Question

岩矿石中放射性元素分布

Answer 1

地球以及壳层的天然放射性，主要取决于岩石和矿物中的放射性核素，根据矿物的放射性强弱，可以将地壳中的各种矿物分为六组，见表1-10。

表1-10 内生和表生矿物放射性元素分布特征

(据吴慧山，1998)

按岩石的放射性强弱，岩石圈中主要的岩浆岩、变质岩和沉积岩中最常见造岩矿物和副矿物一般可归为四组：

1)弱放射性的主要造岩矿物，基本上是硅铝矿物(石英、钾长石、斜长石、霞石)；

2)以暗色矿物为主的造岩矿物，具有正常放射性或略为偏高的放射性 (黑云母、角闪石、辉石)；

3)偏高放射性中最常见的副矿物和金属矿物：磷灰石、异性石、萤石、钍铁矿、磁铁矿等；

4)高放射性的较稀有的副矿物：榍石、褐帘石、独居石、锆石、钛铌钙铈矿等。

矿物中，铀、钍含量与矿物的化学成分没有明显的关系，而且与硅、钾和氧的含量也无关。实际资料也说明，铀和钍的最低含量出现在最富硅和碱金属的矿物(石英和长石)中，较高的含量则出现在磁铁矿、磷灰石、萤石和黄铁矿中。

与矿物不同，岩石中铀和钍含量主要与岩石的物质成分(主要是化学成分)有关，铀、钍等主要元素在地球各圈层中平均含量见表1-11，从表中可以看出，放射性元素主要集中在地壳中。

表1-11 放射性核素在地球及其壳层中的平均含量

注：表中“—”符号表示目前无可靠的超微量测量资料。 (据章晔等，1990)

地壳组成的各类岩石中放射性元素含量也是不同的，见表1-12。岩石的放射性与岩石的物质成分有关，由岩石的放射性元素U、Th、K含量决定。对于一定的岩石类型，它是一个在一定范围内变化的数值。三大岩类中放射性元素含量具有一定的分布特征，通常岩浆岩放射性元素含量高于沉积岩，变质岩放射性元素含量与变质前母岩有关。

表1-12 不同种类岩石的铀、钍、钾含量分布

(据吴慧山，1998)

(一)岩浆岩的放射性元素分布

图1-7 岩浆岩中U、Th、K含量平均值随Si的增加的变化

岩浆岩中放射性元素分布的基本规律是：随着岩石酸度和碱度的增加，铀和钍的含量上升，图1-7表明随着SiO₂的增加，各类岩浆岩中放射性元素U、Th、K含量显著增加。表1-13为从酸性到超基性岩中放射性元素铀、钍、钾的含量，从表中也可以看出，酸性岩浆岩的铀、钍、钾含量最高，超基性岩浆岩最低。总体来说，中酸性喷出岩高于中酸性侵入岩。在钙碱类的火山岩中的钙碱类岩石来说，它的放射性更高些，见表1-14。碱性岩中铀和钍含量之间不存在正相关关系，钾和铀之间也没有正相关关系。从造岩组分的观点看，放射性同含钠系数之间的关系最为明显。把云霞霞石正长岩同钠质霞石正长岩做比较，前者贫铀，更是贫钍。碱性岩的放射性变化较大，这是由于碱性岩体的构造复杂，矿物种类繁多，同一种岩性组成的岩石中微量元素的变化很大。同一类型的花岗岩，年代越新，放射性元素含量越高。表1-15列出了我国不同时期花岗岩中铀含量。这是由于放射性衰变的原因，古老的花岗岩铀、钍、钾含量较低，而较年轻造山运动形成的岩石放射性元素含量较高，如燕山晚期花岗岩。

表1-13 岩浆岩中放射性元素铀、钍、钾含量

表1-14 岩浆岩中的放射性元素含量

(据吴慧山，1998)

表1-15 我国不同时期花岗岩中铀含量

注：表中“；”两端表示两个不同岩体的值。

随着放射性强度的变化，铀和钍在岩浆岩中的存在形式也有所变化。在弱放射性岩体中，铀和钍的主要部分分散在造岩矿物中。淡色矿物中的含量比暗色矿物要低，在放射性元素含量为克拉克值或略高的侵入体中，铀和钍的半数集中在副矿物中，其中最常见的有榍石、磷灰石、磁铁矿、褐帘石、锆石和独居石。在强放射性岩石中，相当数量的铀和钍呈易溶状态存在。

构造复杂的花岗岩体具有这种规律性：自侵入的早期相至晚期相放射性增高；自岩体的中央部位往外接触带放射性增高。因此，剥蚀程度低的侵入体比高度剥蚀的侵入体放射性要强。在这种情况下往往观测到铀和钍的双峰曲线，峰值位于岩体的边缘部位。

在地质上属于同一类型的岩石，由于地球化学特征的差异，它们的放射性元素含量存在一定的差异，因此每到一个新工作区，必须完成一定的野外试验工作来了解各种岩石的放射性元素特征。

(二)沉积岩中放射性元素分布

表1-16 各类沉积岩及沉积物中铀的含量

(据刘英俊，1987)

在各种沉积岩及沉积物中，铀、钍的分布极不均匀(表1-16，表1-17)，一般以蒸发岩及碳酸盐岩含铀量最低，碎屑岩其次，泥质岩石较高，富有机质的岩石含量最高。黏土矿物对钍的选择性吸附以及钍在稳定矿物中的存在是决定沉积岩中钍分布的主要因素。钍在砂页岩中含量较高。铝土矿及斑脱岩中因含钍的残留矿物及吸附作用钍含量较高。石灰岩中钍浓度低，且与石灰岩不溶残渣的含量有关。锰结核中钍含量高可能是由于Th(OH)₄与Fe(OH)₂、Al(OH)₃共沉淀的结果。沉积岩中铀很分散，肉眼很少见到原生矿物，仅在显微镜下可见粉末状沥青铀矿、铀石或其他有机铀矿物。只有聚积成矿时，才能见到其块状矿物集合体。表1-18、表1-19列出了一些沉积岩中放射性元素含量特征。大体规律如上所述：沉积岩中放射性元素属泥质页岩中最高，平均含量接近地壳的克拉值，因为其中原始岩石的物质成分已经过了充分的混合。碎屑岩的物质成分，特别是粗粒碎屑岩的成分，同局部的源岩有着密切的关系，其变化范围很大。随着颗粒增大，钍和铀的含量增加。钾含量的变化有着类似的规律性。碳酸盐岩的铀、钍含量很低，而砂岩中的铀的含量变化却较大。岩盐及石膏的放射性元素含量最少，铀不超过10^-7，钍含量小于10^-6。

表1-17 沉积岩中钍的含量及w_Th/w_U比值

(据刘英俊，1987)

表1-18 地壳大陆部分沉积层中的铀、钍、钾含量

(据吴慧山，1998)

表1-19 沉积岩中放射性元素的含量　(单位：10^-6)

(据吴慧山，1998)

(三)变质岩的放射性元素分布

在区域变质过程中，包括放射性元素在内的各种物质产生大规模的再分布。在变质作用的早期阶段(绿色片岩相和绿帘石-闪岩相)，放射性元素的分布仍然保持着原始岩石的特征。但到了高度变质阶段(麻粒岩相和榴辉岩相)，岩石的原始放射性特征都已消失。所以变质岩的放射性元素含量与母岩的物质有关，同时与变质岩相有关，变质过程中也可增、减放射性物质。系统研究区域变质作用形成的不同相带中铀、钍含量的变化表明，浅变质作用中铀含量较高，随着变质程度的加深，铀含量逐渐降低。从研究铀的赋存形式得知，原岩为粉砂岩-泥岩的浅变质岩中，60%以上的铀富集在绿泥石和绿帘石中；变质较深的片麻岩、混合岩和原地花岗岩铀主要富集于副矿物(锆石、褐帘石)中。变质岩中钍含量变化具有与铀相似的特征。不同的是，在低级变质过程中，铀的活动性较钍强，铀首先发生迁移，Th/U比值增高，而高级变质作用过程中，钍发生强烈转移，导致岩石Th/U比值降低。超变质作用是区域变质作用的最高阶段，导致混合岩化、花岗岩化，并局部形成深熔(再生)花岗岩。成矿元素在超变质作用中的活动普遍增强。原地型混合花岗岩的铀含量较低，接近或低于残留片麻岩的铀含量。异地型再生花岗岩中的铀含量比相应的片麻岩的铀含量高1～2倍。表1-20、表1-21、表1-22、表1-23列出了部分变质岩相及岩石的K、U、Th含量特征值以及U/Th比值。

表1-20 不同变质岩放射性元素含量特征

(据吴慧山，1998)

表1-21 不同母岩变质岩放射性元素含量特征

表1-22 几种变质岩中放射性元素的含量

(据赵懿英，1984)

表1-23 朗基地区不同变质岩相中的铀、钍含量及比值表

(据刘英俊，1987)