Естественная радиоактивность горных пород

В горных породах присутствуют более 50 радиоактивных изотопов. Одиночные изотопы (⁸⁷Rb, ¹⁴⁷Sm и др.) отличаются слабой активностью и весьма низкими содержаниями и не вносят заметного вклада в радиоактивность пород. Исключение составляет радиоактивный изотоп калия - ⁴⁰К, доля которого в общей смеси изотопов этого элемента равна 0,011%. Тяжелые радиоактивные элементы с малыми периодами полураспада входят в состав рядов и могут быть учтены по содержаниям их родоначальников. Таким образом, радиоактивность горных пород зависит от содержания в ней трех элементов: урана, тория и калия. Поскольку в радиоактивных рядах много излучателей, горная порода характеризуется сложным спектром гамма-излучения (рис. 7.1), наиболее выразительны пики энергий 1,76 и 2,2 МэВ элементов уранового ряда, а также пики 0,92 и 2,62, элементов ториевого ряда и 1,45 МэВ, которые принадлежит калию.

Рис. 7.1. Жесткая часть спектра гамма-излучения гранитов

7.2.1 Форма нахождения радиоактивных элементов в горных породах

Элементы уран и торий входят в семейство актиноидов, переходных элементов, у которых достраивается глубоко расположенный 5f-уровень, подобно тому, как в семействе лантаноидов (редкоземельных элементов) достраивается 4f-ypoвень, а у элементов группы железа - Sd-уровень. Принадлежность U и Th к переходным элементам определяет широкий спектр проявления их геохимических свойств.

1. В связи с тем что происходит заполнение внутренней электронной оболочки, все актиноиды имеют близкие химические свойства и практически одинаковые радиусы ионов. Так, радиусы Th⁴⁺ и U⁴⁺ равны соответственно 0,99 и 0,93 А. Это определяет близкое геохимическое поведение урана и тория, вхождение их в качестве изоморфных примесей в одни и те же минералы, замещение друг друга в собственных минералах.

2. Характерны явления изоморфизма урана и тория с редкоземельными элементами (церий, лантан, неодим и др.).

3. Помимо сходства с лантаноидами, уран и торий имеют близкие химические свойства с переходными элементами других периодов: Ti, Zr, Hf, V, Nb и Та; уран, кроме того, - с Сг, Мо и W.

Тесные корреляционные связи ряда элементов с радиоактивными позволяет оценить их содержание в породе (рис.7.2).

.

Рис 7.2. Корреляционная связь тория с ниобием и танталом (по А. К. Сенько, 1958).

Густота штриховки соответствует плотности точек корреляции

При свободном доступе кислорода шестивалентный уран находится в форме комплексного катиона уранила - (UO₂)²⁺. Соотношение U⁴⁺ и U⁶⁺ определяет окислительно-восстановительный потенциал среды..

В горных породах уран и торий присутствуют в трех формах:

1) в виде собственных минералов; наиболее распространены торианит, уранинит, торит и др.;

2) в виде изоморфной примеси в минералах;

3) в рассеянной форме: в дефектах структур породообразующих минералов, в адсорбированном состоянии на поверхности минеральных зерен и в микротрещинах.

В связи с низкими кларками (порядка 10^-4 %) преобладают третья и вторая формы их нахождения

В слабо- и нормально радиоактивных минералах, к которым относятся основные породообразующие полевые шпаты, железо-магнезиальные силикаты, уран и торий находятся в рассеянной форме; в высокорадиоактивных акцессориях - преимущественно в виде изоморфных примесей (рис. 7.3).

Рис 6.3. Уровень содержания урана и тория в минералах гранитоидов.

1-2 - группы минералов по радиоактивности: 1 - слаборадиоактивные, 2 – нормальнорадиактивные; 3 и 4 - повышенно-и высокорадиоактивные

Калий в силу относительно высокого содержания в породе образует в основном собственные минералы (табл. 7.1). Повышенное его количество отмечается в калиевых слюдах и полевых шпатах, в глинистых минералах.

Таблица 7.1 Содержание калия в породообразующих минералах