CC BY
25
УДК 556
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ПОВЕДЕНИЯ УРАНА В РЕЧНОЙ СЕТИ БАССЕЙНА АЗОВСКОГО МОРЯ
© 2008 г. С.С. Юдин
ЗАО «ИНТЕХ», CC «INTECH»,
347922, Таганрог, Октябрьская площадь, д. 4, 347922, Taganrog, Oktyabrskaya Sq., 4,
[email protected] [email protected]
Приведены ранее не публиковавшиеся данные о концентрациях растворенного урана в малых реках Азовского бассейна. Выполнена оценка ураноностности водных потоков. Установлены источники и процессы, обеспечивающие высокие концентрации урана в водотоках Приазовья.
Ключевые слова: уран, концентрация, водный поток, поверхностный сток, гидрохимическое картирование.
This article includes never before published data of the concentration of the dissolved uranium in the small rivers of the Azov basin. The estimated amounts of the level of uranium in this river stream was measured. The origins and processes which produced high concentrations of uranium in the water stream of the Azov basin have been identified.
Keywords: uranium, concentration, water stream, surface drain, hydrochemical natural investigation.
Уран является самым тяжелым из относительно распространенных на Земле элементов. Повышенный интерес промышленности к урану с конца 40-х гг. ХХ в. был реализован значительным объемом научно-исследовательских, прогнозных, поисковых и разведочных работ на урановое сырьё. Вследствие этого сегодня уровень его геохимической изученности оценивается высоко. Интерес к поведению урана во внутриконти-
нентальных опресненных водоемах связан с тем, что такого рода палеоводоемы являлись бассейнами, в пределах которых формировались осадки, специализированные на уран. В более поздние эпохи в определенных геологических и палеогеографических обста-новках в них могли развиваться процессы грунтового и/или пластового окисления. При наличии в проницаемых прибрежных осадках бассейна таких процес-
сов и геохимических восстановительных барьеров в них с большой долей вероятности могли формироваться урановые концентрации и рудные тела месторождений урана пластово-инфильтрационного типа, пригодные для промышленной отработки методом подземного выщелачивания. Данная промышленно-гене-тическая группа месторождений в настоящее время является ведущим поставщиком первичного уранового концентрата для предприятий ядерного топливного цикла СНГ.
Несмотря на хорошо разработанные модели ин-фильтрационного рудогенеза, до настоящего времени остаются дискуссионными вопросы ураноностности природных вод эпох осадконакопления и формирования руд в бассейнах с такими месторождениями. В этом смысле Азовское море по многим геологическим и физико-географическим параметрам и протекающим в нем процессам приближается к древним палео-бассейнам, оставаясь до настоящего времени слабо исследованным по урану водоёмом. Именно поэтому изучение уровней концентраций и поведения урана в поверхностном водном стоке, направленном в его акваторию, представляет значительный интерес.
Материалы и методы
Единственная публикация, посвященная обозначенной выше проблеме, носит обзорный характер и датируется серединой 70-х гг. [1]. В табл. 1 приведены данные о концентрациях урана в водах равнинных рек Черноморского бассейна в пределах европейской части СНГ.
Таблица 1
Ураноностность речных вод Азово-Черноморского бассейна (по литературным данным)
В воде р. Дон (Аксай) в 50-х гг. прошлого столетия зафиксирована концентрация урана в 2,6 мкг/дм3. Следует отметить, что данное значение превышает среднее фоновое содержания для рек Земного Шара примерно в 5 раз [2, 3]. Большая часть урана поступает в морские акватории в виде растворенных химических форм и коллоидных соединений. Условная граница между взвесями и коллоидами, как известно, проводится по размеру частиц в 0,1 мкм. К ионному стоку относятся все растворенные и коллоидные вещества за исключением взвесей.
Оценка ураноностности поверхностного стока, направленного в Азовское море, была выполнена по результатам специализированной гидролитохимической съемки по стоку малых рек 1 : 1 000 000 масштаба. Данными работами в конце 80-х - первой половины 90-х гг.
была охвачена вся территория Украины и европейской части России в рамках еще союзной программы «Гидролитохимическая съемка территории СССР». Методика съемочных работ изложена в [3, 4] и заключалась в опробовании рек в местах, определенных на стадии предполевой подготовки. Станции опробования малых водотоков и малых рек (N1 и N2) протяженностью 10...20 км размещались в приустьевой части. Более протяженные малые реки опробовались равномерно через 30.40 км, выше впадения боковых притоков. Интервалы опробования полноводных рек (N3 и N4) составили 75 - 100 км. Средняя плотность опробования составляла 120 км2 на 1 пробу, при фактических крайних значениях для различных регионов и организаций-исполнителей - 75 - 300 км2. В пробах водной фазы изучался большой комплекс элементов и соединений (порядка 45) с использованием количественных методов определения и централизованного внешнего аналитического контроля. Определение содержаний урана в воде выполнялось в 100 % проб. Измерения концентраций производилось лазерно-люминесцентным анализатором «Ангара» с интервалами определения 10-4 - 10-9 г/дм3.
Первичное отображение результатов работ выполнено в виде тренд-поверхности осредненных данных измеренных концентраций в пределах трапеций топо-листов 1:100 000 масштаба. Фактическое количество проб и измерений концентраций урана в речной воде в пределах таких кластеров изменялось от 5 до 22. Фрагмент такой схематической карты территории бассейна р. Дон приведен на рис. 1.
Рис. 1. Схематическая карта осредненных концентраций растворенного урана в водах малых рек. Содержание урана, мкг/дм3: 1 - < 1; 2 - 1 - 5; 3 - 5 - 10; 4 - 10 - 50
Основные закономерности водной миграции урана, установленные в прошедшие годы на большом экспериментальном и фактическом материале, несмотря на их тривиальный характер, автор счел возможным напомнить и привести ниже.
1. В зоне гипергенеза источниками урана, поступающего в поверхностные воды, являются почвообра-зующие породы, вторичные накопления урана в корах
Река (место отбора проб) Мутность, мг/дм3 U во взвеси, 10- 4 % U в воде, мкг/дм3 Количество растворенного урана в общем его содержании, %
Днепр (Херсон) 27 1,1 1,7 98,2
Дон (Аксай) 78 2,2 2,6 92,9
Дунай (Измаил) 179 1,1 1,3 86,7
Риони (Цхакая) 251 2,2 0,7 56,0
Кубань (Краснодар) 970 1,3 1,2 48,0
выветривания, поверхностных образованиях, почвах, а также грунтовые воды, разгружающиеся в речную сеть. Чем выше его содержание в блоках горных породах, тем выше оно в почвах, грунтовых водах и водах зоны аэрации. При прочих равных условиях именно это является основой причиной повышения концентраций растворенного урана в природных водах. Установлено, что при росте содержаний урана в породах в 1,5 - 2 раза его концентрация в контактирующих с ними грунтовых и поверхностных водах может увеличиваться в 10 - 30 раз [5]. Сказанное выше подтверждается в пределах установленных урано-ворудных провинций и потенциально ураноносных районов. Их территории имеют свое отображение в виде площадных аномалий в водном стоке малых рек в первые тысячи км2. В таких региональных аномалиях концентрации урана в поверхностной воде на 1 - 2 порядка выше, чем в фоновых районах. Эти закономерности были выявлены в первые годы развития урановой геологии.
2. Карбонатные комплексы урана - основная его растворенная форма нахождения в речных и озерных водах аридных и семиаридных климатических зон. Это прежде всего такие соединения, как трикарбо-натуранил [и02(С03)3]4~ и диаквадикарбонат-уранил [Ш2(С03)2 • 2Н20]2". В нейтральных и слабокислых поверхностных водах средних и северных широт гу-мидной зоны доминируют простые гидроксо-комплексы (И022+, И020Н+) или их комплексные соединения с фульво и гуминовыми кислотами [2, 5, 6].
3. При увеличении степени аридизации климата территорий происходит увеличение концентраций урана в поверхностных водотоках. Связано это с испарительным его концентрированием в зонах аэрации почвенных горизонтов и непосредственно в водоемах (так называемый «климатический пресс») [7]. Связь между содержаниями урана и минерализацией поверхностных вод малых рек функциональна. При небольших значениях солености вод (до 1 г/л) она (связь) практически прямо пропорциональна. Установленный на большом фактическом материале коэффициент корреляции межу минерализацией речных вод и растворенным ураном составляет 0,79 [4]. При дальнейшем увеличении минерализации эта зависимость становится логарифмической, приближаясь к уравнению типа и = аМв [8].
Большой объем полученных данных в рамках реализованной программы картирования ураноностности водного стока позволил выявить еще одну закономерность, характерную как для гумидных, так и для аридных территорий. Она заключается в уменьшении концентраций урана в речных водах при увеличении ранга реки. Эти изменения концентраций консервативного элемента, к которым в поверхностных водах можно отнести и уран, хорошо демонстрирует рис. 2, где представлено каскадное уменьшение концентраций урана в водотоках и малой реке - левом притоке р. Иртыш. Эта часть речной системы находится в пределах сухостепной зоны.
Фактические данные, подтверждающие установленную закономерность, могут быть объяснимы, если рассматривать ранг реки как некий обобщенный гео-графо-гидрографический показатель.
Рис. 2. Схематическая карта концентраций растворенного урана в водах рек различного ранга. Водотоки (N1) и малые реки (N2) бассейна р. Иртыш (N4)
Любой элементарно малый водоток представляет совокупность двух каскадно-связанных элементов: водосборной территории, где формируется основная часть жидкого и твердого стока, и собственно русла, в котором они концентрируются. Эту совокупность принято определять как территориально-аквальный комплекс (ТАК) - особую структурную единицу организации ландшафтной оболочки земной поверхности. Одной из закономерностей ТАК является уменьшение влияние местного фактора на геосток с увеличением ранга реки. Это уменьшение последовательно происходит при увеличении порядка принимающего боковую приточность водотока и приблизительно соответствует площади водосбора основной реки за минусом суммы площадей бассейнов всех более мелких рек. При формировании ионного стока местный фактор максимально проявлен в малых водотоках (N1) и малых реках (N2). В их пределах ионный сток и состав микроэлементов максимально приближен к составу разгружающихся в них подземных вод. Считается, что микроэлементный состав именно малых рек максимально отражает геохимию пород зоны гипергенеза, постоянно контактирующих с подземными водами, которые эти водотоки интенсивно дренируют. Эти особенности и используются при геохимических поисках и съемках по стокам малых рек различных масштабов. В дальнейшем при поступлении в средние (N3) и крупные реки (N4) ионный сток изменяется под действием боковой приточности, с общей тенденцией уменьшения (разубоживания) концентраций микроэлементов. В соответствии с этим содержания урана в водах крупных рек, дренирующие значительные по размеру бассейны и находящиеся в двух и более географических зонах, можно рассматривать как фоновые значения для поверхностных вод этого водосбора.
Обсуждение результатов
Результаты работ по мелкомасштабному гидрохимическому картированию территории бассейна р. Дон в значительной мере подтверждают все установленные особенности и закономерности миграции урана в растворенном состоянии. Наиболее высокие его содержания зафиксированы в устьевых областях малых и средних рек, непосредственно впадающих или находящихся вблизи акватории Азовского моря. В табл. 2 приведены данные опробования части таких рек.
Анализ карты осредненных концентраций (рис. 1) и цифровые значения, приведенные в табл. 1 и 2, позволяют сделать следующие выводы:
1. Содержание урана в малых реках бассейна р. Дон увеличивается от их верховьев к устью. В этом же направлении увеличивается степень аридизации территории и общая минерализация речных вод. Эта новая информация в полной мере подтверждает ранее установленные особенности миграции урана в ионном речном стоке других территорий бывшего СССР.
2. Приведенные числовые значения концентраций урана в речных водах, высокая их кратность по отношению к среднему содержанию урана в континентальном стоке суши позволяют сделать вывод об аномальности потоков речных вод малых рек, направленных в Азовское море. По нашим оценкам, только в акваторию Таганрогского залива ежегодно может поступать до 40 - 50 т растворенного урана в год.
3. Азональным фактором, влияющим на концентрации урана в поверхностном водном стоке, являются специализированные на уран породы. В нашем случае это древние гранитизированные породы Украинского щита, имеющие отображения на демонстрируемой выше карте в виде трендов с концентрациями урана > 10 мкг/дм3. Восточнее, в пределах Северо-Приазовской равнины, где мощность осадков чехла мезо-кайназор-ского возраста достигает 700 м, высокие содержания урана в речных водах малых рек могут быть связаны с явлением дальней миграции металлов в подвижных формах из пород фундамента. Другим возможным источником поступления может быть уран, мобилизованный из большого числа углесодержащих терриконов Восточного Донбасса. В пользу последнего говорит факт экстремальной аномальности поверхностных
Таблица 2
Содержание растворенного урана в устьевых областях рек Северного Приазовья по данным гидролитохимической съемки 1:1000000 масштаба
Река (место Минерализация U в воде, мкг/дм3 Среднее содержания и в конти- Кратность содержания U
отбора проб) воды, г/дм3 С1 нентальном стоке Земного шара, мкг/дм3 С2 в реках к стоку U Земного шара, С1/С2
Дон 1,05 1,4 0,5 2,8
(Ростов-на-Дону)
Тузлов (Новочеркасск) 3,4 7,2 0,5 14,4
М. Еланчик 0,87 14,8 0,5 29,6
(устье)
Миус (устье) 2,3 4,9 0,5 9,8
Кальмиус (устье) 3,9 12,6 0,5 25,2
Берда (устье) 3,8 15,1 0,5 30,2
вод, в пределах топопланшета на котором располагаются шахтные поля вокруг г. Шахты и Новошахтинск.
4. Основным источником поступления урана в речные и астуарные палеосистемы являлся уран растворенных и коллоидных форм древнего речного стока. Аридные и семиаридные климатические обстановки, существовавшие в эпохи осадконакопления, являлись благоприятным фактором формирования повышенных его концентраций в водных потоках. Именно это обстоятельство при прочих равных условиях приводило к формированию проницаемых осадочных отложений с надкларковыми содержаниями урана, значительные внутренние ресурсы которого могли быть вовлечены в процессы инфильтрационного рудообразо-вания на более поздних стадиях существования осадочных бассейнов.
Литература
1. Батурин Г.Н. Уран в современном морском осадкообразовании. М., 1975.
2. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Кн. 3, 6. М., 1997.
3. Временные методические указания по региональной гидролитохимической съемке по стоку малых рек. Л., 1989.
4. Потоки рассеивания урановых месторождений / Под ред. Г.П. Тафеева. М., 1979.
5. Лисицин А.К. Гидрогеохимия рудообразования. М., 1975.
6. Токарев А.Н., Куцель Е.Н., Попова Т.П. Радиогидрогеологический метод поисков месторождений урана. М., 1975.
7. Радиогидрогеологические исследования при прогнозировании и поисках урановых месторождений, связанных с зонами пластового окисления / Под ред. Г.М. Шор. Л., 1987.
8. Ефремов Г.Ф., Юдин С.С. Масштабы загрязнения природных вод естественными радионуклидами и их связь с особенностями геологии и климата Республики Казахстан // Геология Казахстана. 1998. № 2. С. 117 - 123.
Поступила в редакцию
26 марта 2008 г.
