книги из ГПНТБ / Смыслов, А. А. Уран и торий в земной коре

УДК (546.791 + 546.841) : 551.14

Г•••г. ,

научно-. '/\т.

вибд;.о

' ^ 1 0

Смыслов А. А. Уран и торий в земной коре.

Л., «Недра», 1974. 231 с.

Вмонографии на основе обобщения опубли­ кованных материалов и обработки новых ори­ гинальных данных подведены некоторые итоги радиогеохимических исследований, выполненных главным образом в пределах континентальных блоков земной коры. Рассмотрены рациональный

комплекс минералого-геохимических методов из­ учения пространственно-временнйх закономер­ ностей и форм нахождения урана и тория в раз­ ного рода геологических образованиях, а также принципы и методика построения радиогеохими­ ческих карт разного масштаба и назначения. Приведены данные о среднем содержании, балансе и форме нахождения урана и тория в минераль­ ном веществе земной коры разных уровней ор­ ганизации: минералах, горных породах, геоло­ гических формациях, земных оболочках.

Сравнительный анализ особенностей простран­ ственного распределения радиоактивных эле­ ментов в структурах континентальных блоков земной коры позволил сформулировать некото­ рые общие выводы о латеральной и вертикальной радиогеологической зональности литосферы, о со­ отношении тепловых потоков и радиогенного тепла в платформенных и складчатых областях.

Книга предназначена для геологов, геохи­ миков, геофизиков — научных работников и ин­ женеров.

Таблиц 39, иллюстраций 56, список литературы — 459 назв.

итория, использование которых открыло практически неисчерпа­ емые по запасам источники энергии. Потребность в радиоактивном сырье обусловила интенсивное развитие прикладной радиогеоло­ гии и поисковой ядерной геофизики. В общем комплексе геоло­ гических исследований, связанных с прогнозированием, поисками

иразведкой урановых месторождений, ведущая роль принадлежит радиометрии и радиогеохимии, которые изучают закономерности распределения и миграции радиоактивных элементов в горных породах и рудах земной коры.

Материалы о содержании урана и тория в разных типах гор­ ных пород свидетельствуют о больших возможностях радиогеохи­ мии при решении широкого круга геологических, металлогенических и геохимических задач. Уран и торий достаточно надежно (с высокой чувствительностью и точностью) определяются разными независимыми методами (химическими, физико-химическими, фи­

зическими), что позволяет исключить систематические ошибки и свести до минимума случайные погрешности. Перспективы ра­ диогеохимии особенно выросли в связи с разработкой [13, 190] гамма-спектрометрических методов (воздушный, автомобильный, пешеходный и каротажный варианты), позволяющих количест­ венно определять радиоактивные элементы непосредственно в по­ левых условиях in situ.

Главными научными и практическими задачами, решаемыми с помощью радиогеохимических исследований, являются следу­ ющие.

Выяснение эволюции химического состава земной коры. Рас­ пад радиоактивных атомов является важным фактором, вызыва­ ющим изменение изотопного и химического состава вещества зем­ ной коры [45, 59, 63, 268, 279], что достаточно отчетливо фикси­ руется при изучении горных пород и минералов.

Изучение направления и интенсивности эндогенных и экзоген­ ных геологических процессов в земной коре. Уран и торий явля­ ются чувствительными индикаторами физико-химических реакций при магматической дифференциации, седиментогенезе, метамор­ физме и других процессах в земной коре [59, 66, 289, 301].

Металлогеническое районирование и прогнозирование. Обра­ зование рудных концентраций элементов тесно связано с форми­

Поиски месторождений радиоактивных руд. Исследование рас­ пределения радиоактивных элементов в горных породах, как со­ ставная часть поисковых работ на уран и торий, используется при интерпретации результатов радио-, уранометрии и других съемок [8, 13, 108, 184]. Роль геохимических исследований особенно ве­ лика при поисках слабо проявленных на поверхности и скрытых урановых месторождений, а также при интерпретации результа­ тов аэрогамма-спектрометрии.

4

Вопросы петрогенеза. Сведения о содержании, соотношении и форме нахождения урана и тория привлекаются при изучении

ции магматизма платформенных и складчатых областей земной коры [2, 261].

Проблемы седиментогенеза. Разный характер поведения урана (тория) в окислительной и восстановительной обстановках зоны гипергенеза, сложность и многообразие форм переноса и осажде­ ния урана создают принципиальную возможность использовать радиогеохимические данные для расшифровки физико-химиче­ ских условий среды осадконакопления, выделения геохимических фаций осадочных отложений, их расчленения и корреляции [116, 225, 350, 351].

Изучение теплового режима земной коры и подкоровых масс.

Исследованиями Р. Стретта, Дж. Джоли, А. Холмса, В. Г. Хлопина, А. Н. Тихонова и других ученых было показано, что тепло­ вой энергии, выделяемой при радиоактивном распаде урана, то­ рия и калия, вполне достаточно, чтобы компенсировать энергети­ ческие потери в земной коре на развитие геологических процессов. В отличие от других, еще более проблематичных источников, радиогенная энергия (при известном содержании радиоактивных элементов) может быть количественно оценена в любом участке земной коры, и не только для настоящего времени, но и для про­ шедших геологических эпох [28, 29, 157, 159, 260].

Оценка достоверности определения радиологического воз­ раста горных пород и минералов. Правильно интерпретировать результаты определения так называемого абсолютного возраста геологических образований можно лишь на основе всестороннего учета факторов миграции радиоактивных элементов и продуктов их распада в земной коре в ходе разных геологических процессов

[45, 59, 63, 345].

Перечисленные и многие другие геологические проблемы полу­ чили на основе радиогеохимических данных совершенно новое научное освещение [8, 45, 63, 133, 270]. Вместе с тем применение методов ядерной геологии при изучении процессов, протекающих

вземной коре, поставило и большое количество вопросов.

1.Не расшифровано полностью состояние и причины рассея­ ния урана и тория в горных породах и минералах.

2.Содержание радиоактивных элементов в земной коре, най­ денное физическим методом (по величине наблюдаемого в настоя­ щее время теплового потока), не соответствует результатам не­ посредственного изучения радиоактивности горных пород.

5

3.Не вполне ясен процесс интенсивного обогащения ураном, торием и калием самых верхних горизонтов литосферы, так как приращение радиоактивных элементов в земной коре по сравнению

спредполагаемым веществом мантии в сотни раз превышает соответствующее приращение кремнезема.

4.Не установлены полностью главнейшие геохимические пред­ посылки формирования уранового и ториевого оруденения и связь геохимического фона геологических структур с их металлогенической специализацией.

Расшифровка этих и многих других вопросов требует еще более углубленного и систематического изучения радиогеохимических особенностей вещества земной коры и метеоритов. Исключитель­ ную значимость приобретает обобщение накопленного обширного материала по радиоактивности минералов, горных пород и гео­ логических формаций. Эта работа иногда сводится к установлению среднего содержания (кларков) элементов для земной коры в це­ лом.

Во многих сводных работах [182, 279] рассматриваются наи­ более детально лишь отдельные проблемы радиогеологии (абсо­ лютная геохронология, геохимия магматических пород и т. д.).

Очень часто при этом радиогеоХимические выводы базируются на недостаточном фактическом материале, геологическая привязка которого с точки зрения времени, места и условий формирования горных пород не всегда надежна. Поток радиогеохимической ин­ формации стал настолько обширным, что совершенно очевидна необходимость его постоянной систематизации и пересмотра ранее сложившихся представлений с учетом новых материалов.

Важнейшими задачами радиогеохимических обобщений яв­ ляются систематический анализ данных о содержании урана и то­ рия в главнейших типах минералов и горных пород, в геологиче­ ских формациях и земных оболочках, сравнительное изучение провинциальных особенностей отдельных регионов и выяснение закономерностей миграции урана и тория в ходе необратимого и направленного развития земной коры. Решение этих задач может иметь большое значение при разработке выдвинутой акад. В. И. Вернадским проблемы «радиогеология земной коры», при геохимическом районировании и выяснении потенциальной рудоносности отдельных территорий и районов.

В данной работе сделана попытка обобщения и систематизации материалов по радиогеохимии осадочных, магматических и мета­ морфических минералов, горных пород и геологических формаций подвижных поясов и платформенных областей земной коры. Фак­ тической основой сводки послужили собранные автором в период с 1954 по 1969 г. материалы по радиогеохимии горных пород Ка­

6

Г Л А В А I

ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАДИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ЗЕМНОГО ШАРА

Ядерная геология (радиогеология) от­ крыла принципиально новые возможности познания состава, строения и развития земной коры. С момента обнаружения самопроизвольного распада урана, радия и других естественных элементов в радиогеологических (радиогеохимических) ис­ следованиях приняли участие многочи­ сленные коллективы геологов, геофизиков, химиков, математиков. Интенсивные темпы научных и прикладных работ, участие в них специалистов разного профиля обес­ печили не только быстрый рост минераль­ но-сырьевой базы урана и тория, но и раз­ витие геохимии радиоактивных элементов, становление новых научных дисциплин: ядерной геохронологии, радиометрии, изотопной геологии, радиогенной геотер­ мики и др. В истории радиогеохимических исследований можно выделить четыре пе­ риода.

Первый период, 1906—1930 гг. Еди­ ничные оценки содержания радиоактив­ ных изотопов и продуктов их распада в горных породах. Становление осново­ полагающих идей радиогеологии.

Второй период, 1930—1948 гг. Начало планомерного изучения радиоактивности отдельных типов горных пород, преиму­ щественно гранитов. Первые надежные определения радиологического возраста геологических объектов.

Третий период, 1948—1960 гг. Деталь­ ное геохимическое изучение содержания и формы нахождения урана и тория в ин­ трузивных породах и осадочных отложе-

8

ниях земной коры. Сбор и систематизация огромного фактиче­ ского материала по изотопному составу радиоактивных элементов и продуктов их распада (в геохронологических целях).

Четвертый период, с 1960 г. Систематические радиогеохимические исследования разных типов горных пород и минералов кон­ тинентальной части земной коры и океанических впадин, создание региональных радиогеохимических карт по данным опробования горных пород и результатам гамма-спектрометрии.

Впервый период наибольшее значение имели работы Р. Стретта, А. Холмса, Дж. Джоли [397, 405, 406, 446]. По результатам ис­ следований Дж. Джоли, выполненных в 1907 г., была опублико­ вана книга по радиоактивности планеты «Радиоактивность и гео­ логия» [406]. Р. Стретт и Дж. Джоли, по существу, первыми обра­ тили внимание на значение радиогенного тепла в общем тепловом балансе планеты и на его ведущую роль как источника энергии геологических процессов. Полученные эмпирические данные по ра­ диоактивности горных пород и примерные расчеты генерации тепла позволили Р. Стретту высказать предположение о незначи­ тельном проникновении на глубину урана, радия и тория.

Вэтот период по инициативе выдающегося русского исследова­ теля акад. В. И. Вернадского были начаты радиогеохимпческие исследования на обширной территории России. В. И. Вернадский уже в 1909—1911 гг. выступил с серией статей и докладов по ра­ диоактивности горных пород и минералов. Он одним из первых осознал значение ядерных процессов распада урана, радия и то­ рия не только для понимания многих физических явлений, но и для изучения геологических процессов, протекающих в земной коре. Начатые в 1911 г. под его научным руководством исследования радиоактивности горных пород и вод Забайкалья, Закавказья, Ферганы, Урала и других регионов открыли в геологических изысканиях новое — радиогеологическое — направление. В съем­ ках принимали участие А. П. Соколов, Е. А. Бурксер, К. А. Ненадкевич, Я. В. Самойлов и другие геологи. Незначительные ассигнования и война 1914— 1918 гг. не позволили существенно развернуть полевые и лабораторные работы.

Втечение первого периода радиогеохимических исследований были намечены главнейшие направления в изучении геохимии урана и тория и осознано значение радиогеологии для решения геохронологических [397], геотермических [406] и других про­ блем [44, 45]. Вместе с тем низкая чувствительность радиометри­

ческой аппаратуры не позволила получить надежных сведений о содержании урана и тория в горных породах. Найденные в этот период содержания совершенно не соответствуют более поздним определениям (табл. 1).

Второй период радиогеохимических исследований начался после того, как были разработаны высокочувствительные методы, позволившие определять низкие содержания радиоактивных элементов и изотопный состав радиогенных продуктов распада;

9