі вмісти урану і торію (до 50¸60×10^-4 %) спостерігаються в гранітоїдах посторогенних стадій розвитку мобільних поясів та зон активізації. Тенденція збільшення радіоактивності із збільшенням кислотності порід проявляється не тільки для інтрузивних, але і вивержених порід. Причому лужні магматичні породи характеризуються вищою радіоактивністю ніж аналогічні їм за кислотністю породи вапнисто-лужної серії.

Істотну роль у геохімічному балансі радіоактивних елементів земної кори відіграють осадові породи. Існуючі відомості дозволяють сказати про великий діапазон їх радіоактивності і розподіл радіоактивних елементів. Характерною рисою геохімії радіоактивних елементів в зоні гіпергенезу є розділення урану і торію. Уран в шестивалентній формі утворює цілий ряд стійких в умовах зони гіпергенезу з’єднань і має здатність накопичуватись в водах і мігрувати. Торій розчинних з’єднань не утворює і мігрує в зоні гіпергенезу переважно механічно з уламковим матеріалом, у вигляді зависі і т.і.

Найбільшою радіоактивністю серед осадових порід вирізняються глинисті породи: глини, алевроліти, аргіліти, глинисті сланці. Їх радіоактивність в основному обумовлена ураном і калієм. Накопичення урану теригенними породами обумовлено сорбційними властивостями глинистих мінералів (особливо такими як монтморилоніт, бейделіт) та органікою.

В піщаних породах відмічається переважно торієва природа радіоактивності, яка посилюється із збільшенням долі грубоуламкової складової породи, яка вміщує акцесорні мінерали – основні носії торієвих мінералів. Різноманітність природи радіоактивності в глинистих і піщаних породах, які формуються у відмінних фаціальних умовах (для глинистих – уран, для піщаних - торій), може бути використана для оцінки (по відношенню Th/U) палеогеографічних особливостей утворення досліджуваних осадів.

В зв’язку із відмінністю природи радіоактивності та умов утворення осадових порід, серед них вирізняють:

а) істотно торієносні і ураноторієносні грубоуламкові породи (гравеліти, піщаники, конгломерати), алювіальних, пролювіальних, прибережноморських фацій;

б) істотно ураноносні, збагачені органікою та фосфором породи (сланці, глини, глинисто-піщані породи та вапняки) більш глибоководних морських фацій утворення.

Під впливом різноманітних накладених процесів (метаморфічних, метасоматичних, гідротермальних) первинні осадові та магматичні породи інтенсивно змінені і їх склад та радіоактивність значно варіюються. Найбільш значні за масштабом прояви зміни порід спостерігаються при регіональному метаморфізмі та ультраметаморфізмі. В породах, які зазнали найбільш високого ступеню метаморфізму (гранулітова фація) спостерігається, з одного боку, втрата радіоактивних елементів , а з іншого – нівелювання їх вмісту в різних різновидах. В умовах прояву амфіболітової фації метаморфізму спостерігається зворотній процес – поява радіоактивних елементів і диференціація порід за радіоактивністю. Меншою мірою це стосується порід зеленосланцевої фації.

Найбільш різноманітний вміст радіоактивних елементів в ультраметаморфічних породах, що посилюється від ранніх до пізніх стадій процесу ультраметаморфізу.