title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Радиоактивные элементы в минералах

Радиоактивные элементы в минералах

Некоторые минералы содержат в своем составе радиоактивные элементы, характеризующиеся самопроизвольным атомным излучением (уран, торий и др.). Атомы радиоактивных элементов самопроизвольно и беспрерывно превращаются в атомы других элементов, независимо от температуры и давления. Этот процесс носит название радиоактивного распада. Для естественных радиоактивных элементов известны следующие типы или схемы радиоактивного распада:
1) с выделением электрона в-,
2) с выделением позитрона в+,
3) с К-захватом,
4) с испусканием а-частиц.
5) а-распад с одновременным спонтанным делением ядра,
6) распад с одновременным излучением двух электронов (2в-).
Интенсивность радиоактивности для различных минералов оказалась неодинаковой. Было установлено, что такой минерал, как урановая смоляная руда (уранинит), из некоторых месторождений в четыре раза активнее металлического урана. Отмеченные данные привели Пьера и Марию Кюри к открытию в уранините (U2UO7) из Яхимова (Чехия) новых элементов — полония и радия. Эти элементы содержатся в урановой руде в чрезвычайно малом количестве и выделить их можно, переработав сотни или тысячи килограммов руды. Самым замечательным свойством радия является его громадная радиоактивность, в несколько миллионов раз превышающая радиоактивность урана. Позднее были открыты другие радиоактивные элементы — актиний и протактиний.
Каждый радиоактивный элемент подвергается превращению, которое заключается в последовательном распаде всех его атомов. Распад совершается таким образом, что половина атомов, независимо от их числа, превращается всегда за одно и то же время (T), характерное для данного элемента и называемое его периодом, или временем полураспада. Скорость, с которой происходит радиоактивный распад, оказывается различной, но постоянной (в пределах точности измерений) для данного элемента. В конечном итоге радиоактивный распад приводит к превращению радиоактивных элементов в устойчивые (стабильные) элементы (табл. 15).

Радиоактивные элементы имеют различную продолжительность существования (рис. 25). Имеются элементы с очень большой продолжительностью существования, например уран и торий; они могут сохраняться в содержащих их минералах и горных породах в течение нескольких геологических периодов. Другие элементы, например радий, актиний, полоний и др., исчезнут в этих минералах, если их распад не будет компенсироваться новым образованием из урана и тория. Радиоактивные элементы образуют три ряда распада: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана. В них входят все остальные радиоактивные элементы, являющиеся их производными. Исследованиями установлено, что количества производных радиоактивных элементов в неизменных минералах пропорциональны количествам первичных элементов и периодам производных.

Радиоактивные минералы редко встречаются в значительных скоплениях. Обычно они рассеяны среди других минералов. Отношение радия к урану в минералах постоянно и равно 3,4*10в-7, т. е. ни одна руда не может содержать более 340 мг радия на тонну содержащегося в ней урана. В настоящее время насчитывается более 97 минералов, содержащих уран и торий; тем не менее все эти минералы являются очень редкими.
Радиоактивность минералов определяется по характеру взаимодействия излучений с веществами: по степени ионизации газов, в частности воздуха; по воздействию на светочувствительный слой фотопластинки, по люминисценции твердых веществ и жидкостей.
В лабораторных условиях используются методы, с помощью которых определяется концентрация урана, тория и радия в минералах по интенсивности регистрируемого a-, в- и у-излучения. Для этой цели в настоящее время применяется множество установок, наиболее эффективными из которых являются сцинтилляционные анализаторы, снабженные специальными устройствами для анализа малых навесок.
В полевой радиометрии исследование радиоактивности ведется в основном по фиксации общего у-излучения породы с помощью специальных приборов — радиометров. В последнее время появились радиометры, позволяющие в полевых условиях непосредственно на месте залегания проводить раздельное определение содержаний урана, тория и радия.
Для изучения характера распространения радиоактивных минералов в горных породах и рудах используется метод радиографии, основанный на способности радиоактивных излучений воздействовать на светочувствительный слой фотографической пленки или пластинки. Радиоактивные излучения вызывают общее потемнение эмульсии; причем степень потемнения пропорциональна интенсивности излучения и, следовательно радиоактивность можно оценить при исследовании радиографий визуально или фотометрически по степени потемнения эмульсии.
Если в породе предполагается наличие урановых минералов в виде скопления зерен или прожилков, то исследуемый образец породы прикладывается плоской полированной поверхностью к фотопластинке или рентгено-безэкранной пленке и экспонируется в течение некоторого времени (в зависимости от радиоактивности образца). Полученные отпечатки радиоактивных включений сопоставляются визуально с обычным снимком полированной поверхности.
Модификация этого метода — метод микрорадиографии — используется при исследовании характера распределения выделения урана и тория в прозрачном шлифе под микроскопом. Для этой цели шлиф (без покровного стекла) прикладывается к толстослойной фотопластинке, чувствительной к а-частицам и заливается сверху жидкой ядерной эмульсией. После экспозиции и проявления пластинки под микроскопом изучается характер распределения треков а-частиц, их длина и количество на 1 см2 площади пластинки в единицу времени экспозиции, т. е. дается количественная оценка радиоактивности породы или минерала.
При определении радиоактивности минералов с низким содержанием урана и тория, используется у-спектрометрический метод Хайра, нейтронно-активационные методы и метод осколкорадиографии. Последний является модификацией метода радиографии. При этом шлиф породы предварительно активируется в нейтронном реакторе, а затем исследуется, как в методе микрорадиографии. Для диагностики урановых минералов используется также способность их люминесцировать ярким голубовато-зеленым и желтовато-зеленым светом при облучении их ультрафиолетовыми лучами. Поскольку, однако, под воздействием ультрафиолетовых лучей люминисцируют не все урансодержащие минералы, их предварительно активируют. Для этого крупинку исследуемого минерала сплавляют с фтористым натрием и получают так называемый перл. Интенсивность свечения перла пропорциональна концентрации в нем урана (в широком диапазоне изменения этой концентрации).
Практическая независимость скорости радиоактивного распада от геологических процессов, а также от процессов минералообразования, происходивших в земной коре, позволила использовать радиоактивный распад для определения абсолютного возраста минералов и горных пород.
Существующие методы определения возраста минералов и горных пород по радиоактивному распаду можно разделить на 4 группы:
1. Возраст устанавливается по отношению между содержанием радиоактивных элементов и содержанием продуктов их распада. К этой группе относятся свинцовый, гелиевый, стронциевый и аргоновый методы.
2. Возраст устанавливается по изменению во времени количества радиоактивных элементов, если известно их начальное содержание. К этой группе принадлежат радиевый и иониевый, а также углеродный методы.
3. Возраст устанавливается по изменениям, происходящим в среде, содержащей радиоактивные элементы (метод плеохроических ореолов, кислородный метод).
4. Возраст определяется по изменению изотопного состава в результате радиоактивного распада (свинцовый изотопный метод, метод изотопов радия и др.).
Из всех перечисленных методов наибольшее распространение получили свинцовый и гелиевый, в основе которых лежит положение, что конечными продуктами распада уранового и ториевого ряда являются свинец и гелий. Причем U238 превращается в Pb206, U235 — в Pb207, Th232 — в Pb208. При этом на каждый атом U238 образуется 8 атомов гелия; на атом U235 — 7 атомов гелия и на атом Th232 — 6 атомов гелия. Учитывая сказанное, возраст минералов и горных пород может быть установлен по следующим формулам:
1. По свинцовому методу:

2. По гелиевому методу:

В последнее время получил широкое развитие калиевый метод, разработанный советскими учеными. Он основан на радиоактивном распаде калия с атомным весом 40. В любом минерале, содержащем калий, находятся три изотопа калия: К39, К40 и К41 в количествах 93,09; 0,012 и 6,9%. Для К40 характерны два типа радиоактивного распада. При бета-распаде ядро атома испускает электроны:

В результате образуется устойчивый (стабильный) изотоп калия с атомным весом 40. Второй тип превращения идет по схеме так называемого К-захвата, при котором один из электронов (е), находящийся на ближайшей к ядру К-оболочке, захватывается ядром:

Образующийся при этом типе превращений стабильный изотоп аргона используется для определения абсолютного возраста минералов и горных пород, содержащих калий, по следующей формуле:

Большое практическое значение аргонового метода заключается в том, что калий содержится во многих горных породах в значительных количествах, и, кроме того, аргон значительно лучше удерживается в минералах, чем гелий. Что же касается свинцового метода, то всегда нужно иметь в виду наличие в минералах свинца нерадиогенного происхождения, а также переотложенного почти чистого уранового свинца (Pb208). В табл. 16 приведены данные подсчета абсолютного возраста для некоторых минералов.

Некоторые минералы, содержащие радиоактивные элементы с течением времени могут приобретать свойства аморфных тел. Сохраняя первоначальную внешнюю форму кристаллов и первоначальный состав, они превращаются в стеклоподобные изотропные образования с раковистым изломом. О том, что эти минералы были когда-то кристаллическими, свидетельствует наличие внутри некоторых аморфных минералов участков с сохранившимся кристаллическим строением, а также нахождение таких же минералов с типичной кристаллической структурой. Такое состояние минералов в 1890 г. В.С. Бреггером было определено как «метамиктное».

Минералы, которым свойственно метамиктное состояние, называются метамиктными, а сам переход их в метамиктное состояние — метамиктизацией. С явлением метамиктизации связано изменение многих свойств минералов, например плотности, двупреломления и преломления, твердости, спайности, цвета и др. Метамиктные минералы можно рассматривать как своеобразные параморфозы аморфного вещества по кристаллическому. Переход кристаллов в метамиктное состояние обычно совершается без резкого изменения их внешней формы. Однако вхождение в состав метамиктного минерала воды в момент распада его решетки приводит к резкому увеличению объема, в результате чего грани кристалла становятся выпуклыми и искривленными.
При нагревании метамиктные минералы возвращаются в первоначальное кристаллическое состояние, а некоторые из них при определенной температуре воспламеняются. Это явление носит название пирогномичности. Температура перехода метамиктного минерала в кристаллический является для каждого минерала величиной примерно постоянной и может служить своего рода константой, помогающей определять метамиктные трудноопределимые минералы (табл. 17).

Самовоспламенение метамиктного минерала в период его перехода в кристаллическое состояние говорит о том, что этот процесс совершается с выделением тепла. Поэтому на кривых нагревания метамиктных минералов наблюдается четко выраженный экзотермический эффект в интервале 500—900° С.
Метамиктное состояние свойственно главным образом силикатам и окислам.
В тех случаях когда один и тот же минерал находится в кристаллическом и метамиктном состоянии, его метамиктная разность часто получает свое собственное название. Так, например, метамиктный циркон Zr[SiO4] называется обычно циртолитом или малаконом.
В настоящее время большинство исследователей полагает, что метамиктный распад является следствием нарушения связи в кристаллической решетке под влиянием излучения радиоактивных веществ, находящихся в кристаллической решетке. Это объяснение является удовлетворительным для большинства метамиктных минералов и может быть продемонстрировано на примере цирконов (табл. 18), из которого видно, что большему содержанию U3O8 отвечает и более глубокий метамиктный распад.

Наблюдения показали, что минералы, содержащиеся в молодых вулканических породах, не обладают метамиктным состоянием и что между степенью метамиктизации, вызванной радиоактивным излучением, и возрастом минералов существует определенная зависимость, позволяющая вычислить возраст минерала, измерив радиоактивность и степень метамиктизации (разрушения кристаллической решетки). Однако имеются случаи, когда нет основания говорить о влиянии радиоактивных веществ на метамиктизацию минералов, тем более, что у таких минералов, как уранинит U2UO7 и торианит (ThO2), содержащих наибольшее количество радиоактивных элементов, метамиктное состояние вообще неизвестно.
Приведенные примеры показывают, что наиболее общей причиной метамиктизации минералов является нарушение связи в кристаллической решетке, вызываемое в одних случаях радиоактивным излучением, а в других — иными причинами (возможно, процессами перехода ионов в высшую степень окисления).

title-icon Подобные новости