大連近海沉積物中放射性核素分布及環(huán)境指示

杜金秋,關道明*,姚子偉,高 會,王 震,孟書鋒,3(1.中國海洋大學海洋化學系,山東 青島 66100；.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 11603；3.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧 大連 11603)

大連近海沉積物中放射性核素分布及環(huán)境指示

杜金秋1,2,關道明1,2*,姚子偉2,高 會2,王 震2,孟書鋒2,3(1.中國海洋大學海洋化學系,山東 青島 266100；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023；3.大連海洋大學海洋科技與環(huán)境學院,遼寧 大連 116023)

基于大連近海表層和柱狀沉積物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs比活度與分布特征分析,對大連近海的沉積環(huán)境進行討論.結(jié)果表明,水平方向上放射性核素含量均分別處于同一水平,陸源輸入特征明顯;垂直方向上40K比活度隨深度變化較小,238U、226Ra、210Pb和137Cs比活度隨深度增加出現(xiàn)波動,整體上不存在物質(zhì)輸入的顯著變化,沉積環(huán)境相對穩(wěn)定;226Ra相對于母體238U虧損,210Pb相對于母體226Ra過剩,40K和137Cs之間存在顯著的正相關關系.利用210Pbex法和137Cs法分別計算得到大連近海沉積速率為0.49和0.43cm/a.

大連近海; 沉積物; 放射性核素; 環(huán)境指示

沉積物中放射性核素含量、分布及遷移規(guī)律是地球化學的重要研究內(nèi)容,被廣泛應用于河口、海岸及陸架海域沉積物年齡的確定,沉積過程的揭示和物質(zhì)來源的判斷等[1].天然放射性核素238U、226Ra、210Pb和40K,以及人工放射性核素137Cs,由其特有的地球化學性質(zhì),已成為海洋沉積過程的良好示蹤劑,特別是210Pb和137Cs,其半衰期適中,是研究近海沉積過程和沉積速率最常用核素[2].我國學者針對近海表層沉積物、沉積物巖心、潮間帶和周圍陸地沉積物中放射性核素分布特征開展了大量研究,指出放射性核素含量在水平與垂直方向上的變化與沉積物粒徑組成有關[3],反映了物質(zhì)輸入的改變,并利用210Pbex和137Cs方法計算獲得了膠州灣[4](0.64～1.74cm/a)、廈門近海[5](2.43～2.62cm/a)、黃河口[6](1.0cm/a)等海域的沉積速率.國外學者也在不同海域開展了相關研究,Tsabatis[7]分析了希臘西部Amvrakikos灣沉積物中137Cs的垂直分布特征,并結(jié)合模型研究計算得到切爾諾貝利核事故與核試驗貢獻的137Cs約為60和211Bq/kg,對應的沉積速率約為0.10cm/a和0.41cm/a.

大連近海位于黃海北部,包含大連灣、大窯灣和小窯灣等多個半封閉式海灣,擁有世界知名的港口和船舶基地,周圍無成型的河流,多為間歇性小溪,由于人口密集、工業(yè)發(fā)達,海洋生態(tài)環(huán)境受人類活動影響加劇[8].多年來,諸多學者對大連近海進行了廣泛調(diào)查研究,有部分關于沉積物的報道[9],而針對沉積物中放射性核素的相關研究很少.

本文對大連近海沉積物中放射性核素含量和分布特征進行分析,對影響分布特征的環(huán)境因素進行討論,并利用放射年代學方法揭示沉積速率,以期為進一步了解大連近海沉積環(huán)境現(xiàn)狀及演變過程提供研究基礎與理論參考.

1 研究方法

1.1 樣品采集與處理

圖1 采樣站位Fig.1 Sampling locations

本研究于2014年7月在大連近海采集8個表層沉積物和 1個柱狀沉積物,站位分布如圖 1所示,其中 8個表層樣品分別位于大窯灣和大連灣及其東南海域的兩個斷面(A01～A04;B01～B04),1個柱狀樣品位于大窯灣口的A02站位,所有站位水深均小于 50m.沉積物利用箱式采泥器采集,表層樣品采樣深度約 5cm,柱狀樣品利用50mm直徑的有機玻璃管采集,長度約30cm.表層沉積物經(jīng)過烘干、研磨、過篩、稱重后封裝于Φ 75×70mm的樣品盒待測,柱狀沉積物按4cm間隔切割出 7個樣品,同樣經(jīng)過烘干、研磨、過篩、稱重后封裝于Φ 75×25mm的樣品盒待測.

1.2 樣品測量

樣品在國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心海洋放射性實驗室完成測量,所用儀器為 ORTEC公司GEM-MX7080P4型同軸高純鍺γ譜儀,平面探測器的晶體直徑70mm,厚度80mm,端窗直徑83mm,能量響應范圍 10keV～10MeV,能量分辨率對14.4keV峰(57Co)好于 0.88keV,對 1.33MeV峰(60Co)好于 1.9keV,相對探測效率大于 66%.譜儀系統(tǒng)的屏蔽室為 10cm厚低本底鉛室,全譜本底計數(shù)率小于3cps.數(shù)據(jù)分析采用Gamma Vision譜分析軟件.

測量天然放射系核素需要建立母子體之間的平衡,不同半衰期核素建立平衡所需的時間不同,測量226Ra需建立與222Rn的平衡,按5個半衰期(222Rn:3.8d),即19d達到平衡;而利用234Th測量238U,按5個半衰期(234Th:24.1d),即120d達到平衡[10].本研究中樣品測量時間與樣品密封時間間隔均大于120d,樣品在密封的前提下直接置于探測器頂部,并由專門的定位器固定位置,測量時間為 24h,測定結(jié)果校正為采樣時的沉積物干重含量.測量效率采用與樣品幾何規(guī)格一致的標準源進行刻度,標準源(編號:CJ130621)由中國計量科學研究院制備標定.各待測核素比活度計算的特征峰能量分別為:238U(63.3keV),226Ra(295.2、351.9 和 609.3keV),210Pb(46.5keV),40K (1460.8keV),137Cs(661.6keV).

2 結(jié)果與討論

2.1 放射性核素含量及分布

研究海域表層沉積物中放射性核素含量的水平分布如圖 2所示,238U比活度為(26.4±4.0)～(47.0±6.0)Bq/kg,平均值為34.9Bq/kg,分布規(guī)律不明顯.226Ra比活度為(11.2±0.3)～(25.3±0.6)Bq/kg,平均值為 19.3Bq/kg,由陸向海方向呈現(xiàn)降低趨勢.210Pb比活度為(52.6±10)～(87.8±17)Bq/kg,平均值為 72.4Bq/kg,由陸向海方向呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.40K 比活度為(669±21)～(807± 26)Bq/kg,平均值為746Bq/kg,由陸向海方向呈現(xiàn)降低趨勢.137Cs比活度為(1.67±0.25)～(3.49± 0.27)Bq/kg,平均值為 2.42Bq/kg,分布規(guī)律與40K相似.綜上可見,研究海域表層沉積物中放射性核素的最高值均出現(xiàn)在大連灣口附近,由灣口向外水平方向上呈現(xiàn)降低趨勢,各核素含量變化范圍較小,均分別處于同一水平.

圖2 表層沉積物中放射性核素的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of radionuclides in surface sediment

研究海域 A02站位柱狀沉積物中放射性核素含量的垂直分布如圖 3所示,238U 比活度為(25.5±2.1)～(35.6±3.5)Bq/kg,平均值為 30.2Bq/kg,表層至16cm隨深度增加呈現(xiàn)升高趨勢,16cm以深變化不明顯.226Ra比活度為(7.9±0.85)～(27.0± 1.65)Bq/kg,平均值為13.5Bq/kg,隨深度增加出現(xiàn)波動.210Pb比活度為(23.3±4.4)～(69.7±12)Bq/kg,平均值為43.1Bq/kg,在8cm層出現(xiàn)極大值,整體上隨深度增加而降低.40K 比活度為(506±17)～(582±19) Bq/kg,平均值為 541Bq/kg,隨深度增加呈現(xiàn)降低趨勢,但變化幅度較小.137Cs比活度為(0.91±0.20)～(2.25±0.24)Bq/kg,平均值為 1.47Bq/ kg,12cm 層位出現(xiàn)極大值,12～24cm 顯著降低, 24cm以深又呈現(xiàn)升高趨勢.綜上可見,研究海域沉積物中放射性核素含量垂向上隨深度增加出 現(xiàn)波動,且不同核素的分布特征存在差異.

圖3 A02站位沉積物中放射性核素的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of radionuclides in sediment at A02station

2.2 放射性核素分布的環(huán)境指示

近海沉積物中放射性核素的分布與遷移受到多種因素影響,其中物質(zhì)來源的變化是主要因素[11].238U、226Ra、210Pb、40K為天然放射性核素,近海沉積物中的238U、226Ra、40K主要來源于河流輸運[12],210Pb一部分來源于226Ra衰變,這部分210Pb通常與226Ra達到衰變平衡,另一部分來源于大氣沉降,被稱作過剩的210Pb(210Pbex)[4].137Cs是人工放射性核素,大氣氣溶膠的清除效應導致137Cs的大氣沉降通量很小,通常認為近海沉積物中的137Cs主要是陸源輸入[13].

研究海域表層沉積物中放射性核素的水平分布整體上呈現(xiàn)出由陸向海降低的趨勢,表明陸源輸入是大連近海沉積物的主要來源.表層沉積物中各核素含量變化范圍較小,均分別處于同一水平,表明不存在物質(zhì)輸入的顯著變化,不同站位間的差異主要是受到表層沉積物吸附和解吸過程影響.沉積物中的放射性核素存在母子體關系,研究海域沉積物中226Ra相對于母體238U虧損,210Pb相對于母體226Ra過剩,放射系衰變不平衡,表明大氣來源部分的210Pb隨顆粒物埋藏進入沉積物.40K和137Cs的分布特征相似,經(jīng)檢驗兩者存在比較顯著的正相關關系,表明研究海域沉積物中137Cs和40K的主要來源相似,同為陸源,并且兩者的地球化學行為一致.

研究海域沉積物中放射性核素的垂直分布顯示,238U、226Ra和210Pb隨深度增加均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,一方面表層的低值說明核素表現(xiàn)出非顆粒活性,在表層容易發(fā)生解吸進入海水導致核素含量降低;另一方面次表層的高值說明在沉積過程中受到物質(zhì)輸入改變、生物擾動或動力過程影響導致核素含量升高.40K隨深度變化較小,符合沉積物巖心中40K的典型分布特征,表明大連近海不存在物質(zhì)輸入的顯著變化.137Cs隨深度變化出現(xiàn)明顯波動,該分布特征與人類核利用活動密切相關,導致兩者相似的陸源輸入物質(zhì)中137Cs的波動,并由此降低了兩者的相關系數(shù).

生物擾動作用影響著沉積物中有機質(zhì)的埋藏和再循環(huán),進而影響沉積環(huán)境過程[14],A02站位沉積物中TOC含量的垂直分布如圖4所示,表層TOC含量較高,表層至12cm隨深度增加呈現(xiàn)出顯著降低趨勢,12cm以深變化不明顯,表明研究海域沉積物受生物擾動影響程度較低.TOC含量整體上呈現(xiàn)出隨深度增加而降低的趨勢與放射性核素含量的垂直變化一致,經(jīng)檢驗TOC含量與238U、226Ra、210Pb和40K比活度存在顯著相關性(P＜0.01),表明有機質(zhì)有利于放射性核素在沉積物中的埋藏.137Cs的垂直分布同樣繪制于圖5,兩者幾乎成鏡像關系,表明137Cs不利于沉積物中有機質(zhì)的積累.

綜上可見,陸源輸入是大連近海沉積物的主要來源,且在水平和垂直方向上均不存在物質(zhì)輸入的顯著變化,同時生物擾動信號較弱,沉積環(huán)境相對穩(wěn)定.沉積物與水界面的吸附和解吸過程、區(qū)域性沉積動力過程和有機質(zhì)含量是影響大連近海沉積物中放射性核素分布的主要因素.

圖4 A02站位沉積物中137Cs與TOC的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of137Cs and TOC in sediment at A02station

2.3 研究海域沉積速率

沉積速率是海洋沉積學研究的重要指標,能綜合體現(xiàn)海域沉積過程和環(huán)境變化趨勢,對提取沉積記錄的環(huán)境信息、揭示沉積動力機制等具有重要意義[15].沉積物中210Pbex和137Cs比活度隨深度的垂直變化是近海沉積速率研究的常用方法.210Pbex法測定沉積速率要求柱狀沉積物中210Pbex的垂直分布呈指數(shù)衰減形式[16],由此,不同深度處210Pbex比活度的計算公式(1)如下[17]:

式中:A210Pbex-0代表0cm處的210Pbex比活度,Bq/kg; A210Pbex代表深度為 h cm 處的210Pbex比活度,Bq/kg;S代表沉積速率,cm/a;λ代表210Pb的衰變常數(shù),a-1;h代表深度,cm.

對公式(1)求對數(shù),得到公式(2):

將A02柱狀沉積物中的lnA210Pbex對深度h作圖(圖5),計算得到研究海域近50a的沉積速率為0.49cm/a.

137Cs法測年根據(jù)人類核利用活動歷史,最大檢出深度為1955年(核爆開始年份),最大峰值檢出深度為1963年(核爆高峰年),最后一個峰值檢出深度為1986年(切爾諾貝利核事故)[18],以這些峰出現(xiàn)的位置作為參考時間,推算沉積速率.由于采樣深度限制,研究海域137Cs比活度僅在12cm層位出現(xiàn)極大值,且 24cm以深又呈現(xiàn)升高趨勢,推測12cm的極大值為切爾諾貝利核事故影響所致(1986年)的最后一個峰值,距采樣時間的間隔為28a,由此估算出研究海域近30a的沉積速率為0.43cm/a,與210Pbex法得到的近50a沉積速率在同一水平.

圖5 lnA210Pbex深度分布與沉積速率計算Fig.5 Distribution of lnA210Pbexto depth and sedimentation rate calculation

表1 研究海域與其他海域沉積速率比較Table 1 Comparison of sedimentation rates between study area and other sea areas

對大連近海沉積速率與文獻報道的中國近海沉積速率進行比較,結(jié)果如表1所示,由近岸向外海方向沉積速率呈現(xiàn)降低趨勢,河口區(qū)的沉積速率明顯高于開闊海域,與渤海和東海相比,黃海的沉積速率明顯較低.不同海域沉積速率存在區(qū)域性差異,主要是受到河流輸入等物源制約、沉積動力過程和生物擾動等影響.大連近海位于北黃海,獲得的沉積速率與文獻報道的黃海沉積速率范圍吻合,在近岸海域中處于偏低水平.由于采樣站位限制,本文報道值僅反映了大連近海 A02站位鄰近海域近幾年來的沉積速率水平.

3 結(jié)論

3.1 表層沉積物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs的比活度分別為(26.4±4.0)～(47.0±6.0), (11.2±0.3)～(25.3±0.6), (52.6±10)～(87.8±17), (669±21)～(807±26)和 (1.67±0.25)～(3.49±0.27)Bq/kg,水平分布整體呈現(xiàn)出由陸向海降低的趨勢,陸源輸入是大連近海沉積物的主要來源.各核素含量均分別處于同一水平,不存在物質(zhì)輸入的顯著變化.

3.2 柱狀沉積物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs的比活度分別為(15.5±2.1)～(25.6±3.5), (6.8±0.17)～(27.0±0.65), (23.3±4.4)～(69.7±12),(506±17)～(582±19) 和 (0.91±0.20)～(2.25±0.24)Bq/kg,垂直分布中238U、226Ra和210Pb隨深度增加均呈現(xiàn)先升高后降低趨勢.40K隨深度變化較小,137Cs在12cm層出現(xiàn)極大值.研究海域沉積環(huán)境相對穩(wěn)定,物質(zhì)輸入變化與生物擾動影響不明顯.沉積物的吸附與解析過程、沉積動力過程和有機質(zhì)含量是影響大連近海沉積物中放射性核素分布的主要因素.

3.3 大連近海沉積物中226Ra相對于母體238U虧損,210Pb相對于母體226Ra過剩,放射系衰變不平衡.137Cs和40K 之間存在顯著的正相關關系,兩者的來源和地球化學行為相似.

3.4 基于210Pbex法和137Cs法分別計算得到大連近海近 50a和近 30a的沉積速率為 0.49和0.43cm/a.

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致謝：本研究的樣品在采集工作由國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心劉星和宗虎民協(xié)助完成,在此表示感謝.

Distribution and environmental significances of radionuclides in sediments of Dalian coastal area.

DU Jin-qiu1,2, GUAN Dao-ming1,2*, YAO Zi-wei2, GAO Hui2, WANG Zhen2, MENG Shu-feng2,3(1.Department of Marine Chemistry, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China；3.School of Marine Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1889～1895

Levels and distribution of238U,226Ra,210Pb,40K and137Cs in surface sediment and sediment core samples collected from Dalian coastal area were analyzed, the influencing factors and sedimentation rates were discussed. The results showed that the horizontal level of individual radionuclide was similar. Characteristic of terrestrial input was obvious. On the vertical level, the content of40K displayed no apparent change with depth, while the levels of other radionuclides fluctuated with depth increase, there was no significant change in the material input. A deficit in226Ra was recorded in comparison with matrix238U, excessive of210Pb was recorded in comparison with matrix226Ra, and a positive correlation between137Cs and40K existed .The sedimentation rate in Dalian coastal area was 0.49 and 0.43cm/a based on the methods of210Pbexand137Cs, respectively.

Dalian coastal area；sediment；radionuclide；environmental significances

X55,P736.4+5

A

1000-6923(2017)05-1889-07

杜金秋(1984-),女,天津市人,工程師,中國海洋大學博士研究生,主要從事海洋環(huán)境化學與同位素海洋學方面研究.發(fā)表論文3篇.

2016-09-27

國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放基金資助項目(201308);國家海洋局海洋—大氣化學與全球變化重點實驗室開放基金資助項目(GCMAC1303)

* 責任作者, 研究員, dmguan@nmemc.org.cn