Особые приметы

Особые приметы

Поиск есть поиск: ищите вы костюм, пропавшую собаку, месторождение полезных ископаемых, атомы природных трансуранов или Григория Отрепьева.

В любом поиске есть элемент детектива, и всякий поиск начинается с изучения литературы, будь то модный журнал, рекламное объявление, объемистые тома геологических отчетов или царский указ.

Вы, конечно, помните сцену в корчме на литовской границе из "Бориса Годунова". "Да это, друг, уж не ты ли?" - удивленно говорит Варлаам Григорию, прочитав царский указ: "А ростом он мал, грудь широкая, одна рука короче другой, глаза голубые, волосы рыжие, на щеке бородавка, на лбу другая". Описание самозванца характерно прежде всего тем, что содержит совокупность примет, отличающих Григория от других людей. Употребление особых примет в розыскном деле вполне заслуженно имеет глубокие корни. Ведь именно таким образом наиболее радикально удается повысить эффективность поиска.

Речь пойдет об открытии особых примет у урана - элемента, который, как оказалось, исследован полностью, но не окончательно.

Интенсивное изучение урана началось после открытия деления и продолжается по сей день. Пожалуй, ни один химический элемент не удостоился такого пристального внимания.

Сначала уран исследовали физики: они обнаружили возможность использования 92-го элемента в качестве ядерного горючего. Продолжили работы химики, занятые в основном технологией переработки урана для атомной промышленности.

Сейчас главная сфера интересов к урану находится в области геологии и геохимии. Геологов интересуют скопления урана, образующие месторождения атомного сырья, в которых уран присутствует в виде минералов. Эти непромышленные атомы урана составляют объект внимания ученых-геохимиков, которые "следят за поведением" химических элементов в природе.

Проводя аналогию с детективом, заметим, что на каждый природный химический элемент геохимики имеют соответствующее досье, где подробно указаны особенности поведения этого элемента в различных геологических процессах, а также отмечены особые приметы, среди которых наиболее отличительными являются изотопные вариации.

Подобно тому как "у крестьянина три сына: старший умный был детина, средний сын и так, и сяк, младший вовсе был дурак", природный уран состоит из трех разновозрастных изотопов.

Два старших изотопа урана - уран-235 и уран-238 - используются в ядерной энергетике, и существование их общеизвестно. Эти изотопы в природных условиях друг с другом неразлучны и везде и повсюду присутствуют одинаково: 1 атом урана-235 в окружении 139 атомов урана-238.

Третий, самый молодой, изотоп уран-234 (период полураспада 250 тыс. лет) образуется при распаде урана-238. Его содержание в природном уране ничтожно, всего 0,006% по массе. Промышленной ценности уран-234 не представляет и поэтому товарной стоимостью не обладает и популярностью не пользуется.

Из всех химических элементов изотопы урана имеют минимальную разницу в массах. На основании таких сведений ученые полагали, что изотопы урана можно разделить лишь искусственным путем. Естественное разделение изотопов считалось привилегией легких элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. Отсюда следовал вполне логичный вывод, что весь уран земной коры имеет равновесное соотношение между ураном-234 и ураном-238, определяемое константами их распада, и что соотношение между этими изотопами в естественных условиях не изменяется.

Но вот Государственный комитет Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий зарегистрировал новое научное открытие № 163 под названием "Явление естественного разделения урана-234 и урана-238" со следующей формулировкой предмета изобретения: "Установлено неизвестное ранее явление разделения урана-234 и урана-238, заключающееся в том, что при переходе изотопов урана из твердых природных урансодержащих образований в жидкости, не растворяющие эти образования, происходит обогащение изотопной смеси ураном-234".

Авторы открытия В. В. Чердынцев и П. И. Чалов выяснили, что уран-238 и его потомок уран-234 не находятся в равновесии во всех типах природных вод, т. е. отношение урана-234 и урана-238 не равно единице.

Оказалось, что вода, самая простая вода, постоянно делит изотопы и, естественно, предпочитает самый подвижный и самый молодой из тройки уран-234. Капля обыкновенной воды запросто выполняет одну из сложнейших операций технологии атомных сырьевых материалов.

Естественный комбинат по разделению изотопов урана, оборудованный молекулами из двух атомов водорода и одного атома кислорода, бесперебойно функционирует уже несколько миллиардов лет. В результате все реки, озера, источники, родники, ключи, колодцы и буровые скважины имеют в своих водах неравновесное соотношение изотопов урана-234 и урана-238, сдвинутое в сторону избытка урана-234.

Известно, что магматические горные породы и минералы кристаллизуются при остывании магматического расплава, где все естественно перемешано и элементы и изотопы находятся в одинаковых условиях.

Допустим, расплав охладился и началось образование минералов. Уран, как и другие химические элементы, занимает определенное место в кристаллической решетке возникающих минералов.

Далее происходит следующее. Уран-238 в решетке минерала можно уподобить пушке на огневой позиции. Стрельба ведется ядрами урана-234. Новоиспеченному изотопу урана-234 ничего более не уготовано, как влететь в нарушения кристаллической решетки, трещины и дефектные зоны. Отсюда он значительно легче, чем уран-238, поступает в воду, без участия которой на Земле ничего не случается. Так происходит естественное разделение природных изотопов урана. Так возникает избыток урана-234 в природных водах.

Открытый эффект неравновесия изотопов урана оказался очень характерной особой приметой при изучении целого ряда природных процессов и явлений, составляющих предмет исследования геохимии.

На основе открытого неравновесного состояния изотопов урана удалось определить возраст крупных континентальных водоемов Средней Азии и Казахстана (Иссык-Куль, Чатыр-Куль, Аральское море, Балхаш, Ала-Куль) и некоторые этапы их истории.

Самым молодым из исследованных озер оказался Балхаш - ему всего 37 тыс. лет. Аральское море в два с лишним раза старше - ему 90 тыс. лет. А маленькому горному озеру на Тянь-Шане Чатыр-Куль уже 320 тыс. лет.

На примере казахстанских озер Балхаша и Ала-Куль показана возможность решения с помощью неравновесного урана некоторых спорных вопросов о происхождении и связи между водоемами в прошлом. В частности, установлено, что указанные озера, возникшие около 40 тыс. лет назад, не являются остатками более обширного Балхаш-Ала-Кульского бассейна, а образовались независимо.

Эти результаты, представляющие интерес для ряда наук о Земле, имеют и народнохозяйственное значение, так как позволяют оценить устойчивость во времени и перспективы развития континентальных водоемов, обоснованно решить вопросы природного экономического баланса и водоснабжения.

Определенный объем исследований выполнен по изучению механизма разделения изотопов урана. Было установлено, что в некоторых случаях природные воды извлекают из горных пород оба изотопа в равной степени. Например, дожди в засушливых районах имеют практически равновесное соотношение изотопов. Такой эффект возникает вследствие определенных условий поступления урана в атмосферные осадки.

Воздушные массы над районами пустынь содержат огромное количество пыли, которая представляет собой конечный продукт выветривания горных пород. Высокая степень разрушения выравнивает положение изотопов урана в микрочастицах горных пород и способствует практически одинаковой миграции изотопов урана в атмосферную влагу.

В условиях гумидного климата формирование изотопного состава атмосферных осадков имеет более сложный характер.

Помимо выщелачивания урана из терригенных аэрозольных частиц, в этих условиях атмосферная влага экстрагирует уран главным образом из морских солевых аэрозолей, которые постоянно присутствуют в воздухе морских побережий. Следовательно, в атмосферных осадках, испытывающих, например, влияние солевых аэрозолей Каспийского моря, можно ожидать изотопный состав урана, близкий к воде этого водоема. Так оно и оказалось. Сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского института ядерной геофизики и геохимии определили, что дожди на западном берегу Каспия и морская вода практически идентичны по изотопному составу урана.

Высокая концентрация тяжелого изотопа водорода - дейтерия, найденная в каспийском дожде одновременно с изотопами урана, также свидетельствует о генетической связи этих осадков с водами Каспийского моря.

Различные типы природных вод характеризуются вполне определенной величиной изотопного состава урана, который зависит, в частности, от динамических характеристик воды (рис. 2). Например, воды зоны активного водообмена (родники, ручьи, источники) имеют значительный избыток легкого урана-234. А в пластовых водах из глубоких горизонтов артезианских бассейнов наблюдается равновесное соотношение изотопов.

Рис. 2. ²³⁴U/²³⁸U в различных генетических типах природных вод: I - атмосферные осадки аридной зоны; II - атмосферные осадки морских побережий; III - реки; IV - зона активного водообмена; V - зона замедленного водообмена; VI - зона повышенной тектонической активности; VII - океан

Открытый эффект неравновесия изотопов урана использовал коллектив авторов под руководством профессора Ф. А. Алексеева для оценки степени сохранности нефтяной залежи.

Нефтегазовая залежь находится в ловушке - структуре, благоприятной для ее нахождения. Ловушка закрыта сверху слоями горных пород, а снизу нефть подпирают подземные воды. Вода медленно, но верно течет, т. е. оказывает на нефтяную залежь одинамическое воздействие, в результате которого залежь нередко разрушается. Степень разрушения залежи сказывается на изотопном составе урана в нефти. Теоретически нефтяная залежь, не подвергавшаяся разрушению, должна характеризоваться равновесным соотношением изотопов ²³⁴U/²³⁸U = 1. В случае разрушения нефтяной залежи пластовыми водами нефть будет предпочтительно терять уран-234, и если процесс зайдет достаточно далеко, соотношение изотопов урана в нефти станет меньше равновесного.

Предпочтительный уход урана-234 из нефти объясняется просто. Уран образует ураноорганические комплексы, поэтому его атомы исключительно прочно связываются нефтяной органикой в процессе нефтеобразования.

Новорожденному ядру урана-234 не оставлено вакантной связи в порфириновой молекуле, и легкий изотоп вынужден уйти в пластовую воду. Степень отклонения отношения изотопов урана от равновесного характеризует интенсивность процесса разрушения залежи, что свидетельствует о важности этих исследований для разведки и эксплуатации нефтяных месторождений.

Выполненные исследования показали, что залежи ряда месторождений, где процесс разрушения не установлен, имеют равновесное отношение изотопов урана или избыток урана-234, в то время как подвергавшаяся разрушению небольшая залежь месторождения Караул-Базар характеризуется дефицитом урана-234 при избытке урана-234 в омывающих залежь пластовых водах (рис. 3).

Рис. 3. Распределение отношения ²³⁴U/²³⁸U: А - в случае ненарушенной залежи; Б - при размыве нефтяной залежи пластовыми водами

Очень важная информация на основе сделанного открытия была получена при изучении сейсмоактивных районов и землетрясений. Оказалось, что незадолго перед землетрясением в подземных водах эпицентральной зоны происходит значительное увеличение избытка урана-234. Такой эффект был, в частности, обнаружен в период режимных наблюдений, проводившихся в 1966-1968 гг., по подземным водам Ташкентского артезианского бассейна.

Группа советских ученых под руководством члена-корреспондента АН СССР Н. И. Хитарова зафиксировала резкое увеличение избытка урана-234 непосредственно перед землетрясением в июне 1967 года. Открытый эффект оказался очень удобным индикатором целого ряда природных процессов, причем избыток урана-234 удалось использовать не только при изучении бессточных озер.

Значительный вклад сделанное открытие внесло в изучение абсолютной хронологии четвертичного периода - самого молодого времени в истории нашей планеты, отмеченного новейшими геологическими событиями и первыми шагами древнего человека. Сфера применения изотопов урана для изучения хронологии невелика - всего 1 млн. лет. Но из всей истории Земли именно четвертичный период находится за пределами возможностей всех существующих методов определения абсолютного возраста.

В результате проведенных исследований удалось установить периоды древних климатических вариаций. Выяснилось, что длительный процесс потепления, начавшийся 200 тыс. лет назад, достиг максимума через 80 тыс. лет, а затем наступила эпоха нового оледенения.

С помощью изотопов урана была получена также целая серия дат ископаемых стоянок первобытного человека и проведена дальнейшая разработка геохронологической шкалы четвертичного периода.

Перечисленные сферы использования неравновесия изотопов урана не исчерпывают всех возможных областей применения этого геохимического параметра.

Вот еще один достаточно неожиданный пример.

Содержание урана в магматических горных породах Земли соответствует концентрации кремнезема. Породы, насыщенные кремнеземом (граниты), содержат больше урана. Неожиданным исключением из этого правила стали кимберлиты - образования, в которых находятся промышленные концентрации алмазов. Кимберлиты оказались "обогащенными" ураном, подобно гранитам, хотя по положению в систематике горных пород в кимберлитах можно было ожидать значительно более низкие содержания 92-го элемента.

Другим сюрпризом стало обнаружение неравновесия изотопов урана в кимберлитах. В некоторых разновидностях кимберлитов имеется избыток урана-234, а в других, наоборот, - дефицит. Изотопные эффекты в кимберлитах есть следствие геологических и геохимических процессов, приводящих к образованию алмазоносных пород.

Так, с помощью открытия В. В. Чердынцева и П. И. Чалова обнаружена еще одна особенность достаточно сложного процесса формирования кимберлитовых трубок - единственных на Земле кладовых алмазов.