УРАН И ИСКОПАЕМОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ЗЕМНОЙ КОРЫ
Доктор геолого-минералогических наук Л.Я. КИЗИЛЬШТЕЙН (Южный федеральный университет)
С того момента, как 6 и 9 сентября 1945 г. над японскими городами Хиросимой и Нагасаки возник ад атомных взрывов, слово уран, обозначающее один из химических элементов семейства актиноидов периодической системы Д.И. Менделеева, стало едва ли не самым частым в научных, производственных, экономических и политических публикациях. Этот термин сделался таким же частым в геологической и энергетической литературе, хотя много лет скрывался в служебных документах под кодовым обозначением "Элемент № 1".
Ископаемое органическое вещество (ОВ) - термин, не требующий разъяснений и комментариев. Напомним лишь, что большая часть ископаемого ОВ находится в осадочных породах Земной коры в рассеянном состоянии в виде мелких (миллиметры и доли миллиметра) фрагментов бактериальных, растительных и животных тканей. Концентрированное ОВ - это известные горючие полезные ископаемые: уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы. С начала 1950-х годов в перечне источников энергии стал называться уран. О нём и других энергоносителях стала появляться информация по геологии месторождений, о ресурсах, методиках разведки, технологиях извлечения элемента из руды. До настоящего времени ограничивается информация о технологиях обогащения с целью повышения концентрации изотопа 235и - основного компонента топлива и оружия.
Уран был открыт в 1789 г. немецким химиком М.Г. Клапротом. Долгие годы он имел довольно скромное практическое значение, использовался, главным
образом, как жёлтая глазурь для окрашивания керамики. Всё коренным образом изменилось после того, как была установлена способность атомов урана к самопроизвольному распаду, а изотопа с атомным номером 235 (235и) при определённой концентрации формировать цепной процесс распада (возрастающее количество одновременно делящихся ядер с выделением при этом огромной энергии). Благодаря этому уникальному свойству уран стал источником энергии для ядерных реакторов (при содержании 235и в топливе 3.0-3.5%) и зарядом для атомного оружия (93.0-97.5% 235Ц). При облучении медленными нейтронами 238и превращается в плутоний с атомным номером 239(239Ри), изотоп также способный к цепному распаду. Советские учёные Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович еще в 1939-1940 гг. первыми теоретически показали, что при обогащении природного урана изотопом 235и можно создать условия для цепной реакции. Это заключение прямо вело к идее создания атомной бомбы.
Среднее содержание урана в оса- а дочных породах Земной коры (кларк) £ 3.3 г/т, в углях - 2.4 г/т1. Можно пред- | положить, что начало добычи урана в § нашей стране связано с уран-угольны- | ми месторождениями. Позднее были 1 обнаружены месторождения, имеющие ^ геолого-экономические преимущества, I
о
и уран-угольные месторождения в на- | стоящее время находятся в резерве. £
Уран - химически активный эле- !
Г-1 ф
мент. В различных соединениях он чаще 5
1 Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Уран в углях. Сыктывкар, 2001.
© Л.Я. Кизильштейн
33
всего имеет валентность от +3 до +6. Наиболее устойчивое валентное состояние +6и в составе иона - уранила (и02)2'. Этот ион имеет выраженную химическую способность к образованию комплексов с органическими соединениями. Восстановленный уран (+4и) входит в состав малорастворимых соединений, которые выпадают в осадок, и концентрируется. В природных условиях восстановителями обычно являются гуминовые соединения и сероводород. Известно около 100 минералов, содержащих уран. Основные из них - урановые черни и настуран. Их химические формулы: ки02 • и03• тРЬО (для настурана к = 5.0-0.44, для черней - 0.44-0.08). Тот и другой образуют прослойки, прожилки, бесформенные скопления, псевдоморфозы по органическим остаткам в осадочных породах. Ещё один распространённый минерал урана - коффинит (USiO4). Он также образует псевдоморфозы по органическим остаткам, мелкие скопления на их поверхности и вокруг выделений пирита и других сульфидов.
Что же связывает уран с ископаемым органическим веществом? Кроме чисто химического интереса, этот вопрос привлекает внимание в связи с тем, что многие крупнейшие месторождения этого элемента образовались в результате концентрирования урана органическим веществом в ходе природных геохимических процессов.
Химические реакции урана с ОВ
Целый ряд природных факторов оп-15ределяет результаты взаимодействий § и ^ ОВ: биохимический состав ОВ, кон-1 центрация и форма соединений урана Н в контактирующей с ОВ водной среде, 1 физико-химические условия среды. § Наиболее распространённый вид хи-* мической связи урана с ОВ - комплекс-^ ные соединения с гумусовыми кислота-I ми2. В природе эти кислоты в огромных § массах образуются в результате мик-£ робиологического разложения тканей I растений в восстановительной (обед-| нённой кислородом) среде. Основой
2 Мансая С.М., Дроздова Т.В. Геохимия органического вещества. М., 1964.
структуры гумусовой кислоты является молекулярные фрагменты лигнина -основного биохимического соединения, составляющего, наряду с целлюлозой, ткани растений. Лигнин сложный природный полимер, основой структуры которого являются бензольные (ароматические) кольца, к которым присоединены функциональные группы: гидроксильные (ОН), карбоксильные (СООН) и другие. Химическая связь гумусовых кислот с ураном возникает путём замещения водорода в функциональных группах.
Уран в природном ОВ изучался на примере гумусовой кислоты, экстрагированной из торфа. Отметим, что ура-ноносный торф был впервые обнаружен и описан ещё в начале прошлого века в одном из торфяных месторождений о. Мадагаскар. Академик В. И. Вернадский обратил внимание на этот факт, высказав предположение о важной роли ОВ в геохимии урана. Это предположение позднее полностью подтвердилось.
При изучении ОВ торфа минералы урана в нём не были обнаружены. Это и лабораторные опыты привели к заключению, что уран химически связан непосредственно с ОВ и в виде комплексного соединения - с гумусовой кислотой. Было установлено, что концентрация урана в ОВ торфа зависит от его концентрации в торфяных водах, а последнее определяется содержанием элемента в породах области водно-минерального питания торфяников3. При сохранении общей картины химического взаимодействия уран - ОВ, концентрация элемента оказывается наиболее высокой на площадях, прилегающих к минеральной границе области торфо-накопления. Геологи учитывают это при разведке и оценке уран-угольных месторождений.
Какова же последующая геохимическая история ураноносных торфяников? Известно, что при тектонических погружениях Земной коры и возрастающих с глубиной давлениях и температурах происходят химические и физические преобразования ОВ, которые геологи называют метаморфизмом.
3Данчев В.И., Стрелянов Н.П. Экзогенные ме-
сторождения урана. М., 1979.
В угольной геологии возрастающему метаморфизму соответствует формирование бурого, каменного угля и антрацитов. Метаморфизм сопровождается перестройкой молекулярной структуры ОВ и, в частности, отщеплением (потерей) функциональных групп и преобразованием гумусовых кислот в гуминовые вещества, утрачивающие способность к химическому взаимодействию с ураном. Поэтому с ростом метаморфизма содержание урана в угле снижается. В результате уран-угольные месторождения связаны преимущественно с бурым углём. Однако при природном окислении ОВ, например, выветривании, происходит более или менее полное восстановление - "регенерация" исходной молекулярной структуры гумусовых кислот и восстановление их способности к химическому взаимодействию с ураном (и другими металлами). Окисленное ОВ приобретает способность концентрировать уран из водных растворов. Именно благодаря этому в обогащённых рассеянным ОВ осадочных породах, а также окисленном угле находятся крупнейшие месторождения урана4.
Важная роль органического вещества в концентрировании урана проявляется также в том, что разлагающееся в осадках ОВ формирует восстановительную (бескислородную) обстановку и связанное с этим изменение валентности урана +6и ^ +4и. Это, как указывалось выше, ведёт к осаждению урана из раствора и концентрированию в составе осадка. Восстановительный потенциал среды, влияющий в этом случае на миграцию или осаждение урана, может формироваться в средах, где происходит бактериальное восстановление сульфатов, генерация сероводорода и образование сульфидов, что объясняет частую ассоциацию минералов урана с пиритом и другими сульфидами минералами.
Примером накопления урана в ископаемом ОВ являются природные твёрдые битумы, образующиеся в результате окисления нефти. Окисление происходит при размыве перекрывающих нефтеносные отложения пород. По
4 Мансая С.М., Дроздова Т.В. Геохимия органического вещества. М., 1964.
современным представлениям нефть -это коллоидная система, состоящая из насыщенных углеводородов в качестве дисперсной среды, содержащей асфальтены и смолы в качестве дисперсной фазы. Асфальтены - наиболее высокомолекулярные вещества в нефти; в их состав входят ароматические структуры, содержащие функциональные группы. Последние (см. выше) способны к взаимодействию с металлами, в данном случае - ураном. В асфальте-нах уран находится в форме ураноорга-нических комплексов. При выветривании нефти происходит относительное увеличение содержания асфальтенов. По литературным данным, при среднем содержании урана в нефти одного из месторождений США 1 • 10-7% в ас-фальтеновой фракции оно достигало 3.2% (!). Окисление битумов приводит к сближению их струтуры с гумусовым ОВ со свойственным последнему ком-плексообразованию. Крупнейшее уран-битумное месторождение Амброзия-Лайк (США), как выяснилось, имеет состав ОВ, близкий составу ОВ растительного происхождения и, следовательно, веществу гумусовой природы. В уран-битумных месторождениях уран содержится обычно в виде настурана и урановой черни. Уран-битумное ру-дообразование как фактор концентрирования урана имело следствием формирование крупных месторождений, например Палангана (США).
Костные остатки рыб
Специфически
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.