ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ. Nr kol, 960. S e r i a : GÓRNICTWO z Irena PLUTA. Główny Instytut Górnictwa

(1)

1986 Nr kol, 960

Irena PLUTA

Główny Instytut Górnictwa

URAN W WODACH OTWORGw KARBOWSKICH

POŁUDNIOWEGO OBSZARU GÓRNOŚLĄSKIEGO ZAGŁĘBIA WĘGLOWEGO ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

S e r i a : GÓRNICTWO ^z. 172

Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań stężenia uranu oraz stosunku aktywności izotopów uranu A2 3 4 U/A238U w 50 wodach, z utworów karbońskich południowego ■ obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W badanych wodach stężenie uranu sięgało .do 4,1 ¿ig/dm3 , natomiast stosunek, aktywności izotopów uranu wahał się ód. 0,4 do 6,5. We wszystkich wodach stwierdzono brak równowagi promienio-

2 3 8 2 3 4 *

twórczej pomiędzy izotopami uranu U i U. Badania wykazały, że na południowym obszarze GZW występuję dwa rejony różniące się zawartością uranu w wodach wypływających tam z utworów karbońskich.

Rejon centralny; w którym z utworów karbońskich wypływają wody o ^ niższych zawartościach uranu (najczęściej stężenie uranu 0,2^g/dm ) oraz rejon w s c h od ni o- za ch od ni, gdzie występuję wody bogatsze w uran (stężenie-uranu sięga do 4 , l p g/dra3 ).,

1. WPROWADZENIE

Promieniotwórczość wód wpływających z utworów karb oń sk ic h;Górnoślą

skiego Zagłębia Węglowego jest od wielu lat przedmiotem zainteresowania badaczy. Pierwsze badania zawartości uranu w górotworze kęrbońskim wy ka

zały jego nierównomierne strefowe rozmieszczenie [l] . Później stwierdzono wysoką promieniotwórczość wód kopalnianych- Rybnickiego Okręgu Węglowego

[2, 3] , Następnie szczegółowe badania źródła promieniotwórczości wykazały że promieniotwórczość ta s p o w o d o w a n a 'Jest głównie izotopem radu-228Ra z szereg« uranowo-radowego ¡4, 5]. Wynika z tego, że źródła naturalnej promieniotwórczości w kopalniach GZW należy szukać zwłeezcza w rozmie

szczeniu uranu w górotworze karbońskim.

Badania uranu w różnych formacjach wodonośnych na świacie wykazały, że bardzo dużo informacji o rozkładzie uranu uzyskuje s i ą na podątawie ana

lizy zmian stężenia uranu i stosunku aktywności A2 3 4U/A2 3 8U w wodach tych formacji [6, 7] . W związku z tym w latach 1985-86 pobrano do badań wody z utworów karbońskich południowego obszaru GZW.

Praca niniejsza zawiera wyniki badań uranu oraz stosunku aktywności izotopów uranu w tych wodach. Wyniki te stanowię pierwszą kompleksową informację o występowaniu uranu w wodach utworów karbońskich południowego obszaru GZW.

(2)

2. ZARYS BUDOWY GEOLOGICZNEJ POŁUDNIOWEGO OBSZARU GZW

W budowie geologicznej południowego obszaru GZW dominujące znaczenie i największe rozprzestrzenienie mają, pomijając utwory starego podłoża, utwory karbonu, trzeciorzędu i czwartorzędu, Karbon górny, z którego w y pływają badane w pracy wody, obejmuje serię produktywną złożoną z pias

kowców/ i iłowców oraz pokładów węgla kamiennego [8] . Bezpośrednio na po

wierzchni lub pod cienkim nadkładem cz wa rt or zę du, karbon górny występuje na niewielkich powierzchniach koło Rybnika i Brzeszcz. Na pozostałym- ob

szarze karbon leży w większości pod nadkładem czwartorzędu lub trzecio

rzędu i czwartorzędu, a fragmentarycznie trzeciorzędu, triaśu i czwaro- rzędu.

_3. ZAKRES PRACY I METODYKA POMIARÓW

Przedstawione w pracy wyniki badań dotyczą oznaczenia stężenia uranu 234- 238

oraz stosunku aktywności izotopów uranu A U/A U w wodach z górotworu karbońskiego 19 kopalń południowego obszaru Górnośląskiego Zagłębia Wę

glowego, Próbki wód pobierano bezpośrednio z wycieków i wykropleń oraz otworów wiertniczych. Łącznie zbadano 50 próbek wód. Głębokość poboru mierzona od stropu karbonu wynosiła od 100 m do ponad 500 m. Była ona różna dla poszczególnych kopalń a zależna od głębokości na jakiej usytuo

wane były wyrobiska górnicze, w których pobierano wody.

Oznaczenia stężeń uranu oraz stosunku aktywności izotopów uranu wodach wykonano metodą dostosowaną do badań wód wypływających w kopalniach, będących często-silnie zmineralizowanymi solankami [9] . W metodzie tej wydziela się uran poprzez współstrącanie z wodorotlenkiem żelaza jako nośnikiem, a następnie oczyszcza od innych pierwiastków promieniotwór

czych metodami chromatografii jonitowej i ekstrakcji. Pomiar aktywności izotopów uranu wykonuje się techniką ciekłych scyntylatorów.

4. CHARAKTERYSTYKA GEOCHEMICZNA URANU

W warunkach naturalnych w przyrodzie występują trzy izotopy uranu- 238U, 2 3 5 U, 2 3 4U. Izotop 2 3 8U otwiera szereg ur an ow o- ra do wy, którego czło

nem jest izotop 234U. Natomiast izotop 23 5U stanowi izotop wyjściowy sze- 238 235

regu uranowo-aktynowego. Obecnie stosunek izotopów U/ U w uranie ziemskim jest stały i wynosi 137,5 ¡JLO]• Z tego powodu oznaczając uran oznacza się zazwyczaj tylko dwa jego izotopy- 238U i produkt jego rozpadu izotop 234U.

W czasie badań zawartości uranu w przyrodzie stwierdzono, że tylko w izolowanych strukturach geologicznych o wieku powyżej 10 lat obserwuje

(3)

Uran w wodach utworów ka rb ońskich... 407

się zjawisko równowagi promieniotwórczej pomiędzy izotopami uranu. V! więk szóści przypadkach i struktu och geologicznie otwartych oraz w wodach zaobserwowano zjawisko naruszenia równowagi promieniotwórczej pomiędzy izotopami uranu- 2 3 8U i 2 3 4U [li, 7], W wodach, zwłaszcza podziemnych,

234 238

najczęściej stosunek aktywności izotopów uranu A U / A U jest większy od 1,0. Szczególne nagromadzenie izotopu 2 3 4 U w wodach jest wynikiem więk szego ługowania tego izotopu ze środowiska skalnego.

Uran w przyrodzie występuje najczęściej w postaci dwóch jonów U4+ i U02 + , z których jon uranylowy- U02 + jest ruchliwy w środowisku utlenia

jącym.

Z powyższego opisu własności uranu wynika, że jego geochemiczne zacho

wanie jest z a l e i n e o d postaci jonowej oraz podziału izotopowego w danym środowisku.

5. STĘŻENIE URANU W WODACH Z UTWORÓW KARBOŃSKICH POŁUDNIOWEGO OBSZARU GZW

Wyniki oznaczeń stężenia uranu i stosunku aktywności izotopów uranu A2 3 4 U/A2 3 8 U ^w wodach.południowego obszaru GZW umieszczono w tablicy 1.

Badane wody przedstawiono w zależności od głębokości ich wypływu, mierząc głębokość od stropu utworów karbońskich oraz w zależności od zawartości uranu.

Wyniki zestawione w tablicy 1 wskazują, że w wodach z utworów karboń

skich południowego obszaru GZ'V;

- stężenie uranu sięga do 4 , l u g / d m 3 ,

234 238

- stosunek aktywności izotopów uranu A U/A U wynosi od 0 #4 do 6,5, a więc bra jest ównowagi promieniotwórczej pomiędzy izotopami uranu-

238u

i

234u.

W większości badanych wód aktywność izotopu ^3 4 U przekracza kilkakrot

nie aktywność izotopu 2 3 8 U. Zjawisko odwrotne występuje w kilku wodach wypływających na głębokościach poniżej 300 m od stropu karbonu.

Wody o najwyższych stężeniach uranu (powyżej 2,0 g/dm3 ) spotkano na głębokościach od 200 m do 500 m od stropu karbonu. Brak wód o stężeniach uranu powyżej 2,0 ¿xg/dm3 na głębokościach poniżej 500 m świadczyć może o pionowej strefowości występowania uranu w wodach.

6. MAPA ROZKŁADU STĘŻEŃ URANU W WODACH UTWORÓW KARBOŃSKICH POŁUDNIOWEGO OBSZARU GZW

Rozkład zawartości uranu w badanych wodach przedstawiono na mapie ob

szarów górniczych kopalń południowego obszaru GZW (rys. 1). Na mapie za

znaczono miejsca poboru wód wraz z numeracja zgodną z tablicą 1.

(4)

Ta blica,1

Stężenie uranu oraz stosunek aktywności izotopów uranu w wodach utworów karbońskich południowego obszaru GZW

Lp.

Głębokość poboru od stropu karbonu

[m]

Stężenie uranu [¿Jg/dm3]

Stosunek aktywności a234u/a23 8u

1 100-200 1,4 +. 0,3 2,6 ■

2 1,3 + 0,3 3,8

3 0,9 + 0 , 3 3,5

4 •0,9 + 0,3 4,3

5 ,■ 0,7 + 0,2 2.4

6 0,6 + 0,2 2,6

7 0,3 + 0,1 2,8

8 0,3 +_ 0,1 , 2,4

9-15 i .

< 0,2 *

16 201-300 ■ 4,1 + 0,4 . 6,5

17 1,8 + 0,3 2,8

18 1,4 + 0,3 3,7

19 0,9 + 0 , 3 4.2

20 0,5 + 0,2 . 5,0 .

21-25 < 0 , 2 *

26 '301-400 3,5 + 0 , 4 4 «2

27 , 1,5 + 0,3 3.4

28 1,3 + 0,3 3.5

29 1,2 + 0,3 0,9 Y

30-32 < 0,2 *

33 401-500 3,7 + 0,4 0,8

34 2,6 + 0,3 0,9

35 1,7 + 0,3 3.5

36 .1,5 + 0 , 3 3,7

37 1,3 +_ 0,3 4 «7

38-44 < 0,2 *

45 > 501 2,0 + 0 , 3 4 ,6

46 1,3 + 0,3 0,6

47 .1,0 + 0 , 3 O, 4

48-50 < 0,2 *

# najmniejsze wykrywalne stężenie uranu badanę metodę.

(5)

Uran w wodach utworów karbońskich.. 409

2

o2 +-*

> 3'

rH O

O. CO ••

3 > c

N 2 © o

O X •H

3 T-3 ©

L. o <+- L.

N N C

X rH 3. O

O © O c

u o

o O © o

O) 1—1 4-

2 c 3

o 1 o •H

•H 1 X C

c 1 i. ©

TJ •* © L.

3 2 o 3

rH X K)

O c P © • * O. o TJ X ©

T-J \ •M C

X © O) O

O L. E •H

•H O- 4-»

X _aP ©•

*C > O

O c A © rH

X o u

U H

£0 C -N

< 3

2 Ł, x 1- 2

Ö2 to

CM

I O o

3C - (0 'C

U rH

3 (0

*C O CL

O J*

•N

© C

CCD

•H rH C O © O O

*-• C

U H ©

4-* © C C © O

O -H O

C (O ©

O l.

O L.© M—

E CL O

3 OL

• H Z ) ^

rH -O

CL \

E O)

©

o ß » A

rO

c©

•N©»

"O2

a©

£

©

te

N© XI© O

©o

•Hc

©L. CO

•H TJ

s

a

L. Q -

•Oc

TJ© c□ Xo

■HOJ ll

(6)

Z przedstawionego na mapie rozkładu stężeń uranu w wodach wynika, że na południowym obszarze GZW wyróżnić można dwa rejony różniące się zawar

tością uranu w wypływających tam wodach.

Rejon centralny, gdzie większość wód zawiera uran o stężeniu poniżej . O . Z ^ g / d m 3 (najmniejsze wykrywalne stężenie uranu badaną metodą). W rejo

nie tym wśród badanych wód stwierdzono trzy wody o stężeniu uranu wyższym od 0,2 g/dm3 (maksymalnie 1,2 tu g/dm3 ). Niskie stężenia uranu w wodach świadczą o redukcyjnym środowisku, w którym uran nie jest ruchliwy. Rejon wschodnio-zachodni, gdzie z utworów karbońskich wypływają wody bogatsze w uran. Wśród badanych wód tego rejonu spotkano tylko jedną o stężeniu uranu poniżej 0,2 ¿ig/den3 . Wyniki te świadczą o środowisku utleniającym panującym w wodach tego rejonu, w którym uran jest ruchliwy geochemicznie.

Granicę wyróżnionych rejonów zaznaczono na mapie (rys. 1) linią prze

rywaną. Została ona określona jedynie na obszarach, gdzie odbywa się aktu

alnie eksploatacja górnicza. Dokładne wyznaczenie granicy rejonów wymaga dalszych badań w miarę rozwoju eksploatacji górniczej na nowych obszarach.

Rejon centralny południowego obszaru GZW, gdzie na podstawie przeprowadzo

nych badań stwierdzono niskie stężenie uranu w wodach przykryty jest izo

lującymi utworami trzeciorzędu.

7. WNIOSKI

Z utworów karbońskich południowego obszaru GZW wypływają wody zawiera

jące uran o stężeniu do 4 , 1 ^ g/dm".

W wodach utworów karbońskich południowego obszaru GZW brak jest równo

wagi promieniotwórczej pomiędzy izotopami uranu - 238u i 2 3 4 U (stosunek aktywności izotopów uranu A^3^U/A^3 ^U wynosi od 0,4 do 6,5). Większość wód jest wzbogacona w izotop 234U.

Na południowym obszarze GZW występują dwa rejony różniące się zawarto

ścią uranu w wypływających tam wodach z utworów karbońskich. Rejon cen

tralny charakteryzuje się niższymi zawartościami uranu w wodach (w wi ęk

szości wód stężenie uranu < 0,2^ug/dm3 ) oraz rejon wschodnio-zachodni, gdzie wody są bogatsze w uran.

Pracę wykonano w ramach CPBR 03.01. zadania pt. Dynamika procesów geofizycznych obszaru Polski ze specjalnym uwzględnieniem zagłębi górni

czych, kierowanego przez AGH w Krakowie.

(7)

Uran w wodach utworów ka rb oń sk ic h... 411

LITERATURA

[1] Sałdan M. : Metalogeneza uranu w utworach karbońskich GZW, Biul. Inst.

G a o l . , T. V, Nr 193, 1965.

[2] Marczak M. : Geochemiczne aspekty występowania niektórych pierwiast

ków w wodach karbońskich rejonu Rybnika, Prace Naukowe USl, Katowice, Nr 28, 197i.

[3] Marczak M . , Kwapuliński 3.: Związek między radioaktywnością a mine

ralizacją wód kopalnianych ROW, Przegląd geologiczny, 4, 1973.

[4] Tomza I., Lebecka 3. Radonośne wody w kopalniach węgla kamiennego.

Materiały Sympozjum. Aktualne badania i osiągnięcia w górnictwie GIG, Katowice 1985.

[5] Tomza I., Lebecka Pluta i.: Promieniotwórczość wód występujących w utworach karbońskich GZW, Prace GIG, Katowice, Seria 434, 1986.

[6] Osmond 3 . K . , Cowart 3.B. : The theory and uses of natural uranium isotopic variations in hydrology, Atomic Energy Review, 14, 4, 1976.

[7] Osmond 3 . K . , Cowart 3.B., Ivanovich M. : Uranium isotopic disequili

brium in ground waters as an indicator of anomalies, Int. 3. Appl.

Radiat, Isot., 34, 1, 1983.

[8] Kotas A. : Zarys budowy geologicznej GZW, Materiały LIV Zjazdu PTG Sosnowiec, 1982.

[9] Tomza I . , Pluta I. : Metoda oznaczania izotopów uranu i radu w wodach podziemnych techniką ciekłych scyntylatorów, Raport 199/1, Materiały Sympozjum. Rozwój i zastosowanie metod izotopowych w technice. Zako

pane 1985.

[lo] Rogers 3.3.W. , Adams 3.A.S. : Handbook of Geoc he mi st ry,, Berlin 1969.

[llj Cherdyntsev V.V., Chalov P.I., Khaidarov G.Z. : Trans. 3rd Session of Committee for determination of absolute ages of geologic formations, Izv. Akad. Nauk S S S R , 1955.

Recenzent : doc. dr hab. inż. Marek Rogoż

Wpłynęło do redakcji w kwietniu 1988 r.

yPAH B B 0 M X KAPEOHCKHX IUIACTHH .KUCHOM 0EJIACTH 1713

P e 3 10 m e

B paÓoTe npeflciaBjieHO pe3yjibTaibi coflepacaHHfl ypaHa n oTHoraemiK h30t o h o b ypaHa A U/A 238U b 50 BOflax K a p ó ohckhx ruiacTHH macHOit oÓJiacTH 175. B H3y- neHHX B 0,ąax KOHpeHTpapua ypaHa floxo^Hi ;io 4,1 ur/ji a oTHomeHHH H30TonoB ypaaa KOJieÓaeTca ot 0,4 ą o 6,5. Bo Bcex Bo^ax ycTaHOBJieHo oTKJioHeHHa z30- TonoB ypaHa ot naBHOBecHoro ooctohhhh. Hccjie,noBaHHH noica3ajiH hto Ha kbkhoéí OÓJiacTH I7B BHCTynJiHioT flBa pafioHU o pa3H0CTHHx kohpehtpapnax ypaHa b BOflax.

IleHTpajibHhdt paiioH b xoiopoM b KapÓoHCKHX nJiacTHx boíh oójiaflaiOT hh3khmh koh- peHipanjMMH ypaHa b 6ojibkieíhctBe boa KOHpeHT papua ypaHa < 0,2 Mr/ji) h boc- T0HH0-3anaflHHft paftoH r^e noaBJiaioTca boju oóorapeHHbie' b ypaH (KOHpeHT papua

■ ypaHa Aoxofliuia 4,0 4,1 Mr/r) .

(8)

URANIUM IN WATERS FROM THE CARBONIFEROUS FORMATIONS OF THE SOUTH UPPER SILESIA COAL .DASIN

S u m m a r y

The present work contains results of uranium concentration and the A ^ 4u/a2 3o u actiV ity ratio have been measured in SO samples of waters from carboniferous formations of the South Upper Silesia Coal Basin.

The uranium concentration in waters reaches 4.1 ^jg/dm3 while the activity ratios ranges from 0,4 to 6,5. In all the waters have been found radio

active diseqilibrium of istotopes uranium - 239U and 2 3 4U. Within the southern Upper Silesian Coal Basin have observed two regions which differ in uranium concentration. The Central region h

concentration uranium in waters from carbonife concentration in majority waters < 0,2^ig/dm3 ) where in opposite the uranium conceotation is in waters reaches to 4 , l (y g / d m 3 ).

ave characterized by low rous formations (uranium and the East-West region high (uranium concentration