ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИГРАЦИИ 232TH И 226RA В ПОЧВАХ ГОРОДА АРХАНГЕЛЬСКА

Аннотация

Установлены основные закономерности пространственной миграции естественных радионуклидов 232Th и 226Ra в почвенном покрове города Архангельска. К основным факторам, оказывающим влияние на пространственное распределение естественных радионуклидов, можно отнести: тип застройки, геологогеоморфологическое строение территории, существующий в почве водный режим.

Полный текст

Район, объект и предмет исследования. В геоморфологическом плане центральная часть города представлена отложениями осташковской морены, которые выходят на поверхность двумя узкими грядами в центре города. Верхний горизонт морены представлен коричневыми суглинками, содержащими от 5 до 10 % гравия и гальки, с линзами песка незначительной мощности. Суглинки нижнего горизонта темноУстановлены основные закономерности пространственной миграции естественных радионуклидов 232Th и 226Ra в почвенном покрове города Архангельска. К основным факторам, оказывающим влияние на пространственное распределение естественных радионуклидов, можно отнести: тип застройки, геологогеоморфологическое строение территории, существующий в почве водный режим. Ключевые слова: радионуклиды, миграция радионуклидов, тип застройки, урбаноземы, реплантоземы, водный режим почв 23 Экологическая безопасность Экология человека 2013.08 серого цвета с включениями гравия и гальки до 3-5 % содержат ракушечный детрит и раковины фо-раминифер. Мощность верхнего горизонта колеблется от 2 до 10 м, нижнего от 2 до 5 м, реже до 10 м. Указанные горизонты разделены слоем, не имеющим признаков морены, серовато-коричневым суглинком без крупнообломочных включений. Остальную территорию занимают болотные равнины, которые сформировались при зарастании больших озерных водоемов, разделяющих моренные холмы. Литогенная основа таких болот характеризуется наличием мощной толщи, от 1 до 12 м, торфяных отложений. Глубина залегания грунтовых вод менее 1 м [10]. На большей части площади рассматриваемой территории распространены насыпные грунты, представленные преимущественно намывными песками. Песок был накачан с реки средствами гидромеханизации. Смесь песка с водой, называемая пульпой, перекачивалась по трубам на несколько километров. Вода по каналам отводилась обратно в реку, а частицы песка оседали, так сформировался слой техногенных отложений мощностью 1-4 м [8]. Основными объектами исследования являлись городские почвы: урбаноземы и реплантоземы, которые наиболее часто встречаются на территории центральной части города Архангельска (Октябрь1 урбаноземы на культурном слое мощностью от 0,3 до 5,5 м, подстилаемом мореной; 2 урбаноземы на торфе, мощность культурного слоя до 3,7 м; 3 урбаноземы разной мощности (от 0,2 до 2,0 м) на слабо и среднеразложившемся торфе; 4 реплантоземы на песке; 5 место отбора почвенного образца, 226Ra/232Th Рис. 1. Карта-схема распределения удельной активности естественных радионуклидов в грунтах (в основу положены карты [7, 9]) ский, Ломоносовский районы). Почвообразование в районе исследования тесно связано с хозяйственной деятельностью человека и конкретным сочетанием природных факторов почвообразования. Ряд авторов [9, 11] относят почвы в исторической части города Архангельска к типичным урбаноземам, а почвы во дворах новостроек, созданные путем смешивания торфа с песком при обустройстве территории, к реплантоземам. Предметом исследования являлась пространственная миграция 232Th и 226Ra в почвах центральной части города Архангельска (рис. 1). Аппаратура и методика исследований. В работе применялись инструментальный метод исследования (метод регистрации ионизирующего излучения), математико-статистический метод анализа данных в исследованиях и метод визуализации данных (графики). В каждом квартале города отбирались точечные пробы из верхнего слоя почвы мощностью 5 см вместе с растительностью методом «конверта» из точек контролируемого участка берут пять образцов почвы. Точки должны быть расположены так, чтобы, мысленно соединенные прямыми линиями, давали рисунок запечатанного конверта. Из каждой точки отбирают около 1 кг почвы. Первичные пробы рассыпают на брезенте или листе фанеры, перемешивают 24 Экология человека 2013.08 Экологическая безопасность и берут объединенную среднюю пробу всего участка, которую высушивают при комнатной температуре в течение 20—45 дней в специально отведенной комнате. Отбор,хранение и транспортировка проб почв осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02—84 [4]. После этого пробу измельчают, засыпают в сосуд Маринелли и взвешивают на электронных весах типа ВЛЭ-1500 с точностью измерения 1 г. Для определения удельной активности 232Th и 226Ra почвенный образец помещался в гамма-спектрометр «Прогресс» (погрешность измерения прибора не более 30 %). Методика определения активности гамма-излучающих радионуклидов в счетных образцах основана на регистрации сцинтилляционных спектров гамма-излучения, испускаемого веществом счетного образца, с последующей обработкой на ПЭВМ. Результаты При отборе почв отмечено, что высокая степень загрязнения почвы строительным мусором наблюдается в кварталах с каменной застройкой, а меньше всего строительного мусора фиксируется в почвах в кварталах с деревянной застройкой. Измерения 105 почвенных образцов на гамма-спектрометре «Прогресс» показали, что удельная активность 232Th и 226Ra в почве растет в следующем порядке: кварталы с деревянной застройкой ^ кварталы с каменной застройкой. В связи с этим нами было выполнено более детальное изучение радиоактивности почв в кварталах с каменной застройкой. Здесь распространены два типа почв — урбаноземы (историческая часть города) и реплантоземы (новостройки) [9]. Было установлено, что реплантоземы характеризуются относительно более низкой удельной активностью 226Ra и 232Th по сравнению с урбаноземами в исторической части города (рис. 2). Деревянная Панельная Кирпичная застройка застройка застройка Рис. 2. Распределение (по типу застройки) средней удельной активности 226Ra (темный) и 232Th (светлый) в почвах При анализе распределения средней удельной активности рассматриваемых радионуклидов в зависимости от геологического и геоморфологического строения было установлено, что относительно высокие значения удельной активности 232Th и 226Ra зафиксированы в урбаноземах, расположенных на морене (рис. 3). а: 16 Урбаноземы Урбаноземы Урбаноземы Реплантоземы на морене на торфе с на торфе культурным слоем Рис. 3. Распределение средней удельной активности 226Ra (темный) H232Th (светлый) в почвах и грунтах г. Архангельска Низкие средние удельные значения 232Th и 226Ra зафиксированы в урбаноземах на торфе, что связано с высокой скоростью миграции естественных радионуклидов в данных почвах. Отличительной чертой является то, что в торфяных почвах отношение 232Th/226Ra < 1, что указывает на различие форм миграции радия и тория [2]. Обсуждение результатов Поведение радионуклидов в почве регулируется процессами образования миграционных форм и их изменения, приводящего к потере геохимической подвижности. Миграция радионуклидов в городских почвах зависит от ряда факторов. К первой группе факторов относится антропогенное влияние. Так, на пространственную миграцию естественных радионуклидов на территории города существенное воздействие оказывает тип застройки, который преобладает в том или ином квартале. В процессе строительства происходит захламление почвы строительным мусором (осколки кирпича, бетона, цемента и др.). Как мы предполагаем, более низкая удельная активность 232Th и 226Ra в репланто-земах по сравнению с урбаноземами в исторической части города (см. рис. 2) также связана с типом застройки. Так, в исторической части города в основном преобладают кирпичные дома, при строительстве которых в почву попадает большее количество строительного мусора (в том числе осколки кирпича, остатки песчано-цементного раствора и др.), чем при панельном типе застройки. Кроме того, низкая активность естественных радионуклидов в реплантоземах связана с изменением технологии нулевого цикла строительства новостроек, когда после экскавации грунт с повышенным содержанием естественных радионуклидов вывозится на свалку, в результате чего происходит минимальное загрязнение почвы. Наличие в почве различного строительного мусора предопределяет химические свойства почвы. Являясь изотопами химических элементов, радионуклиды характеризуются теми же свойствами, что и стабильные изотопы этих элементов. По литературным данным [13], для 226Ra характерно соосаждение в почве совместно 25 Экологическая безопасность Экология человека 2013.08 с кальцием и карбонатами. Повышенное содержание кальция в урбаноземах на морене (историческая часть города) обусловлено поступлением его вместе с пылью, содержащей карбонаты кальция и магния, с использованием извести в строительном растворе, который хорошо выветривается, высвобождая кальций в почву. Кальций высвобождается также под действием кислотных осадков из различных обломков строительного мусора, цемента, кирпича и прочего, а под действием осадков, обогащенных растворенной углекислотой, в почвах образуются гидрокарбонаты, которые способны изменять реакцию среды почвенного раствора в щелочную сторону. По некоторым данным [14], валовое содержание кальция в урбаноземах на морене составляет 129,8-193,4 мг/кг, что в два раза выше, чем в естественных почвах. Данные факты способствуют аккумуляции радия в верхнем слое почв, то есть снижению его миграции в нижние горизонты. Высокое усредненное удельное значение 232Th в урбаноземах на морене в исторической части города связано с повышенным содержанием нитратов [14], хлоритов, сульфатов, карбонатов, щелочных металлов, с которыми торий легко вступает в химические реакции, в результате чего образуются двойные соли K2[Th(NO3)6] и Na2[Th(SO4)3], а также смешанные оксиды ^ThO3. Кроме того, накоплению тория в урбаноземах на морене способствует выведения тория из жидкой фазы путем осаждения Th(OH)4 или гидратированного оксида. Осаждение гидроксида тория происходит в процессе воздействия щелочей на растворы солей тория: Th(NO3)4 + 4NaOH ^ Th(OH)4j + 4NaNO4, что подтверждается работой [15]. Таким образом, наиболее высокая средняя активность 232Th и 226Ra в верхнем слое почвы города Архангельска отмечается в районах с каменной застройкой, что связано с внешним поступлением естественных радионуклидов в почву вместе со строительными материалами (см. рис. 2). К природным факторам, регулирующим поведение естественных радионуклидов в почве, относится геолого-геоморфологическое строение территории исследования. Приблизительно 25 % площади центральной части города Архангельска занимает моренная Валдайская возвышенность, литогенная основа которой препятствует миграции естественных радионуклидов по профилю почвы. Этим объясняются высокие значения удельной активности 232Th и 226Ra в урбаноземах на морене (см. рис. 3) по сравнению с другими типами почв. Такое поведение естественных радионуклидов объясняется пластинчатым строением глинистых минералов, которое определяет наличие на поверхности их частиц сорбционных центров двух основных типов: на базальных поверхностях, где осуществляется ионообменное взаимодействие с образованием внешнесфер-ных комплексов, и на боковых гранях с образованием прочных внутрисферных комплексов [16]. Остальные 75 % площади центральной части города занимают болота. На торфяных залежах искусственно созданы два типа почв: урбаноземы разной мощности (в зависимости от типа застройки) и молодые почвы реплантоземы на песке [7, 9]. Водно-физические свойства почвы оказывают существенное влияние на миграцию радионуклидов. В отличие от урбаноземов на морене урбаноземы на торфе и реплантоземы отличаются хорошими коллекторными свойствами почвы. Урбаноземы на торфе характеризуются низкой объемной массой (от 0,6 г/м3), высокой порозностью аэрации (до 55 %), имеют высокое содержание водорастворимых органических веществ, которые окисляют почвенную среду и изменяют коллекторные свойства почвы, ингибируя сорбцию 232Th и 226Ra почвенными частицами, способствуя их активной миграции, чем и объясняются низкие средние удельные значения 232Th и 226Ra в этих почвах (см. рис. 3). Реплантоземы, созданные путем перемешивания торфа с песком, также отличаются высоким содержанием органики и низким водородным показателем, что способствует высокому транспорту 232Th и 226Ra вместе со свободной водой в нижележащие горизонты. Таким образом, путем анализа распределения естественных радионуклидов 232Th и 226Ra в городских почвах установлена взаимосвязь пространственной миграции радионуклидов с типом городских почв и типом застройки. Полученные результаты имеют социальное и экологическое значение, так как позволяют прогнозировать дальнейшую миграцию данных радионуклидов под влиянием природных и антропогенных процессов.