MIGRATION OF 232Th and 226Ra IN SOILS OF ARKHANGELSK CITY: BASIC REGULARITIES

Abstract

The basic regularities of spatial migration of natural radionuclides 232Th and 262Ra in the soils of the Arkhangelsk city have been established. The main factors affecting spatial distribution of the natural radionuclides included a type of housing, a geological and geomorphological structure of the territory and a water regime of the soils.

Full Text

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.