6.2.1. Методы определения и содержание радиоактивных элементов в земной коре
6.2.1. Методы определения и содержание радиоактивных элементов в земной коре
Оценка содержания радиоактивных элементов в горных породах и рудах проводится с помощью полевых гамма-спектрометрических съемок (см. 6.4.2). Определение же концентрации радионуклидов, особенно самых распространенных (урана, тория, калия-40) проводится разными лабораторными методами ядерной геофизики и ядерной геохимии: радиохимическим, когда непосредственно определяются концентрации тех или иных элементов химическими способами; радиографическим — путем изучения пространственного распределения урана и тория в минералах и породах; люминесцентным — с определением урана и вторичных элементов его ряда через свечение расплавов; рентгеноспектрометрическим, основанным на облучении образцов гамма-лучами с последующим определением энергии вторичного (гамма-гамма) излучения; нейтронно-активационным, в котором образцы облучаются нейтронами, а изучается вторичное гамма-гамма излучение (см. 6.4.3) и др.
В результате исследований минералов, руд и горных пород различными физико-химическими и ядерно-физическими методами накоплен обширный материал, характеризующий содержание наиболее распространенных радионуклидов в земной коре.
Естественные радиоактивные элементы делят на четыре группы:
• долгоживущие (тяжелые) радионуклиды, образовавшиеся в начале создания Земли, семейства урана и тория;
• короткоживущие (легкие) дочерние продукты тяжелых радионуклидов, среди которых основными источниками радиоизлучений являются радий и радон;
• долгоживущие (тяжелые и легкие) одиночные радиоактивные изотопы калия-40, рубидия, стронция и др.;
• короткоживущие (легкие), возникающие в результате взаимодействия космических лучей с атомными ядрами вещества оболочек Земли.
Более 99 % радиогенного тепла дает распад U-238, U-235, Тh-232, К-40. Значение других радионуклидов в балансе радиоактивности невелико.
6.2.2. Радиоактивность минералов
Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них минералов, содержащих естественные радиоактивные элементы, в основном семейств урана, тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы.
1. Наибольшей радиоактивностью отличаются минералы урана (первичные — уранит, настуран, вторичные — карбонаты, фосфаты, сульфаты уранила и др.), тория (торианит, торит, монацит и др.), а также находящиеся в рассеянном состоянии элементы семейств урана, тория и др.
2. Высокой радиоактивностью характеризуются широко распространенные минералы, содержащие калий-40 (полевые шпаты, калийные соли).
3. Средней радиоактивностью выделяются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.
4. Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др.
В этих соседних группах радиоактивность возрастает примерно в 10 раз.
6.2.3. Радиоактивность горных пород, руд, вод и газов
Радиоактивность горных пород и руд определяется содержанием радиоактивных породообразующих минералов. В зависимости от качественного и количественного состава этих минералов, условий образования, возраста и степени метаморфизма их радиоактивность изменяется в очень широких пределах. Радиоактивность пород и руд по эквивалентному процентному содержанию урана принято подразделять на следующие группы:
• породы практически нерадиоактивные (U < 10–5 % = 1 еU);
• породы средней радиоактивности (U < 10–4 %);
• высокорадиоактивные породы и убогие руды (U < 10–3 %);
• бедные радиоактивные руды (U < 10–2 %);
• рядовые и богатые радиоактивные руды (U > 0,1 %).
К практически нерадиоактивным относятся такие осадочные породы, как ангидрит, гипс, каменная соль, известняк, доломит, кварцевый песок и др., а также ультраосновные, основные и средние породы. Средней радиоактивностью обладают кислые изверженные породы, а из осадочных — песчаник, глина и особенно тонкодисперсный морской ил, обладающий способностью адсорбировать радиоактивные элементы, растворенные в воде. Радиоактивные руды (от убогих до богатых) встречаются на урановых или уранториевых месторождениях эндогенного и экзогенного происхождения. Их радиоактивность изменяется в широких пределах и зависит от содержания урана, тория, радия и других элементов.
С радиоактивностью горных пород тесно связана радиоактивность природных вод и газов. В целом в гидросфере и атмосфере содержание радиоактивных элементов ничтожно мало. Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлоридно-кальциевого типов. Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон. Ее принято выражать коэффициентом эманирования пород (СЭ), являющимся отношением количества выделившихся в породу эманаций (в основном радона с наибольшим Т1/2) к общему количеству эманаций. В массивных породах СЭ = 5–10 %, в рыхлых трещиноватых СЭ = 40–50 %, т. е. СЭ увеличивается с ростом коэффициентов пористости и диффузии.
Энергетический спектр излучения, или интервал распределения энергии, является важной характеристикой радиоактивности горных пород и руд. Как отмечалось выше, энергия альфа-, бета- и гамма-излучения каждого радиоактивного элемента либо строго постоянна, либо заключена в определенном спектре. В частности, по наиболее жесткому и проникающему гамма-излучению каждый радиоактивный элемент характеризуется определенным энергетическим спектром. Например, для уранрадиевого ряда максимальная энергия гамма-излучения не превышает 1,76 МэВ, а суммарный спектр — 0,65 МэВ, для ториевого ряда аналогичные параметры составляют 2,62 и 1 МэВ. Энергия гамма-излучения калия-40 постоянна (1,46 МэВ).
Таким образом, по суммарной интенсивности гамма-излучения можно оценить наличие и концентрацию, т. е. количественный состав радиоактивных элементов, а анализируя спектральную характеристику излучений (энергетический спектр), можно определить концентрацию урана, тория или калия-40, т. е. качественный их состав.
Нагрев за счет радиоактивности происходит вследствие поглощения альфа-, бета-, гамма-лучей горными породами. Самые распространенные радиоактивные минералы (уран, торий, калий-40) имеют период полураспада, сравнимый с возрастом Земли, поэтому они являются основными источниками радиогенного тепла в прошлом, настоящем и будущем.