Гидрогеохимия урана и тория презентация

Вода является основным компонентом, обуславливающим миграцию радиоактивных элементов в зоне гипергенеза. Благодаря движению раствора и диффузии растворенных компонентов непрерывно совершаются изменения в составе вещества земной коры. Поэтому для геохимии радиоактивных элементов очень важно знание закономерностей их миграции и концентрирования в водах зоны гипергенеза. Вода является основным компонентом, обуславливающим миграцию радиоактивных элементов в зоне гипергенеза. Благодаря движению раствора и диффузии растворенных компонентов непрерывно совершаются изменения в составе вещества земной коры. Поэтому для геохимии радиоактивных элементов очень важно знание закономерностей их миграции и концентрирования в водах зоны гипергенеза.

Зональность подземных вод При анализе миграции элементов в зоне гипергенеза необходимо учитывать вертикальную зональность подземных вод. Принято выделять два типа зональности: 1) в породах с положительной среднегодовой температурой; 2) в многолетнемерзлых породах (Черников, 1981). В породах с положительной среднегодовой температурой по современным представлениям область циркуляции приповерхностных вод может быть разделена на три зоны: 1. активного водообмена (верхняя), воды которой находятся выше базиса эрозии в сфере дренирующего воздействия местной гидрографической сети; 2. затрудненной циркуляции (средняя), находящаяся под влиянием отдельных дрен; 3. застойного водного режима (нижняя), характеризующаяся сменой вод в течение геологического времени.

Зона активного водообмена Зона активного водообмена как правило насыщена кислородом и углекислотой, поэтому обладает значительной окисляющей и растворяющей способностью. Особенно агрессивны воды этой зоны на участках окисления сульфидных месторождений, где они обогащены сульфат-ионами. В составе зоны активного водообмена принято выделять три подзоны: – Подзона просачивания – самая верхняя, расположенная между поверхностью и уровнем грунтовых вод. Все поры и трещины этой подзоны не полностью, спорадически, главным образом после дождей и снеготаяния, заполняются водой; – Подзона сезонных или многолетних колебаний уровня подземных вод характеризуется тем, что после снеготаяния и длительных дождей зеркало подземных вод поднимается, а в засушливый период – опускается; – Подзона насыщения характеризуется постоянным заполнением пор и трещин растворами. Питание этой подзоны осуществляется за счет просачивания сверху вод, насыщенных свободным растворенным кислородом, а также за счет подтока из области питания и поступления газов и напорных вод из глубинных источников, лишенных свободного кислорода, а иногда и обогащенных восстановителями.

Зона затрудненной циркуляции Зона затрудненной циркуляции подземных вод характеризуется напорным режимом. Она наблюдается в глубоких частях проточных артезианских бассейнов. По сравнению с водами верхней зоны растворы здесь не содержат свободного кислорода и часто насыщены азотом, метаном, сероводородом.

Зона застойного водного режима Зона застойного водного режима характерна для глубокозалегающих водоносных комплексов и для гидрогеологических изолированных структур. Растворы этой зоны имеют повышенную минерализацию, часто повышенную температуру, обогащены азотом, метаном, сероводородом и углекислотой. В соответствии с гидродинамической зональностью отмечается изменение и химического состава водоносной системы, которое проявляется в увеличении минерализации, изменении состава и количества растворенных солей, газов, органических веществ, величин pH и Eh и др. показателей.

Содержание урана и тория в водах зоны гипергенеза Поверхностные воды Вода морей и океанов Среднее содержание урана и тория в природных водах (по С.Л. Шварцеву, 1998), мкг/л

Уран в морской воде Содержание урана в морской воде по разным оценкам колеблется от 0,3 до 3,7х10-7%. Согласно наиболее поздним оценкам его среднее содержание в мировом океане составляет 3х10-7%. На фоне относительно равномерного распределения солей в морской воде установлена неравномерность распределения в ней урана как в горизонтальном направлении, так и по вертикали. Это явление установлено не только для прибрежных участков и внутриконтинентальных морей, но и для открытого океана (Основные…, 1963). По Р. Лофвендаль (1987) содержание урана в морской воде зависит от солености. При солености 35‰ оно составляет 3,3х10-7%. Вблизи континентов различия в содержании урана вызваны прежде всего влиянием речного стока, в особенности многоводных рек.

Торий в морской воде Оценки среднего содержания тория в морской воде еще более разнообразны. Многочисленные определения тория в морской воде дают оценки содержания, различающиеся на два порядка – 0,6-280х10-4 мкг/л. Е.Г. Гуревич с соавторами и В.А. Ветров принимают за среднюю величину содержание 1х10-4 мкг/л. При этом в материале взвеси содержится 0,3 г/т тория, в планктоне – 0,1 г/т, т.е. во взвешенном состоянии в океанической воде содержится 0,6х10-4 мкг/л, в растворенном – 1х10-4 мкг/л (около 60%).

Торий-урановое отношение Очевидно, что при принятии любой из оценок содержания урана и тория в водах морей и океанов, торий-урановое отношение будет довольно низким, менее 0,1. Эти значения существенно ниже средних данных для горных пород и подчеркивают слабые миграционные свойства тория в водах зоны гипергенеза

Речные и озерные воды Среднее содержание урана в речных водах составляет 0,04 мкг/л, тория – 0,1 мкг/л. Более поздние оценки дают на порядок более высокие значения для урана – 0,4-0,5 мкг/л (Иванов, 1997) Оценки содержания тория в речной воде согласно современным данным В.А. Ветрова (1996) составляют 0,1 мкг/л Th. Торий-урановое отношение при этом близко к среднему значению для осадочных горных пород и на треть ниже среднего для земной коры. При низкой растворимости тория в водах этот факт говорит о том, что значительная доля урана и тория в речных водах мигрирует в составе взвеси. Согласно Н.А. Титаевой (1992), в речных водах торий распространен в основном в виде тонкой взвеси, а содержание растворимой формы в воде составляет nх10-4¸ nх10-2 мкг/л.

На содержание растворенного урана в речных водах оказывает влияние климатическая зональность. Особенно отчетливо это проявлено в отношении малых рек. В засушливых районах в водах рек отмечается более высокое содержание урана, чем в районах с избыточным увлажнением (Основные …, 1963). При этом для малых рек из одной климатической зоны определяющее влияние на содержание в воде урана и тория оказывают особенности состава области питания. На содержание растворенного урана в речных водах оказывает влияние климатическая зональность. Особенно отчетливо это проявлено в отношении малых рек. В засушливых районах в водах рек отмечается более высокое содержание урана, чем в районах с избыточным увлажнением (Основные …, 1963). При этом для малых рек из одной климатической зоны определяющее влияние на содержание в воде урана и тория оказывают особенности состава области питания. Поверхностные воды весьма неоднородны по содержанию урана. Так, исследование коллектива специалистов Томского политехнического университета (Копылова и др., 1996) показало, что в поверхностных водах юга Западной Сибири содержание урана изменяется от 0,025 до 100 мкг/л (табл).

Содержание урана в водах юга Западной Сибири (по Ю.Г. Копыловой и др., 1996)

Озерные воды Распределение урана в озерных водах неравномерно и во многом определяется климатической зональностью. Содержание его варьирует от 3х10-2 до nх10+2 мкг/л. Наиболее низкие концентрации характерны для проточных высокогорных озер и озер северных широт. И те и другие отличаются низкой общей минерализацией. В России климатическая зональность отчетливо проявлена в направлении с севера на юг от областей с избыточным увлажнением к степным засушливым районам. В этом направлении отчетливо возрастает как общая минерализация озерных водоемов, так и содержание урана. Содержание урана в озерах зависит от ряда факторов (речной сток, осаждение с илами и др.), и зависимость концентрации урана от общей минерализации воды более сложная, чем простая арифметическая

Схема взаимосвязи между общей минерализацией и содержанием урана для различных типов природных вод (по А.И. Германову, 1963). Схема взаимосвязи между общей минерализацией и содержанием урана для различных типов природных вод (по А.И. Германову, 1963). 1 – атмосферные осадки; 2 – грунтовые воды вне участков выщелачивания ранее накопленных в породах каменной соли, гипса и других воднорастворимых солей; 3 – воды урановых месторождений в окислительной обстановке; 4 – подземные воды в восстановительной обстановке; 5 – речные воды; 6 – озерные воды; 7 – морские воды.

Подземные воды Подземные воды являются важным фактором перераспределения первично конституциональных содержаний урана в проницаемых отложениях платформенных артезианских бассейнов и обрамляющих их складчатых областей. Накопленный к настоящему времени материал по закономерностям распределения радиоактивных элементов в подземных водах свидетельствует об их зональном распределении как в латеральном направлении, так и в разрезе гидрогеологических структур.

В подземных водах содержание урана подвержено большим колебаниям – от 0,1 мкг/л до 2,5 г/л (Иванов, 1997). В районах с фоновым его содержанием в породах, нормальными значениями pH и умеренным климатом они обычно низкие. В подземных водах содержание урана подвержено большим колебаниям – от 0,1 мкг/л до 2,5 г/л (Иванов, 1997). В районах с фоновым его содержанием в породах, нормальными значениями pH и умеренным климатом они обычно низкие. А.Н. Токарев (1956) разработал систематику природных вод по степени их ураноносности, не потерявшую своего значения и сейчас. Из нее видно, что воды кор выветривания, глубоких тектонических зон и особенно воды интенсивного водообмена урановых месторождений обогащены ураном.

Группировка природных вод по содержанию U (по А.Н. Токареву, 1956)

С.Л.Шварцевым (1998) приведен обзор данных по содержанию большой группы химических элементов в подземных водах зоны гипергенеза различных ландшафтоно-климатических зон (табл.). С.Л.Шварцевым (1998) приведен обзор данных по содержанию большой группы химических элементов в подземных водах зоны гипергенеза различных ландшафтоно-климатических зон (табл.). Анализ этих данных показывает, что с аридизацией климата и ростом общей минерализации подземных вод зоны гипергенеза возрастает содержание урана. Эта тенденции ярко выражена и в пределах одной климатической зоны. Такая закономерность позволяет сделать вывод, что климатический фактор при близком составе и проницаемости водовмещающих пород является определяющим для накопления урана в водах. При том, что по мере роста солености вод количество химических элементов, способных оставаться и концентрироваться в жидкой фазе неуклонно уменьшается, содержание урана продолжает устойчиво расти. Несмотря на то, что торий отличается существенно меньшей подвижностью в водах зоны гипергенеза, его распределение по климатическим зонам подчиняется той же закономерности, что и распределение урана.

Содержание U и Th в подземных водах зоны гипергенеза (по С.Л. Шварцеву, 1998)

Торий-урановое отношение Хотя уран и торий совместно концентрируются в водах с ростом их минерализации, торий-урановое отношение при этом уменьшается. Это связано с более интенсивным накоплением урана в водах, чем тория и подчеркивает более слабую миграционную способность тория в условиях зоны гипергенеза по отношению к урану.

Хлоридные воды более благоприятны для миграции урана, чем сульфатные и содовые??. На это указывает более высокое его содержание в хлоридных водах Водорастворимые соли грунтовых вод богаче ураном, чем минерализованный остаток пластовых вод. Количество урана отчетливо снижается с повышением глубины залегания подземных вод. На глубинах более 1 км не установлено содержаний урана более 1 мкг/л и с глубиной оно еще более снижается.

Особый тип распределения урана характерен для пластовых вод нефтяных месторождений. Для пластовых вод в зоне водно-нефтяного контакта характерно высокое содержание радия и низкое содержание урана. Содержание тория в водах на уровне фона. Отмечено, что содержание урана снижается в направлении к залежи нефти, а в нефтяной залежи, наоборот, увеличивается в направлении к водно-нефтяному контакту (Богомолов и др., 1982 и др.). Согласно данным Н.А. Титаевой (2005) источником радия, тория и урана в водах являются вмещающие породы. Процесс нарушения радиоактивного равновесия обусловлен слабой подвижностью урана в растворах в связи со значительной долей восстановителей (в основном органики и H2S) в водах и высокой подвижностью радия. В пластовых водах присутствуют также дочерние продукты распада тория без самого Th232, что свидетельствует о том, что процесс обогащения пластовых вод является современным и достаточно быстрым (через 40 лет они бы полностью распались). Особый тип распределения урана характерен для пластовых вод нефтяных месторождений. Для пластовых вод в зоне водно-нефтяного контакта характерно высокое содержание радия и низкое содержание урана. Содержание тория в водах на уровне фона. Отмечено, что содержание урана снижается в направлении к залежи нефти, а в нефтяной залежи, наоборот, увеличивается в направлении к водно-нефтяному контакту (Богомолов и др., 1982 и др.). Согласно данным Н.А. Титаевой (2005) источником радия, тория и урана в водах являются вмещающие породы. Процесс нарушения радиоактивного равновесия обусловлен слабой подвижностью урана в растворах в связи со значительной долей восстановителей (в основном органики и H2S) в водах и высокой подвижностью радия. В пластовых водах присутствуют также дочерние продукты распада тория без самого Th232, что свидетельствует о том, что процесс обогащения пластовых вод является современным и достаточно быстрым (через 40 лет они бы полностью распались).

Формы миграции урана и тория в водах зоны гипергенеза. 1. Механическая миграция. Уран и торий совместно мигрируют во взвесях в составе устойчивых к химическому выветриванию минералов. 2. Миграция в форме сульфатных соединений. Этот тип миграции характерен только для кислых сульфатных вод. Такие условия возможны в зонах окисления сульфидных месторождений. В такой форме мигрирует U6+ и U4+, например, в форме UO2(SO4)22-. 3. Миграция в виде хлоридных соединений. Характерна для кислых хлоридных вод. 4. Уран мигрирует в виде ионов уранила UO22+ или UO2(OH)+ , а также UO3·H2O и UO3·2H2O при pH 4,5-7,5. 5. В водах, содержащих ионы HCO3 и CO32- установлена миграция урана в виде уранил-карбонатных комплексных соединений с Na, Ca и Mg в виде ионов UO2(CO3)22- при pH 4,5-6,5 или UO2(CO3)34- при более высоких значениях pH. 6. Миграция в виде органических комплексов, которые могут существовать как в слабощелочных, так и слабокислых водах. Установлены комплексы урана и тория с фульвокислотами и гуминовыми кислотами. 7. Торий в морской и речной воде может мигрировать в форме сложных гидроксокомплексов типа ThO2OH+, Th(OH)3+, Th(OH)40, Th6(OH)59+. 8. Торий в морской воде может присутствовать в микроконцентрациях в форме малоустойчивого положительно заряженного комплекса [Th (СO3)5]6+, легко сорбируемого глинистыми минералами.

Торий В подземных водах максимальный коэффициент водной миграции тория должен иметь место в кислых и щелочных водах. В этом отношении Th похож на Zr. Основные формы нахождения тория в подземных водах: Th(OH)n4-n, ThFn4-n, Th(CO3)n4-2n, Th(SO4)n2-n. Самая высокая концентрация тория установлена в водах содовых озер (Cl-CO3-Na) аридной зоны и в грунтовых водах (HCO3-Ca, SO4-Ca) месторождений редких элементов. В первом случае в водах с минерализацией до 100 г/л содержится до nх10, nх100 мкг/л, во втором – 0,n¸ n мкг/л тория.

Уран Коэффициент водной миграции урана – 3,1 (Ca – 3.3, Mg – 2,3), гораздо выше, чем у тория – 0,07 (Cr – 0,08; Zr – 0,02). Шестивалентный уран – ион уранила (UO2) хорошо растворим в воде. Простые ионы и комплексы U6+, особенно карбонатные (CO3, HCO3), а также OH-, SO42-, J и др легко мигрируют в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах. В океанической воде основной формой нахождения урана является [UO2(CO3)3]4-. Кроме этих соединений уран может содержаться в водах в коллоидной форме, в виде золей гидрооксида [UO2(OH)2]n, комплексных щелочно-гуматных и уран-органических соединений, а также, возможно, в форме гидроксиуранилсиликатного соединения типа (UO2(OH))·(HSiO3) в силикатных водах (Иванов, 1997).