Геохимия урана в зоне гипергенеза

Геохимические исследования рудных месторождений с каждым годом приобретают все большее значение. Это особенно относится к месторождениям энергично мигрирующих металлов, обладающих переменной валентностью, поведение которых в сильной степени зависит от щелочно-кислотных, окислительно-восстановительных и других свойств окружающей среды. К числу таких металлов принадлежит и уран. Миграция урана наиболее разнообразна в верхней части земной коры, в так называемой зоне гипергенеза, где воды, живые организмы и солнечная энергия создают условия, благоприятные как для рассеяния, так и для концентрации. Именно в зоне гипергенеза образовались крупные промышленные месторождения урана, составляющие большую часть   ресурсов   атомного   сырья   многих   стран.

Ясное понимание условий образования таких месторождений, условий их поисков и разведки невозможно без значительного объема знаний по геохимии урана в зоне гипергенеза. В последние 10—15 лет эти вопросы привлекают внимание геологов, геохимиков и гидрогеологов; были проведены многочисленные исследования, часть которых освещена в докладах на Первой (1955 г.) и Второй (1958 г.) женевских конференциях по мирному использованию атомной энергии, а также на XXI сессии Международного геологического конгресса в Копенгагене (1960 г.). К сожалению, сведения по геохимии урана в зоне гипергенеза, содержащиеся в литературе, не систематизированы. Некоторые важные вопросы геохимии урана, как например интенсивность его водной миграции, биогенная миграция и другие, вообще в литературе не  рассматривались.

Эти обстоятельства и побудили авторов написать настоящую книгу, в которой они постарались систематически и всесторонне рассмотреть геохимию урана в зоне гипергенеза. Особое внимание уделено практическому приложению результатов геохимических исследований и описанию условий образования экзогенных урановых месторождений. Книга предназначается в основном для специалистов, работающих в области геологии атомного сырья, что определило план книги, последовательность и форму изложения. В частности, оказалось необходимым дать краткое изложение некоторых вопросов химии урана, подробно рассмотреть влияние климатических условий на миграцию урана и роль подземных вод в образовании эпигенетических месторождении, впервые рассмотреть значение биогенной миграции в общем миграционном цикле урана.

При составлении монографии были использованы все доступные литературные источники; часть вопросов освещается в печати впервые   на основании личных исследований авторов.

Введение, главы II, III, VII, VIII, XI и XII написаны А. И. Перельманом, главы IV, V, VI, X -Л. С. Евсеевой; главы I и   IX — совместно.

Книга подобного содержания составляется впервые, и она, конечно, не свободна от недостатков. Замечания и отзывы авторы просят направлять по адресу: Москва, Центр, ул. Кирова, 1», Госатомиздат.

Практическое использование атомной энергии потребовало детального изучения атомного сырья, в первую очередь ресурсов урана. Уран, который в течение всего XIX столетия почти не привлекал внимания геологов, а в первой половине XX столетия (до начала 40-х годов) рассматривался как побочный продукт при добыче радия, в последние 15 лет стал изучаться глубоко и всесторонне специалистами различных областей геологической науки, в том числе и геохимии. Это значительно расширило знания по геологии урана, помогло выявить новые типы промышленных месторождений этого элемента. В частности, выявилось огромное практическое значение экзогенных месторождений, образовавшихся на дне морей, в речных долинах, в горизонтах подземных вод. Так, большая часть выявленных запасов урана в капиталистических странах сосредоточена именно в этих месторождениях, в то время как жильные гидротермальные месторождения, когда-то игравшие основную роль в ресурсах урана, ныне составляют не более 10% общих запасов. Это соотношение, вероятно, еще больше изменится в пользу экзогенных руд, если найдут практическое применение грандиозные количества урана, заключенные в сланцах и фосфоритах.Для правильного понимания условий образования экзогенных месторождений, а следовательно, и для выработки обоснованных поисковых признаков необходимо знать поведение урана в верхней части земной коры, так называемой зоне гипергенеза.В поверхностных условиях под влиянием воды, воздуха и организмов происходит разрушение рудных залежей урана. Эти процессы характерны для месторождений, образовавшихся как в зоне гипергенеза, так и в более глубоких зонах (гидротермальные, пегматитовые и другие типы месторождений урана). В результате вокруг урановых месторождений возникают ореолы рассеяния в горных породах, водах, воздухе, на изучении и обнаружении которых основано большинство методов поисков урановых руд, в том числе наиболее эффективные радиометрические методы. Таким образом, решение проблемы поисков урановых месторождений также в значительной степени зависит от уровня наших знаний о поведении урана в зоне гипергенеза.Термин «гипергенные процессы» был предложен в 1922 г. А. Е. Ферсманом (1934) для характеристики процессов поверхностного цикла, протекающих в условиях низких температур и давлений. К этим процессам он относил почвообразование и выветривание, осадкообразование в озерах, морях и океанах, геохимическую деятельность подземных вод и некоторые другие процессы. Важнейшими агентами гипергенных процессов являются природные воды и живые организмы, обычно действующие совместно. В 'некоторых обстановках зоны гипергенеза большое значение приобретает миграция элементов в газообразном состоянии.Мощность зоны гипергенеза неодинакова в разных частях земной коры. Местами, как например на платформах и краевых прогибах, гипергенные процессы проникают на глубину в несколько тысяч метров, а местами мощность этой зоны измеряется лишь метрами (свежие лавовые потоки, современные вулканы). Зона гипергенеза пронизана живым веществом; все химические реакции здесь или протекают при непосредственном участии организмов (преимущественно микробов), или же развиваются в среде, физико-химические особенности которой обусловлены деятельностью живого  вещества.Низкие температуры и давления, характерные для зоны гипергенеза, отнюдь не означают, что атомы здесь мигрируют слабо, менее энергично, чем в магматической оболочке с характерными для нее высокими температурами и давлениями. Напротив, благодаря постоянному притоку солнечной энергии здесь наблюдается исключительно энергичная миграция элементов, их рассеяние и концентрация, в том числе образование промышленных месторождений. Это в полной мере относится и к урану, который, как будет показано в этой книге, энергично мигрирует в гипергенных условиях.Зона гипергенеза по условиям миграции элементов может быть расчленена на ряд обстановок. Наиболее общим будет деление на континент и мировой океан. В пределах континента можно различать земную поверхность с характерным для нее растительным и почвенным покровом, корой выветривания, грунтовыми и поверхностными водами. Все эти образования тесно связаны между собой и представляют единый природный комплекс, получивший наименование ландшафта. Участки земной поверхности, отмеченные вполне определенными условиями гипергенной миграции элементов, были названы Б. Б. Полыновым геохимическими ландшафтами. Для ландшафта характерны процессы образования живого вещества из минеральных соединений окружающей природы и процессы их разрушения. Первую группу процессов осуществляют зеленые растения в ходе фотосинтеза, вторую — растения, животные и микроорганизмы (А. И. Перельман, 1961а). В тундре, тайге, степях, пустынях   и  других  ландшафтах  уран   мигрирует   по-разному, что имеет большое практическое значение. В некоторых типах ландшафтов образуются урановые месторождения (см. гл. VIII).Ниже ландшафта гипергенные процессы развиваются преимущественно в горизонтах подземных вод. Эта часть зоны гипергенеза называется подзоной катагенеза. В отличие от ландшафта здесь отсутствуют зеленые растения и фотосинтез. Это — царство микроорганизмов, которые, разрушая захороненные в горных породах органические вещества, обогащают подземные воды С02, H2S и другими продуктами своего обмена веществ, придающими подземным водам высокую химическую активность. Уран, как и многие другие элементы, активно мигрирует в подзоне катагенеза; с этими процессами связано образование некоторых промышленных месторождений урана (см. гл. X).Моря и океаны также могут быть разделены на ряд обстановок миграции. Верхние горизонты морской воды доступны для солнечных лучей; здесь за счет фотосинтеза водорослей образуется живое вещество. Эта часть моря в известной степени может сравниваться с ландшафтом. Ниже расположены темные горизонты морской и океанической вод, где фотосинтез отсутствует. Особой геохимической обстановкой отмечены придонные слои воды, а также морские и океанические илы, В каждой из этих обстановок создаются особые условия миграции и концентрации урана. С морями прошлых геологических эпох связано значительное накопление этого металла  (см.  гл.  XII).Миграция элементов в зоне гипергенеза весьма разнообразна. В основу классификации этих процессов могут быть положены те формы движения материи, которые обусловливают перемещение атомов (А. И. Перельман, 19616). С этой точки зрения мы выделяем биогенную, физико-химическую и механическую  миграции.Биогенная миграция, подчиняющаяся сложным биологическим закономерностям, в миграционном цикле урана не имеет существенного значения, на чем мы подробно остановимся в гл. III.Физико-химическаямиграция протекает в природных водах и атмосфере. Она подчиняется закономерностям процессов диффузии, растворимости, адсорбции, соосаждения и др. В миграционном цикле урана этот вид миграции имеет решающее значение, причем главную, роль играет миграция в природных водах, в то время как атмосферная миграция почти отсутствует. В связи с этим изучение геохимии урана в зоне гипергенеза в значительной степени сводится к исследованию его водной миграции. Поэтому и большая часть данной книги посвящена трактовке именно этого вопроса (особенно гл. V—XII).Механическая миграция сводится к механическому перемещению частиц пород и минералов водой, льдом, ветром. Она обусловливает формирование россыпей и некоторых других типов концентраций металлов. Роль механической миграции в образовании урановых месторождений весьма значительна, но в общем балансе его запасов в зоне гипергенеза невелика.Отмеченные выше процессы принимают участие и в разрушении урановых месторождений и образовании ореолов вокруг них. В связи с этим изучение закономерностей биогенной, физико-химической и механической миграций урана весьма важно для разработки рациональной методики поисков урановых месторождений.Изучение гипергенной миграции урана было начато еще основоположниками геохимии В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом однако значительное развитие эти работы как у нас, так и за рубежом получили лишь в последние 10—15 лет. В СССР исследования в этом направлении проводились многими учеными. Таковы работы А. П. Виноградова, А. И. Германова, Г. С. Грицаенко, Л. С. Евсеевой, Д. П. Малюги, С. М. Манской, В. Г. Мелкова, А. М. Овчинникова, А. И. Перельмана, А. А. Саукова, А. А. Смирнова, И. Е. Старика, Е. В. Рожковой, А. Н. Токарева, А. В. Щербакова, В. В. Щербины и других исследователей. Значительные работы были проведены и за рубежом. Так, большой интерес представляют работы Гаррелса, Белла, Кеннон, Брегера, Дьюла в США, Салаи в Венгрии, Гоффмана в Австрии и др.В настоящей работе авторы поставили своей задачей дать общий очерк геохимии урана в зоне гипергенеза, по возможности охватить все стороны миграции этого элемента в верхней части земной коры, установить основные закономерности. Это, естественно, не позволяет обстоятельно рассматривать отдельные частные вопросы, с которыми читатель может ознакомиться в трудах других исследователей, список которых помещен в конце книги. В качестве методологической основы подобного анализа использован ряд разделов современной геохимии, особенно общие законы миграции элементов в земной коре, биогеохимия, геохимия ландшафта и гидрогеохимия.