1.4.2. Радиоактивность магматических горных пород

Поведение урана и тория в магматическом процессе во многом определяется их литофильными свойствами, сравни­тельно низкими содержаниями и ассоциацией с более распространенными редкоземельными элементами.

Литофильные свойства урана и тория проявляются в их высоком сродстве к кислороду. Все собственные минералы урана и тория имеют в своем составе кислород. В этом уран и торий сходны с другими литофильными элементами, такими как кремний, алюминий, натрий и калий, и отличаются от элементов сидерофильных (Fe, Co, Ni, Pt и др.) или халькофильных (Си, Ag, Pb, Zn и др.), которые могут образовывать сульфидные соединения или находиться в самородном состоянии.

Литофильность всех трех радиоактивных элементов опре­деляет согласованное их поведение в магматических процес­сах и главную закономерность магматических пород: содер­жание урана, тория и калия и общая радиоактивность пород коррелируются с их кремнекислотностью. Наиболее радиоактивными являются кислые разности пород, наименее – основные и ультраосновные (табл. 1.4).

Таблица 1.4 – Среднее содержание радиоактивных элементов

в изверженных породах

Породы	U, 10-4 %	Th, 10-4 %	Th/U	К, %
Кислые	3,5	18	5,1	3,34
Средние	1,8	7	3,9	2,3
Основные	0,5	3	3,7	0,83
Ультраосновные	0,003	0,005	1,7	0,03

Отношение тория к урану является хорошим показателем конкретных условий образования породы. В общем для магматических пород это отношение порядка четырех (см. табл. 1.4). Исключением являются ультраосновные породы, в большей степени обедненные торием, нежели ураном. Возрастание в среднем этого отношения в кислых разновидностях пород объясняется уже отмеченной большей подвижностью урана в конце магматического процесса.

Эффузивные породы, как правило, отличаются более высокой радиоактивностью в сравнении с интрузивными аналогами. Происходит это преимущественно за счет урана, который в условиях медленной кристаллизации интрузивных пород имеет больше возможности к миграции. В силу этого эффузивные аналоги отличаются в среднем более высокими торий-урановыми отношениями.

1.4.3. Радиоактивность осадочных пород

Содержание радиоактивных элементов в осадочных породах в среднем более низкое, чем в магматических (табл. 1.5). Это связано со значительной дифференциацией радиоактивного вещества при разрушении магматических пород и осадконакоплении. Особенно это касается тория, который может обособляться в монацитовых и циркониевых россыпях, содержащих торий до 10 %. В силу этого осадочные отложения в целом характеризуются более низкими торий-урановыми отношениями (<3,7) по сравнению с магматическими.

Таблица 1.5 – Содержание радиоактивных элементов

в осадочных отложениях континентальной части земной коры

Группы пород	К, %	U, 10-4 %	Th, 10-4 %	Th/U
Песчано-глинистые	1,52,7	2,44,0	9,011,5	2,93,7
Кремнистые	0,31,1	1,72,8	2,26,2	1,22,2
Карбонатные	0,30,8	1,67,8	1,811,9	0,81,5
Соленосные	0,0210n	0,91,0	1,0	1,01,1

Генеральной закономерностью осадочных пород является значительно более низкая радиоактивность кремнистых и карбонатных разностей пород (мергели, доломиты, кремнистые сланцы) по сравнению с терригенными (песчано-глинистыми) разностями. Особенно низким содержанием в этих породах отличаются К и Th. Эта закономерность проявляется как для отдельных разновидностей пород, так и в вариациях содержания радиоактивных элементов в кремнисто-глинистых или известковисто-глинистых породах в зависимости от соотношения глинистого, известковистого или кремнистого компонентов в горной породе. Наблюдаемое часто повышенное содержание урана в карбонатных породах связано с их битуминозностью.

Для терригенных отложений в ряде случаев наблюдается зависимость радиоактивности от степени дисперсности осадков. Содержание радиоактивных элементов и общая радиоактивность растут от песчанистых разностей к песчано-глинистым и максимальны для глинистых разностей пород. Это обстоятельство позволяет в случае песчано-глинистых разрезов определять степень глинистости пород по их радиоактивности, тем самым разделяя песчанистые пористые породы, которые могут служить коллектором для нефти, газа и воды, от глинистых пород, спо­собных выполнять роль экрана.

Повышенная радиоактивность глин связана с их высокой способностью сорбировать катионы, особенно с большими зарядами, каковыми являются ионы тория и урана, а также с содержанием калия в глинистых минералах. Однако закономерности радиоактивности терригенных пород чаще всего не так просты.

Причиной отклонения от общих закономерностей служат конкретные условия выветривания и осадконакопления, индикаторами которых и являются радиоактивные элементы.

При выветривании горных пород основная часть тория и калия мигрирует с обломочным материалом и тонкими взвесями. Акцессорные минералы, в которые торий и уран входят в качестве изоморфных примесей, а также ториевые и калий-содержащие (калишпат, гидрослюды) минералы относительно устойчивы в зоне выветривания. Наибольшей подвижностью обладают уран и торий, рассеянные в кристаллах породообразующих минералов и находящиеся в сорбированном состоянии. Уран в сравнении с торием отличается значительно большей растворимостью, так как присутствует в зоне гипергенеза преимущественно в шестивалентной подвижной форме. Большинство закономерностей в поведении радиоактивных элементов в седиментационном процессе может быть объяснено следующими обстоятельствами: а) преимущественной миграцией тория и калия в твердом состоянии в виде частиц и взвесей, а урана – в растворе; б) высокой способностью ионов тория и урана сорбироваться на заряженной поверхности глинистых минералов, органики, фосфоритов, гидроокислов железа, алюминия, марганца и других природных коллоидов; в) способностью урана резко терять свою подвижность при переходе из шестивалентного состояния, в котором он преимущественно находится в растворах, в четырехвалентное, если на пути миграции встречаются восстановительные барьеры, такие как углерод- или пиритсодержащие породы.

В большей мере совпадают области накопления калия и тория. Осадки прибрежных мелководных фаций, формирующиеся в непосредственной близости от области сноса, характеризуются максимальным накоплением калия и тория. В случае полимиктового состава осадков повышенная радиоактивность характерна как для песчанистых, так и для глинистых образований. В глубь бассейна содержание калия и тория уменьшается и переходные фации характеризуются пониженной радиоактивностью. В направлении от береговой линии калийсодержащие глинистые минералы (гидрослюды, глауконит) сменяются бескалиевыми, преимущественно монтмориллонитами.

В осадках относительно глубоководных фаций, представленных тонким глинистым материалом, концентрация тория вновь повышается. Это несомненно указывает на различные формы поступления его в седиментационный бассейн, с одной стороны, в виде обломочных минералов, определяющих накопление тория в мелководных прибрежных фациях, с другой – в сорбированной форме, обеспечивающей повышенное содержание его в осадках с увеличением количества тонкого глинистого материала. Как правило, содержание тория в глинистых породах относительно глубоководных частей бассейнов выше, чем в песчаниках прибрежной зоны.

Геохимические особенности урана в седиментационных процессах обусловлены тем, что он поступает в бассейн осадконакопления в растворенном состоянии. Определяющим фактором в осаждении урана является содержание в осадках органического вещества. Четкая корреляция содержаний урана и органического вещества является наиболее яркой особенностью осадочных пород.

Возможны следующие механизмы осаждения урана из раствора в осадок органическим веществом: а) процессы сорбции; б) образование ураноорганических соединений; в) восстановление урана в процессе окисления органического вещества.

В современных морских бассейнах существуют две зоны накопления в осадках органического вещества. Первая соответствует относительно глубоководным условиям накопления тонких осадков. Формирование относительно равномерно распределенного в породе органического вещества здесь происходит за счет масс планктона и бентоса. Наблюдается приуроченность органического вещества к глинистой фракции. Вторая зона накопления органического вещества в осадках соответствует условиям фор­мирования мелководных фаций. Органическое вещество в осадках связано с разложением на дне осадочного бассейна различного растительного материала. Распределение органического вещества неравномерное, связь с гранулометрическим составом отсутствует.

Соответственно существуют и две области накопления урана в осадках: прибрежно-морская и глубоководная. В первой содержание урана резко неравномерное, зависимости его от глинистости отложений, характерной для глубоковод­ных осадков, не наблюдается. Глубоководные глинистые осадки характеризуются относительно равномерным и высоким содержанием урана. Наибольшие обуглероженность и ураноносность наблюдаются у пород, формировавшихся в условиях резко восстановительной среды.

Таким образом, для пород переходных условий осадконакопления отмечаются согласованное понижение содержаний всех трех радиоэлементов и низкая радиоактивность в сравнении с породами глубоководных и прибрежных фаций. Последние могут быть распознаны по соотношениям в содержаниях радиоактивных элементов. Во всех случаях глинистые и углеродистые породы характеризуются повышенными содержаниями, по крайней мере, урана и тория; обогащенность их также калием указывает на преимущественно мелководные условия осадконакопления, хотя и в этом могут быть исключения. Чаще всего наиболее согласованные изменения содержания обнаруживаются у Th и К.