Минералогия и методы исследования радиоактивных руд Тема: профессор, д.г.-м.н.
advertisement
Минералогия и методы исследования радиоактивных руд Тема: Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов. профессор, д.г.-м.н. Язиков Егор Григорьевич Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 1. Радиоактивность Радиоактивность – свойство ядра атома урана, так же как тория, радия и других радиоактивных элементов, непрерывно и самопроизвольно распадаться с последовательным превращением в другие элементы. Установлены три главных ряда радиоактивных превращений: 1) ряд урана, 2) ряд актиния и 3) ряд тория. В урановых минералах, помимо урана, как правило, имеются элементы его ряда, последовательно образующиеся в результате радиоактивного распада и его производные, заканчивающиеся радиогенным свинцом. 2 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Воздействие радиоактивных веществ на вмещающую породу и минералы: плеохроичный дворик, метамиктный распад 3 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов С течением времени в урановых минералах между радиоактивными элементами ряда устанавливается так называемое радиоактивное равновесие, при котором число распадающихся в единицу времени атомов какого-либо радиоактивного элемента равно числу атомов этого же элемента, возникающих за единицу времени из материнского вещества (урана). При радиоактивном равновесии отношение весовых количеств каждого члена ряда к урану есть величина постоянная. В частности, отношение радия к урану при равновесии равно 3,4х10-7. 4 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов В соответствии с этим в минералогии радиоактивно-равновесными считаются такие минералы, в которых соблюдается указанное выше отношение радия к урану. Отсутствие равновесия в минерале указывает на избирательное выщелачивание урана или радия или на недавнее время образования минерала. Все геологически молодые вторичные минералы урана, особенно современные отложения сульфатов и карбонатов в горных выработках, радиоактивно неравновесны и содержат избыток урана по отношению к радию. 5 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов При минералогических исследованиях радиометрические методы позволяют: 1) быстро производить оценку радиоактивности в минеральных соединениях урана, тория и радия, с выделением их из всех других существующих минеральных видов; 2) установить природу радиоактивности (уран, торий или радий) и выделить группы урановых, уран-ториевых, ториевых и радийсодержащих минералов. 6 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 2. Люминесценция Под люминесценцией понимают свечение, испускаемое холодным (не раскаленным) веществом, в частности минералом, под влиянием внешних воздействий. В зависимости от источника возбуждения различают катодолюминесценцию – явление свечения вещества под влиянием бомбардировки электронами, фотолюминесценцию – явление свечения вещества под влиянием поглощенной лучистой энергии ультрафиолетовых лучей и другие виды люминесценции. 7 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов По характеру свечения флуоресценцию и различают фосфоресценцию. Флуоресценция – люминесценция, прекращающаяся сразу после удаления источника возбуждения; фосфоресценция – люминесценция, продолжающаяся после удаления источника возбуждения. Свойством люминесценции обладают многие минералы, в том числе и урановые. Катодолюминесценция свойственна минералам урана и минералам других групп: алмазу, шеелиту, апатиту, флюориту, кальциту, кварцу и др. 8 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Фотолюминесценция в зеленоватых тонах, наблюдаемая в ультрафиолетовых лучах длинных волн (λ ~ 300-400 мμ), является характерным свойством урановых минералов, тогда как фотолюминесценция в коротковолновых ультрафиолетовых лучах, кроме урановых, распространяется также на ряд других минералов – шеелит, апатит, топаз, кальцит и др. 9 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Из урановых минералов люминесцируют не все, а лишь соединения шестивалентного урана, в состав которых уран входит в форме уранила (UO2)2+, обладающего свойствами двухвалентного катиона. Однако не все минералы, содержащие уранил, люминесцируют, так как большое влияние на люминесценцию оказывают сопутствующие ему другие катионы и анионы. Из элементов анионного комплекса люминесценцию гасят или значительно ослабляют кремний и ванадий, поэтому силикаты и ванадаты не люминесцируют или люминесцируют слабо. Карбонаты, сульфат-карбонаты, фосфаты, арсенаты и сульфаты люминесцируют отчетливо. 10 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Влияние катионов на люминесценцию урановых минералов различно. Катионы Na+, К+, Ва2+, Са2+, Mg2+ и Аl3+ являются активаторами люминесценции. В присутствии их упомянутые группы химических соединений (карбонаты, сульфат-карбонаты, фосфаты, арсенаты и сульфаты) сильно люминесцируют. При этом с увеличением атомного веса катиона, а также ионного радиуса и общей растворимости соединений, люминесценция ослабевает. Тяжелые катионы Cu2+, Fe2+, Mn2+, Pb2+ и Bi3+ являются гасителями люминесценции во всех урановых минералах. 11 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Люминесценция урановых минералов обычно наблюдается в длинноволновых ультрафиолетовых лучах с λ ~ 300-400 мμ, при этом она характеризуется интенсивностью, цветом и строением спектра. По интенсивности различают очень сильную, сильную, умеренную, слабую и очень слабую люминесценцию. Спектр люминесценции характеризуется зелеными и желтыми тонами различных оттенков; строение спектра полосчатое; он характеризуется пятью полосами в желто-зеленой и частично голубой части спектра. 12 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Люминесценция отсутствует в урановых минералах, в состав которых входит четырехвалентный уран, а также в двадцати двух минералах шестивалентного урана, содержащих в своем составе, как правило, Pb, Cu, Mn, Fe или Bi. Для пяти минералов люминесценция не выяснена, остальные вторичные соединения обнаруживают люминесценцию того или иного оттенка и интенсивности. 13 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Тип шрекингерита свечение – голубовато-зеленое Тип отенита – желтовато-зеленое свечение Тип уранофана – грязное желто-зеленое свечение 14 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 3. Цвет и черта Цвет минерала и отчасти цвет черты, зависящие от формы валентности входящего в их состав урана, а иногда от присутствия других элементов (Cu, Pb, Mn, Ta, Nb, Ti и др.), являются характерными признаками, позволяющими разделить урановые минералы на наиболее крупные группы. 15 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 3. Цвет и черта Минералы, образованные одновременно четырех- и шестивалентным ураном (окислы) обычно черные или серые с черной и почти черной чертой. Минерал четырехвалентного урана (лермонтовит) имеет темный зеленовато-серый цвет. Минералы других редких элементов, содержащие в своем составе четырехвалентный уран (танталониобаты, титанаты, торои цирконосиликаты) обычно черные или темноокрашенные с цветной чертой. Минералы шестивалентного урана (гидроокислы, карбонаты, уранилсиликаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, сульфаты) ярко и светло окрашены в желтые, бурые, красные или зеленые тона различных оттенков. 16 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 4. Форма выделений Форма выделений – облик кристаллов и характер агрегатов иногда имеют для урановых минералов важное значение в качестве руководящего диагностического признака, как группового, так и индивидуального. Различают урановые минералы кристаллические (группа уранинит – торианит, гидроокислы, карбонаты, силикаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, сульфаты), метамиктные (торосиликаты, танталониобаты, титано-танталониобаты), аморфные и скрытокристаллические (настуран, хлопинит, урановые черни, ряд гидроокислов, некоторые силикаты и другие соединения). 17 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 4. Форма выделений Облик кристаллов как один из основных руководящих групповых признаков приобретает исключительно важное значение при диагностике темных и черных минералов урана. Среди них следует выделять, с одной стороны, более или менее удлиненно-призматические кристаллы ромбической или гексагональной сингонии и, с другой, кристаллы изометрических очертаний кубической сингонии. Пластинчатый и слюдоподобный облик кристаллов свойственны фосфатам, арсенатам и ванадатам (урановые слюдки). 18 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Облик кристаллов: кристаллы изометрических очертаний кубической сингонии (уранинит) 19 Облик кристаллов: удлиненно-призматические кристаллы ромбической сингонии СКУПИТ (ШЕПИТ) UO2(OH)2•H2O ∞ 20 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Облик кристаллов: Пластинчатый и слюдоподобный облик кристаллов свойственны фосфатам, арсенатам и ванадатам (урановые слюдки). ОТЕНИТ (АУТУНИТ, ОТУНИТ) Ca(UO2)2 (PO4)2 • 10H2O 21 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 5. Блеск Блеск лишь для небольшой части минералов имеет руководящее значение при диагностике (ряд настуран – остаточные черни). Большинство же минералов урана обладает сходным блеском: первичные минералы – смоляным, алмазным и иногда жирным, вторичные, как правило, – стеклянным, реже восковым, перламутровым, матовым и редко (гидроокислы) алмазным. 22 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Первичные минералы – смоляным, алмазным и иногда жирным: Вторичные, как правило, – стеклянным, реже восковым, перламутровым, матовым и редко (гидроокислы) алмазным: торбернит и карнотит 23 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 6. Магнитность Магнитные свойства, характерные для черных и темноокрашенных танталониобатов и большинства титанатов, дают возможность отделять их при помощи обычного электромагнита от группы немагнитных урановых минералов, в которую входят темноокрашенные гидроокислы, торосиликаты и единичные представители титанатов. Окислы урана, благодаря наличию примесей, практически все электромагнитны. Фосфаты, арсенаты и остальные минералы шестивалентного урана магнитными свойствами не обладают. 24 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 7. Твердость Твердость урановых минералов изменяется в весьма широких пределах от 1 до 6-7, что является дополнительным признаком. Однако только для группы окислов твердость приобретает руководящее значение, позволяя разделять настуран и остаточные черни, а также отражая различные стадии окисления настурана. Приближенное определение твердости производят при помощи эталонов десятибалльной шкалы Мооса. Более точное определение необходимо проводить с помощью микротвердомера. 25 Твёрдость по Моосу Эталонный минерал Другие минералы с аналогичной твердостью 1 - Тальк (Mg3Si4O10(OH)2) Царапается ногтем Графит 2 - Гипс (CaSO4·2H2O) Царапается ногтем Галит, хлорит, слюда 3 - Кальцит (CaCO3) Царапается медью Биотит, золото, серебро 4 - Флюорит (CaF2) Легко царапается ножом, оконным стеклом Доломит, сфалерит 5 - Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) С усилием царапается ножом, оконным стеклом Гематит, лазурит 6 - Ортоклаз (KAlSi3O8) 72 Царапает стекло. Обрабатывается напильником Опал, рутил 7 - Кварц (SiO2) Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло Гранат, турмалин 8 - Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2) Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло Берилл, шпинель, аквамарин 9 - Корунд (Al2O3) Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло Сапфир, рубин, карбид вольфрама 10 - Алмаз (C) Режет стекло 26 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 8. Удельный вес Удельный вес является одной из наиболее твердых и надежных констант в минералогии, однако для большинства урановых минералов используется лишь как вспомогательный диагностический признак. Это отчасти объясняется тем, что значения удельных весов для сходных минералов перекрываются (группа титанатов, танталониобатов, силикатов, арсенатов и др.) и тем, что минералы более легко разделяются по другим признакам, требующим для своего определения значительно меньшего количества чистого материала. 27 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов Как руководящий диагностический признак, удельный вес используется для выделения органических соединений урана (тухолит, карбуран, согренит). Наибольшие колебания величины удельного веса свойственны минералам непостоянного химического состава – окислам, танталониобатам и титанотанталониобатам. 28 Особенности физических и физико-химических свойств урановых минералов 10.Растворимость Растворимость урановых минералов имеет большое значение для их определения и анализа. В зависимости от формы валентности урана и кристаллохимических особенностей, урановые минералы по-разному реагируют с теми или иными растворителями, что используется при разделении их методом фазового анализа. Относительно легкая растворимость главной массы урановых минералов в кислотах положена в основу простейших химических методов определения в них урана и других элементов, а также метода отпечатков. 29 Благодарю за внимание! 30
