Ядерная геология. Радиоактивные процессы в земной коре, геохимия изотопов - изотопный состав элементов. Методы кальциевый, иониевый, рениево-осмиевый

В книге «Химия Земли на новых путях» А. Е. Ферсман писал: «Совершенно новые горизонты открываются в явлениях радиоактивности, и атом в сложных путях своего странствования не только не сохраняет свою структуру, но и испытывает ряд постепенных превращений, подчиняясь великим законам радиоактивного распада. Целая область в геохимии рождается при анализе процессов разрушения атомных построек» \

В. И. Вернадский считал, что совокупность сведений о радиоактивных процессах в Земле должна составить содержание особой науки — радиогеологии. В последние десятилетия оформилась как наука ядерная геология, к которой, помимо радиогеологии, относят также изучение нерадиоактивных изотопов и другие вопросы, связанные с ядерными процессами (ядерно-физические методы поисков полезных ископаемых и т. д.).

Для геохимии особенно важны ядерно-физические методы определения элементов, отличающиеся огромной чувствительностью и позволяющие проводить измерения в полевых условиях без уничтожения образца породы и т. д. Ядерная геология тесно связана с геохимией, геофизикой и другими геологическими науками, границы между ними не выявлены, и практически многие проблемы ядер- ной геологии разрабатываются в рамках геохимии.

К замечательным достижениям радиогеологии принадлежит разработка абсолютной геохронологии, о которой А. Е. Ферсман писал: «Эта область радиоактивных процессов, неустойчивости клеток менделеевской системы открыла перед наукой новые методы измерения времени. И на смену грубым часам, наподобие старых песочных часов, пришли новые точные измерители абсолютного времени. И вся история нашей Земли получила в распадающихся атомах новый величайший метод для понимания прошлых судеб. Эти методы множатся с каждым днем. Если еще недавно измерение геологического времени основывалось только на изучении соотношений урана и тория со свинцом и гелием, то теперь роль часов начинают играть отдельные изотопы и атомы актиния, калия, кальция, рубидия, стронция, кислорода и других.

<...) Пусть еще много спорного в этих подсчетах, пусть еще неточны эти часы, пусть беспомощен еще этот метод, когда надо измерять отрезки времени последних этапов геологической истории, измеряемых лишь сотнями тысяч или миллионами лет. Но значение этой новой методики выходит за рамки простых проблем хронологии. В блестящем докладе академика В. И. Вернадского на Международном геологическом конгрессе в Москве развернулась грандиозная картина того нового понимания мира, в котором время и пространство являются одной из важнейших координат природы.

Так, на наших глазах из точных геохимических данных рождается новая хронология мира, а мы знаем, что без хронологии нет истории, как без истории нет истинной науки» 5.

За прошедшие годы усовершенствовался старый метод определения абсолютного возраста — свинцовый, разработаны и новые. Широкое распространение в СССР получил калий-аргоновый метод, предложенный Э. К. Герлингом. Он основан на определении в слюдах и других минералах К и 40Аг — продукта радиоактивного распада 40К. Возраст наиболее древних земных пород, метеоритов, лунных пород можно установить с помощью рубидий-стронциевого метода (87Sr->87Rb).

При датировании наиболее молодых событий применяется радиоуглеродный метод американского ученого В. Либби. Зная содержание 14С в ископаемой древесине, в археологических или исторических памятниках, гумусе почв, нетрудно вычислить их возраст (если он не старше 70 тыс. лет). Благодаря радиоуглеродному методу было доказано, что еще 11 200 лет назад ледник покрывал поверхность Эстонии.

Меньше используются пока кальциевый, иониевый, рениево-осмиевый и другие методы.

В результате геохронологических исследований разработана абсолютная шкала геологического времени, стало возможным решать ранее недоступные задачи: выявлять возраст рудных жил и вмещающих пород, сравнивать по абсолютному возрасту массивы гранитоидов и других изверженных пород, сопоставлять возраст складчатости разных районов, расчленять немые толщи докембрия и т. д.

Хотя принципы абсолютной геохронологии основаны на физических законах, получаемые данные часто нуждаются в дополнительной проверке и обосновании. Это связано с миграцией продуктов радиоактивного распада и с другими причинами. Поэтому важно корректировать числа абсолютного датирования с геологическими данными.

Определение содержания радиоактивных и нерадиоактивных изотопов в горных породах, рудах, минералах, водах, организмах, атмосфере позволяет работать и над другими проблемами, стоявшими перед науками о Земле. Оформилось особое научное направление — геохимия изотопов.

Значительный прогресс достигнут в изучении природных изотопов атмосферы и гидросферы. В атмосфере они образуются в результате взаимодействия космических лучей с газами атмосферы. Так, взаимодействие нейтронов [п] с азотом приводит к образованию ядер углерода и радиоактивного изотопа водорода — трития (3Н, или Т) :

14N+rc-^12C+3H.

Тритий претерпевает ?-распад и превращается в изотоп гелия с массовым числом 3 (3Не). За 12 лет распадается половина атомов трития. Интенсивность этих реакций мала, и содержание трития на Земле ничтожно (его атомный кларк в атмосфере близок к 4-10~15%). Тритий оказался превосходным определителем скорости природных процессов. Содержание трития в природных водах позволяет установить скорость проникновения атмосферных осадков в земные недра. Природные воды, «меченные» тритием, дали возможность решать задачи гидрогеологии, геофизики, гидрологии.

Было показано, что под влиянием космических лучей в атмосфере протекают и другие ядерные реакции с образованием радиобериллия (10Ве), радионатрия (22Na), радиоалюминия (20А1), радиохлора (36С1) и других радиоактивных изотопов.

За счет энергии радиоактивного распада в земной коре осуществляются различные химические реакции, в том числе и радиолиз воды, т. е. разложение ее на водород и кислород. Продуктами радиолиза являются также перекись водорода, атомарный водород, ион гидроксиния (Н30+), гидроксила. Таким образом, в результате радиолиза возникает резко неравновесная обстановка с сильными окислителями и восстановителями. По И. Ф. Вовку, для образования заметных количеств продуктов радиолиза в водоносных горизонтах необходимы сотни тысяч и миллионы лет, а на участках месторождений радиоактивных руд — сотни и тысячи лет. С действием кислорода, выделяющегося при радиолизе, связывают в некоторых случаях гематитизацию пород, окисление нефти. Выделяющийся водород (особенно в атомарной форме) может быть мощным фактором восстановления.

Полагают, что под влиянием радиации в подземных водах образуются атомарные хлор, бром и йод; растворенный в воде азот дает нитриты, нитраты, аммиак; в залежах калийных солей накапливается свободный водород и т. д. Метан под действием a-излучения полимеризуется с образованием сложных углеводородов. Эксперименты показали также, что в результате радиолиза бензол превращается в фенол, в газовых залежах образуются двуокись и окись углерода, формальдегид, синильная кислота и другие соединения. По Вовку, основными продуктами ра- диолитического расщепления органического вещества в земных глубинах являются углекислый газ и метан, таким путем преобразовано 5% органических веществ в палеозойских отложениях Днепровско-Донецкой впадины.

Радиационно-химические явления были изучены и во многих минералах.- С радиационным воздействием (главным образом a-излучением урана и тория) связывают и метамиктные изменения минералов, т. е. частичную потерю ими кристаллической структуры (у циркона, торита, браннерита и других радиоактивных минералов).

При спонтанном делении ядер 238U92 образуются осколки, обладающие большой массой и кинетической энергией (140Ва56, 130Хе54 и др.). Пути их следования в виде тонких каналов — треков наблюдаются под микроскопом при условии предварительного травления поверхности минерала различными реактивами. Такой метод треков позволяет выявлять пространственное распределение атомов урана в минералах и его содержание. При облучении образца минерала тепловыми нейтронами в ядерном реакторе происходит индуцированное деление ядер 238U92, осколки которого также оставляют треки в самом минерале или же в специальном твердом детекторе, накладываемом на поверхность облученного минерала (пластинки слюды, стекла, лавсана и т. д.). Треки выявляются с помощью микрорадиографии. Методика изучения треков осколков, полученных при индуцированном делении ядер, разработана и для определения содержания микроколичеств бериллия и выявления пространственного распределения этого металла. Треки образуются также за счет тяжелых частиц космических лучей, они обнаружены, например, в минералах метеоритов (Г. Н. Флеров, И. Г. Берзина).

Изучение изотопного состава элементов помогло решить ряд вопросов генезиса горных пород и руд. Важное индикационное значение имеет отношение 86Sr : 87Sr. В современных породах мантийного происхождения оно близко к 0, 703, а в породах земной коры значительно выше. Поэтому определение отношения 86Sr : 87Sr в изверженных породах позволяет выяснить их генезис — мантийный, коровый или смешанный. По академику Л. В. Таусону, отношение 86Sr : 87Sr в выделяемых им гранитоидах второй группы имеет «мантийное» значение, а в гранитоидах первой и третьей групп — «коровое».

Большое значение изотопный анализ приобрел при выяснении генезиса гидротермальных руд. Например, изотопный состав сульфидной серы во многих гидротермальных месторождениях указывает на ее образование из осадочных сульфатов. Сера может поступать и из магматического источника. Опираясь на изотопные данные, Ф. В. Чухров подчеркивает, что в скарнах, грейзенах, колчеданных месторождениях в сульфидах преобладает магматическая сера, а сера термально-осадочных и вадозно- гидротермальных месторождений прошла через осадочный цикл.

Изотопными определениями доказано, что свинец галенитов в ряде стратиформных месторождений заимствован из глубже лежащих более древних пород (например, в среднепалеозойских свинцовых рудах хребта Каратау свинец имеет нижнепалеозойский возраст). По А. И. Ту- гаринову, изотопный состав О, С, Sr, S и Pb свидетельствует о преимущественно первичноосадочном источнике рудного вещества многих гидротермальных месторождений. Изучение изотопного состава Pb, S, С и F в гидротермальных месторождениях Забайкалья показало, что свинец заимствован из осадочных карбонатных пород и гранитов, сера имеет ювенильное происхождение, фтор — эффузивный, углерод, возможно, биогенный.

Большое значение геохимия изотопов приобрела также в почвоведении, морской геологии и других науках о Земле.

В речи па юбилее МОИП, о которой уже не раз упоминалось, А. Е. Ферсман отмечал большое значение геохимии изотопов, прозорливо наметил ряд актуальных про- блем, которые, по его мнению, будут разрешены в будущем. Ныне это будущее наступило.

К содержанию книги: Биография и книги Ферсмана