Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии

Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.

Предыдущая

Раздел 2. Источники ионизирующих излучений и загрязнений окружающей среды радиоактивными веществами

2.2. Естественные источники ионизирующего излучения

2.2.2. Природные (естественные) радиоактивные вещества

Встречающиеся в природе радиоактивные элементы принято называть естественными. Большинство из них – тяжелые элементы с порядковыми номерами от 81 до 96. Природные радиоактивные элементы путем альфа- и бета-распада превращаются в другие радиоактивные изотопы. Эта цепь радиоактивных превращений называется радиоактивным рядом или семейством.

Тяжелые естественные радиоизотопы образуют четыре радиоактивных семейства: урана-радия; тория; актиния; нептуния. Массовые числа членов урано-радиевого ряда всегда четные и подчиняются закону: А = 4n + 2, где n изменяется от 51 до 59. Для ториевого ряда массовые числа четные и определяются по формуле: А = 4n, где n изменяется от 52 до 58. Для актиниевого ряда массовые числа элементов всегда нечетные и могут быть определены по формуле: А = 4n + 3, где n изменяется от 51 до 58. Массовые числа элементов ряда нептуния нечетные и определяются по формуле: А = 4n + 1, где n изменяется от 52 до 60.

Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада (см. табл. 2), которые сопоставимы с временем жизни Земли и всей Солнечной системы.

Таблица  2 – Родоначальники естественных радиоактивных семейств

Ряд

Родоначальник семейства

Период полураспада – Tфиз., годы

A = 4n

Торий-232

1,4 ´ 1010

A = 4n + 2

Уран-238

4,51 ´ 109

A = 4n + 3

Уран-235

7,13 ´ 108

A = 4n + 1

Нептуний-232

2,2 ´ 106

Самый большой период полураспада у тория (14 млрд лет), поэтому он со времени аккреации Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреации Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.

Периоды полураспада и типы распада членов естественных радиоактивных рядов приведены в таблице 2.

Естественные радиоактивные семейства обладают рядом общих особенностей, которые заключаются в следующем:

1.  Родоначальники каждого семейства характеризуются большими периодами полураспада, находящимися в пределах 108-1010 лет.

2.  Каждое семейство имеет в середине цепи превращений изотоп элемента, относящийся к группе благородных газов (эманацию).

3.  За радиоактивными газами следуют твердые короткоживущие элементы.

4.  Все изотопы трех радиоактивных семейств распадаются двумя путями: альфа- и бета-распадами. Причем короткоживущие ядра семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распад, тем самым образуя разветвления рядов. Если при альфа- и бета-распадах ядра не переходят сразу в нормальное состояние, то эти акты сопровождаются гамма-излучением.

Ряды заканчиваются стабильными изотопами свинца с массовыми  числами 206, 208 и 207, соответственно, для уранового, ториевого, актиноуранового ряда.

Семейства урана-радия и тория являются активными гамма-излучателями по сравнению с семейством актиния, мощность дозы гамма-излучения которого весьма невелика.

Таким образом, в радиоактивных семействах имеются альфа-, бета- и гамма-излучатели, причем мощность дозы каждого излучения в разных семействах неодинакова. Общее число излучателей того или иного рода для разных семейств приведено в таблице 3.

Таблица  3 – Количество излучателей естественных рядов

Название
ряда

Альфа-излучатели

Бета-излучатели

Гамма-излучатели

общее количество

количество важных

общее количество

количество важных

общее количество

количество важных

Урана-радия

13

8

10

4

11

3

Актиния

10

7

7

2

6

Тория

8

7

6

4

6

2

В ряду урана-238 всего 19 радионуклидов и один стабильный изотоп – свинец-206. Наиболее важные альфа-излучатели этого семейства: уран-238, уран-234, торий-230, радий-226, радон-222, полоний-218, полоний-214 и полоний-210. Относительное количество других альфа-излучателей ряда невелико, поэтому они не представляют практического интереса.

К числу существенных бета-излучателей  ураново-радиевого ряда относятся: протактиний-234, свинец-214, висмут-214 и висмут-210. Причем, бета-излучение протактиния-234 составляет около 50% от
бета-излучения всех изотопов семейства.

Основную долю (97,9%) в мощность гамма-излучения этого семейства вносят продукты распада радия-226 (свинец-214 и висмут-214) и радона-218 (полоний-214). Торий-234 и протактиний-234 – продукты распада родоначальника семейства (урана-238), дают около 2,1% общей мощности гамма-излучения. Вклад остальных членов ряда в суммарную интенсивность гамма-квантов ничтожно мал.

В ряду актиния находится 14 радиоизотопов и один стабильный изотоп – свинец-207. Поскольку в природном уране актиноурана (урана-235) очень мало, альфа-излучение актиниевого семейства составляет не более 5%, а гамма-излучение – около 1,25% от интенсивности соответствующих лучей ураново-радиевого ряда.

Ряд тория содержит 12 радионуклидов и один стабильный изотоп – свинец-208. Главными альфа-излучателями здесь являются: торий-232,
торий-228, радий-224, радон-220, полоний-216, висмут-212 и полоний-212.

К основным бета-излучателям в ториевом ряду относятся: актиний-228, свинец-212, висмут-212 и таллий-208.

Основной вклад в гамма-излучение ряда тория вносят продукты распада тория-228 (полоний-216, свинец-212, висмут-212 и таллий-208). Их доля – 60,2% всей интенсивности гамма-квантов. Остальная мощность гамма-излучения (39,8%) принадлежит продукту распада радия-228 (актинию-228). Доля остальных гамма-излучателей в общей мощности гамма-излучения ничтожна.

Ниже приведена краткая характеристика важнейших радиоизотопов, входящих в естественные семейства.

Уран (U). Химический элемент с порядковым номером 92. Имеет три природных изотопа 238U, 235U и 234U. Период полураспада первого 4,5×109 лет, второго – 7,13×108 лет, третьего – 2,52×105 лет. Их относительную распространенность в рудах можно выразить так: 99,28; 0,71; 0,006% соответственно.

Этот серебристо-белый металл открыт Клапротом в 1789 году. По внешнему виду металлический уран напоминает железо. Он окисляется в воздухе до самовоспламенения и горит ярким пламенем. Плотность урана 19 г/см3, температура плавления 1133°С. Хорошо растворяется в минеральных кислотах.

Уран широко распространен в земной коре. Он содержится в горных породах, почве, воде озер, рек и морей.

Уран-238 является родоначальником уранового семейства. В первичных минералах он практически всегда находится в равновесии со своими короткоживущими продуктами распада, а также со своим долгоживущим изотопом – ураном-235.

Уран-235 (актиноуран) является родоначальником актиноуранового семейства, которое в природе всегда сопутствует семейству урана-238. Актиноуран открыт сравнительно недавно (в 1935 г.), т.е. значительно позднее продуктов его распада, чем и объясняется несоответствие названий актиниевого семейства и его родоначальника.

Ядро урана-235 обладает замечательным свойством. Кроме спонтанного распада он способен делиться при захвате нейтрона с освобождением колоссальной энергии, поэтому является одним из ядерных горючих.

Уран, химически выделенный из руд (естественно, что это смесь всех трех природных изотопов урана) и приготовленный в виде окиси (U3O8), является стабильным источником альфа-излучения. Примерно через год после его выделения устанавливается радиоактивное равновесие между ураном-238 и короткоживущими бета-активными продуктами его распада. Тогда этот препарат может служить в качестве стабильного источника бета-излучения.

Уран связан с рудами осадочного, гидротермального и магматического происхождения. Он содержится более чем в 100 минералах. Среди них наиболее часты окислы урана, соли фосфорной, ванадиевой, кремниевой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важные промышленные руды урана представлены первичным минералом – уранинитом (урановой смолкой), представляющим собой окисел урана черного цвета. Кроме того есть множество вторичных минералов урана, которые называются урановыми слюдками. Наиболее распространенные из них:
торбернит – Си(UО2)2(PO4)2×nH2О, отенит – Са(UO2)2(РО4)2×nН2О,
карнотит – K2(UО2)2(VО4)2×3H2О, тюямунит – Ca(UO2)2(VO4)2×8H2О.
Из урановых слюдок крупные промышленные скопления образуют только карнотит и тюямунит. Они же являются рудой для получения ванадия и радия.

Уран и радий в России впервые были получены из руды месторождения Тюя-Муюн в Фергане. Носителями этих металлов здесь оказались два минерала из группы урановых слюдок – тюямунит и ферганит. Первый минерал открыт К.А. Ненадкевичем в 1912 г., а второй – И.А. Антиповым в 1899 году.

Торий (Th). Химический элемент с порядковым номером 90. Это светло-серый металл с плотностью 11,72 г/см3 и температурой плавления 1750°С, открытый Берцелиусом в 1828 году. Трудно поддается действию кислот. Он имеет 6 изотопов, из которых долгоживущие только два: торий-232 (Тфиз. = 1,39×1010 лет) и ионий-230 (Тфиз. = 8×104 лет).

Скорость распада тория очень мала. За 14 миллиардов лет количество атомов тория-232 уменьшается только в 2 раза. Поскольку возраст Земли всего лишь 4,5 млрд лет, то можно полагать, что значительное количество этого элемента сохранилось со времени аккреации нашей планеты.

Руды тория по своему генезису являются магматическими. При разрушении таких месторождений образуются россыпи, обогащенные минералами тория. Основным источником тория служат пески, содержащие минерал монацит – (Се, La, Nd, Th) PО4. Особенно богаты монацитом морские россыпи. Промышленное значение имеет также минерал торит – ThSiО4.

Актиний (Ас). Химический элемент с порядковым номером 89. Серебристо-белый металл с температурой плавления 1050°С, имеющий два изотопа: актиний-227 (Тфиз. = 21,8 года) и мезоторий-228 (Тфиз. = 6,13 часа).

Актиний, претерпевая альфа- и бета-распад, образует одно из разветвлений ряда актиния. В основном он является бета-излучателем. Ядерных гамма-лучей этот радионуклид не имеет. В смеси с бериллием актиний служит для приготовления источников нейтронов. Актиний встречается в рудах урана и тория.

Радий (Ra). Химический элемент с порядковым номером 88. Это серебристо-белый блестящий металл с плотностью 6 г/см3 и температурой плавления 700°С, открытый в начале XX века супругами Кюри, имеет 4 изотопа: радий-226 (Тфиз. = 1602 года), мезоторий-228 (Тфиз. = 6,7 года), актиний Х-223 (Тфиз. = 11,4 сут.) и торий Х-224
физ. = 3,64 сут.). По химическим свойствам радий близок к барию, изоморфно замещает последний в минералах: барите (сульфат бария) и витерите (карбонат бария). В природных водах радий встречается в виде хлорида.

В результате альфа-распада радия-226, сопровождаемого гамма-излучением, образуется радиоактивный газ – радон (эманация). В закрытом сосуде радон через 40 дней приходит в состояние радиоактивного равновесия с радием, находящимся в сосуде. После этого срока препарат можно использовать в качестве эталонного источника гамма-излучения.

Радон приходит в равновесие со своими короткоживущими продуктами распада (Ra A, Ra В, и Ra С) через 3 часа. Другой изотоп радия – мезоторий-1, обладает мягким бета-излучением, интенсивность гамма-излучения его невелика.

Изотопы радия широко распространены в горных породах и рудах, но в чрезвычайно малых концентрациях. На 3 тонны урана приходится 1 г равновесного радия. Поскольку в различных горных породах радий встречается в неодинаковых концентрациях, то это его свойство используется для диагностики петрографических разностей по гамма-лучам. Добывается радий из урановых руд. Он широко применяется в медицине для лучевой терапии.

Радон (Rn). Химический элемент с порядковым номером 86. Это тяжелый инертный радиоактивный газ с плотностью 9,73 г/л. Он бесцветен и хорошо растворяется в воде. Имеет 4 изотопа: радон-222
физ.=3,823 дня), радон-218 (Тфиз.=1,9´10-2 с), торон-220 (Тфиз.=54,5 с) и актинон-219 (Тфиз. = 3,92 с). Все они принадлежат к группе благородных газов, обладают альфа-активностью и других излучений не имеют. Радоновая эманация является источником активных осадков. Радон в смеси с бериллием используется в научных исследованиях и медицине как источник нейтронов.

Астат (At). Химический элемент из группы галогенов с порядковым номером 85. В переводе с греческого «астат» означает «нестабильный», т.к. это единственный галоген, не имеющий стабильных изотопов. Все четыре изотопа астата радиоактивны: астат-210 (Тфиз. = 8,3 ч), астат-218 (Тфиз. = 2 с), астат-215 (Тфиз. = 1×10-4 с) и астат-216 (Тфиз. =
= 3×10-4 с).

В незначительных количествах астат входит во все три естественные радиоактивные семейства. Его изотопы альфа-активны. Небольшая часть астата претерпевает бета-распад.

Полоний (Ро). Химический элементе с порядковым номером 84. Это мягкий серебристо-белый металл с плотностью 9,3 г/см3 и температурой плавления 254° С. Полоний имеет 8 радиоактивных изотопов: полоний-209 (Тфиз. = 103 года), полоний-210 (Тфиз. = 140 сут.), радий А-218 (Тфиз. = 3,05 мин), торий А-216 (Тфиз. = 0,158 с), актиний Ас-215 (Тфиз. = = 1,83 × 10-3 с), радий-214 (Тфиз. = 1,55 × 10-4 с), торий (Тфиз. = 3 × 10-7 с), актиний (Тфиз. = 5 × 10-3 с).

Полоний является чистым альфа-излучателем, что позволяет широко использовать его в лабораторных исследованиях. В смеси с бериллием он представляет собой лучший источник нейтронов.

Свинец (Рв). Химический элемент с порядковым номером 82. Представляет собой синевато-серый мягкий ковкий металл с плотностью 11,34 г/см3 и температурой плавления 327,4°С, химически стойкий. Свинец имеет 3 устойчивых изотопа: свинец-206 (радий G), свинец-207 (актиний D), свинец-208 (торий D), и 4 радиоактивных: свинец-210 (радий D, Т = 22 года), свинец-212 (торий В, Т = 10,6 часа), свинец-211 (актиний В, Т = 36,1 мин), свинец-214 (радий В, Т = 26,8 мин).

Устойчивые изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208 являются конечными продуктами распада трех естественных радиоактивных рядов. Эти изотопы нерадиоактивны, но всегда присутствуют в радиоактивных рудах. Отношение количества нерадиоактивного свинца к содержанию радиоактивных элементов (урана, тория) в горных породах и рудах позволяет определить абсолютный возраст геологических образований. Остальные четыре изотопа свинца радиоактивны. Все они распадаются путем бета-излучения. Продукты распада радия D кроме бета-лучей выделяют альфа-лучи, поэтому из свинца-210 получают стандартные источники бета- и альфа-излучения.

Свинец применяют в качестве экранов и фильтров для гамма-излучения. Применение его для экранирования альфа- и бета-излучения нецелесообразно, поскольку в свинце всегда содержится некоторое количество радиоактивных изотопов, особенно радия D. В природе встречаются и другие радиоактивные изотопы свинца (с массовыми числами 200, 201 и 203), но количество их ничтожно.

Содержание свинца в земной коре значительно (1,6´10-3%), концентрируется он, главным образом, в сульфидных минералах, имеющих гидротермальное происхождение.

Естественные радиоизотопы, не входящие в радиоактивные семейства. Кроме естественных радиоактивных элементов, являющихся членами трех рассмотренных выше естественных рядов, в природе имеются изотопы, генетически не связанные между собой, но обладающие радиоактивностью. Количество таких радиоизотопов превышает 200, период полураспада их колеблется от долей секунды до миллиардов лет.

Интерес для эколога представляют изотопы с большим периодом полураспада: калий-40, рубидий-87, самарий-147, углерод-14, лютеций-176 и рений-187. Радиоактивный распад ядер этих элементов представляет собой изолированный акт, т.е. после распада образуется устойчивый дочерний изотоп. Как видно из таблицы 4, все перечисленные ядра подвержены бета-распаду, за исключением самария, который претерпевает альфа-распад.

Таблица 4 – Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в семейства

Изотопы

Символ

Атомный номер

Массовое число

Период полураспада

Тип
распада

Калий-40

K

19

40

1,3×109 лет

бета

Углерод-14

C

6

14

5730 лет

бета

Рубидий-87

Rb

37

87

5,8×1010 лет   

бета

Самарий-147

Sm

62

147

6,7×1011 лет

альфа

Лютеций-176

Lu

71

176

2,4×1010 лет

бета

Рений-187

Re

75

187

4×1012 лет

бета

Из шести приведенных естественных радионуклидов наибольший интерес представляет калий-40, ввиду его большой распространенности в земной коре. Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08; 0,012; 6,91%.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. На один акт распада калия-40 приходится в среднем 0,893 бета-частиц с энергией 1311 кэВ и 0,107 гамма-квантов с энергией 1461 кэВ. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

Рубидий. Природный рубидий состоит из двух изотопов: рубидия-85 и рубидия-87. Радиоактивным является второй изотоп, который испускает мягкие бета-лучи с максимальной энергией 0,275 МэВ и гамма-лучи с энергией 0,394 МэВ.

Таким образом, наибольшее значение имеет 87Rb, второе место по количеству занимает радиоизотоп  40К, но радиоактивность 40К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов за счет того, что распад 40К сопровождается жестким бета- и гамма-излучением,  а  87Rb характеризуется мягким бета-излучением и имеет длительный период полураспада.

 

Таблица 5  – Концентрация некоторых радионуклидов и мощности
поглощенных доз в почвах  различных типов

Типы почв

Концентрация, пКи/г

Мощность
поглощенной
дозы, мкрад/ч

40K

238U

232Th

Серозем

18

0,85

1,3

7,4

Серо-коричневая

19

0,75

1,1

6,9

Каштановая

15

0,72

1,0

6,0

Чернозем

11

0,58

0,97

5,1

Серая лесная

10

0,48

0,72

4,1

Дерново-подзолистая

8,1

0,41

0,60

3,4

Подзолистая

4,0

0,24

0,33

1,8

Торфянистая

2,4

0,17

0,17

1,1

Среднее

10

0,7

0,7

4,6

Пределы колебаний

3-20

0,3-1,4

0,2-1,3

1,4-9

Самарий. Из семи известных изотопов этого элемента только самарий-147 является радиоактивным. Его доля в природном самарии составляет около 15%. Он испускает альфа-лучи с энергией 2,11 МэВ, пробег которых в воздухе составляет 11,6 мм.

Лютеций. Известно несколько его изотопов, но радиоактивен только лютеций-176. Подобно калию, он распадается двумя путями: бета-распадом и К-захватом. Максимальная энергия бета-лучей около 0,4 МэВ. Гамма-излучение обладает энергией 0,270 МэВ.

Рений. Радиоактивным является изотоп рений-187, доля которого в природном рении составляет 63%. Испускает бета-лучи с энергией 0,04 МэВ.

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89%). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-14 (1,11%).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 109 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Наиболее весомыми из всех естественных источников радиации
является невидимый, не имеющий запаха и вкуса, тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, который вместе с другими дочерними продуктами распада ответственен за 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источников радиации и за 50% дозы от всех естественных источников радиации. Радон в виде 222Rn и 220Rn выделяется из земной коры повсеместно, но основную дозу человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении (уровень радиации выше в 8 раз, чем в наружном воздухе) за счет следующих источников: поступление из почвы, фундамента, перекрытия; высвобождение из строительных материалов жилых помещений составляет 60 кБк/сут., из наружного воздуха проникает 10 кБк/сут., высвобождается из воды, используемой в бытовых целях – 4 кБк/сут., выделяется из природного газа при его сгорании – 3 кБк/сут.

Больших концентраций радон достигает в помещениях, если дом стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если при его строительстве использованы материалы с повышенной радиоактивностью.

Таблица 6 – Средняя удельная радиоактивность строительных материалов

Вид строительного материала

Удельная радиоактивность, Бк/кг

Дерево
Природный гипс 
Песокигравий
Портланд—цемент
Кирпич
Гранит
Зольная пыль
Глинозем
Фосфогипс
Кальций-силикатный шлак  
Отходы урановых обогатительных предприятий 
Шлак из доменной печи
Известь
Бетон из обычных матер.
Бетон, содержащий глинистые  сланцы (Швеция)

1,1
29
34
45
126-840
170
341
496-1367
574
2140
4625
330
20-30
180-200
480

Примечание. В таблице представлены материалы НКДАР ООН, 1982 год.

По сведениям ученых Марийского государственного университета  (Новоселов Г.Н., Леухин А.В., Ситников Г.А., 1997) наиболее высокой удельной активностью обладал каменноугольный шлак (Аэфф. =
= 437 Бк/кг), гранит. Более низкая удельная радиоктивность была у мрамора, керамического кирпича (Аэфф. = 335 Бк/кг), силикатного кирпича (Аэфф. = 856 Бк/кг), песка строительного (Аэфф. = 114 Бк/кг). Для бетона характерен достаточно большой диапазон вариации удельной радиоактивности.

В качестве других источников земной радиации следует назвать каменный уголь, фосфаты и фосфорные удобрения,  водоемы и др.

В целом естественные источники ИИ ответственны примерно за 90% годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, из этой дозы на долю земных источников приходится 5/6 частей (в основном за счет внутреннего облучения), на долю космических источников – 1/6 часть (в основном путем внешнего облучения).

2.2.2.1. Радиоактивность оболочек Земли

Первые наблюдения радиоактивности почв и горных пород были проведены в самом начале XX века. Последующие исследования показали, что все объекты географической оболочки обладают определенной радиоактивностью. Общее представление о порядке наиболее часто наблюдаемых величин естественной радиоактивности почв, растений, земной коры и гидросферы можно видеть в таблице 7.

 

Таблица 7 – Среднее содержание естественных радионуклидов в разных объектах географической оболочки Земли (по А.П. Виноградову, Л.А. Перцову)

2.2.2.2. Радиоактивность горных пород

О распределении радиоактивных элементов в толще земной коры и литосферы в целом, на глубинах недоступных непосредственному наблюдению, можно судить только на основании косвенных фактов и общих представлений о строении Земли. В настоящее время наибольшим признанием пользуется концепция, согласно которой радиоактивность пород падает с глубиной, но все же остается измеримой до весьма значительных глубин. Резко выраженное накопление радиоактивных элементов в гранитном слое континентальной коры, установленное Стреттом еще в 1906 году, подтвердилось последующими исследованиями.

Средние значения концентраций радиоактивных элементов в горных породах приведены в таблице 8, а в таблице 9 дана удельная активность горных пород в отношении естественных радионуклидов по данным ВНИИФТРИ (1996). Из этих данных видна основная геохимическая закономерность уменьшения содержания радиоизотопов с увеличением основности магматических пород. Наибольшее содержание естественных радионуклидов наблюдается в изверженных породах кислого и щелочного состава, богатых калием. Основными носителями радиоактивных элементов в этих породах являются акцессорные минералы: циркон, монацит, ксенотим, ортит, апатит и сфен. Что касается главных породообразующих минералов, то установлено, что салические минералы (в первую очередь полевые шпаты) обладают в среднем в 3 раза большей радиоактивностью, чем фемические. Поэтому на практике существует эмпирическое правило: магматические породы светлых оттенков более радиоактивны, чем темные.

Таблица 8 – Распространеность радиоактивных элементов в горных породах,
мас. % (по А.П. Виноградову)

 

Таблица 9 – Удельная активность естественных радионуклидов в  горных породах

Горные породы

Удельная активность, Бк/кг

Уран-238

Торий-232

Калий-40

Магматические:

Кислые

60

80

1000

Средние

20

30

700

Основные

10

10

240

Ультраосновные

0,4

25

150

Осадочные:

Известняки

30

7

90

Песчаники

19

10

370

Сланцы глинистые

44

45

700

Наиболее высокой радиоактивностью среди осадочных пород обладают глинистые сланцы и глины. Содержание радионуклидов в них приближается к таковому в кислых изверженных породах – гранитах. На основании анализа многочисленных диаграмм гамма-каротажа глубоких скважин и результатов лабораторного радиометрического изучения большого количества образцов осадочных горных пород было выявлено, что среди них наименьшей радиоактивностью обладают чистые химические и органические осадки (каменная соль, гипс, известняки, доломиты, кварцевые пески, кремнистые сланцы, яшмы). Морские осадки в целом более радиоактивны, чем континентальные.

2.2.2.3. Радиоактивность почв

Главным источником радиоактивных элементов в почвах следует считать почвообразующие породы. Поэтому почвы, развитые на кислых магматических породах, относительно обогащены радиоактивными элементами (ураном, радием, торием, калием), а почвы, образованные на основных и ультраосновных породах, бедны ими. Глинистые почвы почти везде богаче радиоизотопами, чем песчанистые.

Почвы, как рыхлые образования, по вещественному составу близки к осадочным породам, поэтому они во многом подчиняются закономерностям распределения естественных радионуклидов в отложениях этого генезиса. Тонкая коллоидная фракция почв, с которой связаны обменно-сорбционные процессы, обогащена радиоактивными элементами по сравнению с более крупными частицами. То же самое касается и органической составляющей почв. Однако прямой зависимости между радиоактивностью почв и количеством органического вещества в них не наблюдается. В таблице 10 приведена удельная активность основных типов почв по данным ВНИИФТРИ (1996). По данным А.П. Виноградова содержание радия в верхнем горизонте почв колеблется от 2,8 до 9,5×10-10%. Причем в большинстве почв наблюдается резкое смещение радиоактивного равновесия между ураном и радием в сторону последнего, что связано с выщелачиванием урана грунтовыми водами.

 

Таблица 10 – Удельная активность естественных радионуклидов в почвах

Основные типы почв

Удельная активность, Бк/кг

Уран-238

Торий-232

Калий-40

Сероземы             

31

48

670

Серо-коричневые       

28

41

700

Каштановые          

27

37

550

Черноземы             

22

36

410

Серые лесные         

18

27

370

Дерново-подзолистые      

15

22

300

Подзолистые          

9

12

150

Торфяниcтые            

6

6

90

Таким образом, радиоактивность почв в основном обусловлена природными  радиоизотопами 40K и 87Rb.  Радиоизтоп калий-40 накапливается в пищевых продуктах растительного и животного  происхождения в разной степени (табл. 11).

Таблица 11 – Содержание 40К в пищевых продуктах

Продукт

мкг/кг

Продукт

мкг/кг

Хлеб ржаной

2420

Мясо говяжье

3380

Макароны

1300

Сало свиное

1690

Крупа гречневая

130

Рыба

2620

Рис

700

Фрукты сушеные

3000

Горох

9070

Картофель

4490

Мука пшеничная

860

Капуста

3300

Молоко парное

1430

Свекла

3530

Масло сливочное

140

Морковь

2870

Творог

3720

Лук

1510

Сыр

890

Шоколад

5630

 

 

Какао

11110

Под влиянием испытаний ядерного оружия и техногенных факторов почвы повсеместно загрязнены искусственными радионуклидами. Например, средняя плотность загрязнения верхних слоев почв северного полушария радиоактивным цезием составляет 0,12 Ки/км2.

2.2.2.4. Радиоактивность природных вод

Содержание естественных радионуклидов в морских и речных водах показано в таблице 12 . По содержанию урана морские воды приближаются к ультраосновным горным породам – дунитам и значительно обеднены торием по сравнению с последними.

Радиоактивность речных и озерных вод зависит от источника их питания. Дождевые, снеговые и ледниковые воды содержат небольшое количество солей, поэтому водоемы горных районов высоких широт, имеющие этот источник питания, практически стерильны в отношении естественных радионуклидов.

Природные радионуклиды поступают в открытые водоемы суши в основном с подземными водами. Грунтовые и межпластовые воды, питая озера и реки, определяют уровни природной радиоактивности воды этих водоемов. Поэтому радиоактивность воды рек и озер подвержена значительным колебаниям. Она напрямую зависит от химического и минерального состава дренируемых ими горных пород, в которых располагаются чаши озер или водосборы рек. К другому важному фактору, влияющему на степень радиоактивности воды открытых водоемов, относится климат, от которого зависит степень химического выветривания горных пород, являющихся основным поставщиком природных радионуклидов.

Наконец, концентрация радиоизотопов в озерах зависит от степени водного обмена. Бессточные озера в районах с засушливым климатом могут быть значительно обогащены радиоактивными элементами за счет сильного испарения застойной воды.

Если исключить реки, дренирующие урановые рудные районы, то можно считать, что речные воды отличаются пониженным относительно морских вод содержанием урана, радия, тория, калия и радона, хотя есть и исключения из этого правила (например, Сыр-Дарья). В таблице  приведено содержание урана в некоторых реках, по данным Д.С. Николаева.

Таблица  12 – Содержание урана  в воде некоторых рек

Реки

Содержание урана,  мас. %

Реки

Содержание урана,  мас. %

Рион                

7´10-8

Дунай

5-30´10-8

Обь            

5-30´10-7

Ока            

1´10-7

Волга       

13-17´10-8

Кама        

8-15´10-8

Днепр

13-17´10-8

Енисей          

2´10-7

Иртыш       

15-21´10-8

Сыр-Дарья        

1´10-6

В период паводка радиоактивность речной воды снижается, а в межень – повышается. Зимой, когда реки покрываются льдом, наблюдается повышенное содержание в воде радиоактивных газов – радона и торона.

Подземные воды бывают значительно обогащены ураном, радием, торием и радоном по сравнению с поверхностными. Количество радиоактивных элементов в них зависит от вещественного состава вмещающих пород и химизма самих вод. В гидрогеологии принято выделять радоновые, радиевые и урановые воды, в зависимости от преобладания в их составе того или иного радиоактивного элемента. Существуют и смешанные воды: радоно-радиевые, урано-радиевые, радиево-мезоториевые. Концентрация радия в подземных водах может достигать 2,5´10-11%, а урана – 3´10-5%.

Еще в тридцатые годы XX столетия В.Г. Хлопиным была замечена повышенная концентрация радия в воде нефтяных месторождений. В настоящее время, в результате интенсивной эксплуатации месторождений углеводородного сырья это приводит к накоплению природных радионуклидов на технологическом оборудовании и трубопроводах нефтяных и газовых месторождений. На отдельных месторождениях мощность экспозиционной дозы от оборудования достигает 6 мР/ч, а удельная активность природных радионуклидов в шламе превышает 105 Бк/кг. Следствием этого является неконтролируемое облучение персонала и населения.

2.2.2.5. Радиоактивность атмосферного воздуха

Атмосфера Земли всегда содержит газообразные радиоактивные вещества в виде инертных газов – радона, торона и актинона, источником которых являются эманирующие горные породы. Радиоактивные эманации, попадая из почвы в атмосферный воздух, затем разносятся горизонтальными и вертикальными воздушными потоками. В свою очередь радиоактивные газы, претерпевая распад, превращаются в твердые радиоизотопы, которые выпадают на поверхность Земли в виде активных осадков.

Актинон и торон не являются долгоживущими. Период полураспада первой эманации равняется всего лишь 3,92 с, а второй – 54,5 с, поэтому они встречаются в небольших количествах лишь в самых нижних слоях атмосферы вблизи земной поверхности. Период полураспада радона более значителен (3,82 сут.), вследствие чего сама эманация и продукты ее распада транспортируются ветром на большие расстояния от места выделения.

Наблюдения показывают, что нижние слои атмосферы над континентами содержат 1-2 атома радона на 1 см3 воздуха. Концентрация торона обычно в 10000 раз меньше. Атмосферный воздух над океаном содержит радона в 100 раз меньше, чем над сушей. Концентрация радона быстро убывает с высотой. Уже на высоте 1 км его количество в 2 раза, а на высоте 4 км – в 14 раз меньше, чем у земной поверхности.

Закономерность распределения продуктов распада радиоактивных эманаций совершенно иная. Многие из твердых радиоизотопов, следующих в естественных радиоактивных рядах за эманациями, почти равномерно распределены в нижних слоях атмосферы. К примеру, концентрация Ra D на уровне земной поверхности и на высоте 10 км почти одинакова.

Твердые радиоактивные частицы, содержащиеся в воздухе, захватываются конденсирующимися каплями воды и выпадают на поверхность Земли с атмосферными осадками. После обильных дождей и снегопада радиоактивность воздуха уменьшается.

Кроме радиоактивных эманации и твердых продуктов их распада в атмосфере присутствуют радиоизотопы, образующиеся под действием космических лучей. К таким радионуклидам относится в первую очередь углерод-14, количество которого в воздухе ничтожно мало.

Вклад отдельных естественных источников в образовании эффективных эквивалентных доз человека представлен в таблице 13.

Таблица 13 – Эффективные эквивалентные дозы человека от природных источников

Источники радиации

Среднемировые данные

Россия

мЗв/год

%

мЗв/год

%

Космическое излучение

0,355

14,8

0,320

10,9

Гамма-излучение Земли

0,410

17,1

0,410

14,0

Внутреннее облучение

0,355

14,8

0,362

12,3

Излучение стройматериалов (радон)

1,280

53,3

1,850

62,8

ИТОГО

2,400

100

2,942

100

Предыдущая