© Ю.М. Дымков, В.Т. Дубинчук,
академик Н.П. Юшкин, А.П. Алёшин
УРАНОКСИДНЫЕ ЗАТВЕРДЕВШИЕ
ГЕЛИ ЯДЕРНОЙ ЗОНЫ Z-13 УРАНОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ОКЛО, ГАБОН
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 443,
№ 6, с. 720-725 --- ГЕОХИМИЯ УДК 549.514.8:550.41
При
предварительном минералогическом просмотре ураноксидов в пробах с ядерной
зоны Z-2 по международной программе доктора Р. Нодэ (.....) в 1975 г. наши
минералогические задачи ограничивались поиском среди ураноксидов каких-либо
вещественных и генетических признаков влияния природных ядерных реакций (ПЯР)
и других процессов их преобразования [1,2]. Последующие минералогические,
электронно-микроскопические и рентгенографические работы по образцам с
ядерной зоны Z-2 (скв. 8К-35) оказались более результативными: обнаружены
первые однозначные признаки существования затвердевших гелей ураноксидов
[3]. Дальнейшая разработка вопроса об особенностях затвердевших урановых
гелей проведена на более ярком и компактном материале из ядерной зоны Z-13.
Новые исследования привели к открытию гель-проводящих каналов и механизма
зарождения трубок.
Ядерная зона Z-13, как и другие 16 ядерных зон
месторождения Окло и прилегающих участков, залегает в песчаниках, но она
привлекает особое внимание геологов тем, что расположена в 10 м от мощной
(15 м) дайки долеритов, оказавшей определенное гидротермальное, термическое
и геохимическое влияние на минеральный состав и текстурно-структурные
особенности ее руд. Одно из первых описаний зоны Z-13 и ее подробная
минералого-геохимическая и радиогеологическая характеристика проведены Ф.
Холлигером. Пластообразное рудное тело плотного агрегата оксидов урана,
преимущественно уранинита (235и до 0.55%), мощностью 20-30 см, по
простиранию достигает 5 м.
Судя по изученному обр. 8В.37-82/СЭ из зоны Z-13, куски
руды из участка с признаками проявления ПЯР (235и 0.465%) в целом плотные,
тяжелые, стального цвета с полуметаллическим блеском. В полировках под
микроскопом рудный агрегат разнозернистый, состоит из неоднородных по
размерам и форме зерен оксидов урана, в том числе своеобразных сростков
(рис. 1), сцементированных тонкочешуйчатым агрегатом серицита и железистого
хлорита. В цементе различимы относительно редкие обломки более крупных,
изъеденных силикатами, кристаллов La-гойяцита [5],
мелких включений сульфидов Pb, Fe,
As, Cu и др. В оксидах урана
установлены (многие из них цветные в отраженном свете) арсениды и
сульфоарсениды Ru, Rh,
Te, Pb, Bi,
Fe, Cu [4]. Текстура руд в обломке
крустификационная (друзовая) и более поздняя - типично метасоматическая,
зафиксировавшая не менее двух стадий преобразования минералов.
Почти все характерные и
достаточно показательные уранооксидные текстуры изученного образца можно
встретить в одном рудном обломке друзовой корки, сцементированной
серицит-хлоритовым агрегатом (рис. 1), и разделить на три группы: 1)
зернистые псевдокристаллы, обычно крупные (10 мкм), с субиндивидами
кубической или октаэдрической формы (рис. 1, 1) или близкие к ним по
размерам диски (рис. 2), сложенные плотным неупорядоченным агрегатом
округлых, реже эвгедральных субмикронных октаэдров уранинита. Среди них
можно встретить также нано- и микроторы ураноксида,
обломки микротрубок и обрывки цепочек из двух-трех колец, а также микронные
и наномерные фрагменты иных, более сложных кватаронных [5-8]
форм - кватаритов. В полировке они серые,
микропористые, травление азотной кислотой выявляет структуру, доступную для
изучения на АСЭМ; 2) щетки столбчатых кристаллов уранинита с эвгедральными
вершинами субиндивидов (рис. 1, 2), травление структуру не выявляет; 3)
субрадиально-трубчатые почки и почковидные корки гель-настурана с гладкими и
блестящими сфероидными поверхностями (рис. 1, 3); в аншлифах обычны
монолитные формы, которые по минераграфическим свойствам подобны кристаллам
уранинита.
Рис. 1. Обломок ураноксидного
зерна в серицит-хлоритовом агрегате (5), содержащий три разновидности
ураноксидов: 1 - псевдокристаллы зернистого ураноксида с протравленными
цепочками пор (4); 2 - щетка столбчатых кристаллов уранинита, 3 - сфероидные
почки гель-настурана. Зарисовка участка полированного шлифа, протравленного
концентрированной азотной кислотой. Окло, Z-13, обр. 8В.37-82/СВ.
Изученный сросток индивидов
ураноксидов (рис. 1) генетически может быть представлен как обломок
крустификационной текстуры - друзовидных щеток, характерных для
гидротермального минералообразования в щелевидных пустотах. Это значит, что
интересующие нас ураноксидные почки росли в свободных условиях, а не
образовались метасоматически в твердой породе.
Кристаллы и монолитные,
полностью перекристаллизованные почки настурана на кристаллах уранинита
послужили материалом для определения Ф. Холлигером изотопного возраста
рудной зоны Z-13. Результаты его 18 анализов на ионном микрозонде показали,
что возраст уранинита, образовавшегося 1950 млн лет назад, изменен и
соответствует возрасту образования дайки долерита - 750 млн лет, а также
времени полной перекристаллизации первичного древнего оксида урана.
Наименее охарактеризованы в
рудах сферолитоподобные почки уранинита и почковидные корки. Ниже приведены
первые результаты изучения на сканирующем электронном микроскопе разломов
таких почек (фрактограммы) в первичном, неперекристаллизованном виде, более
полно раскрывающие их внутреннюю текстуру.
Первое же знакомство со
строением неперекристаллизованных настурановых почек показало, что это не
простые сферолитоподобные индивиды, а особые минеральные лучисто-трубчатые
колонии, каким-то образом связанные между собой. Субиндивиды, слагающие
почку-колонию, при росте имели разные функции, а способ их роста напоминал
некоторые внешние элементы механизма роста наземных растений. В основании
колонии субгоризонтально расположены цилиндрические изгибающиеся трубки, из
которых по более тонким трубкам или непосредственно через отводы в их
стенках питались гелем цилиндрические или остроконические трубки. В
результате одновременного разрастания по известным причинам (геометрический
отбор) конические трубки образуют лучистые агрегаты. В итоге одновременного
роста из одного центра образовался бы сферолит. Но центров здесь было много,
а площадь ограничена консолидированным или расползающимся зародышевым пятном
геля, поэтому в тех случаях, когда у них
была общая крыша, она была не в виде полушария, а в виде дисиметричного
овала - почки. Разновидности почковидных колоний и детали их строения будут
более понятны при знакомстве с описанием отдельных примеров на конкретных
скан-снимках (рис. 2-4).
Рис. 2. Торцы зернистых
цилиндров А, Б (двух дисков? зернистого агрегата) с микрооктаэдрами
уранинита на поверхности скола над коркой из цилиндрических трубок с
капсулами. Скан-снимок в отраженных электронах участка поверхности обломка (фрактограмма)
почки настурана. 1-7 - пояснения в тексте.
Рис. 3. Микроструктура конически-трубчатой почки гель-настурана с
зародышевым слоем, выросшей в системе изогнутой горизонтальной (1) и
вертикальной (2) питающих трубок. Скан-снимок в отраженных электронах
участка поверхности обломка (фрактограмма) почки настурана. 1-4 - пояснения
в тексте.
На рис. 2 видны
цилиндрические микротрубки ураноксида, под левым зернистым диском А (если
перевернуть снимок, видно, что это обломки пустотелых трубок 1) и под правым
диском Б, где у более мелких цилиндрических трубок заметны плоские участки
продольных (2) и поперечных (3) контактов с соседними трубками. Более того,
под диском Б некоторые микротрубки имеют верхние цилиндрические наросты с
округлыми буграми на поверхности (4), что свидетельствует о наличии в
наростах глобул. Это цилиндрические пакеты глобул - капсулы, которые
здесь приросли к цилиндрической трубке с торца (5), некоторые отделены от
нее ровной плоской границей ("гранью"). Часто на трубках видны отпечатки
отвалившихся капсул или полностью сохранившиеся их цилиндры (6). На
поверхности правых цилиндров и на других участках видны группы светло-серых
деформированных колец-торов, если это не поперечные сколы коротких трубок
(7).
В основании левого
субрадиального пучка, изображенного на рис. 3, видна изогнутая
цилиндрическая трубка 1, рассматриваемая нами как одна из питающих растущую
от нее сеть конических трубчатых пучков. В краевой части слева почти
вертикально расположена более крупная слабо искривленная кверху питающая
трубка 2 с поверхностью, бугристой от механического воздействия на общую
оболочку расположенных внутри мелких неупорядоченных глобул. В основании
почки (рис. 3) под лучистыми пучками видны столбчатые группы округлых
зародышей (глобулы?), из которых вытягиваются и растут более мелкие по
диаметру закрытые зародышевые трубки 3. Некоторые округлые зародыши трубок
подобны клубням растений, из которых, словно цветы, вытягивается по
несколько ростков, разрастающихся как стебли цветоносов. Некоторые клубни
имеют одну трубку, из других, более крупных, растет несколько мелких
коротких разновременных ростков-трубок с закругляющимися вершинами. Потом
они разрастаются и, постепенно расширяясь и контактируя с соседними
трубками, приобретают в целом форму ограненных трубок с острыми коническими
основаниями. В вышележащем слое происходит уже последующий рост и
геометрический отбор трубок. Расширение в процессе роста, особенно резкое за
счет расщепления, приводит к увеличению площади граней трубки и к захвату
электрически заряженных площадок (граней) линейными пакетами с цепочками
глобул. Начиная с ребер конических трубок, идет их автоэпитаксиальный рост и
в итоге цилиндрический пакет глобул (обычно более короткий, чем на снимке)
обрастает тонкой ровной, "кристаллографически" ориентированной коркой. Такие
автоэпитаксиальные корки ступенчато расширяют верхние части трубки,
прекращая или искажая рост одиноких трубок, но в целом у основания они
остаются остро-пирамидальными. Это - индукционные формы кватаронных
субиндивидов. В поперечном сечении средние и верхние части индукционных
трубок имеют треугольную или иные неправильные многоугольные
формы. В основаниях зародышей, в их цилиндрических участках
есть слабые признаки винтового (по длинной оси)
роста (4).
Правильные внешние
сферические формы при таком субрадиальном росте не образуются, а растут
округлые, овальные или приплюснутые, иногда бугристые, с блестящей общей
поверхностью почки.
На рис. 4 левая почка
представлена лучистым агрегатом разобщенных остроконических трубок,
сцементированных плотным агрегатом затвердевшего геля ураноксида с
элементами горизонтальной полосчатости участков (1), имеющих различную
плотность, и с боковой питающей трубкой 1'. Правая,
плотная целиком лучистая почка имеет продольную открытую капсулу глобул (2)
между двумя коническими трубками. Цепочки глобул расположены на расширениях
граней, где они обычно наиболее крупные и часто окружены цилиндрическими
капсулами. По сравнению с трубками капсулы обычно более короткие. В ровных
щелеподобных промежутках между трубками они имеют диаметр более 2.2 мкм и
сложены мелкими глобулами диаметром -60-90 нм. В одной гель-настурановой
почке на трубках и между трубками встречены разные по размерам линейные
цепочки глобул с диаметрами, нм: 60-90, 100-150, 180-240, примерно равными в
пределах одной цепочки. Наблюдаемая зависимость размеров глобул от величины
микрополости щели, где они обнаружены, показывает, что глобулы могут
продуцироваться самими трубками из остаточного геля, законсервированного в
трубках с плотными кристаллоподобными кватаритными стенками.
Рис. 4. Массивно-трубчатый
(слева) радиальный пучок разобщенных трубок обрастает снизу псевдооктаэдр
зернистого уранинита, в то время как справа выросли лучисто-столбчатые
конически-трубчатые текстуры; группа почек гель-настурана имеет в основании цепочку сферических
капель пиробитума. Скан-снимок в отраженных электронах поверхности разлома
почковидной корки (фрактограмма). 1-7- пояснения в тексте.
На рис. 4 в пределах
основания правого трубчатого пучка видны особенности соединения зародышей
трубок с питающими трубками через тонкие пережимы (3). Такие пережимы
оснований субрадиальных трубок обычны, но не повсеместны. При попытке
рассмотреть содержание темных пятен над одним из пережимов в месте
соединения трубок обнаружен затвердевший "зонтик разбрызгивания" геля (4),
по-видимому, из круговой трещинки в трубке, позволяющий ориентировать
препарат по отношению к вектору гравитации*. Сквозь прозрачный зонтик видно
соединение питающей трубки с конической.
В основании правого
трубчатого пучка четко различимы сростки шарообразных капель пиробитума
черного цвета (5)Основание этого пучка в виде плотной, сначала
микрозернистой, затем столбчатой корки трубчатых
зародышей обрастает пиробитум и, таким образом, по времени образования
битум, по-видимому, попадает в интервал между образованием зернистых
октаэдрических псевдокристаллов и трубок ураноксидов.
На снимке можно определить и
другие возрастные соотношения ураноксидов с пиробитумами. На поверхности
грани зернистого псевдооктаэдра (6), справа внизу, видна наросшая двойная
капля пиробитума. Псевдооктаэдр на поверхности граней обвит извилистой
лентой торов (7) или коротких трубок с круглыми сечениями, забитыми битумом.
В основании видны собственные шаровидные формы пиробитумов. Это еще более
поздний битум. В нижней части микроснимка на черном фоне пиробитумов резко
выделяется белая корка уранового минерала,
предположительно, фосфата урана или уранила.
Приведенные примеры
морфогенетических особенностей настурановых почек показывают, что механизм
их зарождения и роста включает типично метаколлоидные факторы образования
минерала и прежде всего образование
глобул, в отличие от кристаллизационного механизма образования
сферекристаллических сферолитов настурана (постоянное расщепление кубических
или октаэдрических микрокристаллов-зародышей в процессе роста) из
классических, более высокотемпературных гидротермальных жил [9]. Такого рода
метаколлоидные минералы, в отличие от обычных кристаллизационных, названы по
старинной горняцкой европейской традиции гель-минералами, например,
гель-марказит, гель-халькопирит и др., а здесь - гель-настуран.
О причинах и механизмах образования почек
гель-настурана в рудах Окло минералогически можно говорить лишь на
онтогенетическом уровне, используя известную кватаронную концепцию
А.М.Асхабова [5-7] об образовании протоминерального вещества
непосредственно из кластеров в резко пересыщенных условиях
открытых систем. Здесь эта концепция применена для онтогенетической
реконструкции твердых гелей и как критерий выявления метаколлоидной природы
ураноксидов.
В современной обстановке не удается замерить форму и
размеры реальных кластеров-кватаронов ураноксидов, кватаронных блоков -
реальны лишь псевдоморфозы ураноксидов по конечным формам кватаронных
построек, не подвергшихся перекристаллизации в течение сотен миллионов лет.
Среди простейших кватаронных нано- и микроиндивидов в низкотемпературных
гелях ураноксидов [9] обычны затвердевшие глобулы, торы, цилиндрические
(здесь и конические) трубки, "кристаллы" (кубоиды и октаэдроиды), шары,
цилиндры, шнуры. Из сложных кватаронных микроиндивидов обычны всевозможные
сочетания глобул с трубками, кристаллами, дендритами, цилиндрами и шарами.
По аналогии с ранее отмеченными первичными структурами крупных
кристаллографических форм в рудах Далматовского уранового месторождения
(Урал, Россия) [9, 10], показанные на рис.1 и 4 зернистые псевдооктаэдры до
раскристаллизации первоначально были упорядоченно заполнены глобулами и
цементирующим их формообразующим кватаронным ураноксидом. При
раскристаллизации глобулы приобрели форму октаэдров или изометричных
субгедральных зерен соответствующего размера. Образовавшиеся при
раскристаллизации псевдооктаэдры в целом имеют неупорядоченную
равномерно-зернистую структуру. Плавные изгибы, скручивание и иные
пластические деформации различных трубок ураноксидов подтверждают теоретические
представления [5-7] о молекулярных структурных связях между кватаронами в
агрегатах.
В генетическом плане появление ураноксидов в виде геля
в урановых месторождениях свидетельствует о резком падении давления в
гидротермальном процессе рудообразования при попадании пересыщеных по U(OH)4
растворов в восстановительные условия небольших глубин. Возможно, гели имели
более широкое развитие в минералообразовании уранового месторождения Окло и
благодаря своей подвижности уходили в соседние пустоты самостоятельно
или вместе с водой и битумом, служа "зажигательным механизмом" новых ПЯР по
известной гипотезе р. Нодэ [10]
Авторы признательны геологам из Комиссии по атомной
энергии СЕА в Гренобле (Франция) за присылку материалов доктора Ф. Холли
гера по геологии рудной зоны Z-13 [4], М. Пажелю (Университет Орсэ, Париж,
Франция) за предоставление образца руды из зоны Z-13 для минералогических
морфо-онтогенетических исследований.
* Указаний об ориентации
на образце не было, но, судя по "зонтику" на снимке, почка росла снизу
вверх, а длинная сторона микроснимка была параллельна поверхности
крустификационно-метасоматической рудной жилы.
------------------------------------
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Круглов А.К, Пчелкин В.А., Свидерский М.Ф. и др. Предварительные
исследования образцов урановой руды из естественного атомного реактора" Окло"
(Габон). "The Oklo Phenomenon". Vienna: IЛEА, 1975. Р. 303-317.
2. Круглов А.К, Пчелкин В.А., Свидерский М.Ф. и др. Природный ядерный
реактор в Окло (Габон). М.: Атом. энергия, 1976. Т 41. В. 1. С. 3-9.
3. Дымков Ю.М., Павлов Е.Л., Завьялов Е.Н // Геохимия. 1979. № 2. С.
217-228.
4. Dymkov Y., Holliger Р, Pagel M., еt al. // Miner. deposita. 1997. V. 32.
Р. 617-620.
5. Юшкин Н.П., Асхабов А.М., Котова О.Б. и др. Микро- и нанодисперсные
структуры минерального вещества. Сыктывкар: Геопринт, 1999. 216 с.
6. Асхабов А.М. Ультра- и нанодисперсное состояние минерального вещества.
Наноминералогия. СПб.: Наука, 2005. С. 61-91.
7. Асхабов А.М. Теория, история, философия и практика минералогии. Сыктывкар:
Геопринт, 2006. С. 13-14.
8. Дымков Ю.М. Природа урановой смоляной руды. М.: Атомиздат, 1973. 240 с.
9. Дымков Ю.М., Юшкuн Н.П., Колпаков Г.А. и др. // Сыктывкар. минералог. сб.
2010. № 36. С. 76-89.
10. Naudet R. L'reacteur de fissions naturels, Problemes pases раг lе
deroulement du phenomene d'Oklo: tentative d'interpretation globale. Natural
Fission Reactors. Vienna: IАЕА, 1978. Р. 714-740.
--------
* См. также: Ю.М.Дымков.
Гель-пирит-настурановая конкреция Хохловского уранового месторождения
