ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 421, № 5, с. 666-669
= ГЕОХИМИЯ
УДК 550.46:551.49
УРАН В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ МЕЗЕНСКОЙ СИНЕКЛИЗЫ
© 2008 г. А. И. Малов, Г. П. Киселев, Г. П. Рудик
Представлено академиком В.И. Осиповым 08.06.2007 г. Поступило 14.06.2007 г.
Для живых организмов вода является первостепенным "стратегическим" компонентом, обеспечивающим их жизнедеятельность. Поэтому состав воды определяет качество жизни человека.
Качество подземных вод зачастую не соответствует требованиям, предъявляемым санитарными правилами и нормами. В частности, встречаются отклонения по а-активности, норматив для показателя которой установлен в размере 0.1 Бк/дм3. Кроме того, изучение а-активных изотопов урана представляет интерес для расшифровки природных процессов формирования состава подземных вод, а также аномалий, связанных с антропогенными изменениями геологической среды. Использование изотопов 234и и 238и основано на следующих соображениях. В урансодержащих породах наблюдается, как правило, равновесное соотношение между изотопами 234и и 238и. Их отношение составляет 1 к 17000, что соответствует единице отношений их активностей. При полном разложении этих пород изотопы урана также переходят в раствор в равновесных соотношениях. Если же мы имеем трещинно-пористую урансодержащую среду в ее природном состоянии, что характерно для всех водоносных горизонтов, то в подземных водах будет иметь место избыток 234и. Связано это с тем, что при а-распаде 238и в горной породе образуется нарушенная (разупорядоченная) область, образованная атомом отдачи. В ней происходит сдвиг соотношения между активностями изотопов 234и и 238и в сторону увеличения. Оно становится большим единицы. Эта нарушенная область при подключении к трещинно-поровому пространству более проницаема для подземных вод по сравнению с монолитной породой. В результате происходит опережающий вынос изотопов урана из нарушенных областей урансодержа-
Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской Академии наук, Архангельск
ОАО "Техноэкология", Архангельск
щей породы с переходом избытка изотопов 234и в подземные воды.
Избыток изотопов 234и и активность изотопов урана связаны с динамикой подземных вод, их химическим и газовым составами, содержанием органических веществ, окислительно-восстановительными и кислотно-щелочными условиями. Поэтому информация о распределении изотопов урана в пространстве позволяет картировать различные подземные потоки, зоны выщелачивания урана из пород, зоны гидрогенного перераспределения урана, а также геохимические барьеры, на которых происходит накопление урана в горных породах. Следовательно, информация о распределении изотопов урана и степень их неравновесности в подземных водах могут иметь не только экологическую, но и поисковую значимость.
Близость территории исследований к Балтийскому щиту позволяет предполагать возможность скоплений в осадочном чехле Мезенской синекли-зы эпигенетических экзогенных концентраций урана, которые могут быть выявлены посредством уран-изотопных и химических исследований состава подземных вод Мезенской синеклизы.
В результате выполненных в 2002-2006 гг. исследований изотопного состава подземных вод Мезенской синеклизы нами установлены повышенные (до 2.6 Бк/дм3) значения а-активности изотопов урана в подземных водах водоносного комплекса песчаников падунской свиты венда в краевой северо-западной части синеклизы, граничащей с Балтийским щитом. Для этих вод характерны также высокие (до 7.2) значения отношения урана-234 к урану-238.
На рис. 1 показано изменение активностей и-234 и и-238 в подземных водах Мезенской синеклизы.
Определение изотопов урана в концентратах осуществлялось на а-спектрометрическом комплексе "Прогресс-альфа" в лаборатории экологической радиологии Института экологических проблем Севера УрО РАН. Анализы выполнены С.Б. Зыковым. Определения рН, ЕН, минерализации, кислорода, углекислого газа, железа осуществлялись непосредственно на самоизливаю-
Активность, Бк/л
Рис. 1. Изменение активностей U-234 и U-238 в подземных водах Мезенской синеклизы.
ших, реже эксплуатируемых погружными насосами скважинах и природных источниках подземных вод с использованием полевой экспресс-лаборатории, укомплектованной рН-метром, кондуктометром и измерителем ORP фирмы "HANNA Instruments" (Португалия). Измерение Eh проводилось в проточном режиме с помощью специальной ячейки конструкции ВСЕГИНГЕО. Кислород, углекислый газ, железо определялись с помощью химических тест-наборов фирмы "Merek" (Германия).
Источниками урана Мезенской синеклизы являются, по всей видимости, породы Балтийского щита. В пределах Карельской урановой провинции в настоящее время известно восемь мелких месторождений урана, свыше 200 рудопроявле-ний урана (в том числе около 20 близких по своим параметрам к месторождениям) и несколько тысяч точек радиоактивной минерализации [1].
Ранее [2] нами показано, что в зоне сочленения Мезенской синеклизы с Балтийским щитом имеет место отчетливо выраженная зона сравнительно активного водообмена, т.е. зона проникновения инфильтрационных вод, развитая до глубины порядка 1 км. В пределах этой зоны движущиеся воды, насыщенные углекислым газом, кислородом и органическими кислотами, перераспределяли уран, вынесенный с Балтийского щита при разрушении урансодержащих пород. Уран первоначально находился в породах в виде уранинита
(настурана и урановых черней), коффинита, карнотита и др. [1].
Окисление и перевод урана в раствор сопровождалось переносом его из областей питания в области разгрузки подземных вод. При этом в определенных условиях происходило осаждение урана из раствора и формирование зон вторичного обогащения. Основными процессами, приводящими к осаждению урана, являлись гидролиз, адсорбция на природных сорбентах и изменение окислительных условий среды на восстановительные.
В ходе гидролитических реакций одними из первых начинают выпадать гидроксиды железа, придавая песчаникам красноцветный облик. Они обладают значительной сорбционной способностью. Осаждение геля гидроксида железа приводит к соосаждению на этом же возникающем сорбционном барьере значительной доли урана. Зона красноцветных песчаников развита в отложениях венда зоны сочленения Мезенской синеклизы с Балтийским щитом преимущественно до глубины 200-300 м.
Среди природных сорбентов урана важная роль отводится разным формам органического вещества (окисляющиеся битумы, углефициро-ваннные органические остатки, торф, органическое вещество илов и т.д.). Способность органических сорбентов концентрировать уран прямо
668
МАЛОВ и др.
Рис. 2. Схема опробования подземных вод падунской свиты венда на территории Северо-Двинской впадины. 1 - граница Северо-Двинской впадины; 2 - точка опробования с указанием суммарных значений а-ак-тивности урана в Бк/дм3; 3 - контур области повышенных активностей урана, перераспределяющегося к зоне разгрузки в долину Северной Двины.
пропорциональна содержанию в них кислородсодержащих компонентов, т.е. степени их окислен-ности [3]. Органические остатки (пленки водорослей) и битумы наиболее широко развиты в отложениях венда глубже 800 м.
Область анаэробных микробиологических процессов, создающая восстановительные для и6+ условия и способствующая осаждению урана, развита в отложениях венда преимущественно глубже 200-300 м. Однако она присутствует и на более высоких, изолированных с поверхности, горизонтах, где в подземных водах содержатся
сульфаты и органическое вещество. Процессы сульфатредукции
804 + 2Сорг + 2Н2О ^ 2НС03 + Н2Б;
804- + 2Сорг + 2Н+ ^ 2СО2 + Н2Б
способствуют формированию восстановительной щелочной среды, благоприятной для осаждения урана (рН 7-9, ЕН от 0 до -200) [4]. Здесь становится возможным восстановление железа из его гидроксидов и связывание в гидросульфидные комплексы:
4Ре(0Н)3 + 7СО2 + Сорг ^ 4Бе2+ + 8НС0- + 2Н20, Бе2+ + Н2Б + пН20 ^ БеБ ■ пН20 + 2Н+,
Бе2+ + яНБ- ^ Ре(Н8)П~ п.
Имеют место процессы гидролиза алюмосиликатов, также повышающие щелочность раствора [5]. и6+ восстанавливается до и4+, который выпадает из раствора в форме оксидов урана, частично силикатов.
Такие условия имели место под толщами накапливающихся илов в береговых зонах морских бассейнов, располагавшихся на территории Мезенской синеклизы последовательно в рифее, венде, палеозое, мезозое и кайнозое. Уран также последовательно перераспределялся, видимо, из более древних береговых зон в более молодые.
70-50 тыс. лет назад область восстановительных условий находилась под чехлом осадков ми-кулинского моря, в частности на территории Се-веро-Двинской впадины (рис. 2), а 50-10 тыс. лет назад была "законсервирована" под валдайским
80 40 0
-40
-80
-120
-160 м
С2иг-угс
2+ 3
10 I
I I \
15
// / / /
/
/
I 1
10
Vpd
5
15
-15- 1
-"2
20
40
60
80
I, км
Рис. 3. Схематический гидрогеологический разрез через Северо-Двинскую впадину. 1 - изолинии минерализации подземных вод; 2 - пьезометрический уровень в водоносном комплексе песчаников падунской свиты венда.
Активность, Бк/л 0.6
г.? mon
100
200
300 Eh, мВ
Рис. 4. Зависимость активности U-238 и U-234 от Eh.
нах +200...+300 мВ. При значениях БН ниже +100...+50 мВ концентрации урана в растворе снижаются. В этих зонах можно ожидать повышенные содержания урана в осадочных отложениях.
Примечательно, что максимальные концентрации урана в подземных водах приурочены к контуру месторождения йода, находящегося под Северо-Двинской впадиной и имеющего также органическую природу [5]. В настоящее время это месторождение разрушается под воздействием поступающих с бортов впадины инфильтраци-онных вод, которые одновременно перераспределяют и уран на окончания "зон пластового окисления" [4] (рис. 3).
0
ледником [6]. Очевидно, в береговой зоне мику-линского моря, на бортах морской впадины, были сосредоточены существенные остатки урана, вынесенного ранее с Балтийского щита в пределы Мезенской синеклизы.
На разрезе через Северо-Двинскую впадину (рис. 3) видно, что после таяния валдайского ледника и образования эрозионной долины р. Северной Двины
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.