Радиогеоэкологические особенности урана и его изотопов

Размещена http://www.allbest.ru

Размещена http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Глава 1. Распространённость урана и его изотопов в окружающей среде

Глава 2. Геохимические свойства урана и его изотопов

Глава 3. Основные минералы урана

Глава 4. Месторождения урана

Глава 5. Кларк урана, его изотопов и его ПДК

Глава 6. Токсичность и радиотоксичность урана

Глава 7. Использование урана и его изотопов в медицине и технике

Глава 8. Методы радиологического исследования геологических формаций

Глава 9. Полевые радиометрические методы

Список использованной литературы



Введение

В Богемии (Чехословакия) с давних пор производилась добыча полиметаллических руд. Среди руд и минералов горняки часто обнаруживали черный тяжелый минерал, так называемую смоляную обманку (Pechblende). В XVIII в. полагали, что этот минерал содержит цинк и железо, однако точных данных о его составе не было. Первым исследованием смоляной обманки занялся в 1789 г. немецкий химик-аналитик Клапрот. Он начал со сплавления минерала с едким калием в серебряном тигле. Однако продукт сплавления минерала растворялся не полностью. Отсюда Клапрот пришел к выводу, что в минерале нет ни молибдена, ни вольфрама, есть какая-то неизвестная субстанция, содержащая новый металл. Клапрот попробовал растворить минерал в азотной кислоте и царской водке. В остатке от растворения он обнаружил кремниевую кислоту и немного серы, а из раствора через некоторое время выпали красивые светлые зеленовато-желтые кристаллы в виде шестигранных пластинок. Под действием желтой кровяной соли из раствора этих кристаллов выпадал коричнево-красный осадок, легко отличимый от подобных осадков меди и молибдена. Клапроту пришлось много потрудиться, прежде чем ему удалось выделить чистый металл. Он восстанавливал окисел бурой, углем и льняным маслом, но во всех случаях при нагревании смеси образовывался черный порошок. Только в результате вторичной обработки этого порошка (нагревание в смеси с бурой и углем) получилась спекшаяся масса с вкрапленными в нее маленькими зернами металла. Клапрот назвал новый металл ураном (Uranium) в ознаменование того, что исследование этого металла почти совпало по времени с открытием планеты Уран (1781). Слово уран происходит от греч.- небо и, таким образом, может означать "небесный металл". Смоляную обманку Клапрот переименовал в "урановую смолку". Чистый металлический уран получил впервые Пелиго в 1840 г. Долгое время химики располагали солями урана в очень небольших количествах; их использовали для получения красок и в фотографии. Исследования урана хотя и велись, но мало что прибавляли к тому, что установил Клапрот. Атомный вес урана принимали равным 120 до тех пор, пока Менделеев предложил удвоить эту величину. После 1896 г., когда Беккерель открыл явление радиоактивности, уран вызвал глубочайший интерес и химиков и физиков. Беккерель обнаружил, что двойная соль калийуранилсульфат оказывает действие на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, т. е. испускает какие-то лучи. Супруги Кюри, а затем и другие ученые продолжили исследования Беккереля, в результате чего были открыты радиоактивные элементы (радий, полоний и актиний) и множество радиоактивных изотопов тяжелых элементов. В 1900 г. Крукс открыл первый изотоп урана - уран-Х, затем были открыты другие изотопы, названные уран-I и уран-II. В 1913 г. Фаянс и Геринг показали, что в результате beta-излучения, уран-Х1 превращается в новый элемент (изотоп), названный ими бревием; позже его стали именовать ураном-Х2. К нашему времени открыты все члены ураново-радиевого ряда радиоактивного распада [1].

Уран -- очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667,7 C), бета (четырёхугольная, стабильна от 667,7°C до 774,8 C), гамма (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8°C до точки плавления).

На данный момент известны 26 изотопов урана и еще 6 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе встречаются три изотопа урана: 234U (изотопная распространенность 0,0055 %), 235U (0,7200 %), 238U (99,2745 %).

Уран может проявлять степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:



4UCl3 + 2H2O > 3UCl4 + UO2 + H2^

Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.

Соединения урана(V) неустойчивы и легко диспропорционируют в водном растворе:

2UO2Cl > UO2Cl2 + UO2

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150--175°C, образуя U3O8. При 1000 C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления -- III--VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO3 и хлорид уранила(уранилхлорид) UO2Cl2.Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 -- примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики [3].



Глава 1. Распространённость урана и его изотопов в окружающей среде

Уран широко распространён в природе; в значительных концентрациях он обнаружен во многих горных породах, в океанах, а также в лунных породах и метеоритах. В земной коре его больше, чем серебра, висмута, кадмия или ртути (по распространенности он занимает 38-е место), но он находится главным образом в рассеянном состоянии.

Уран - характерный элемент для гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Среднее содержание урана в земной коре (кларк) 2,5·10-4% по массе, в кислых изверженных породах 3,5·10-4 %, в глинах и сланцах 3,2·10-4 %, в основных породах 5·10-5 %, в ультраосновных породах мантии 3·10-7 %. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивают в 1.3?1014 т. Он входит в состав всех пород, слагающих земную кору, а также присутствует в природных водах и живых организмах. Мощных месторождений не образует. Основная масса урана содержится в кислых, с высоким содержанием кремния, породах. Наименьшая концентрация урана имеет место в ультраосновных породах, максимальная - в осадочных породах (фосфоритах и углистых сланцах). В океанах содержится 1010 т урана.

В гидротермальном процессе уран активно мигрирует в виде уран-карбонатных комплексов. При понижении окислительно-восстановительного потенциала растворов, падении парциального давления углекислоты, изменении pH растворов происходит разрушение этих комплексов и выпадение урана в виде минеральных фаз. Температурные интервалы образования гидротермальных урановых минералов оцениваются в 100-220о, иногда 300-350о. Процессы метаморфизма от амфиболитовой до гранулитовой фракции обычно сопровождаются выносом урана. При ультраметаморфизме возможен его некоторый привнос. В экзогенных процессах уран способен мигрировать в кислородсодержащих водах и переходить в твердую фазу при смене окислительно-восстановительной обстановки (геохимический барьер).

Уран энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. Важную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку соединения урана хорошо растворимы в водах с окислительной средой и плохо растворимы в водах с восстановительной средой (например, сероводородных).

Вода океанов, содержащая 3,5% солей, имеет около 2?10-6 гU/л (2?10-9 г/г). Полное содержание урана в океанах составляет 4?109 т, или 0,003 вес.% количества его в земной коре. В морской воде содержание урана находится в пределах 0.36?10-6-2,3?10-6 г/л. При содержании в океанической воде карбонат-иона больше чем n?10-6 н. (рН>7,5 при РСО2=5?10-4 атм). Уран находится в океанической воде в виде комплекса [UO2(CO3)3]4-. В этом состоянии он не способен в значительных количествах переходить в донные отложения. При содержании карбонатного иона в океанической воде, меньшем n?10-6 н. (рН<7,5 при РСО2=5?10-4 атм), уран находится в океанической воде в форме продуктов гидролиза, адсорбированных на кремний содержащих коллоидных частицах. При этом уран уходит на дно со скоростью, определяемой скоростью седиментации частиц, на которых он адсорбирован. В поверхностном слое Баренцева моря концентрация урана равна 1,6?10-6г/л, Чёрного моря - 2,9?10-6г/л.

Концентрация урана в водах рек европейской части России находится в пределах (0,15-3,3)?10-6 г/л, в реках азиатской части России (0,2-10,0)?10-6 г/л; в озёрах России концентрация урана находится в пределах (0,15-15,2)?10-6 г/л, а концентрация урана некоторых подземных водах России, не связанных с урановыми месторождениями - в пределах (0,2-120)?10-6 г/л.

В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов Рb и Не. Радиоактивный распад урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла. Из-за большого периода полураспада, урановое тепло выделяется медленно, но оно существенно подогревает Землю (в основном - её верхний слой) [6].

Глава 2. Геохимические свойства урана и его изотопов

Уран имеет порядковый номер 92 в периодической системе Д.И. Менделеева и относится к семейству актиноидов. В природном уране в большинстве случаев отмечается следующее соотношение изотопов: 238U - 99,285%, 235U - 0,71%, 234U - 0,006%. Данные изотопы урана имеют соответствующие периоды полураспада - 4,51 млрд.лет, 891 млрд. лет и 223,5 тыс.лет.

Химические свойства урана близки к двум группам элементов. Как и все актиноиды, он является представителем III группы и проявляет свойства, аналогичные торию, протактинию, а также иттрию и лантаноидам. Также, он входит по порядковому номеру в шестую группу и близок полонию, хрому, молибдену и вольфраму. Такая двойственность объясняется наличием валентных электронов, расположенных на трёх последних электронных оболочках.

Уран в природных соединениях в подавляющем большинстве случаев является четырёх или шестивалентным, и очень редко в оксидах и фосфатах (нингиоите) часть урана находится в пятивалентном состоянии.

Строение электронных оболочек шестивалентного урана аналогично радону и другим и однотипно другим инертным газам. Такие ионы обладают сродством к кислороду, что объясняет тесное геохимическое родство урана и кислорода. В этой связи уран является типичным оксифильным и, соответственно, литофильным элементом.

Ионный радиус четырёхвалентного урана составляет 0,093 нм., пятивалентного - 0,087 нм., шестивалентного - 0,083 нм., гантелевидного уран-иона - 0,32 нм. Четырёхвалентный уран часто изоморфно замещает торий, иттрий, цирконий, кальций, марганец и редкие земли в соответствующих породообразующих, рудных и акцессорных минералах. Это объясняет малое количество собственных минералов четырёхвалентного урана. За счёт высокой радиоактивности в минералах четырёхвалентного урана часто нарушается кристаллическая решётка и они становятся аморфными (метамиктный распад).

Относительно крупный размер иона U4+ и его высокая валентность определяет его амфотерность. В кислых условиях он ведёт себя как слабое основание, в щелочных - как слабая кислота. Поэтому в урансодержащих минералах четырёхвалентный уран входит, изоморфно замещая либо катионную, либо анионную части.

За счёт большого размера уранил-ион легко сорбируется природными и искусственными сорбентами. Естественными веществами, которые хорошо сорбируют уран, являются бурые угли и некоторые битумы, фосфаты, гидроокислы титана и глинистые минералы. Уран хорошо сорбируется в восстановительных нейтральных и слабо кислых средах.

Несмотря на то, что уран имеет большой порядковый номер и радиоактивно распадается, за счёт симметрии чётного ядра он достаточно распространён в земной коре. Его общий кларк по А.П.Виноградову 2,5*10-4% (2,5 г/т), что сопоставимо с распространённостью W, Sn, Br, Ta и на несколько порядков выше средних содержаний Bi, Hg, Au, I, Sb, Ag и Se. В магматических расплавах уран образует легкоплавкие соединения и при кристаллизации вместе с летучими компонентами накапливается в остаточном расплаве. Поэтому средние содержания урана в породах выше в кислых и щелочных породах и намного меньше в базитах и ультрабазитах. Средние содержания урана в горных породах земной коры следующие (в %):

Граниты и гранодиориты - 3,5*10-4

Диориты и андезиты - 1,8*10-4

Базальты и габбро - 5*10-5

Ультраосновные породы - 3*10-7

В осадочных образованиях урана в среднем больше в песчанике, чем в глинах и карбонатных породах. Средние содержания урана в осадочных породах (по Я.Н.Белевцеву) приведены ниже, n*10-4%:

Песчаники - 4,5

Глины - 3,7

Карбонатные породы - 2,2

Средние содержания урана в поверхностных водах составляют n*10-6 г/л, увеличиваясь на один-два порядка в поверхностных водах пустынных областей и уменьшаясь на порядок в поверхностных водоёмах гумидных зон.

Известны четыре формы нахождения урана: в виде изоморфной примеси; адсорбированном состоянии; собственных минералов урана; адсорбированном состоянии; в растворах межзерновой жидкости и газово-жидких включений. Так, в породообразующих минералах гранитоидов урана содержится около 40%, в акцессориях - 30%, в форме субмикровключений, в межзерновых швах и жидкой фазе находится порядка 30%. Уран, находящийся вне кристаллических соединений, образует так называемую свободную форму и легко выщелачивается из горных пород природными растворами.

По степени распространённости намечается следующий ряд геохимических барьеров осаждения урана в гипергенных условиях:

Восстановительный сероводородный, связанный с поступлением биогенного и реже абиогенного сероводорода;

Восстановительный резко глеевый, формирующийся за счёт водорода, продуцируемого главным образом бактериями;

Сорбционный, который формируется за счёт веществ с большой активной поверхностью (фосфаты, низко полимеризованные органические вещества, глинистые минералы, гидроокислы титана, кремния и железа);

Барьер нейтрализации ураноносных щелочных или кислотных растворов водами, содержащими соединения ванадия, фосфора, молибдена или мышьяка без изменения их валентности;

Эвапорационный за счёт образования пересыщенных растворов с урансодержащими соединениями при выпаривании воды в аридных областях;

Механический за счёт формирования россыпей тяжёлых плохо растворимых урансодержащих минералов.

Климатические условия во многом определяют возможности образования гипергенных образований урана. В аридных зонах уран накапливается в поверхностных и грунтовых водах в количествах больших относительно гумидных зон в десятки раз, что определяется широким распространением барьеров нейтрализации и эвапорационных. Совместно с ураном часто накапливается и радий, для осаждения которого благоприятной является почти полным химическим аналогом бария и стронция, сульфатная обстановка является барьерной. В гумидных условиях уран рассеивается в подземных окислительных пресных водах и в глеевых горизонтах почв [5].

Глава 3. Основные минералы урана

Много минералов урана открыто в последние десятилетия в связи с новыми методами исследований минералов на уровне электронной микроскопии и электронных микроанализаторов.

Уран отличается большой химической активностью и легко вступает в реакцию с другими элементами, образуя много минералов. В настоящее время известно более 170 природных соединений - урановых минералов, причём около 30 было открыто в последнее время. В природе существуют минералы преимущественно четырёх-, пяти- и шестивалентного урана. Помимо собственно урановых минералов есть большое число минералов, где он присутствует в качестве примеси, составляя лишь несколько процентов или доли процента. Это урансодержащие минералы.

Минералы урана можно разделить на две группы:

- Собственные минералы урана, в которых уран входит закономерно в кристаллическую решетку и является постоянным элементом молекулы химичского соединения:

А) минералы четырёхвалентного урана;

Б) минералы уранила;

- Урансодержащие минералы, в которых уран изоморфно входит в кристаллическую решётку.

Все минералы урана можно разделить на классы химических соединений: оксиды, титанаты, силикаты, сульфаты, карбонаты, арсенаты, фосфаты и молибдаты, в которых уран входит в виде простого иона четырёхвалентного урана или комплексного иона - уранила.

Минералы четырёхвалентного урана - силикаты, титанаты, урансодержащие цирконо-силикаты формировались в глубинных зонах земной коры и представляют собой сложные изоморфные соединения, обладают большой энергией кристаллической решётки, тёмной, часто чёрной окраской, высокой плотностью (от 4 до 6 г/см3), довольно большой твёрдостью (от 5 до 6 и более).

В связи с тем, что уран легко подвергается окислению или восстанвлению, которые сменяют друг друга при миграции растворов в земной коре, в одном и том же минерале часто присутствуют одновременно четырёх- и шестивалентные ионы. Минералы, в состав которых одновременно входит четырёх- и шестивалентный уран, фрмировались в довольно большом диапазоне термобарических и химических условий и обладают меняющимися свойствами. К ним относят главные рудные минералы урана - уранинит, настуран, урановые черни, часть гидроксидов, силикатов, молибдатов урана. К этой группе относятся и соединения урана с органическим веществом типа тухолита, карбурана и др. Образовались эти минералы в гидротермальных жилах, в осадочно-метаморфизованных и экзогенных месторождениях, в зоне цементации гидротермальных месторождений, но всегда в условиях недостатка кислорода. Они неустойчивы по отношению к выветриванию и поэтому, как правило, не сохраняются в россыпях. Окраска минералов чёрная или тёмно-бурая, твёрдостью от 1 до 6, плотность от 4 до 9 г/см3. Для них типичен раковистый излом, смолистый или матовый блеск. Кристаллическая форма не всегда хорошо выражена.

Минералы четырёхвалентного урана относятся к классам простых оксидов урана, сложных оксидов урана и молибдена, титанатов, силикатов, теллуритов, тантало-ниобатов и фосфатов урана. Преимущественно пятивалентный уран слагает фосфат урана - нингиот.

К простым оксидам урана относятся уранинит (KUO2*LUO3*MPbO), настуран (KUO2*LUO3*MPbO) и так называемая урановая чернь (KUO2*LUO3*MPbO*nH2O), отличающиеся друг от друга кристалломорфическими особенностями. Все три морфологические разновидности имеют одну и ту же кубическую гранецентрированную решётку типа флюорита и аналогичный состав, что позволяет относить их к одному и тому же минеральному виду - ураниниту.

Простые оксиды урана являются промышленными минералами. Среди них выделяются минералы с общей эмпирической формулой n1UO2*n2UO3, где n1+n2 соответствуют числу ионов четырёх- и шестивалентного урана.

К сложным оксидам урана и молибдена относятся седовит и моурит, кристаллизующиеся в ромбической сингонии. Они, как правило, возникают в зоне окисления молибден-урановых месторождений.

В классе силикатов урана наиболее известны два минерала: коффинит - U(SiO4)1-x(OH)4x и ненадкевит - (U4+,Y,Ge,Th)U6+(Ca,Mg,Pb)SiO4*(OH)*nH2.

К титанатам урана относятся браннерит - (U4+,Ca,Th,Y)[(Ti,Fe)2O6]*n H2O и давидит - (Fe2+,Fe3+,U4+,TR)2(Ti,Fe3+,Cr,V)5O12.

К классу молибдатов урана относятся кузинит и молуранит. Молуранит встречен в альбититах, а кузинит - в осадочно-метаморфических породах.

Уран в четырёхвалентном состоянии содержится в метамиктных разновидностях циркона - аршиновите (гельцирконе), малаконе и других, но количество урана в этих минералах обычно невелико (до 2%).

Минералы шестивалентного урана образуются при поверхностном изменении соединений четырёхвалентного урана в условиях обилия кислорода, воды и углекислоты. Минералам этой группы присущи яркие цвета - жёлтые, оранжевые, зелёные. Довольно часто наблюдается люминесценция в ультрафиолетовых лучах. Физические свойства (блеск, твёрдость, спайность) значительно варьируют, так же, как и формы нахождения. Часто эти минералы либо образуют псевдоморфозы по скоплениям первичных руд, либо заполняют пустоты и трещинки в зоне окисления урановых месторождений. Многие из них легко растворимы в природных водах и поэтому мигрируют, буквально на глазах образуя налёты на стенках горных выработок.

Минералы уранила объединены в типы, название которым дано по тому адденду (анионной группе), с которым уранил-ион соединён. Известные в настоящее время минералы уранила относятся к 10 классам: гидроксиды, силикаты, карбонаты, сульфаты, молибдаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, селениты и теллуриты. Некоторые минералы являются переходными от одного класса к другому.

Многие минералы содержат уран, который изоморфно входит в их кристаллические решётки, не являясь основным минералообразующим элементом. Такие минералы, в отличие от собственных урановых минералов, принято называть урансодержащими. Количество урана составляет десятые и сотые доли процента, изредка доходит до нескольких процентов. В урансодержащих минералах из-за изоморфизма часто присутствуют в значительных количествах другие радиоактивные или редкие элементы - цирконий, ниобий, тантал, гафний, редкие земли, благодаря чему они являются весьма ценными комплексными рудами.

Наиболее распространёнными в природе минералами, изоморфно содержащими уран, являются:

- галоидные соединения - флюорит;

- оксиды - самарскит, колумбит-танталит, бетафит, лопарит, пирохлор, гатчеттолит;

- фосфаты - монацит, ксенотим, апатит;

- силикаты - циркон, циртолит, ортит, торит и др. [4].

Глава 4. Месторождения урана

Содержание урана в земной коре составляет 0,0003 %, он встречается в поверхностном слое земли в виде четырёх разновидностей отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Демократической Республике Конго, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов и некоторые угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.

Россия по запасам урана, с учетом резервных месторождений, занимает третье место в мире (после Австралии и Казахстана). В месторождениях России содержится почти 550 тысяч тонн запасов урана, или немногим менее 10 % его мировых запасов; около 63 % их сосредоточено в Республике Саха (Якутия). Основными месторождениями урана в России являются: Стрельцовское, Октябрьское, Антей, Мало-Тулукуевское, Аргунское молибден-урановое в вулканитах (Читинская область), Далматовское урановое в песчаниках (Курганская область), Хиагдинское урановое в песчаниках (Республика Бурятия), Южное золото-урановое в метасоматитах и Северное урановое в метасоматитах (Республика Якутия). Кроме того, выявлено и оценено множество более мелких урановых месторождений и рудопроявлений.

С радиогеоэкологической позиции важно отметить три минеральных вида урановых и урансодержащих редкометальных руд:

Урансодержащие труднорастворимые минералы циркония (малакон), ниобия и тантала (пирохлор), редких земель (монацит) и апатит;

Труднорастворимые минералы четырёхвалентного урана (титанаты - браннерит, давидит), силикаты (коффинит, ненадеквит) и окислы (настуран);

Хорошо растворимые минералы шестивалентного урана - уранила (главным образом урановые слюдки).

Наибольшим распространением пользуются руды второго и третьего типов. В зонах окисления рудных тел закисные соединения урана обычно окисляются, и если нет вблизи соединений фосфора, ванадия, мышьяка или молибдена, легко разрушаются, давая обширные ореолы рассеяния. В условиях нивального климата, где физико-химические и биохимические процессы резко заторможены, уран в закисной форме может давать механические ореолы. Такие же ореолы вплоть до образования россыпей могут давать урансодержащий малакон, пирохлор и особенно монацит и в других климатических условиях.

Урановые руды крупных месторождений, выходящие на поверхность или в зону движения грунтовых или инфильтрационных артезианских вод, являются главными источниками сильного радиоактивного загрязнения. Так, если находиться вблизи открытого выхода богатых урановых руд с содержанием больше 0,8 % в течении 6 часов, то можно получить опасную для здоровья дозу гамма-облучения. А содержания урана в кислородных водах, обмывающих урановорудные тела, достигает сотых долей (г/л), что в десятки раз больше предельно допустимых концентраций урана (1,8 мг/л) в лечебных питьевых водах.

В связи с высокой миграционной способностью урана его руды распространены в весьма разнообразных геологических образованиях. Существует много разных классификаций месторождений урана. С позиций геоэкологии важно подчеркнуть положение месторождений в разных ландшафтных обстановках, относительно областей питания, движения и разгрузки поверхностных и подземных вод, а также техногенное воздействие при отработке месторождений. Важно оценить геоморфологическую позицию оруденения. Так, известны уроноворудные районы и узлы, расположенные в горных странах, предгорьях, аллювиальных и пустынных равнинах. Месторождения урана горных стран охватывают области орогенеза тектономагматической активизации. В равнинных областях урановые месторождения локализуются в породах фундамента и осадочного чехла на щитах древних платформ, испытавших эпиплатформенную тектоническую активизацию. Месторождения урана в осадочных отложениях чаще всего встречаются в зонах аридного или семиаридного климата.

Урановые руды располагаются в разнообразных ландшафтно-климатических зонах. В ряде случаев урановое оруденение находится в областях питания поверхностных и подземных вод, что может приводить к формированию интенсивных источников радиоактивного загрязнения. Важно подчеркнуть, что многие урановые месторождения не являются такими источниками, поскольку располагаются либо в глубоких горизонтах земной коры в зонах затрудненного водообмена, либо экранируются перекрывающей толщей осадочных пород [3, 5].

Глава 5. Кларк урана, его изотопов и его ПДК

Кларк урана 2,5*10-4%, причём содержание его в земной коре равно 4*10-4% (в гранитном слое) и 1*10-4% (в базальтовом), в мантии его содержание мало - 0,012*10-4%, в ядре - 0,003*10-4%. Уран входит в состав всех природных образований земной коры: магматические, метаморфические и осадочные породы, природные воды (гидросфера), растительные и животные организмы (биосфера). В земной коре заключена огромная масса урана: его общее содержание в литосфере определяется цифрой 1016 т.

В микроколичествах (10-5-10-8 %) обнаруживается в тканях растений, животных и человека. В наибольшей степени накапливается некоторыми грибами и водорослями. Соединения урана всасываются в желудочно-кишечном тракте (около 1%), в легких -- 50%. Основные депо в организме: селезенка, почки, скелет, печень, легкие и бронхо-легочные лимфатические узлы. Содержание в органах и тканях человека и животных не превышает 10-7 г\г.

Уран и его соединения высокотоксичны. Особенно опасны аэрозоли урана и его соединений. Для аэрозолей растворимых в воде соединений урана ПДК в воздухе 0,015 мг/м3, для нерастворимых форм урана ПДК 0,075 мг/м3. При попадании в организм уран действует на все органы, являясь общеклеточным ядом. Молекулярный механизм действия урана связан с его способностью подавлять активность ферментов. В первую очередь поражаются почки (появляются белок и сахар в моче, олигурия). При хронической интоксикации возможны нарушения кроветворения и нервной системы [2, 8].

Глава 6. Токсичность и радиотоксичность урана

Токсическое действие урана обусловлено его химическими свойствами и зависит от растворимости: более токсичны уранил и др. растворимые соединения урана. Отравления ураном и его соединениями возможны на предприятиях по добыче и переработке уранового сырья и др. промышленных объектах, где он используется в технологическом процессе. При попадании в организм уран действует на все органы и ткани (в особенности почки), являясь общеклеточным ядом. Вдыхание и попадание его в организм механическим путём повышает риск заболеваний раком лёгких и костей [9].

Глава 7. Использование урана и его изотопов в медицине и технике

Основным свойством урана является его естественная радиоактивность. При захвате нейтронов ядра некоторых изотопов урана способны к делению, при этом выделяется громадное количество энергии. На этом основано действие атомной бомбы. Но эта энергия оказалась управляемой и используется в мирных целях. Для получения энергии в ядерных реакторах применяются изотопы урана: 235U и 233U. Получение электроэнергии на АЭС приобрело в настоящее время важное значение как в России, так и в зарубежных странах.

Атомная энергия используется на флоте, для опреснения морской воды и других целей. Металлический уран как радиоактивный элемент находит применение в химической промышленности при производстве пластмасс и полимеров, при переработке нефти, в металлургии - для контроля за качеством изделий, а также в медицине и биологии.

Основное применение урана в геологии -- определение возраста минералов и горных пород с целью выяснения последовательности протекания геологических процессов. [3, 7].

Глава 8. Методы радиологического исследования геологических формаций

Исследование радиоактивности геологических формаций базируется на использовании гамма-спектрометрии как метода их выявления в полевых условиях. Гамма-излучение легко фиксируется газонаполненными сетчиками Гейгера или кристаллическими детекторами на основе кристаллов NaI (TlI). Аппаратура, установленная на самолетах, даёт возможность проводить аэрогамма-съемку с определением концентрации K, Th, U в горных породах формаций. При этом составляются спектрометрические карты концентрации радионуклидов этих элементов, интерпретация которых позволяет выделить участки повышенной концентрации радиоактивных элементов. Методика обработки результатов основана на выявлении зон с урановой, калиевой или ториевой радиогеохимической специализацией (U-РГС, K-РГС или Th-РГС), которым свойственны определенные типы гамма-излучения разных по составу околорудных метасоматических пород. U-РГС определяет зоны собственно уранового оруденения, карбонатитовой минерализации, железистых кварцитов и медистых песчаников. К-РГС выделяет зоны халькофильного - медно-молибденового и висмутового оруденения. Зоны Th-РГС выделяют литофильные типы минерализации - оловянной, редкоземельной, бериллиевой, а также районы распространения пород - кимберлитов, карбонатитов и монацит-цирконовых россыпей. [4]



Глава 9. Полевые радиометрические методы

Радиометрические методы используют при проведении экологических исследований и на всех стадиях геологоразведочных работ. Из полевых методов поисков и разведки широко применяют гамма- и эманационные методы.

Объектом исследования являются радиационные аномалии и ореолы рассеяния рудных тел. Нижний предел аномальной г-активности Ра оценивают по величине нормального фона (сумма космического излучения, остаточного фона прибора и излучения пород) Риф с учетом колебаний этой величины уиф по формуле Pa = Pиф + 3уиф.

Аэрогамма-съемка

Аэрогамма-съемка -- скоростной метод геологического и экологического картирования, а также поисков месторождений радиоактивных руд и связанных с U и Th нерадиоактивных полезных ископаемых (редкие земли, Та, Nb, Р, Mo, Sn, Al и др.).

Съемку выполняют в масштабах 1:50 000 -- 1:10 000 при высоте полета не более 75 м. При проведении аэрогамма-съемки используют станции. Аэрогамма-спектрометры позволяют проводить измерения в четырех энергетических интервалах, три из которых предназначены для изучения характера распределения спектра энергий г-излучения горных пород с целью определения усредненных по площади концентраций U (Ra), Th, К, а четвертый -- для измерения интегрального потока г-квантов. Результаты измерений выдаются на компьютер.

В рабочем полете оператор следит за приборами, отмечает на ленте ориентиры, а также геологические и геоморфологические особенности местности, и сверяет их с имеющимися картами (обычно используют топографическую основу масштаба 1:100 000).

В случае обнаружения аномалии ее сразу же детализируют серией параллельных маршрутов и уточняют контуры.

По исправленным значениям мощности дозы г-излучения строят карты распределения U (Ra), Th, К. Одновременно по ним определяют нормальную радиоактивность природной среды и выделяют аномальные участки. По данным аэрогамма-спектрометрии строят карты распределения U, (Ra), Th, К.

При интерпретации обязательно учитывают в совокупности ге-ологические, геоморфологические, физико-географические, радиометрические и геофизические данные. Если аномалия признана перспективной, то обязательно проводят ее наземную проверку.

При геологическом картировании часто применяют аэрогамма-съемку, так как различным типам горных пород свойственны закономерности распределения радиоактивных элементов. Можно выявлять горные породы гранитного состава, основные и ультраосновные, осадочные, обогащенные глиной и органикой, а также с низким содержанием радиоактивных элементов (известняки, кварциты).

Использование аэрогамма-съемки для поисков нерадиоактивных элементов основано на том, что существуют устойчивые или непостоянные, но частые связи таких полезных ископаемых с U и Th. Устойчивые связи характерны для редких элементов, где всегда имеются минералы, в состав которых входят U и Th. В этом случае аэрогамма-съемку используют так же успешно, как и при поисках радиоактивных элементов. Частая, но непостоянная связь с U и Th отмечена у осадочных месторождений Mo, S, W, фосфо-ритов, пегматитов с редкоземельными элементами цериевой груп-пы. Применение аэрогамма-съемки эффективно, если установле-на связь главных компонентов этих месторождений с U и Th.

Положительные результаты получены при поисках бокситов, в которых концентрации U и Th выше кларка, а концентрации К -- ниже.

Автогамма-съемка

Наиболее благоприятны для применения автогамма-съемки равнинные или холмистые незаболоченные территории, где развиты открытые радиационные аномалии или вторичные ореолы рассеяния. Для проведения съемки используют автомобильные гамма-спектрометры, имеющие четыре канала. Съемку проводят в масштабах 1:10000 и 1:5000 (иногда 1:2000) по правильной сети профилей длиной 1--4 км. Для привязки концов профилей на местности прокладывают одну или две базисные магистрали. Скорость движения автомобиля не превышает 15--20 км/ч при съемке и 3--4 км/ч при детализации аномалий.

Результаты автогамма-съемки записывают на ленте аналого-вой регистрации. Обработка лент заключается в усреднении ли-ний записи, выделении аномалий, по километровой разбивке, переводе мощности дозы г -излучения в пА/кг, введении поправ-ки на инерционность аппаратуры. Счетно-решающее устрой-ство, входящее в комплект автомобильного гамма-спектрометра, выдает данные о концентрации U (Ra), Th, К, которые считывают при обработке данных.

Результаты автогамма-съемки масштаба 1:10000 изображают в виде планов графиков мощности экспозиционной дозы и концентрации радиоактивных элементов, а съемки более крупных масштабов -- в виде изолиний этих параметров. Эти материалы с целью выделения перспективных аномалий интерпретируют в комплексе с геологическими данными.

Пешеходная гамма-съемка

Пешеходная гамма-съемка используется на всех этапах радиогеоэкологических исследований. Благоприятны для проведения гамма-съемки районы с хорошо расчлененным рельефом, широко развитой современной гидросетью, со сравнительно хорошей обнаженностью или наличием элювиально-делювиальных об-разований мощностью до 2--3 м, не промытых в верхних частях. Основные виды пешеходной гамма-съемки следующие: поверхностная, шпуровая, спектрометрическая.

При проведении пешеходной гамма-съемки используют в основном радиометры со сцинтилляционными детекторами.

При выполнении спектрометрической гамма-съемки используют переносные гамма-спектрометры.

Поверхностная гамма-съемка занимает ведущее место среди остальных модификаций. Для выявления радиационных аномалий проводят специализированные поиски масштабов 1:50000 и 1:25000. Поисковые работы выполняют по маршрутам, наме-ченным по топографической карте, вкрест простирания пород, аномальных и тектонических зон. [4]



Список использованной литературы

уран изотоп геохимический

Минералогия и геохимия редких и радиоактивных металлов: Учебное пособие для вузов/ В.Я. Терехов, Н.И. Егоров, И.М. Баюшкин, Д.А. Минеев. - М.: Энергоиздат, 1987. - 360 с.;

Игнатов П.А., Верчеба А.А., Радиогеоэкология и проблемы радиационной безопасности: Учебник для студентов высших учебных заведений. - Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010. - 256 с.;

Радиогеоэкология : Учебн.пособие/ П.А. Игнатов, А.А. Верчеба; Моск. госуд. геологоразв. акад. М., 1994, 131 с.;

Яковлев П.Д. Промышленные типы рудных месторождений. Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1986. - 358 с.;

Размещена Allbest.ru