Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

Поведение исследуемых радионуклидов в системе порода-вода прежде всего отражается на концентрации исследуемых элементов в водах активного водообмена. Содержание ²³⁸U в поверхностных водах (ручьи и канавы на водоразделах) варьирует от 0,4*10^-8 г/л до 0,4*10^-10 г/л. В трещинных водах зон разломов оно существенно выше: среднее содержание равно 1*10^-7 г/л, а максимальное достигает 1*10^-6. ²³²Th в поверхностных водах определить не удалось в связи с его низкой концентрацией. В трещинных водах она соизмерима с концентрацией U (1,1*10^-7г/л в среднем). Содержание ²²⁶Ra в трещинных водах было в пределах (0,5-1,4)*10^-12 г/л, а в речных и поверхностных водах - ниже порога обнаружения.

Таким образом, трещинные воды зон разломов, разгружающиеся по склонам в виде источников, отличаются от речных вод относительно повышенными содержаниями ²³⁸U и ²³²Th, что свидетельствует об интенсивно протекающем в этих условиях выщелачивании радиоактитвных элементов. Воды всех источников имели положительные значения Еh (от +350 до + 415 мВ), что подтверждало их принадлежность к водам зоны активного водообмена.

Для доказательства того, что источниками U и Th в трещинных водах были горные породы района, нами были выполнены опыты по стандартному выщелачиванию "подвижных форм" урана и тория (Таб. 2.3).

Из таблицы видно, что в подавляющем большинстве образцов исследованных пород % выщелачивания Th выше, чем U, и следовательно, Th/U отношение в вытяжках больше, чем в исходных породах. На первый взгляд это свидетельтствует о большей подвижности Th по сравнению с U. Однако причина заключается в том, что подвижные формы U лучше растворимы по сравнению с подвижными формами Th в слабоминерализованных водах зоны активного водообмена, контактировавших с породами в естественном их залегании. Поэтому в целом из пород U был вынесен в большей степени, чем Th. В зонах разломов или эндоконтактов, где существенная часть Th связана в акцессорных редкоземельных минералах, доля его подвижных форм падает (Таб. 2.3). Наблюдается отрицательная корреляция между содержанием Th в породах и % его извлечения в вытяжку (R_0,95 = - 0,989). Для U аналогичная связь менее жесткая.

Анализ изотопного состава U и Th был выполнен в вытяжке для одного из образцов (измененного амфиболита) и показал преобладание дочерних изотопов U и Th над материнскими, также как и в водах, дренировавших указанные выше породы. В то же время изотопный состав продуктов гидролитического разложения породы (коллоидной взвеси гидрослюдистого состава), выделенной из этого же образца, отличался от горной породы лишь большей степенью выщелоченности, так как обладал большей удельной поверхностью (Таб. 2.1). Это подтверждает наше предположение о том, что источником радионуклидов в зонах разломов были не только (не столько) сами породы, сколько продукты их разложения.

Переход изотопов U и Th из пород в воды протекает в условиях исследованного района достаточно интенсивно. Даже в канавах на гранитах и песчаниках, обнажающихся на водоразделах, вода после таяния снега была обогащена дочерними изотопами урана , хотя концентрации ²³⁸U были достаточно низкие (порядка 10^-8 г/л): ²³⁴U/²³⁸U = 1,26-1,44. Изотопы тория и радия в воде из канав обнаружить не удалось.

Изучение распределения U в шлифах методом  f-радиографии для биотитовых гранитов массива Мань-Хамбо, выполненное нами в лаборатории Г.Н.Флерова ОИЯИ (Дубна) показало, что вокруг породообразующих минералов (ортоклаз, плагиоклаз) U образует каймы, которые, видимо, представляют собой сорбционные пленки. Концентрация U в этих каймах в 1 000-10 000 раз выше, чем в самих минералах. При содовом выщелачивании растертой породы окисленная часть U, также как и Th, извлекаются из этих пленок и связываются в растворимые карбонатные комплексы. Именно эти формы получили название "подвижных". Как уже говорилось выше, из акцессорных минералов радиоактивные элементы в содовый раствор практически не переходят.

Для северных районов гумидной зоны ведущую роль в миграции химических элементов играют гумусовые кислоты, создающие кислую среду, благоприятную для выветривания горных пород, и связывающие в подвижные комплексные органические соединения даже сравнительно малоподвижные химические элементы (Al, Ti, Zr, Fe³) (Щербина, 1972). Это позволяет нам предположить, что в данных условиях миграция и U, и Th происходило именно в составе подобных соединений с органическими кислотами. Тем более, что существование в речных водах как катионных, так и анионных комплексных соединений с низкомолекулярными фульвокислотами для Се, близкого по своим химическим свойствам Th, было доказано экспериментально (Ярцева, Варшал, Сенявин, Замокина, 1972). По поводу связи урана с гумусовыми кислотами существует достаточно обширная литература.

Наши эксперименты по извлечению подвижных форм урана из аллювиальных песков показали, что для образцов, где около половины урана связано с породообразующими минералами легкой фракции, в вытяжку 5% раствора NaHCO₃ перешло от 41 до 68% общего содержания элемента, в воду - 4-8% валового U, а в водный раствор гумусовых кислот (вытяжку из торфа) - до 19,2%. В образцах, где более 80% урана связано с акцессорными минералами (циртолит, циркон, монацит), в водную вытяжку перешло в 10 раз меньше U, а в гидрокарбонатно-натриевую - в 2-4 раза меньше. Все это лишний раз подтверждает принципиальную возможность перехода U и других радиоактивных элементов в гидрокарбонатно-натриевые воды зоны активного водообмена, фильтрующиеся по трещиноватым породам зон разломов и насыщенные О₂, СО₂, и растворенным органическим веществом.

Индикаторные изотопные отношения как ²³⁴U/²³⁸U, так и ²²⁸Th/²³²Th, в трещинных водах отличаются избытком дочерних изотопов (атомов отдачи), что подтверждает факт перехода в раствор и U, и Th. В ряду урана подвижность дочерних изотопов ²³⁰Th и ²²⁶Ra сходна, а их отношение между собой в горных породах близко к равновесному. Причина такой близости радионуклидов, являющихся изотопами различных по химическим свойствам элементов, в данных условиях скорее всего формальная и связана со сравнительной легкой гидролизуемостью растворимых соединений тория и высокой сорбируемостью радиоколлоидов Ra, не имеющего в данной обстановке носителя.

Различие между концентрациями радионуклидов в трещинных водах и водах ручьев, формирующихся за счет вод источников, стекающих по склонам, является результатом взаимодействия в системе вода-донные осадки.