Свойства и характеристика сырьевых ресурсов урана

Геохимия урана

Уран относится к элементам переменной валентности и в химических соединениях может находиться в состоянии U³⁺, U⁴⁺, U⁵⁺ и U⁶⁺. Однако ионы U⁵⁺ в природных условиях встречаются редко, а ионы U³⁺ достоверно неизвестны. Будучи ярко выраженным литофильным элементом, уран характери­зуется активным сродством с кислородом и отсутствием в природе сернистых и мышьяковистых соединений. Встречается только в виде оксидных четырех- и шестивалентных форм. В природе известны три изотопа урана со следую­щим распределением (в %): U²³⁸- 99,2739; U²³⁵ - 0,7205; U²³⁴ - 0,0056. Вопре­ки существовавшему прежде мнению о редкой распространенности урана, его содержание в земной коре относительно высокое: его общий кларк по А. П. Виноградову составляет 2,5·10⁴ %, а суммарное количество оценивается в 6,2·10¹⁵ т.

Высокое сродство к кислороду и способность легко образовывать ком­плексные соединения с карбонатами, фосфатами и сульфатами объясняют значительную подвижность урана и широкое его участие в геологических про­цессах, протекающих в верхней части земной коры.

В литосфере характерно повсеместное присутствие урана в различ­ных типах осадочных пород. Особенно значительные его масштабы и концен­трации установлены в морских фосфоритах и углеродистых черных сланцах. Среди фосфоритов ураноносны преимущественно их платформенные разно­видности, к которым относятся мел-палеогеновые фосфориты Аравийско-Сахарской плиты, поздненеогеновые фосфориты Флориды в США, меловые и эоценовые желваковые фосфориты Казахстана. Особое место занимают мощные пластовые ураноносные фосфориты нижнего кембрия в Малом Ка-ратау (Южный Казахстан). Содержание урана в фосфоритах, обычно связанного с карбонат-фторапатитом (франколитом), варьирует от тысячных долей процента до 0,01-0,03 %. Уран соосаждается с фосфатом кальция даже из таких сильноразбавленных растворов, как морская вода. Однако некото-рые исследователи полагают, что накопление фосфоритов происходит не в результате химического осаждения фосфатов, а путем захвата фосфора ор­ганизмами с последующим осаждением в виде биогенного детрита.

Ураноносные углеродсодержащие черные сланцы проявлены весьма широко. К ним относятся диктионемовые сланцы Европы, квасцовые сланцы Швеции, углеродсодержащие сланцы провинции Чаттануга (США) и хребта Большого Каратау в Южном Казахстане и многих других районов мира.

Содержание урана в них изменяется от десятитысячных до сотых и иногда первых десятых долей процента. Уран часто присутствует в ассоциа­ции с ванадием, молибденом, редкими землями, селеном и другими компо­нентами, что в частности характерно для «ванадиеносного горизонта» Боль­шого Каратау. Около 60 % урана в черных сланцах находится в легко извле­каемой форме. Повышенные сингенетические и эпигенетические концентрации урана отмечаются и в других осадочных образованиях, обогащенных органи­ческим веществом гумусового ряда: песчаниках, алевролитах, глинах и др.

Крупные аккумуляции урана сосредоточены в морских и континенталь­ных россыпных месторождениях уран- и торийсодержащего монацита и других акцессорных минералов (всемирно известные россыпи Индии и Бразилии).

В магматических породах распространенность урана определяется прежде всего их химическим составом. Наибольшие концентрации его отме­чаются в щелочных породах типа сиенитов - (10-80)·10^-4 %. В породах кислого состава (гранитоидах и др.) содержание урана составляет в среднем (3-4)·10^-4 %. По мере повышения основности горных пород оно закономерно снижается до 0,5·10⁴ % в основных и до 0,003·10^-4 % в ультраосновных по­родах. Уран в магматических породах образует самостоятельные минералы, изоморфно входит в кристаллические решетки не урановых (обычно акцес­сорных) минералов, адсорбируется на поверхностях кристаллов, находится в растворенном виде в межзерновом пространстве. Наибольшие концентрации урана присущи породам с высоким со­держанием кварца и калия.

В пегматитах накопление урана обычно происходит в форме урансо-держащих минералов в ассоциации с элементами, близкими по кристалли­ческим свойствам, - торием, редкими землями.

В метаморфических породах содержание урана преимущественно обусловлено составом и геохимическими особенностями исходных образо­ваний. Метаморфизованные терригенные породы отличаются значительны­ми колебаниями содержания урана - (1-6)·10^-4 %.

При ультраметаморфизме ранее метаморфизованные, обедненные ураном и торием породы при воздействии Н₂О, щелочей и кремнезема обо­гащаются ураном с образованием минералов слабоподвижного четырехва­лентного урана.

В последние десятилетия накоплены определенные сведения о со­держании и поведении урана в гидросфере и биосфере.

Среднее содержание урана, по данным Г.Н. Батурина, колеблется в водах морей в пределах (1-3)·10⁶ г/л и океанов - (0,33-4,7)^–6 г/л. Средняя концентрация урана в водах всего Мирового океана равна 3·10^-6 г/л. В речных водах концентрация урана - (0,01-30)·10^-6.

Минералогия урана.

Известно около 200 природных минеральных соединений урана, из которых лишь 20 являются основными компонентами урановых руд. Установ­лены минералы преимущественно четырех-пяти и шестивалентного урана. Наиболее распространенные минералы представлены в таблице 2.

Минералы четырехвалентного урана важнейшие в промышленном от­ношении, относятся к классам простых оксидов урана и сложных оксидов урана и молибдена, а также титанатов, силикатов, теллуридов, тантало-ниобатов и фосфатов урана.

Все три простых оксида урана - уранинит, настуран и, так называемая урановая чернь, имеют одну и ту же кубическую гранецентрированную решет­ку типа флюорита, буро-черный цвет и аналогичный состав, что позволяет относить их к одному минеральному виду - ураниниту. Уранинит, как минерал – ограненный ок­сид урана с внешними гранями куба или октаэдра, а также их комбинациями. К настурану принято относить оксид урана с округлыми внешними очертания­ми и внутренним сферолитовым радиально-лучистым, концентрически-зональным строением. Урановая чернь - это тонкозернистые сажистые обра­зования, часто рентгеноаморфные. Причины проявления разных морфоло­гических форм оксидов урана обусловлены различиями условий их образова­ния (температура, рН и др.).

Таблица 2

Важнейшие урановые минералы.

К классу силикатов относится коффинит. Это черный, бутылочно-зе-леный, буровато-зеленый минерал призматической формы. Под электронным микроскопом для него характерны вытянутые жолудевидные образования.

К титанатам урана относятся браннерит и давидит - черно-бурые ми­нералы сложной химической формулы, образующие зернистые массы. Поми­мо урана и титана содержат значительное количество железа и редко­земельные элементы.

Четырехвалентный уран содержится иногда в значительных количествах в оксидах тория (торианит, ураноторианит), силикатах тория (ураноторит и др.), замещая изоморфно торий. Он присутствует в силикатах редких зе­мель, тантало-ниобатах, титано-ниобатах, в разновидностях циркона - арши-новите, малаконе и других.

Минералы четырехвалентного урана (уранила) широко распростране­ны в зоне окисления эндогенных и экзогенных урановых месторождений. Они, как правило, имеют сложный химический состав, яркие преимущественно желтые, желто-зеленые и зеленые окраски. Они образуются в основном в ре­зультате наложенных гипергенных процессов и часто именуются «вторичными». Их количество по мере изучения постоянно растет. Известные в настоящее время минералы уранила относятся к 10 классам: гидроксиды, силикаты (гидро­силикаты), карбонаты, сульфаты, молибдаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты, селениты и теллуриты. Несмотря на их большое число, только некоторые имеют промышленное значение, либо самостоятельное, либо в комплексе с другими урановыми минералами, обычно оксидами.