Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ HỆ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Địa hóa urani
Urani là kim loại có trọng lượng nguyên tử là 238,07, cấu hình điện tử [Rn] 5f3 6d1 7s2. U có thể có các mức hóa trị là 3, 4, 5, 6, trong đó hóa trị 6 là thường gặp nhất trong tự nhiên. Theo phân loại địa hóa của Goldshmidt thì U thuộc về nhóm các nguyên tố litophil (xem bảng 2.1)[28]. Urani là một nguyên tố phóng xạ mạnh, là nhiên liệu hạt nhân rất quan trọng. Urani-238 (238U) có thể chuyển hóa thành plutoni có khả năng phân hạch theo các phản ứng sau: 238U(n, gamma) --> 239U -- (beta) --> 239Np --(beta) --> 239Pu. Sự chuyển hóa hạt nhân này có thểđược diễn ra trong lò phản ứng tái sinh, nơi tạo ra nhiều vật liệu phân hạch hơn là vật liệu phân hạch dùng trong bảo dưỡng phản ứng chuỗi. Urani-235 lại còn quan trọng hơn bởi vì nó là chìa khóa cho việc sử dụng urani.
Hàm lượng trung bình của nguyên tố urani trong thạch quyển là 2,5.10-4%. Hàm lượng U trong thiên thạch: 1,5.10-6%, trong các đá siêu mafic: 3.10-7%, các đá mafic: 5.10-5%, các đá acid: 3,5.10-4% và đá trầm tích: 3,2.10-4%. Hàm lượng urani trung bình trong vỏ Trái Đất (tùy theo các tác giả) là từ 2 đến 4 ppm, gấp 40 lần so với nguyên tố phổ biến là bạc. Hàm lượng urani trong đất thay đổi từ 0,7 đến 11 ppm (đến 15 ppm trong đất trồng trọt do có phosphat từ phân bón), và hàm lượng của urani trong nước biển là 3 ppm.
Như vậy urani có rất ít trong đá siêu mafic và thể hiện rõ xu thế tích lũy hàm lượng từđá mafic đến đá acid. Theo giá trị hàm lượng trung bình của các nguyên tố
trong đá magma acid thì U đứng ở đầu dãy chỉ sau La, Tl. Be, Cl. Nó thuộc vào nhóm nguyên tố đặc trưng cho đá acid bao gồm Th, U, Rb, Be, Cs, Tl, Sn, Pb, F, Ra, Ba, Li. Vì vậy U tập trung nhiều trong lớp vỏ granit của vỏ trái đất, lớp này là nguồn cung cấp U cho các mỏ khoáng urani. (lithofil)
Urani trong tự nhiên tồn tại ở cả hai dạng: phân tán và tập trung. Dạng phân tán của urani biểu hiện rõ rệt trong đá magma acid, nơi urani có mặt trong khoáng vật của một số nguyên tố khác như Th, Zr, TR, Y, dưới dạng thay thế trong ô mạng. U và Th là những nguyên tố phóng xạ mạnh, chúng có những tính chất hóa tinh thể
giống nhau, vì vậy Th4+ dễ dàng thay thế cho U4+ trong các khoáng vật của urani. Dạng tập trung, tạo thành khoáng vật độc lập là nét đặc trưng nhất của địa hóa urani. Người ta đã phát hiện được khoảng 120 khoáng vật chứa urani, bao gồm các nhóm oxit, carbonat, silicat, tantalat-niobat, phosphat, arsenat, vanadat, uraniat, sulfat. Điển hình là: uranit (UO2), pichblen (U3O82)2(PO4)2 x 8-12 H2O), 2(UO2)2(VO4)2 x 1–3 H2O),..
Trong quá trình magma urani thể hiện 2 xu thế ngược nhau: phân tán trong các khoáng vật tạo đá và tập trung lại trong dung dịch sau magma. Khi magma granit kết tinh, phần lớn urani dưới dạng U4+ tham gia vào thành phần các khoáng vật phụ của Th, Zr, Nb.... bằng cách thay thế trong ô mạng. Hàm lượng U trong các khoáng vật phụ cao hơn một bậc so với trong đá. Hàm lượng U4+ trong granit có tương quan chặt chẽ với tỷ số Fe2+/Fe3+. Ở giai đoạn cuối của quá trình magma khi hoạt tính của Th và Zr thấp, thế oxy hóa tăng cao, độ kiềm tăng, tỷ số Fe2+/Fe3+ giảm mạnh thì có thể gặp khoáng vật độc lập của urani.
Trong giai đoạn pegmatit có sự tập trung đáng kể của U và đôi khi tạo thành những mỏ có giá trị công nghiệp trong các thân pegmatit trong đá granit, gneis. Trong pegmatit, khoáng vật uraninit tập trung ở những khu vực nhất định, tạo thành
ổ, đám, mạch quặng . Uraninit ở đây chứa đến 11-13% Th và TR, thường gặp cùng với các khoáng vật phụ khác như torit, monazit, zircon.... chứng tỏ quá trình trao đổi sau pegmatit.
Trong quá trình nhiệt dịch, urani thể hiện ở mức hóa trị U4+ và U6+ trong khoáng vật uraninit và pichblen. Sự oxy hóa U4+ lên U6+ tạo thuận lợi cho việc di chuyển U trong quá trình nhiệt dịch. Trong khi đó Zr và Th khó bị oxy hóa hơn nên nó không tham gia vào dung dịch nhiệt dịch. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy
urani có thể di chuyển trong dung dịch nhiệt dịch dưới dạng hợp chất phức carbonat kiềm kiểu Na4UO2(CO3)3.
Hình 2.1. Các điều kiện lý hóa môi trường quyết định trạng thái của urani [29] Trong quá trình ngoại sinh, mặc dù urani là nguyên tố có hàm lượng trung bình trong thạch quyển thấp nhưng lại tạo nên rất nhiều khoáng vật thứ sinh thuộc nhóm phosphat, arsenat, vanadat, sulfat, carbonat....Số lượng khoáng vật thứ sinh của urani vượt quá số lượng khoáng vật nguyên sinh của nó. Ở đây urani dưới dạng U6+cóbán kính lớn (0,83Å) nên nó không thay thếđồng hình trong khoáng vật của các nguyên tố khác mà tạo khoáng độc lập. U6+ có thể gặp ở dạng U2O5, UF5. Hợp chất U4+ (UO2), UO2 mang tính khử mạnh. Hợp chất U3+ có tính khử mạnh hơn, những hợp chất này hiếm gặp trong tự nhiên. Đầu tiên các khoáng vật này có nguồn gốc là UO2 có chứa Th, sau đó nhanh chóng oxy hóa một phần U4+ thành U6+để có dạng hỗn hợp U4+ và U6+.
Từ những cứ liệu trên cho thấy biến đổi nhiệt dịch và ngoại sinh là những quá trình tập trung urani nhiều nhất, tạo nên những mỏ khoáng urani có giá trị công nghiệp.