Водная миграция урана в зоне гипергенеза

Физико-химические процессы, происходящие при подземном выщелачивании урана, напоминают физико-химические процессы, происходящие при выщелачивании урана из горных пород подземными водами в природных условиях. Поэтому для оценки поведения урана при подземном выщелачивании необходимо прежде всего знание его поведения и формы водной миграции в зоне гипергенеза.

Под миграцией химических элементов подразумевается перемещение и перераспределение их в земной коре и на её поверхности. При этом в результате миграции выносятся и рассеиваются одни элементы и накапливаются другие.

Зона гипергенеза – верхняя часть земной коры – характеризуется наличием низких давлений и низких температур. Миграция химических элементов в зоне гипергенеза происходит или непосредственном участии живого вещества или в среде, геохимические особенности которой (присутствие О₂, СО₂, Н₂S и т.д.) обусловлены преимущественно живым веществом, как современным, так и существовавшим на земле в течение всей геологический истории. Везде, где в зоне гипергенеза имеются вода и органические вещества, то есть в почвах, корах выветривания, водоносных горизонтах, поверхностных водах живые организмы (преимущественно микроорганизмы) разлагают органические и неорганические вещества и насыщают воды чрезвычайно активными химическими соединениями (H₂S, CO₂, фульвокислоты и др.), то есть превращают аккумулированную в органических соединениях солнечную энергию в работоспособную форму /7/.

Различают биогенную, физико-химическую и механическую миграцию элементов в зоне гипергенеза. Все эти виды миграции тесным образом связаны между собой.

В общем цикле миграции урана биогенная миграция существенного значения не имеет. Живое вещество не накапливает уран, а лишь захватывает. Причиной этого является ядовитость урана, которая определяется его химическими свойствами. Влияние живого вещества на миграцию урана сказывается косвенно: органическое вещество формирует восстановительную обстановку и является энергичным адсорбентом урана /3, 13/.

Механическая миграция урана заключается в перемещении урансодержащих пород с помощью ветра, льда, воды.

Физико-химическая миграция урана протекает главным образом в природных водах и осуществляется в результате процессов растворения, диффузии, сорбции, десорбции, соосаждения и т.д. /8/.

Водная миграция урана – решающая во всем его миграционном цикле. Определяющими факторами водной миграции являются состав природных вод и геохимическая обстановка.

Природные воды зоны гипергенеза – сложные истинные и коллоидные растворы. Формирование состава природных вод происходит в результате процессов выщелачивания, испарения, конденсации, ионного обмена, поглощения и выделения газов, жизнедеятельности организмов и др. В природных водах в растворенном состоянии найдено свыше 60 химических элементов. В.И. Вернадский предложил разделить все химические элементы на пирогенические и гидрогенические /9/. Пирогенические – элеменеты, не входящие в «основное водное равновесие земной коры». Эти элементы входят в изверженные минералы. В.И. Вернадский выделил 30 таких элементов, но отметил, что некоторые из них могут находиться в водных растворах (подчеркнуты):

Гидрогенические элементы – те, которые участвуют в «водном равновесии». Их 62, наиболее типичны 44:

H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Sr, Mo, Ag, Cd, Zn, Sn, Sb, Te, J, Ba, W, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Ra, U.

Содержание большинства гидрогенических элементов не превышает в природных водах n^.10^-5 г/л.

В значительном количестве в виде ионов находятся Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₂^2-, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Fe³⁺.

Важными компонентами природных вод является растворенные в них газы: O₂, CO₂, H₂S, N₂, CH₄ и др.

Кроме того, в природных водах содержатся органические вещества - нефтяные углеводороды, смолы, масла, гуминовые, фульвокислоты. Окислительно-восстановительный характер природных вод определяют в основном O₂, H₂S, Fe²⁺, Fe^{3 +}, органические вещества, кислотно-щелочной – H⁺, H₂S, HCO₃^_, CO₃^2-, CO₂ /7, 10/.

Окислительно-восстановительные свойства среды являются определяющими в миграции урана, характерной особенностью которого в зоне гипергенеза является интенсивная миграция в окислительной среде и низкая в резко восстановительной.

В зависимости от состава растворенных газов различают три окислительно-восстановительные обстановки водной миграции /7/:

1. окислительная (в воде присутствует свободный кислород);

2. восстановительная глеевая (в воде отсутствует сероводород);

3. восстановительная сероводородная.

В зависимости от кислотно-щелочных свойств различают:

1. сильнокислые воды (содержат H₂SO₄);

2. слабокислые воды (содержат органические кислоты, H₂CO₃);

3. нейтральные и слабощелочные слабоминерализованные воды;

4. нейтральные и слабощелочные сильноминерализованные воды;

5. сильнощелочные (содовые) воды.

Поскольку миграцию урана определяют как окислительно-восстановительные, так и кислотно-щелочные свойства природных вод, представляется интересным рассмотреть проведение урана в каждой из перечисленных выше обстановок.