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1、 第三章天然放射性核素的分布与迁移 为何应用伽马能谱资料可以进行地质填图 天然放射性核素的分布有何规律 本章重点内容 放射性核素的基本特性放射性核素在自然界的分布放射性核素的迁移铀地球化学及成矿地质作用我国典型铀矿类型 结合起来讲 放射性核素的基本特性 铀 uranium 镭 radium 氡 rndonandthoron 钋 polonium 钍 thorium 钾 potassium kalium Potassium Asilverwhitesofteasilymetledmetalthatisasimplesubstance Itisfoundinnatureinlargequantit
2、ies butonlyincombinationwithothersubstance suchasinplantsandrocks anditisnecessarytotheexistenceofalllivingthings 铀 Z 92 原子量 238 029密度为19 05g cm3原子体积 12 5cm3 mol银色金属 具有金属光泽 质较软 易机械加工 化学性质与铁相似 在空气中易氧化 也易溶于酸 自然界有三个铀的同位素238U 半衰期 4 47 1010a丰度 99 3 235U 半衰期 7 04 1010a丰度 0 7 234U 半衰期 2 45 1010a 铀的主要物理化学性质
3、 8种 多价性 3 4 5 6在酸性溶液里 U2 U3 UO2 UO22 化学活泼性 铀几乎可以与除了惰性气体元素外所有的元素发生化学反应 块状金属铀在室温条件下的空气中可以缓慢地被氧化 形成黑色的UO薄膜 高纯度的金属铀在室温的空气和水中都能自燃 氧化还原性 金属铀和低价态铀都是强还原剂 能与水强烈反应 在自然界 不存在金属铀和三价铀的化合物 铀的主要物理化学性质 两重性酸性 6 与第六副族元素Cr Mo W的同价化合物性质相似 在氧化环境中存在 弱碱性 4 与第三副族元素的稀土元素的性质相似 在还原环境中存在 在深部 与锕系元素共生 亲氧性失去6个价电子后形成稀有气体原子结构 s2p6 是
4、一种亲氧元素 不形成硫化物 歧化性5 铀离子仅能在pH2 4的水溶液中存在 水解性4 和6 铀离子都容易水解形成氢氧化物成络性铀是强络合物形成体 能与无机和有机配位体形成种类繁多的络合物 迁移和富集 镭 Z 88 原子量 226密度为5g cm3银白色金属 具有金属光泽 在空气中不稳定 易与水作用而形成Ra OH 2 在自然界广泛分布 自然界有四个镭的同位素226Ra 半衰期 1600a224Ra 半衰期 3 64d228Ra223Ra 元素周期表第 周期的零族元素原子半径 0 13nm单原子放射性气体分子直径为0 46nm惰性气体 不活泼 无色无味 氡转化为固态的温度约为 113 熔点为 7
5、1 沸点为 62 氡气的密度比空气要重 0 1个标准大气压下氡气的密度为9 73 10 3g cm3 常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气 氡 z 86 惰性放射性气体 可形成水合物 但自然界不存在氡的氧化物 较重要的有三个同位素 自然界有三个氡的同位素222Rn 半衰期 3 824d220Rn 半衰期 55 3s219Rn 半衰期 3 96s 钋 z 84 银色金属 具有金属光泽 密度为9 4g cm3 在空气或氧中氧化成黄色氧化物 钋及氧化物能溶于酸 生成黄色PoCl4液体 钋盐容易水解而形成胶体 是放射性核素中重容易形成胶体的核素 自然界有七个氡的同位素 重要的有 210P
6、o 半衰期 138 4d218Po 半衰期 3 05min 铅 z 82 深灰色金属 密度为11 35g cm3 在空气加热熔化生成氧化物PoO 可导致铅中毒 是良好的核辐射防护材料 自然界有七个铅的同位素 其中四个是放射性的 三个是稳定的 老铅 低本底的铅 不含或含水量极少的放射性铅 自然界存在的放射性矿物 放射性核素在自然界的分布 在地球壳层中的分布在岩石中的分布在土壤中的分布在地表水中的分布在地下水中的分布 铀在地壳 地幔和地核中的分布 地壳 0 35km 地幔 35 2900km 地核 2900 6371km 地壳的成分相当于花岗岩和玄武岩成分的平均值 地幔的成分相当于石陨石的成分 地
7、核的成分相当于铁陨石的平均值 U Th Ra的分布随深度的增加而减少各圈层中钍的含量约为铀的4倍 且稳定铀在石陨石中的含量高于在铁陨石中的含量 地球各圈层中铀 钍和镭的含量 地壳 在地球壳层中的分布 P 43表3 1 1238U 232Th 40K的分布地壳 上地幔 下地幔 地核 放射性核素在岩石中的分布 与岩性有关 与岩体的地质年代有关 与岩体的相带有关 与岩性有关 P 44表3 1 2岩浆岩 沉积岩碱性岩 酸性岩 中性岩 基性岩 超基性岩 我国石材产品放射性核素分布特征 与岩石的地质年代有关 P 44表3 1 3地质年代越新 含量越高 在土壤中的分布 取决于成土母质常见值 238U2 4p
8、pm232Th8 12ppmK2O1 2 在水中的分布 在海水中极低在地表水中较低地下水中较高在油田水中较高P 45表3 1 4 放射性核素在自然界的分布小结 地壳 上地幔 下地幔 地核与岩性有关 岩浆岩 沉积岩 与岩体的地质年代有关 年代越新 含量越高 与岩体的相带有关 内部相 边缘相 土壤中的含量与成土母质有关在水中的含量极低 地下水 地表水 海水 放射性核素的迁移 放射性核素的行为铀的水溶液化学 天然放射性核素的迁移 U Ra Th K特征U 银色金属 在深部还原带 以四价离子形式存在 沉淀 在近地表氧化带 以六价 铀酰离子 溶于水 迁移 Th 银白色金属 在深部还原带 以四价离子形式存
9、在 沉淀 在近地表 钍几乎没有迁移 天然放射性核素的迁移 Ra 银白色金属 两性元素 很容易进入天然晶体的毛细管和微裂隙中 易被淋滤 在氧化环境下易沉淀 铀镭不平衡 放射性物质在岩石中的行为形态U Th可以形成独立或共生矿物于岩石中占据晶格中的主要位置 或以类质同像存在于其他矿物中 微晶的表面吸附 形成含钾矿物钾长石 云母 高岭石 钾盐 在表生带行为U4价极易氧化为6价6价UO22 不均匀Ra一般不进入矿物晶格内 不形成独立矿物 容易进入晶体的毛细裂隙和微错位中 转入水中 具有很强的迁移能力 导致放射性不平衡 Th在表生带以机械风化迁移为主 并富集于残积物 冲积物和滨海沉积物中 重砂 独居石
10、K极容易从矿物中释放而转入水中 具有很强的迁移能力 水中钾极易被生物吸收 并参与形成次生矿物 在氧化带极易被淋滤 分解 迁移 Rn 没有发现化合物 密度为9 27g L广泛分布 在浓度差 温度差 压力差作用下迁移 核素存在状态89Sr 90SrSr2 悬浮物103Ru106Ru亚硝酸钌铬合物 悬浮物131I129II IO3 有机化合物137CsCs 悬浮物144CeCe3 Ce OH 3胶体 悬浮物RaRa 2ThTh HO 4胶体UUO2 CO3 34 239Pu 240PuPuO22 PuO2CO3悬浮物 放射性核素在海水中的主要存在形态 放射性核素在海洋中的迁移 90Sr和137Cs水
11、平分布 北太平洋比南太平洋高3倍垂直分布 能达到几千米100 300m分布大致均匀越深越低 海洋中天然放射性核素的浓度 铀的水溶液化学 铀在水溶液中的行为水溶液中控制铀行为的因素 铀在水溶液中的行为 氧化还原水解 离子电痊越高 水解能力越强形成各种化合物 水溶液中控制铀行为的因素 温度体系的氧化还原状态 主要取决于氧化还原电位 Eh值 和氧逸度酸碱性质 pH值 其他溶液成分的活性压力 铀成矿地质作用及典型铀矿床类型 铀矿是如何形成的 到何处找铀矿 用什么方法找铀矿 铀成矿地质作用及典型铀矿床类型 石油和天然气 化石燃料 沉积型 生 储 盖生油岩 储层 砂岩等 盖层 泥岩等 研究铀矿床 金属矿
12、多种类型 铀源 成矿作用 构造 储矿和控矿 铀矿床及其主要地球化学特征 铀的迁移和富集铀的工业品位 可开采 0 03 边界品位0 01 铀的克拉克值 10 6铀一定要迁移 富集后才能成为矿体 在地球漫长的历史长河中 伴随着交错复杂的岩浆作用 沉积作用和变质作用 地壳中的铀经历了曲折而多样的演化过程 造成了局部地区铀含量的增高 形成一些富铀区 富铀区的铀进一步活化 转移和富集 在局部地段形成铀矿床 铀矿省的概念 铀矿床的分类 按成因分 岩浆岩型 热液型 沉积型 变质岩型按矿床赋存的围岩种类分 火山岩型 花岗岩型 砂岩型 含金砾岩型等 我国典型铀矿床 花岗岩型 富矿形成三大条件 1 丰富的铀源和深
13、构造控矿岩体铀含量大于10ppm富矿分布在重力 陡变 梯度带中 2 良好的储矿构造具有一定规模 相对集中的局部破碎空间存在某种屏幕的半开放条件与大断裂或深断裂相连通 理想长数百米至1公里 宽数米至数十米 3 较强的还原条件 较高的成矿铀溶液浓度和温度 ph值变化和相对富泥贫硅 铀矿的分散晕和分散流 分散晕原生晕和次生晕盐晕的范围一般比矿床大几十倍 分散晕 铀矿床的铀异常是通过物理作用 化学作用和生物作用使铀分散迁移到周围的岩石 土壤 冲积层 地下水和附件的地表水中 在矿床周围形成铀含量偏高区域称为分散晕 原生晕和次生晕 原生晕指在矿床形成过程中同时生成铀元素富集的过渡带 次生晕是指矿床或原生晕
14、暴露到地表风化带部分 由于风化和侵蚀作用而形成的次生机械晕和盐晕 分散流 矿体和分散晕中的铀 由于剥蚀作用向沉积区作表生迁移 在冲积层和洪积层形成铀含量局部富集地段 成为分散流 很多矿床就是通过分散晕和分散流发现的 地球化学异常 放射性核素在地下水中的富集和迁移 水是放射性核素的载体 地质运动 地球内部的温度差 压力差是水运动的动力 放射性物质的水迁移 地气 纳米级金属微粒从地下深部向地表迁移 火山岩型铀矿床 江西相山 后生作用中铀的地球化学特征 后生作用是指岩石形成后 在地表水和地下水参与下所发生的变化和改造过程 在这种作用下形成的矿床称为后生矿床 如层状氧化带和裂隙淋积型铀矿床皆可归因为该
15、类型矿床 后生淋积作用中铀富集的条件 铀源条件岩性及水动力条件氧化还原条件构造条件物理化学条件 铀源条件 铀的来源来自矿床外的铀含量高 一般大于10ug g 的酸性侵入岩 喷出岩 沉积岩和各种被风化剥蚀的矿床及矿化点来自含矿层本身 铀源层 及其上覆的富铀沉积岩盖层 铀富集成矿与主岩内铀的重新分配有关 岩性及水动力条件 该类铀矿床的形成 起主要作用的为层间承压水体系 即由供水 承压水和泄水条件联系起来的含水层和裂隙带 不同水动力条件的交替带 即从水强烈交替到缓慢交替的过渡带和泄水区是铀成矿的有利部位 氧化还原条件 在含铀地下水运移途中的氧化还原界成 是后生淋积成矿的必要条件 卷状矿体均在层间氧化
16、带的尖灭处产生 并与该氧化带的轮廓相吻合 氧化还原界面的形成与发展与黄铁矿和有机质的氧化 厌氧菌的活动及次生硫化物的富集密切相关 构造条件 地壳隆起造成的蚀源区和下降产生的沉积区适当配合 系后生淋积成矿的必要条件 故稳定地台的边缘活动区 平缓背斜的两翼 富铀岩体内部的断陷盆地 以及富铀岩层内部的层间破碎带等部位对成矿有利 物理化学条件 铀以UO2 2及其与配位体结合而生成的铬离子形式迁移 由于还原与吸附等作用 铀沉淀并富集成矿 所以 铀成矿主要受Eh pH 铀离子及配位体的浓度控制 后生淋积铀矿床的地球化学分带 具明显的分带性从地表向下依次分为地表氧化带 层间氧化带 铀矿化带和还原带 铀矿产资源概况 铀矿储量最多的国家 加拿大2000年 占全世界的34 其次是 澳大利亚 哈萨克斯坦 俄罗斯和美国等 铀矿勘查方法 萨斯喀彻温省不同找矿阶段及不同用途的方法技术研究项目 我国的铀资源根据我国正在做的第二轮全国铀资源潜力预测评价 从目前掌握的信息来看 我国具有相当数量的铀矿资源 新资源量将超过200万吨 到2010年将获得最新数据 到2020年 我国保有铀资源储量可以保障目前核电规划发展的需要
