Лаборатория радиогеологии и радиогеоэкологии имени академика Д.И. Щербакова
В рамках изучения тектонодинамических обстановок и физико-химических условий формирования минеральных систем основных промышленно-генетических типов урановых месторождений проведено всестороннее исследование Стрельцовского рудного поля (СРП) в Восточном Забайкалье, уникальные общие запасы урана которого определяют его в качестве эталонного объекта «вулканогенного типа» по структурно-формационной классификации МАГАТЭ. В настоящее время известно несколько генетических моделей образования месторождений СРП, основанных на различных представлениях об источнике и механизмах миграции урана. Подтверждены парагенетические связи уранового рудообразования и магматических пород кислого субщелочного состава, как эффузивных, так и интрузивных, имеющих вышекларковые содержания урана. Особое внимание уделялось фактам пространственно-временного совмещения крупнейшего в рудном поле Антей–Стрельцовского месторождения (запасы более 90 тыс. т), локализованного как в гранитном фундаменте (минеральная система, связанная с гранитоидами), так и вулканогенно-осадочном чехле (минеральная система, связанная с вулканизмом). В связи с этим в Лаборатории радиогеологии и радиогеоэкологии разработана и верифицирована числовыми моделями гипотеза свободно-конвективного перемещения урана, которая объясняет его поступление из трех источников:
- подкальдерного очага кислых расплавов
- гранитоидных пород фундамента
- вулканических пород выполнения кальдеры.
Соучастие трех высокопродуктивных источников урана является уникальным случаем и проливает свет на происхождение сверхкрупных месторождений в Стрельцовской кальдере в отличие от других известных в мире ураноносных кальдер.
Конфигурация флюидопотоков как функция проницаемости структурных элементов в Стрельцовской кальдере. Числовая модель для временной отметки 20 000 лет после начала термоконвективной циркуляции флюидов.
В рамках оценки долговременной устойчивости массивов кристаллических пород к природным и техногенным нагрузкам при длительном хранении и/или захоронении ядерных материалов проведены определения динамики процессов миграции радионуклидов и обоснования барьерных свойств вмещающих пород на урановых месторождениях как природных аналогах тех процессов, которые могут происходить при длительной изоляции отработанного ядерного топлива, состоящего на 95% из UO2. В мире проводятся многоплановые изыскания в подземных условиях, но для доказательства безопасной длительной изоляции ядерных материалов наиболее интересен вариант, когда черты подземной лаборатории и природного аналога пространственно совмещены. Таким объектом является жильно-штокверковое урановое месторождение Антей, локализованное в палеозойских гранитах фундамента Стрельцовской кальдеры в Забайкалье. Многолетние детальные исследования геологического строения и напряженно-деформированного состояния пород показывают уникальность этого месторождения для изучения всего спектр параметров, явлений и процессов, которые могут происходить в ближнем и дальнем полях хранилища ядерных материалов.
Урановое месторождений Антей – природный аналог мультибарьерной системы изоляции ядерных материалов в гранитах на глубине около 500 м от дневной поверхности. Слева – геологический разрез месторождения, справа – фото рудного тела и радиографии массивной (А) и тонковкрапленной (Б) урановой минерализации.
Впервые получены уникальные данные, касающиеся параметров фильтрационно-транспортных процессов в зоне аэрации природного аналога (карьер Тулукуевского уранового месторождения) долговременного хранилища радиоактивных отходов. Определены механизмы миграции и сорбции урана в различных окислительно–восстановительных обстановках от дневной поверхности до глубин 500 м. Установлено, что процессы накопления урана происходили на контролируемых разрывными нарушениями восстановительном (глеевом) и сорбционном геохимических барьерах. При изучении характера распределения и содержаний урана (по данным f-радиографии) в минералах-сорбентах в зоне аэрации Тулукуевского карьера установлен сорбционный ряд из 18 минералов и минеральных агрегатов, где главными сорбентами урана выступают гидрооксиды Fe-Ti, Mn и впервые обнаруженный органогенный протоферригидрит. Наряду с этим в осаждении урана и создания для этого локальных восстановительных условий важную роль играет впервые обнаруженный тухолит, который формировался, по-видимому, при взаимодействии урансодержащих гидротермальных растворов с разжиженными битумами.
Распределение урана: А – во внутренней зоне гидротермальных и гипергенных изменений зоны окисления в лейкоксен-гематитовом агрегате (ЛА) и в псевдоморфозах гематита и ЛА по биотиту; Б – пластинчатый гематит и агрегат кристаллов гематита (а, б) с «муаровым» узором в виде полосок; В – агрегат мелкокристаллического игольчатого гётита и его сростки (а, б) и Fe-вернадит (в); Г – агрегаты протоферригидрита (a, б) с гётитом и гематитом по краям; Д – глобулярные выделения тухолита (темносерое) в карбонатной матрице. Указан состав тухолита в мас.%.
Изучение тектонодинамических обстановок и физико-химических условий формирования минеральных систем урановых месторождений типа несогласия в протерозойском осадочном бассейне Атабаска в Канаде позволило обосновать гипотезу происхождения уникально богатых руд в результате многоэтапного телескопированного отложения урана в структурных ловушках, созданных на начальном этапе формирования месторождений и впоследствии подновляемых сейсмотектоническими воздействиями.
Структура конвекции флюидов в базовой модели, где F1 и F2 – разломы в кристаллическом основании бассейна Атабаска (Канада).
Также установлено, что месторождения провинции Атабаска Канадского щита и района Аллигейтор-Риверс Северо-Австралийского щита по геолого-структурным параметрам формирования имеют такие различия, которые дают основание классифицировать их как подтипы месторождений несогласия. В месторождениях канадского подтипа рудные тела локализуются как над, так и под поверхностью несогласия бассейна Атабаска, а руды месторождений австралийского подтипа локализуются исключительно под поверхностью несогласия в породах фундамента бассейна Комболджи. Реконструкция палеогидродинамических условий позволила обосновать представление о механизме формирования геолого-структурных особенностей месторождений несогласия австралийского подтипа как следствие режима нисходящей инфильтрации флюидов, транспортирующих уран, по зоне рудоконтролирующего разлома с локализацией минерализации под поверхностью несогласия в фундаменте бассейна Комболджи.
Структура циркуляции флюидов в модели палеогидродинамических условий формирования инфильтрационных месторождений несогласия бассейна Комболджи (Австралия).
Месторождения песчаникового типа в настоящее время стали основными объектоми промышленной добычи урана и в России, и во всем мире благодаря экологичному и экономичному методу скважинного подземного выщелачивания урана. Изыскания сотрудников Лаборатории сосредоточены на изучении тектонодинамических обстановок и физико-химических условий формирования палеорусловых месторождений Хиагдинского рудного поля в Витимском районе Бурятии.
Урановорудные тела (черное) палеорусловых месторождений Витимского района в плане (а) и в разрезе (б).
Установлено, что на изучаемых месторождениях рудные скопления нередко сопровождаются минерализацией, состав и температура образования которой трудно связать с поверхностными водами. Сделано предположение, что на процессы уранового рудогенеза оказывал влияние неоген-четвертичный базальтовый вулканизм, который продуцировал восходящие потоки термальных вод. Сочетание экзогенных и эндогенных факторов вызвало многолетние дискуссии об условиях формирования месторождений Витимского района. Широкое использование электронной микроскопии, ставшее традиционным при изучении гидрогенных месторождений урана, позволило сотрудникам Лаборатории выявить новый для России промышленный тип урановых руд: фосфатно-черневый (нингиоитовый).
Кристаллы Са-U4+-фосфата – нингиоита, основного рудного минерала месторождений урана Хиагдинского рудного поля: СЭМ изображение (а), ТЭМ изображение звездчатого сростка микрокристаллов (б), точечная картина микродифракции (в) и спектр состава (г).
Предложена гипотеза влияния биогенных процессов на образование урановых руд с фосфатной черневой минерализацией, основанная на установленном факте биогенных источников фосфора. На примере палеорусловых месторождений Витимского района показано, что в обогащенных углефицированным растительным веществом песчаных породах редокс-потенциал достигает очень низких значений (-200÷-450 мВ). Наряду с этим известно, что микробиом вмещающих пород в процессе своей жизнедеятельности при терминальной деструкции высвобождает фосфор в водные растворы. Сочетание этих факторов приводит к осаждению UIV не в оксидной, а в фосфатной минеральной форме. Эти данные приобретают особое значение при отработке фосфатных руд, которые практически не растворимы в растворах серной кислоты при рН>1,5.
Наиболее важной задачей заключительной стадии ядерного топливного цикла является обеспечение безопасной изоляции высокоактивных ядерных отходов (ВАО) от биосферы. Одно из решений проблемы связано с созданием матриц для иммобилизации ВАО с высокими химической и радиационной стойкостью. Перспективными матрицами являются редкоземельные титанаты и цирконаты. В качестве методологии поиска перспективных матриц для изоляции ВАО предложен кристаллохимический подход, опирающийся на основные свойства (размер ионов, их заряд) и характеристики координационных полиэдров катионов. Изучение образцов традиционными методами аналитической сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа зачастую затруднено сложными составами фаз и близостью их рентгеновских дифракционных характеристик. В качестве метода идентификации фаз и определения их политипных и полисоматических модификаций предложен метод дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD).
СЭМ изображения ториевой керамики (а) и участка EBSD анализа (b). Исходные и проиндексированные EBSD картины цирконолита (c,d) и муратаита (e,f). Обозначения: z – цирконолит, m-1, m-2 – муратаит.
В России жидкие высокоактивные отходы перед захоронением отверждаются в стекло натрий-алюмо-(железо)-фосфатного состава. При разогреве из-за тепла радиоактивного распада стекла кристаллизуются, что снижает устойчивость матрицы ВАО при воздействии подземных вод. При этом в раствор переходят коллоидные частицы, способные переносить радионуклиды на большие расстояния. Проведена оценка возможности выноса радиоколлоидов из потенциального хранилища ВАО и показано, что более 99% таких частиц будут механически задерживаться в породах, представленных гнейсами и гранитогнейсами.
Результаты исследований экосистем Карского моря с 1995 года по настоящее время впервые показали исчезновение ранее установленных участков радиоактивного загрязнения донных отложений и устойчивое улучшение радиационного состояния других в ключевом районе Арктики, принимающем крупнейший в регионе пресноводный сток. Яркой иллюстрацией потенциала самоочищения является практически полное исчезновение трёх зон повышенной активности 137Cs в донных осадках Карского моря, включая Обскую, которая формировалась за счет выноса радиоактивного загрязнения от радиохимических предприятий, расположенных в бассейне Оби. При этом наиболее загрязненная Енисейская зона “потеряла” за 20 лет не менее 60% аккумулированного радиоцезия. Основными факторами снижения удельной радиоактивности в осадках являются естественные процессы радиоактивного распада изотопов, диффузии радионуклидов в нижние горизонты и биотурбации осадков богатым бентосным сообществом эстуарных зон.
Радиационно-экологические исследования на островах архипелага Новая Земля, позволили установить факт появления в настоящее время в Арктике нового источника радиационного загрязнения. Этим вторичным по своей сути источником является покровное оледенение Северного острова, где в период 1957-1962 гг. было проведено 88 атмосферных ядерных испытаний суммарной мощностью более 250 Мт. После взрывов часть выпадений осаждалась в зоне питания ледникового комплекса и формировала радиационно-загрязненный слой льда (обозначено RCL на рис.). В настоящее время этот слой достиг зоны абляции и техногенные радионуклиды, освобождаясь из ледяного плена в летний период, мигрируют с талыми водами и попадают в криоконитовые осадки на поверхности ледника, где уровни их активности достигают экстремально высоких значений: 137Cs – 17000 Бк/кг; 241Am – 140 Бк/кг; 207Bi – 20 Бк/кг в зоне В2.
Модель образования зонального распределения состава криоконита на поверхности покровного оледенения Новой Земли. RCL - радиоактивно загрязненный слой (РЗС); А - нижняя часть зоны абляции, в которой активность 137Cs в криоконите ниже глобального уровня выпадений (58-440 Бк/кг); В - средняя часть зоны абляции, состоящая из следующих подзон: В1 - зона с активностью 137Cs на уровне глобальных выпадений (2700-4700 Бк/кг), В2 - зона с рекордно высокой активностью 137Cs в криоконите (5700-16000 Бк/кг); C – верхняя часть зоны абляции, расположенная выше выхода на поверхность РЗС; Cs-137 HAZ - зоны повышенной активности радиоцезия в донных отложениях.