Пропавшие атомы [1982 Зверев В.Л. - Пропавшие атомы (Очерки по геохимии)]

Можно считать, что на Земле существуют три урана: промышленный, рассеянный и морской.

Промышленный уран добывают из месторождений, где он находится в виде минералов. Однако месторождения содержат лишь незначительную долю урана земной коры.

Большинство же урановых атомов, рассеянных в горных породах, практического применения не имеет.

Вода постепенно вымывает из горных пород разные химические элементы, и реки приносят их в океан.

Уран в этом смысле не составляет исключения. Извлеченный водой из горных пород в конечном итоге он также попадает в океан.

Такой морской уран по своей полезности в народном хозяйстве занимает промежуточное положение между первыми двумя. Его не ищут, но им интересуются, и недалеко время, когда уран станут добывать из морской воды.

Для всякого месторождения полезных ископаемых, прежде чем его станут разрабатывать, геологи делают подсчет запасов.

Давайте попробуем подсчитать урановый запас океана.

Ни много ни мало - 2,5 тыс. т урана ежегодно приплывает в океан с речными водами.

Здесь уместно вспомнить, почему океан не выходит из берегов: речной сток уравновешивается испарением. Но уран испариться не может. Значит, уран накапливается в океане, как другие химические элементы, которые делают морскую воду соленой? Оказывается, нет. Концентрация урана в морской воде всего только в 2 раза больше, чем в речной. При этом не надо забывать что уран поступает в океан не только водным путем Как известно, "ветер по морю гуляет и кораблик подгоняет". Попутно ветер сдувает с континентов в океан огромное количество (около 3 млрд. т) пыли, которая состоит из мельчайших частиц горных пород, содержащих и рассеянный уран.

Несложные расчеты показывают, что таким воздушным путем ежегодно в морскую воду попадает несколько миллионов тонн урана.

Получается, что ветер и реки способны создать современные запасы урана в океане (5 млрд. т) всего за 1-2 столетия. Океан значительно старше, ему 3,5 млрд. лет. За это время в океан поступило водным и воздушным путем значительно большее количество урана, чем осталось в морской воде. Где же основной уран? Ведь только реки принесли за это время 2,5·10³·3,5·10⁹ = 8,75·10¹² т! Причем морской остаток 5 млрд. т в тысячи раз превышает запасы всех сухопутных разведанных месторождений урана.

Вот и вывод, что из морской воды неизвестно куда ежегодно пропадают десятки тысяч тонн урана!

Этот вывод подтверждают изотопные данные. Морская вода содержит избыток изотопа урана-234. Отношение ²³⁴U/²³⁸U = 1,15. А это значит, что уран в океане "молодой". Почему? Раз уран-234 еще не успел уравновеситься с ураном-238, следовательно, по закону радиоактивного распада уран плавает в океане менее 2,5 млн. лет.

Значит, этим временем ограничена одиссея морского урана, или продолжительность его жизни в морской воде. И мы снова вынуждены заключить, что морская вода постоянно должна терять уран. Именно должна, потому что сам растворенный уран не имеет серьезных оснований с позиций физико-химических особенностей морской воды, а также собственных химических свойств осаждаться на дно.

И тем не менее уран действительно покидает морскую воду. Куда же он может направиться? Логично предположить, что в морскую пучину. Попробуем поискать пропавшие атомы на самом дне океана.

Но морские глубоководные илы не обнаруживают концентрирования урана, и, как следует из изотопных данных по отношению ²³⁴U/²³⁸U, наоборот, отдают уран в воду.

Подводные вулканы также выносят уран, и этот процесс был особенно значителен в прошлые геологические эпохи.

Но это не все. Немного урана поступает в океан из космоса. Метеориты, содержащие рассеянный уран, постоянно падают на Землю. Большая часть их тонет в океане и становится еще одним источником урана для морской воды.

Итак, вместо пропавшего урана мы нашли его дополнительные источники, из которых он "вливается в океан".

Но куда все-таки пропадает уран из морской воды? Рассмотрим вторую половину задачи.

Потерпев неудачу на дне, поднимаемся из океанических глубин.

Действительно, имеет место некоторая "усушка" урана на поверхности океана. Морские ветры выносят морские соли вместе с брызгами воды, сдуваемыми штормом с гребней волн. Таким образом морские соли улетают на огромные расстояния в глубину континентов и делают "солеными" выпадающие там дожди.

Недавно ученые установили, что вынос океанических солей происходит и при спокойном состоянии моря, даже в штилевую погоду. Соли поступают в воздух в молекулярно-дисперсном состоянии вместе с водяными парами в процессе испарения.

Расчеты показывают, однако, что таким путем из океана обратно на сушу возвращается всего только около 20 т урана в год. Для наших поисков это, конечно, мало. Высказывались также соображения о сорбции Урана на речных взвесях в устьевых зонах рек, однако попытки обнаружить там повышенные концентрации 92-го элемента не увенчались успехом.

Проблема поведения морского урана еще далека от разрешения, но некоторые каналы, по которым происходит утечка урана, стали проступать сквозь толщу океанических вод. Недавно появилась статья сотрудников Московского геолого-разведочного института, подтвердившая старое положение о том, что известные факты, на которые не обращают внимания, часто оказываются Достаточно примечательными. Авторы рассмотрели баланс урана в океане и предложили частичное объяснение наблюдаемой пропажи.

Дело в том, что уран и кальций имеют близкие ионные радиусы. Это определяет в ряде случаев сходство их поведения в природных процессах. В частности, более всего урана, а также кальция находится в бурых морских водорослях, раковинах моллюсков и костях рыб и значительно меньше - в зеленых некальцинированных водорослях, мышцах рыб и телах моллюсков.

Особенно важно то, что карбонатные морские осадки (практически это чистый СаСО₃), которые постоянно образуются в океане, захватывают из воды уран, причем отношение Ca/U, составляющее для морской воды 1,5·10⁵, в них сохраняется. Это свидетельствует о прочной геохимической связи урана с кальцием в океане. Исходя из равенства Ca/U в морской воде и карбонатах легко рассчитать, что вместе с СаСО₃ из морской воды ежегодно осаждается около 2,5 тыс. т урана. Полученная величина совпадает с количеством урана, которое поступает в океан с речными водами.

Известно также, что в морской воде, кроме урана и кальция, присутствуют живые организмы - фитопланктон, бактерии и зоопланктон. Ежегодный прирост этих организмов составляет примерно 9·10¹⁷ г.

Содержание урана в биомассе океана не меньше, чем в морской воде. Соответственно "биологическим" путем может уйти из морской воды около 2 тыс. т урана ежегодно.

С растительными и животными остатками этот уран попадает в морские взвеси, пронизывающие толщу океанических вод. Постепенно взвеси осаждаются на дно, образуя органическую компоненту морских глубоководных лов. Как мы видели, в морских илах идет вынос урана, причем неизвестно, есть ли вклад урана органического происхождения в этот процесс и какова его величина. Вопрос требует дальнейшего изучения.

Работа над картиной уранового баланса находится в начальной стадии, поэтому проработка некоторых деталей пока отсутствует. Но уже найдены два "потайных" канала: карбонатный и органический, а также первые 4,5 тыс. т пропавшего урана.

Вот так пока мы можем обрисовать морскую "одиссею" урана. Приход у нас по-прежнему значительно превышает расход. Сальдо явно не в пользу наших знаний о поведении урана в морской воде (рис. 4).

Рис. 4. Схема основных составляющих баланса урана в океане: приход: 1 - речной сток; 2 - ветровой перенос; расход: 3 - осаждение с карбонатами; 4 - фиксация органическим веществом

Что делать? В морской пучине скрыто много тайн, среди них - одна из сторон частной жизни. Его Величества Урана, одного из главных химических элементов нашего времени.