Радіоактивність мінералів і гірських порід

На сьогодні відомо кілька сотень мінералів до складу яких входять природні радіоактивні ізотопи урану, торію та калію, які за рівнем радіоактивності можна поділити на 6 груп (табл. 8.30). Крім досить значної кількості власне калієвих, торієвих і уранових (мінерали називають торієвими чи урановими, а не торій- чи урановмісними, якщо до їх складу постійно входить 35-45 % торію чи урану) мінералів відомий широкий перелік сполук, характерною рисою яких є наявність ізоморфних домішок урану і торію. При цьому уран ізоморфно заміщує переважно цирконій (циркон, циртоліт) і ітрій (сфен, ітрієвий ортит), в той час як торій ізоморфно заміщує чотиривалентний церій в церієвих ортитах і монацитах.

На відміну від глибинних умов в приповерхневій обстановці при різко обмеженому часі застигання порід можливості тривалої міграції урану і торію, а отже, концентрація їх атомів в одних мінералах і деконцентрування в інших різко обмежені. Саме у зв’язку з цим розподіл радіоактивних елементів в основній масі та порфірах ефузивних порід є більш однорідним. Найбільш рівномірний розподіл урану (на основі вивчення треків індукованого розподілу) і, мабуть, торію характерний для вулканічного скла.

Загалом на мінеральному рівні відсутня чітка залежність вмісту урану і торію від хімічного складу мінералів, і в тому числі від вмісту кремнезему, лугів і кисню. Зокрема, в багатьох типах порід мінімальні кількості урану і торію фіксуються саме в мінералах з максимальним вмістом кремнію і лугів - в кварці і польових шпатах, а в магнетиті, апатиті, флюориті, піриті тощо – спостерігаються багато вищі концентрації. В загальному випадку, найменші значення радіоактивності спостерігаються в головних породоутворюючих мінералах, будова яких визначається головними петрогенними елементами (Si, O, Al) - кварц, польові шпати, плагіоклаз. Дещо вищий рівень концентрування радіоактивних елементів в Fe-Mg силікатах - біотит, амфіболи, піроксени. U і Th можуть заміщувати Ca в породоутворюючих мінералах, однак, як некогерентні елементи, накопичуються переважно в залишкових диференціатах магм і, відповідно, - в мінералах останніх фаз кристалізації.

Підвищені значення радіоактивності властиві акцесорним і рудним мінералам, у будові кристалічних граток яких провідну роль відіграють елементи з пониженим кларком (P, Ti, F); апатит, флюорит, ільменіт, магнетит. І нарешті, найвищі рівні концентрації урану та торію (крім власних мінералів) спостерігаються в тих акцесорних мінералах, які містять елементи з низькими кларками (Zr, Ce, La, Y, Nb, Ta): циркон, сфен, монацит, ортит тощо.

Розсіяння радіоактивних ізотопів та нерівномірність їх розподілу в породах і геосферах є однією з головних геохімічних особливостей радіоактивних елементів. Очевидною є залежність величини і природи (переважний вклад елементів) загальної радіоактивності від наявності і концентрації акцесорних мінералів, незначна зміна вмістів яких може істотним чином вплинути на “петрорадіоактивний портрет” породи. Максимальний вміст радіоактивних елементів, як і інших несумісних елементів, приурочений до кислих відмін магматичних порід. При цьому пропорційність між вмістами SіO₂ і U зберігається лише до досягнення певного критичного рівня концентрування урану (близько 4¼5×10^‑4 %). Конкретні величини вмістів елементів залежать від умов формування порід, проявів гібридизму тощо. За рівнем вмісту радіоактивних елементів і загальної радіоактивності розрізняють наступні відміни магматичних порід:

1) багаті кальцієм і натрієм (K<Na) слабко радіоактивні породи із вмістом U<2¼3×10^‑4 % і Th£8¼10×10^‑4 % (Th/U<2¼3), в яких уран і торій в основному зв’язані з породоутворюючими мінералами (плагіограніти, і гранодіорити габро-плагіогранітової і діорит-гранітної формацій тощо);

2) нормально-радіоактивні породи з близьким до кларку вмістом радіоактивних елементів і Th/U=2,5¼4,5, радіоактивні елементи в яких приблизно рівномірно розподілені між породоутворюючими і акцесорними мінералами (породи гранодіорит-гранітових формацій);

3) підвищено-радіоактивні породи з підвищеними вмістом торію, який міститься переважно в акцесорних мінералах.

4) високорадіоактивні лейкократові породи рідкіснометалевого типу з підвищеним вмістом U, Th, (Th/U=5¼10; U>5¼6×10^-4 %, Th>30¼40×10^-4 %).

Тенденція збільшення радіоактивності із збільшенням кислотності порід проявляється не тільки для інтрузивних, але і для вивержених порід. Крім того, лужні магматичні породи характеризуються дещо вищою радіоактивністю, ніж аналогічні їм за кислотністю породи вапняково-лужної серії.

Суттєву роль в геохімічному балансі радіоактивних елементів земної кори відіграють осадові породи. Характерною рисою геохімії радіоактивних елементів в зоні гіпергенезу є розділення урану і торію. Уран в шестивалентній формі утворює цілу низку стійких в умовах зони гіпергенезу розчинних сполук, здатний накопичуватися в природних водах і мігрувати. Торій же розчинних сполук не утворює і мігрує у зоні гіпергенезу переважно лише механічно, з уламковим матеріалом, у вигляді завису тощо.

Найвищим загальним рівнем радіоактивності серед осадових порід вирізняються глинисті породи (глини, аргіліти, глинисті сланці), що обумовлено підвищеними вмістами урану і калію. Найхарактернішим накопичення урану є для речовин з найвищими сорбційними властивостями - глинистих мінералів (монтморилоніт, бейделіт тощо) та органокомплексів. Переважно торієвою природою радіоактивності вирізняються піщані породи, Th/U відношення яких зростає із збільшенням частки грубоуламкової складової порід. Відмінності природи радіоактивності глинистих і піщаних порід, можуть використовуватись для оцінки палеогеографічних особливостей утворення досліджуваних осадків. У зв’язку із відмінністю природи радіоактивності і умов утворення осадових порід серед них розрізняють 2 основні групи: 1) суттєво торієносні і урано-торієносні грубоуламкові породи алювіальних, пролювіальних, прибережно-морських фацій; 2) суттєво ураноносні, збагачені органікою та фосфором утворення більш глибоководних морських фацій утворення.

Під впливом різноманітних епігенетичних процесів (метаморфічних, метасоматичних, гідротермальних) первинні осадові і магматичні породи зазнають інтенсивних перетворень, при яких їх склад і радіоактивність змінюються. Найбільш значні зміни порід спостерігаються при регіональному метаморфізмі і ультраметаморфізмі. У породах, які зазнали найбільш високого ступеню метаморфізму (гранулітова фація), спостерігається, з одного боку, втрата радіоактивних елементів, а з іншого – вирівнювання їх вмісту у різних відмінах порід. В умовах прояву амфіболітової фації метаморфізму спостерігається зворотній процес – привніс радіоактивних елементів і диференціація порід за радіоактивністю.

Дуже широким є діапазон зміни вмісту радіоактивних елементів в ультраметаморфічних породах. Так, для першої стадії анатектичної гранітизації, з якою пов’язане формування гіперстенових гранітоїдів, плагіогранітів, мігматитів чарнокітового комплексу, характерний відносно низький вміст радіоактивних елементів, що мало відрізняється від вихідних гнейсів і кристалічних сланців. Для порід, сформованих у другу стадію гранітизації і магматизму, характерний суттєвий привніс низки мобільних компонент і насамперед – калію. При цьому відбуваються процеси кремене-калієвого метасоматозу і утворюються збагачені ураном і торієм палінгенно-метасоматичні і інтрузивні утворення – калішпатизовані і аляскітові граніти, пегматити.

Таблиця 8.30 - Класифікація мінералів за ступенем їх радіоактивності (за [7]).