Высокорадиоактивные почвы китайской провинции Guandong, как продукт химического преобразования щелочных гранитов

Высокорадиоактивные почвы китайской провинции Guandong, как продукт химического преобразования щелочных гранитов.

, проф.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия. E-mail: *****@***ru

Нампинг Ван

Всекитайский геологический университет, Пекин, Китай

АННОТАЦИЯ: в статье рассмотрены

1 ВВЕДЕНИЕ

В основе почвообразования лежат два главных процесса: выветривание горной породы и разложение органических веществ, входящих в состав растений и животных. Выветривание горной породы обусловливается механическими и химическими факторами.

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Целью данной работы является изучение почвы китайской провинции Гуандун, как продукта химического преобразования щелочных гранитов.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом данного исследования является почва провинции Гуандун, образец которой был предоставлен профессором Нампинг Ван (Всекитайский геологический университет).

При изучении были задействованы различные метода анализа: гамма-спектрометричсекий анализ, метод инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-химической лаборатории кафедры ГЭГХ (аналитик ), метод отмучивания глинистой фракции и классический ситовой анализ, также разделения на лёгкую и тяжёлую фракции при помощи бромоформа, Тяжёлая фракция была подвергнута разделению на магнитную, слабоэлетромагнитную и немагнитную фракции при помощи сверхмощного Sm-Nd (самарий - неодимового) магнита. Дальнейший минералогический анализ этих фракций осуществлялся с использованием оптических (бинокулярный микроскоп) и электронно-микроскопических (электронный микроскоп Hitachi S-3400N) методов исследований. Также был выполнен химический анализ данной почвы.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЯ

В целом, преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации, растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза - ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита.

Исследование минерального состава глинисто-илистой фракции почвы провинции Гуандунг методом рентгеноструктурного анализа показала, что в ней доминирует каолинит, присутствует гиббсит, хлорит и кварц, а также малая примесь слюд, кпш, иллит-хлорита и гематита. Важное значение в процессах химического выветривания имеют органические кислоты, активно способствующие разложению минералов. Процессы химического выветривания протекают ниже почвенного слоя, просачиваясь через который воды обогащаются органическими соединениями. Одним из необходимых условий глубоко химического выветривания является климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический).Глинисто-илистая составляющая почвы была подвергнута химическому анализу, который показал, что 81,45 % обусловлено присутствием оксидов Si и Al, с отношением SiО2 : А12О3 = 1,5. Тогда как содержание оксидов Fe составляет 3,63 % (таблица 1). Содержание щелочных элементов низкое и составляет 1,34 %, при этом 1, 3 приходится на K2O.

Таблица 1

Элементы	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	K2O	CaO	TiO2	MnO	Fe2O3	BaO	V2O5	Cr2O3	NiO	LiO
Содержание, %	0,04	0,16	31,74	49,71	0,02	1,3	0,18	0,38	0,02	3,63	0,01	0,008	0,006	0,005	12,95

Содержание С органического в почве низкое и составляет всего 0,14 %. По комплексу этих химических показателей данную породу можно отнести к ферраллитной группе почв гумидных районов тропиков и субтропиков, характеризующихся высокой степенью выветрелости почвообразующего материала.

На земном шаре существует несколько регионов с высоким содержанием естественных радиоактивных элементов в почвах. Примером могут служить почвы района Посус-ди-Калдас штата Минас-Жерайс в Бразилии, почвы острова Ньюе а также почвы из южно - китайской провинции Гуандун [3]. Характер радиоактивности в почвах изменяется от чисто-урановой (U >> Th, что характерно для почв острова Ньюе) до смешанной уран-ториевой(Th/U > 2,5) и ториевой (Th/U > 5, как это имеет место в почвах провинции Гуандунг). Предварительный гамма-спектрометричсекий анализ почвы (проба почвы весом 238,) показал, что она характеризуется ториевой природой радиоактивности (Th – 190 Бк/ кг ; U (по Ra) – 120 Бк/ кг ; K – 150 Бк/ кг).

В почве также присутствует следы техногенного изотопа Cs137, что свидетельствует о наличии глобальных выпадений этого изотопа от испытаний ядерного оружия в атмосфере. Оперативный анализ данной почвы методом инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-химической лаборатории кафедры ГЭГХ (аналитик ) показал, что содержание (Th=43,6; U=9,2) (таблица 2). Обращает на себя внимание высокая концентрация редких земель (∑ TR = 134,5 г/т), особенно Ce и Nd.

Таблица 2

Элементы	Ca,%	Na,%	Fe,%	Th	U	Th/U	La	Ce	Sm	Nd	Eu	Tb	Lu	Yb
Содержание, г/т	0,22	0,04	1,6	43,6	9,2	4,7	17,6	89	3,5	14,5	0,2	1,2	1,1	7,4

Низкие содержания Ca, Fe, Na и высокие содержания U, Th, а также редких земель позволяют предполагать, что исходным субстратом для формирования почв были калиевые граниты, что подтверждается и наличием в почвах реликтов кварца и КПШ.

Также было выполнено отмучивание глинистой (илистой) составляющей данной почвы. Она составила 37,4 % от общего веса пробы. Песковая фракция почвы (размером > 0,01) подверглась классическому ситовому анализу, результаты которого представлены на графике 1.

График 1

Гранулометрический состав почвы провинции Guangdong

Нужно отметить, что на фракцию размером > 2 мм приходится 21% и она представлена сростками кварца и полевых шпатов. И из дальнейшего химического и минералогического изучения она исключалась.

Из выделенных песковых фракций размерностью 1,0-0,5 мм; 0,5-0,25 мм; 0,25-0,1 мм; 0,1-0,04 с использованием бромоформа были выделены лёгкие и тяжелые фракции. В лёгкую фракцию ушли все минералы, которые имеют удельный вес меньше 2,9: кварц, полевые шпаты, неокрашенные слюды и др. А в тяжёлой сконцентрировались преимущественно рудные (акцессорные) минералы. Доля тяжёлых минералов в составе песковой фракции составляет 0,2%, что составляет 0,05 % от всего объёма почвы.

Тяжёлая фракция была подвергнута разделению на магнитную, слабоэлетромагнитную и немагнитную фракции при помощи сверхмощного Sm-Nd (самарий - неодимового) магнита.

Дальнейший минералогический анализ этих фракций осуществлялся с использованием оптических (бинокулярный микроскоп) и электронно-микроскопических (электронный микроскоп Hitachi S-3400N) методов исследований.

Выделенные гранулометрические фракции почв были проанализированы на содержание радиоактивных, редкоземельных и рядя других элементов методов ИНАА. Анализ этих данных (график 2) показывает, что максимальное накопление радиоактивных элементов отмечается во фракции -0,04 и глинистой фракциях. При этом, максимум накопления U отмечается в тонкой песчаной фракции (22,7 г/т), а Th в глинистой фракции (110,4 г/т). Ториево-урановые отношения в них соответственно изменяются от 4,3 до 9. В тонкой песковой (<0,04) и глинистой (<0,01) фракциях происходит максимальное накопление редких земель, Ta и ряда других элементов.

График 2

Элементный состав почвы провинции Guangdong

По результатам оптического и электронно-микроскопического исследований тяжелой фракции установлено, что в ней преобладают глинистые частицы, пронизанные тонкой смесью гиббсита и примазками гематита. В этих агрегатах просматриваются неустановленная минеральная фаза, представляющая собой смесь оксидов неодимия и железа. В единичных случаях отмечаются зерна торийсодержащего циркона. Каких-либо других собственных минералов - носителей тория и урана, на данный момент исследования, не установлено.

В качестве рабочей гипотезы можно предположить, что в данном случае работает сорбционный механизм концентрирования U, Th, редких земель на каолинит - гиббситовом коллоидном агрегате.

Вероятно, повышенное содержание радиоактивных и редкоземельных элементов в изученных почвах можно охарактеризовать как ионный тип руд, имеющих место, на территории южного Китая.

В ходе проделанной работы было установлено, что высокорадиоактивные почвы Китая сформировались за счёт глубокого химического выветривания высокорадиоактивных калиевых гранитов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Рихванов элементы в окружающей среде и проблемы радиоэкологии: учебное пособие. – Томск, 1997. – 384 c.

2.  Рихванов -ильменитовые россыпные месторождения – как потенциальный источник развития Западно-Сибирского региона.– Кемерово, 1993. – 214 с.

3.  Eisenbud Merril. Environmental radioactivity: from natural, industrial and military. – Academic Press, 1997. – 656 с.