Распространенность и распределение урана

Значительный прогресс химической, изотопной и геофизической технологии обусловил громадный рост количества и качества данных о распространенности и распределении урана. Распространенность урана в породах и минералах (табл. 1) рассматривается в нескольких публикациях. Содержание урана, как правило, в результате магматической дифференциации возрастает в лейкократовых щелочных породах; увеличивается оно также и в осадочных породах, обогащенных органическим веществом и тяжелыми минералами, но практически не обнаруживает зависимости от степени метаморфизма, за исключением гранулитовой фации, породы которой обеднены ураном.

Знание особенностей распространения урана оказывается важным для столь различных направлений, как изучение теплового потока, петрология и тектоника плит, т. е. для тех областей геологии, где необходимо понимание причин теплогенерации. Поэтому в указанных областях исследований имеется огромное количество новых данных и представлений о распределении урана в настоящем и прошлом. Физические и химические модели Земли приводят к единому выводу: для генерации теплового потока, не превышающего уровня плавления пород, концентрация урана в мантии должна быть очень низкой (около 0,03 млн.-1). Примерное равенство теплового потока над континентальной и океанической корой заставляет предполагать некоторую обогащенность ураном мантии под океанами, так как континентальная кора содержит больше урана, чем океаническая. В верхней оболочке Земли мощностью около 400 км должно быть сосредоточено около 80% урана. Поскольку количества основных теплогенерирующих радио активных изотопов 238U, 235U и 40K экспоненциально уменьшаются со временем, выделение тепла в прошлом, очевидно, было значительно интенсивнее, чем сейчас, что крайне важно для решения петрологических и тектонических проблем.

Распределение урана во времени и пространстве. Прослеживается четкая связь урановых месторождений с докембрийскими породами. По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), породы позднеархейского — раннепротерозойского возраста (от ~ 2,8 до 1,8 млрд. лет) концентрируют примерно 20% надежно оцененных запасов западного мира; около 28% сосредоточено в среднепротерозойских породах и около 50% в фанерозойских отложениях, прилегающих к докембрийскому фундаменту (табл. 3). Возраст урановых месторождений варьирует от архейского до третичного, но циклы накопления урана, вероятнее всего, начались с развитием ураноносных провинций на ранних стадиях истории Земли.

Связь многих фанерозойских месторождений с докембрием не является непосредственной, так как они разделены периодами эрозии докембрийских материнских пород и позднейшим осадконакоплением либо анатексисом и вулканизмом. Например, юрская формация Моррисон на плато Колорадо, к которой приурочены крупные месторождения типа оруденелых песчаников, сформировалась за счет раннепротерозойских пород, расположенных западнее и юго-западнее. Для богатых вулканогенным материалом третичных осадков, вмещающих урановые месторождения на юге Техаса, область сноса располагалась, по-видимому, в западном Техасе, где обнажаются раннепротерозойские породы. Таким образом, ураноносный докембрийский материал для образования этих залежей в песчаниках представлял собой, возможно, подвергавшиеся выветриванию граниты или, что более вероятно, подвергавшиеся плавлению нижнепроторозойские супракрустальные породы, послужившие истопником вулканогенного урана.

При выявлении и оконтуривании геохимических или металлогенических урановых провинций используются разнообразные методы: 1) исследование химического состава коренных пород 2) аэро-гамма-спектрометрия; 3) анализы урана, радона и гелия в водах или осадках; 4) анализ теплового потока. Такого рода исследования привели к заключению, что архейские породы содержат урана несколько меньше, чем протерозойские: соответственно около 1,2 млн-1 U против 2,2 млн-1. Неравномерное распределение урана и его руд во времени и пространстве связано, по-видимому, с термической и тектонической эволюцией земной коры.

Эволюция земной коры и распределение урана. Эволюция термического и тектонического режимов земной коры, а также развитие форм жизни должны были, очевидно, оказать значительное влияние на перенос и распределение урана. Совершенствующиеся живые формы определяли баланс кислорода и углерода в атмосфере и литосфере, а именно обусловили возникновение около 2,2 млрд. лет назад обогащенной кислородом атмосферы, способной к окислению урана и переводу его в растворимое шестивалентное состояние. Позднее, с развитием наземной растительности, в континентальных отложениях появились и органические восстановители. Выделяются четыре стадии, в течение которых распределение урана подвергалось необратимым изменениям или был установлен цикл уранового накопления; приведенные значения возрастных рубежей не определены точно для всех регионов мира и используются в качестве подходящего приближения.

Стадия 1. Сверхподвижная (permobile) протокора (~4,6—2,6 млрд. лет назад): путем аккреции образовалась Земля из частиц со средним содержанием урана около 0,01 млн-1. Затем, на рубеже около 4,6 млрд. лет назад, происходило полное плавление и обособление ядра планеты, сопровождавшееся обогащением ураном верхней мантии и протокоры. В последующие 500—800 млн. лет имело место наращивание протокоры за счет бомбардировки метеоритным материалом и, возможно, дробление последним протокоры и верхней мантии. По мере уменьшения теплогенерации, в интервале от 3,8 до 3,0 млрд. лет назад, могли сформироваться ранние протоконтиненты, но в то время кора была настолько тонкой и пластичной, что не было жестких плит, и для коры именно поэтому использован термин «сверхподвижная». Состав протокоры в отношении главных элементов, если учесть широкое распространение в ней фемических базальтоидных пород и зеленокаменных поясов, в большей мере отвечал среднему составу океанической (базальтовой), чем континентальной коры. Раннеархейские породы (особенно гранулиты) содержат меньше U, Th, К и Rb, чем более молодые породы примерно того же состава. Это может быть как их изначальной особенностью, так и результатом обеднения под влиянием последующих процессов. Развитие протяженных зеленокаменных поясов в период от 3,4 до 2,7 млрд. лет назад свидетельствует уже о достаточной жесткости протокоры, позволявшей формироваться вулканическим дугам, сходным с фанерозойскими. На этой стадии истории Земли не образовалось, по-видимому, еще ни одного из известных типов урановых месторождений и ни одной ураноносной геохимической провинции.

Стадия 2. Стабилизированная кора, бескислородная атмосфера (~2,6—2,2 млрд. лет назад). Стадия характеризуется утолщенной, более жесткой корой. Это обусловлено главным образом уменьшением теплогенерации, лишь в два или три раза превышавшей современный уровень. В значительной мере именно в связи с указанным термическим режимом начинают развиваться два важных процесса. Во-первых, образуются большие объемы гранитов с повышенным содержанием К, U, Th. Эта химическая эволюция происходила тогда, когда в силу уменьшившегося термического градиента стало возможным вовлечение земной коры в круговорот (зоны субдукции?). Во-вторых, на стабилизированной коре становится возможным заложение первых внутрикратонных осадочных бассейнов. Примечательно, что эти бассейны впоследствии подвергались лишь слабым по сравнению с более древними вулканогенными (зеленокаменными) поясами метаморфизму и деформациям. В новой обстановке накапливались и сохранялись классические ураноносные конгломераты Витватерсранда (Южная Африка) и района озера Гурон (Канада). Вовлечение урана, за счет комбинированного действия осадочных и магматических процессов, в новый геохимический цикл, начавшийся на рубеже 2,6 млрд. лет назад, фиксирует начало предварительной концентрации урана, заложившей основу последующего формирования урановых месторождений. Это время, вероятно, знаменует начало образования ураноносных провинций.

Третьим фактором, игравшим на этой стадии решающую роль в формировании урановых месторождений, было отсутствие кислорода в асмосфере, что делало возможным механический перенос уранинита и концентрацию его в россыпных месторождениях. Холланд расчетами показал, что уранинит не в состоянии был бы окисляться и растворяться грунтовыми водами при PО2 ниже примерно 10в-22 атм; эти данные он использовал в качестве аргумента для утверждения о присутствии лишь следов кислорода в атмосфере в период с 2,2 до 2,6 млрд. лет назад. Вывод подтверждается многочисленными исследованиями химизма пород, изотопного состава углерода и кислорода, эволюции форм жизни и атмосферных газов и принимается нами, несмотря на некоторые возражения. В отношении эволюции режима кислорода можно провести геологическую параллель между месторождениями урана и железа рассматриваемого возраста. Морские железорудно-кремнистые полосчатые формации [железистые кварциты.— Прим. перев.] типа озера Верхнего после обогащения атмосферы кислородом не возникали. «Весь кислород, образованный в первые несколько сотен миллионов лет с возникновением растительного фотосинтеза, мог пойти целиком на окисление имевшихся в большом количестве восстановленных соединений (главным образом железа) в морской воде. Кислород, вероятно, начал накапливаться в атмосфере лишь после «очищения» океана от закисного железа». Известные ураноносные конгломераты древнее, чем отложения железорудной формации типа озера Верхнего тех же регионов. Однако, поскольку кислород сначала выделялся за счет фотосинтеза именно морских организмов, вполне возможно, что отложение железорудной формации локально происходило в отдельных морских лагунах в то же самое время, когда ураноносные конгломераты формировались в условиях бескислородной атмосферы. Насколько известно, иные типы урановых месторождений на этой стадии не образовывались, хотя сами ураноносные конгломераты могли стать источником для некоторых из них.

Стадия 3. Стабильная сиалическая кора; атмосфера, обогащенная кислородом (~2,2—0,4 млрд. лет назад). Начиная с раннего протерозоя кора вела себя относительно жестко в связи с тем, что она была мощнее, а термический градиент снизился до уровня, лишь вдвое превышающего современный. Удлинились протяженные подвижные пояса; на огромных площадях накапливались платформенные кварциты и карбонаты, а вдоль континентальных окраин закладывались первые геосинклинали. В широких внутрикратонных бассейнах отлагались мелководные углеродсодержащие глинистые, карбонатные, песчаные и хемогенные осадки, которые представлены в геосинклинали Пайн-Крик, Австралия, группе Вулластон, Саскачеван, и серии Франсвиль, Центральная Африка, причем в них накапливался, вероятно, и сингенетичный уран. Фосфориты также концентрировали уран. В отличие от предшествующей стадии поверхностные воды растворяли и переносили уран в форме U (VI) к прибрежной зоне морей, где водорослевые биогермы обеспечивали восстановительную обстановку, способствующую его осаждению. В период от раннего до среднего протерозоя эти процессы приводили к образованию ураноносных отложений, послуживших источниками для крупных урановых месторождений. Основные металлогенические провинции урана сформированы благодаря сочетанию процессов выщелачивания ураноносных позднеархейских гранитов (и, возможно, конгломератов) стадии 2 и последующего накопления урана в осадочных бассейнах, находившихся в обстановке атмосферы, обогащенной кислородом.

Стадия 4. Развитие наземной растительности и образование месторождений урана в континентальных осадочных толщах (0,4 млрд. лет назад — настоящее время). До девонского периода основные тектонические и геохимические режимы оставались неизменными. С девона же началось развитие наземной растительности, с которой связано поступление органических, в том числе бактериальных, восстановителей в континентальные осадки. Теперь уран при сносе мог улавливаться еще на пути к океанам, и впервые начали формироваться месторождения типа оруденелых песчаников, богатых органическим веществом. Кроме того, уран продолжал вовлекаться в новые геохимические циклы, обусловленные магматическими и гидротермальными процессами, приведшими к образованию, например, месторождений жильного типа в герцинских гранитах Европы, источником для которых послужили докембрийские супракрустальные породы.

Геохимический цикл урана отчетливо изменялся во времени, что сыграло важную роль в образовании металлогенических провинций и рудных месторождений. Изменение характера растворимости и фиксации урана и особенностей развития тектоники литосферных плит — главное, что нужно учитывать при разработке методов поисков и разведки. Усовершенствованные варианты подобного подхода уже предлагались, другие скоро будут опубликованы.