Уран и торий в земной коре

В монографии на основе обобщения опубликованных материалов и обработки новых оригинальных данных подведены некоторые итоги радиогеохимических исследований, выполненных главным образом в пределах континентальных блоков земной коры. Рассмотрены рациональный комплекс минералого-геохимических методов изучения пространственно-временнйх закономерностей и форм нахождения урана и тория в разного рода геологических образованиях, а также принципы и методика построения радиогеохимических карт разного масштаба и назначения. Приведены данные о среднем содержании, балансе и форме нахождения урана и тория в минеральном веществе земной коры разных уровней организации: минералах, горных породах, геологических формациях, земных оболочках.

Сравнительный анализ особенностей пространственного распределения радиоактивных элементов в структурах континентальных блоков земной коры позволил сформулировать некоторые общие выводы о латеральной и вертикальной радиогеологической зональности литосферы, о соотношении тепловых потоков и радиогенного тепла в платформенных и складчатых областях.

Книга предназначена для геологов, геохимиков, геофизиков — научных работников и инженеров.

Открытие на рубеже XIX и XX веков явления самопроизвольного распада урана, тория и других элементов и последовавшие за этим открытием успехи ядерной физики привлекли интерес геологов и геохимиков к проблеме естественной радиоактивности земной коры. Трудами специалистов разного профиля было создано новое направление в геологической науке — радиогеология (ядерная геология), с развитием которой возникла тесная органическая связь между геологией и ядерной физикой. Естественная радиоактивность, спонтанное деление изотопов урана и некоторые другие ядерные процессы были выявлены при изучении геологического материала [345]. В свою очередь достижения ядерной физики находили широкое применение в геологии при изучении естественной радиоактивности, энергетического режима и эволюции вещественного состава земной коры, при поисках и разведке радиоактивных руд.Большое значение в становлении и развитии радиогеологии имели труды выдающегося русского ученого В. И. Вернадского, который впервые четко сформулировал ее основные проблемы. Благодаря работам Дж. Джоли, Р. Стретта, А. Холмса, В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана, их учеников и последователей радиогеологические исследования проводятся во все возрастающем объеме в самых разных районах земного шара.Основное значение в радиогеологии имеют   геохимия   и   металлогения   урана и тория, использование которых открыло практически неисчерпаемые по запасам источники энергии. Потребность в радиоактивном сырье обусловила интенсивное развитие прикладной радиогеологии и поисковой ядерной геофизики. В общем комплексе геологических исследований, связанных с прогнозированием, поисками и разведкой 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 горных пород свидетельствуют о больших возможностях радиогеохимии при решении широкого круга геологических, металлогениче-ских и геохимических задач. Уран и торий достаточно надежно (с высокой чувствительностью и точностью) определяются разными независимыми методами (химическими, физико-химическими, физическими), что позволяет исключить систематические ошибки и свести до минимума случайные погрешности. Перспективы радиогеохимии _ особенно выросли в связи с разработкой [13, 190] гамма-спектрометрических методов (воздушный, автомобильный, пешеходный и каротажный варианты), позволяющих количественно определять радиоактивные элементы непосредственно в полевых условиях in situ.Главными научными и практическими задачами, решаемыми с помощью радиогеохимических исследований, являются следующие.Выяснение эволюции химического состава земной коры. Распад радиоактивных атомов является важным фактором, вызывающим изменение изотопного и химического состава вещества земной коры [45, 59, 63, 268, ,279], что достаточно отчетливо фиксируется при изучении горных пород и минералов.Изучение направления и интенсивности эндогенных и экзогенных геологических процессов в земной коре. Уран и торий являются чувствительными индикаторами физико-химических реакций при магматической дифференциации, седиментогенезе, метаморфизме   и других процессах в земной коре [59, 66, 289, 301].Металлогеническое районирование и прогнозирование. Образование рудных концентраций элементов тесно связано с формированием геохимического фона металлов и наличием геохимически специализированных формаций [45, 59, 66, 120, 182, 242, 289, 301, 345, 377].Поиски месторождений радиоактивных руд. Исследование распределения радиоактивных элементов в горных породах, как составная часть поисковых работ на уран и торий, используется при интерпретации результатов радио-, уранометрии и других съемок [8, 13, 108, 184]. Роль геохимических исследований особенно велика при поисках слабо проявленных на поверхности и скрытых урановых месторождений, а также при интерпретации результатов аэрогамма-спектрометрии.Вопросы петрогенеза. Сведения о содержании, соотношении и форме нахождения урана и тория привлекаются при изучении магматических образований: выделении интрузивных фаз и фаций, доказательстве комагматичности вулканогенных и интрузивных пород, определении особенностей магматической дифференциации расплавов и т. д. [1, 2, 61, 261, 357, 380]. Особое значение имеют исследования, направленные на выявление общих закономерностей в распределении урана и тория в магматических породах разных формаций, возникающих в ходе эволюции 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 осаждения урана создают принципиальную возможность использовать радиогеохимические данные для расшифровки физико-химических 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. Хло-пина, А. Н. Тихонова и других ученых было показано, что тепловой энергии, выделяемой при радиоактивном распаде урана, тория и калия, вполне достаточно, чтобы компенсировать энергетические 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 прошедших геологических эпох  [28, 29, 157, 159, 260].Оценка достоверности определения радиологического возраста 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 получили на основе радиогеохимических данных совершенно новое научное освещение [8, 45, 63, 133, 270]. Вместе с тем применение методов ядерной геологии при изучении процессов, протекающих в земной коре, поставило и большое количество вопросов.1.   Не расшифровано полностью состояние и причины рассеяния урана и тория в горных породах и минералах.2.  Содержание радиоактивных элементов в земной коре, найденное физическим методом (по величине наблюдаемого в настоящее время теплового потока), не соответствует результатам непосредственного изучения радиоактивности горных пород.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 с предполагаемым веществом мантии в сотни раз превышает соответствующее приращение кремнезема.4.  Не установлены полностью главнейшие геохимические предпосылки формирования уранового и ториевого оруденения и связь геохимического фона геологических структур с их металлогени-ческой специализацией.Расшифровка этих и многих других вопросов требует еще более углубленного и систематического изучения радиогеохимических особенностей вещества земной коры и метеоритов. Исключительную значимость приобретает обобщение накопленного обширного материала по радиоактивности минералов, горных пород и геологических формаций. Эта работа иногда сводится к установлению среднего содержания (кларков) элементов для земной коры в целом.Во многих сводных работах [182, 279] рассматриваются наиболее детально лишь отдельные проблемы радиогеологии (абсолютная 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 информации стал настолько обширным, что совершенно очевидна необходимость его постоянной систематизации и пересмотра ранее сложившихся представлений с учетом новых материалов.Важнейшими задачами радиогеохимических обобщений являются систематический анализ данных о содержании урана и тория в главнейших типах минералов и горных пород, в геологических 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 рудо-носности отдельных территорий и районов.В данной работе сделана попытка обобщения и систематизации материалов по радиогеохимии осадочных, магматических и метаморфических минералов, горных пород и геологических формаций подвижных поясов и платформенных областей земной коры. Фактической основой сводки послужили собранные автором в период с 1954 по 1969 г. материалы по радиогеохимии горных пород Казахстана, а также других регионов, для которых изучение радиоактивности проводилось по коллекциям В. Л. Масайтиса, Е. А. Станкевича, Э. Б. Наливкиной, А. Г. Конникова, В. К. Путинцева и других геологов.На основе этих данных и многочисленных публикаций выявлены основные провинциальные радиогеохимические особенности отдельных геоструктурных зон земной коры и некоторые общие закономерности миграции урана и тория в ходе главнейших геологических процессов. В книге изложены методика радиогеохимических исследований, принципы и методы составления радиогеохимических карт как основы изучения пространственного распределения урана и тория, рассмотрены некоторые общие проблемы радиогеологии, касающиеся роли радиогенного тепла в общем энергетическом балансе планеты и источников рудного вещества, а также другие достаточно сложные и все еще проблематичные вопросы.Написание этой книги было бы невозможным без постоянной помощи и поддержки ныне покойного А. И. Семенова, без большого коллектива геологов и геофизиков (Е. В. Плющев, Г. М. Баранов, Г. М. Шор, Э. М. Пинский, В. Д. Алексеенко, А. А. Гор-цевский, И. Б. Савинова, Г. А. Шатков, В. К. Титов, В. А. Мак-симовский и др.), с которыми автор кропотливо собирал фактические данные и искал способы наиболее объективной их обработки, без технической помощи А. Н. Родионовой, Л. П. Андриановой, Д. С. Харкевич. Ценные замечания по работе в целом и по отдельным главам были получены от Л. В. Комлева, Е. М. Квятковского, Т. В. Билибиной, Е. Д. Карповой, М. И. Ициксона, И. С. Ожин-ского и других исследователей. Всем товарищам, оказавшим помощь в сборе материалов и подготовке книги к печати, автор выражает искреннюю признательность.