МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ЗАПАСЫ УРАНОВЫХ РУД
ГЛАВА 2
УРАН В ПРИРОДЕ
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ УРАНА В ПРИРОДЕ
Уран в земной коре. Уран принадлежит к числу редких и рассеянных элементов. Среднее содержание урана в земной коре (так называемый весовой кларк), по данным А. П. Виноградова, составляет 3.10-4 %, по другим данным, 4.10-4%. На этом основании можно заключить, что общее количество урана в верхних слоях земной коры оценивается примерно равным 1015 т. Это означает, что урана в земной коре примерно в 1000 раз больше, чем золота, в 30 раз больше, чем серебра и почти столько же, сколько цинка или свинца. Отметим, что такой же кларк, как уран, имеют бор, молибден, гафний и таллий.
В настоящее время уран считают «вездесущим» элементом. Этому способствуют его радиоактивные свойства, в частности радиоактивность продуктов его распада, например, радия, всегда сопутствующего урану в природе. Радиоактивность радия позволяет сравнительно легко обнаруживать и определять даже минимальные количества урана.
Вот некоторые данные о «вездесущности» урана. Содержание урана (%) по А. П. Виноградову, составляет 3,5.10-4 в кислых породах; 1,8.10-4 в средних; 8.10-5 в основных изверженных; 3.10-6 в ультраосновных. Среднее содержание урана в почвах составляет 1.10-4 %.
Уран в гидросфере. В воде морей и океанов содержится урана около 3,3.10-6 г/л, или 3,3 мг/м3 (Черное море - 2,9.10-6 г/л, Баренцево море - 1,6.10-6 г/л).
Если принять объем всех морей и океанов на нашей планете равным 2.109 км3, то окажется, что полное содержание урана в них составит внушительную величину - 4.10-9 т. Воды рек СССР, по данным И. Е. Старика, содержат урана 0,2 - 10.10-6 г/л, т. е. иногда на порядок выше, чем воды морей. В озерах нашей страны примерно такая же концентрация урана. Но в некоторых подземных водах СССР, не связанных с урановыми месторождениями, концентрация урана иногда доходит даже до 120.10-6 г/л. т. е. на два порядка выше, чем в морях.
|
|
|
Содержание урана в океанических отложениях было предметом многих исследований. Оно равняется приблизительно 106 т, т. е. очень мало по сравнению с тем, что имеется в земной коре, хотя сама по себе эта цифра внушительна. Поступление урана в осадки на морском дне определяется формой нахождения урана в морской воде, где он находится в шестивалентном состоянии в виде устойчивых карбонатных комплексов.
Уран в космическом пространстве. Многочисленные анализы показали, что содержание урана в метеоритах намного меньше, чем в земных породах, а именно 10-7 -10-8 г/г метеорита, т. е. не более 10-6 %. Присутствие урана на Солнце или других звездах с достоверностью установить не удалось. Ядро Земли также, по-видимому, не содержит урана.
|
|
|
Уран в живой материи. В организмах животных и растениях содержится некоторое количество урана. Так, концентрация урана в протоплазме от 1.10-4 до1.10-9%. Следует отметить, что в живых организмах уран не накапливается, а лишь задерживается. Исключение составляют абрикосы и некоторые водоросли, в золе которых обнаружены сравнительно большие количества урана.
Причины распространенности урана. Такая почти повсеместная распространенность урана объясняется не только сравнительно высоким кларком урана, но и его физическими и химическими свойствами, например высокой химической активностью, большим атомным радиусом, многовалентностью относительно высокой растворимостью некоторых соединений и (VI) и т. п.
Свойства, которые обусловливают широкую распространенность урана в природе, вызывают в то же время и его распыление, рассеивание. Поэтому основная масса урана земной коры рассеяна в горных породах, почвах, природных водах и т. п. Лишь относительно небольшая часть урана сконцентрирована в месторождениях, откуда его и добывают. Миграция (перемещение) урана наиболее характерна для верхней части земной коры, так называемой зоны гипергенеза, где воды, солнечная энергия и живые организмы создают условия, благоприятные как для рассеивания, так и для концентрации урана. Исключительно важную роль в миграции урана в зоне гипергенеза играют окислительно-восстановительные реакции, с которыми связано образование крупнейших промышленных месторождений урана. Именно в зоне гипергенеза под воздействием указанных факторов образовались наиболее крупные месторождения промышленных урановых руд, составляющие большую часть ресурсов атомного сырья многих стран.
|
|
|
ГЕОХИМИЯ УРАНА
Образование геосфер. Рассмотрим процессы, которые обусловили неравномерное распределение урана в земной коре и возникновение месторождений урана.
Современная теория образования Земли исходит из первоначальной агломерации (собирания, уплотнения) метеоритного вещества до размеров планеты. В результате сжатия и еще в большей степени радиоактивности происходили выделение большого количества тепла и разогрев, приводящие к местным расплавлениям вещества планеты, образованию огненно-жидкого состояния вещества.
Подсчеты геохимиков и радиохимиков показывают, что такое состояние вещества земного шара было обязано выделению тепла от таких радиоактивных элементов Земли, как уран, торий и калий, которых в то время было в несколько раз больше, чем теперь. Подсчитано, что более 99% радиогенного тепла, генерируемого в недрах планеты, обусловлено этими элементами и их дочерними продуктами. Радиогенное тепло генерируется по всему объему планеты, но в излучении его участвуют только тонкие наружные оболочки (перисфера). Внутренняя область Земли, откуда нет оттока радиогенного тепла, испытывает очень медленное, но постоянное разогревание и, следовательно, расширение. Поскольку внутренняя область планеты по объему и массе значительно превосходит перисферу, в последней происходит расширение и растрескивание. Таким образом, тепло преобразуется в механическую работу тектогенеза - передвижений в коре планеты, что и является основной причиной геологического развития нашей планеты.
|
|
|
По современным представлениям, в некоторых зонах нашей планеты протекали процессы, напоминающие зонную плавку, когда происходило расплавление и деление на тугоплавкую и легкоплавкую фазы. Находящаяся в расплавленном состоянии легкоплавкая фаза при постепенном охлаждении перемещалась вверх, к поверхности Земли, а более тугоплавкая оставалась на месте в твердом состоянии. Так образовалась мантия -тугоплавкое вещество Земли (рис. 9). Более легкоплавкое вещество (базальты) концентрировали в себе многочисленные редкие элементы, а также тантал, ниобий, титан, торий и уран. Всего в земную кору было выплавлено около 1 % вещества Земли. При этой «зонной плавке» происходили «дегазация» вещества, выделение паров и газов и образование гидросферы и атмосферы.
Уран в пегматитах. Исследование образования горных пород свидетельствует о том, что тепловой режим Земли изменялся чрезвычайно медленно и постепенно. Поэтому процессы дифференциации вещества мантии, вулканическая деятельность, а также формирование внешних оболочек — земной коры, атмосферы и гидросферы — протекали очень медленно и последовательно. Но шло время, уменьшалось количество радиоактивных веществ, а, следовательно, приток тепла. Земля все более и более остывала. Стала остывать первоначальная силикатная магма (рис. 10). Уран в ней находился в виде UO2. Это и понятно, так как он обладает очень большим сродством к кислороду, являясь весьма литофильным элементом.
Поэтому при «зонной плавке» и остывании Земли уран и сконцентрировался в литосфере, преимущественно в кислых породах, подобно тому, как он сконцентрировался бы в шлаке при металлургической плавке.
Далее начались кристаллизация преобладающих, относительно тугоплавких компонентов, выделение в твердую фазу минералов с наиболее высокой температурой затвердевания: 1) MgO, Fe2O3 и изоморфные примеси; 2) SiO2, Al2O3, CaO, K2O и изоморфные примеси. В остаточном силикатном расплаве концентрировались редкоземельные элементы, титан, тантал, ниобий и уран. Эти остаточные силикатные расплавы - первоначальный источник месторождений урановых руд.
Однако дальнейшее концентрирование и выделение урана шли различными путями. Один из них - застывание и кристаллизация остаточного силикатного расплава с выделением продуктов кристаллизации в виде так называемых пегматитов, образующих либо самостоятельные месторождения минерала уранинита или его разновидностей, либо минералов, где UO2 изоморфно замещает соединения тория, РЗЭ, ниобия, тантала, титана, циркония благодаря близким радиусам ионов. Обычно это сложные титанотанталониобаты и т. п. Уран в таких месторождениях, как правило, четырехвалентен, что, например, характерно для пегматитов урановых месторождений Канады, а также Мадагаскара.
Уран в гидротермальных месторождениях. В ряде случаев был возможен другой путь генезиза урановых месторождений - образование гидротермальных месторождений в результате воздействия воды в сильно перегретом состоянии, под огромным давлением на остаточные силикатные расплавы на последних ступенях кристаллизации. В этих условиях вода интенсивно окисляет и выщелачивает уран в шестивалентном состоянии. Гидротермальные растворы урана в шестивалентном состоянии проникают в трещины, пустоты застывшей породы, соприкасаются с восстановителями (Fe2+, Н2S и др.). В результате взаимодействия из сравнительно чистых по примесям селективных растворов урана осаждается UO2, чистая, без Тh и РЗЭ. Так образуются месторождения урановой смоляной руды— настурана. В них нет тория, РЗЭ, Та, Nb, но имеется ассоциация урановых минералов с сульфидами, кварцем, карбонатами. Для гидротермальных месторождений урана характерно наличие минералов настурана, уранинита, урановых черней, а также силикатов (коффинита и ненадкевита) и титанатов (браннерита и давидита).
Различают пять типов или видов рудных формаций гидротермальных месторождений урана.
1. Урановая - очень чистое месторождение UO2. Таковы месторождение Биверлодж в Канаде, большинство месторождений Франции и др.
2. Пятикомпонентная - содержащая U, Ni, Co, Bi, Ag. Все элементы, кроме урана, находятся обычно в виде сульфидов. Таково канадское месторождение урана в районе Большого Медвежьего озера.
3. Никель-кобальт-урановая - например, знаменитое месторождение Шинколобве в Шабе (Заир).
4. Железо-титано-урановая - например, месторождение минерала давидита в Радиум-Хилле (Австралия).
5. Медно-урановая - обычно это настуран в ассоциации с Си2S. Примером такого месторождения является Рам-Джангл в Австралии.
Пегматитовые и гидротермальные месторождения - это так называемые эндогенные (магмагенные) месторождения, как правило, относительно богатые по процентному содержанию урана и довольно давно известные. Естественно, что именно с них и начались разработка и добыча урановой руды для промышленного использования.
Образование осадочных месторождений урана. Более распространены в земной коре месторождения урана принципиально другого типа - экзогенные месторождения, образовавшиеся в результате процессов выветривания, разложения и выщелачивания эндогенных месторождений. Они представляют собой вторичные месторождения, образовавшиеся в результате окисления и выщелачивания урана в шестивалентном состоянии и его последующей миграции.
Осаждение урана происходит в зоне самого выщелачивания или в других местах после миграции в них таких растворов, что приводит к образованию осадочных месторождений урана, имеющих очень большое практическое значение. К подобным месторождениям относятся: 1) месторождения урансодержащих фосфоритов (Флорида, Швеция и др.); 2) месторождения битуминозных сланцев, образовавшиеся при осаждении или сорбции урана на органических или неорганических сорбентах; 3) месторождения карнотитовых песчаников, где уран присутствует в виде минералов типа карнотита (уранованадат калия), образовавшихся в результате процессов окисления.
Только 5% объема литосферы приходится на долю осадочных пород. Однако надо иметь в виду, что осадочные породы по площади занимают около 3/4 поверхности континентов, имеют достаточно неравномерное распределение урана и содержат большие по общим запасам урановые месторождения.
Метаморфогенные месторождения урана. Наконец, существует еще один важный тип месторождений - метаморфогенные месторождения. Это осадочные месторождения, подвергшиеся после своего образования метаморфизму, т. е. преобразованию под влиянием высоких давлений и температур. Таких месторождений очень много. К ним относятся, например: 1) конгломераты Блайнд-Ривера (Канада), где смесь уранинита и настурана цементирует зерна кварца; 2) золотоносные конгломераты Витватерсранда (ЮАР), где кварцевая галька сцементирована урановыми минералами - уранинитом и тухолитом.
Процентное содержание урана в осадочных и метаморфогенных месторождениях существенно меньше содержания в магмагенных; кроме того, и уран в них более рассеян. Однако по объему, общему количеству, запасам этот вид месторождений во много раз превосходит магмагенные, что видно, например, из рис. 11.
О формах нахождения урана в горных породах. Как мы видели из предыдущего раздела, в земной коре находятся огромные количества урана. При кларковом содержании урана в каждом кубическом километре кислых пород имеется до 10 т урана. Для некоторых разновидностей кислых горных пород это значение достигает 80-100 т. Формы нахождения урана в горных породах наиболее детально были изучены В. И. Вернадским, который считал, что уран в породах земной коры: 1) образует собственные урановые минералы; 2) изоморфно входит в кристаллические структуры минералов, образованных другими элементами; 3) находится в горной породе в состоянии тончайшего («атомарного», по В. И. Вернадскому) рассеяния.
Последующие исследования показали, что этот рассеянный уран может находиться в одном из трех ионных состояний: 1) сорбированным на гранях роста кристаллов; 2) фиксированным в дефектах кристаллических решеток (по-видимому, в виде группы уранил-иона) и 3) растворенным в составе жидких включений и в межзеренной жидкости (интерстиционные растворы).
Таким образом, собственные минералы урана - лишь одна из форм нахождения его в природе, в количественном отношении далеко не преобладающая.
МИНЕРАЛЫ УРАНА
Особенности минерализации урана. Минерал — природная гомогенная составная часть земной коры, обладающая определенным химическим составом и кристаллической структурой. Это природное структурно индивидуализированное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам. Не следует смешивать понятия «минерал» и «горная порода». Горная порода - совокупность агрегатов минералов более или менее постоянного состава, образующая самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Следовательно, земная кора состоит из горных пород, а горные породы - из минералов.
В зависимости от условий уран способен образовывать большое количество различных минералов. В настоящее время известно около 200 урановых и урансодержащих минералов. Примерно в 100 из них содержится свыше 1% урана. Некоторые урановые минералы названы в честь русских ученых: хлопинит, ненадкевит, лодочникит, билибинит, пржевальскит, обручевит, менделеевит и др.
Как известно, в водных растворах уран способен существовать в нескольких валентных состояниях. В минералах зоны гипергенеза встречаются соединения только четырех- и шестивалентного урана, причем собственно урановые минералы довольно отчетливо делятся на первичные минералы четырехвалентного урана и вторичные минералы шестивалентного.
Основой структуры четырехвалентного урана служит, по-видимому, «голый» ион U4+, ионный радиус которого, по данным различных исследователей, равен 0,89—1,05 А. Ионный радиус четырехвалентного урана близок к радиусу тория (1.10А), кальция (1,06 А) и РЗЭ (1,18—0,99 А), вследствие этого он склонен к широкому изоморфизму с указанными элементами.
Основой структуры шестивалентного урана, присутствующего в природных соединениях, является уранильная группа UO22+ - катион, представляющий собой компактное линейное образование из центрального атома и двух диаметрально противоположных атомов кислорода. Максимальная длина такого образования равна 6,84 А, минимальная - 6,04 А, толщина - 2,64 А. Средний ионный радиус UO22+, приблизительно равный 3,22 А, значительно превышает радиусы большинства катионов, распространенных в природе. Поэтому уранильная группа не может входить в катионные части решетки других минералов-носителей и обособляется почти исключительно в виде многочисленных собственных минералов урана.
Особенностью минералов урана является присутствие в них урана в виде кислородных соединений - окислов.
Для урана характерно отсутствие сернистых и галоидных соединений, а также соединений с азотом, вольфрамом, оловом, селеном, теллуром, элементами группы платины. Совершенно неизвестно нахождение самородного металлического урана.
Классификация урановых минералов. Существует целый ряд систем классификации урановых минералов. С точки зрения технологии представляет интерес система классификации, основанная на химическом составе минералов, включающая следующие классы: простые окислы; простые силикаты; сложные титанотанталониобаты (титанаты, танталониобаты); гидроокислы урана; гидратированные соли урана; ванадаты, арсенаты, молибдаты, карбонаты, сульфаты, сложные силикаты, фосфаты (фосфориты), органические соединения.
Промышленное значение имеют следующие собственно урановые минералы: уранинит, настуран, урановые черни, браннерит, ненадкевит, коффинит, ураноторит, карнотит, тюямунит и др. К урансодержащим минералам относятся: монацит, давидит, бетасфит, эвксенит и др.
В осадочных месторождениях уран концентрируется в фосфате кальция, органических соединениях, глинистых минералах, лимоните и др. При этом форма нахождения урана в большинстве случаев не установлена.
Характеристика важнейших минералов урана (табл. 7, см. конец документа). Минералы урана уранинит, настуран и урановые черни состоят из UO2 и UO3. Они образуют единый ряд с постепенным изменением отношения UO2 к UO3.
Уранинит представляет собой двуокись урана с небольшим содержанием трехокиси, образовавшейся в результате окисления кислородом воздуха или кислородом, выделившимся в результате превращения урана в свинец: UO2 ® PbO + ½ O2. В состав уранинита входят продукты распада урана и значительное количество тория и редкоземельных элементов, что обусловлено близостью их ионных радиусов. Поэтому формулу уранинита пишут обычно так: x(UO2 .ThO2) . yUO3 . zPbO. Урановая смоляная руда настуран отличается от уранинита тем, что не имеет кристаллического строения, в ней практически нет тория, а содержание РЗЭ не более 1%. Содержание кислорода переменно, примерно соответствует формуле U3O8, т. е. 2UO2.UO3. В отличие от уранинита, настуран образует большие скопления в гидротермальных отложениях в ассоциации с сульфидными минералами свинца, железа, кобальта и никеля. Урановые черни - рыхлые аморфные вещества переменного состава, образовавшиеся в результате окисления и разрушения уранинита или настурана. Встречаются совместно с уранинитом и настураном. Карнотит - уранованадат калия с тремя молекулами гидратной воды - встречается в зоне окисления осадочных месторождений, например Плато Колорадо (США). Близкий по составу к карнотиту минерал тюямунит отличается от него тем, что это не калиевая, а кальциевая соль. Свое название тюямунит получил от наименования местности Тюя-Муюн в Средней Азии, где он был обнаружен в конце прошлого века и где был заложен первый урановый рудник в нашей стране.
Предполагают, что четырехвалентный уран входит в кристаллическую решетку фторапатита Са5(РO4)з(F, Cl, OH), изоморфно замещая кальций. Получающееся соединение имеет формулу хСа9(РO4)б . Са(F, ОН)2 . yСа9(РО4)6.UO2. Однако некоторые данные свидетельствуют о сорбированном состоянии урана в фосфатном веществе. Наиболее вероятным способом обогащения фосфатов ураном представляется его сорбция фосфатным или органическим веществом из морской воды.
Минерал тухолит - углистое вещество, содержащее уран, торий и РЗЭ в соединении с органическим веществом. Вообще в природных условиях довольно широко распространена ассоциация урана с органическим веществом в результате образования органических соединений, сорбции урана из растворов органическим веществом, образования восстановленных нерастворимых соединений. Это различные сланцы, битумы, угли. Широко известен минерал «кольм» - углеподобное вещество, содержащее до 2,5% урана (месторождения в Швеции).
Уран в углеродистокремнистых и других сланцах находится в чрезвычайно рассеянном состоянии и тесно связан с органическим веществом.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ЗАПАСЫ УРАНОВЫХ РУД
Общая оценка мировых запасов урана. Уран встречается в различных точках земного шара в форме урановых месторождений. Напомним, что месторождения - это скопления полезных ископаемых в более или менее значительных количествах на поверхности или в недрах Земли. Подобно месторождениям других металлов большинство важнейших урановых месторождений сконцентрировано в пределах определенных площадей земной коры - так называемых провинций. Обычно это обширная площадь с довольно расплывчатыми очертаниями.
По опубликованным данным, общие запасы урана в разведанных месторождениях составляют около 25 млн. т, что представляет собой источник энергии, примерно в 25 раз превышающий энергетические запасы всех разведанных месторождений угля, нефти, сланцев и природного газа, вместе взятых. Промышленные запасы урановых руд, естественно, меньше названной величины. Сведения о конкретных запасах в отдельных капиталистических странах хотя и публикуются, но довольно сильно расходятся.
До 1974 г. запасы урана классифицировали в зависимости от стоимости производства 1 кг U3O8 на категории до <22 и 22-33 долл./кг U3O8, но в условиях энергетического кризиса с 1975 г. были установлены категории стоимости до 33 и 33—66 долл./кг U3O8, а в Канаде даже 44 и 44-88 долл./кг. Внутри каждой из этих категорий запасы делятся на достоверные, т. е. определенные с точностью ±10%, вероятные и возможные. Наибольшая часть (до 85%) разведанных запасов урана по 33 долл./кг U3O8 приходится на США, Австралию, ЮАР и Канаду (табл. 8).
Таблица 8
Запасы урана в капиталистических и развивающихся странах, тыс. т U3О8
Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 775; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!