青島城市規(guī)劃區(qū)巖芯222Rn含量及其影響因素?

張曉潔，竇衍光，肖 柳，趙世彬，張 涵，所芳屹

(1.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；3.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266100；4.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(青島)有限公司，山東 青島 266100)

天然放射性物質(zhì)主要以電離輻射的形式，通過內(nèi)照射、外照射的方式對(duì)人體細(xì)胞產(chǎn)生電離作用，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，抑制細(xì)胞的生物活性，從而對(duì)人體造成傷害[1]。與外照射相比，內(nèi)照射引起的輻射損害對(duì)人體更加致命，目前認(rèn)為吸入劑量是最重要的內(nèi)照射輻射途徑，而吸入劑量主要來源于氡氣[2-3]。2009年氡氣已被WHO(世界衛(wèi)生組織)公布為致癌物之一[4-6]，是除香煙以外，導(dǎo)致肺癌的第二大因素[7-8]。自然界中存在著三種不同半衰期的氡同位素，即219Rn(t1/2=3.96 s)、220Rn(t1/2=55.6 s)和222Rn(t1/2=3.83 d)，分別來源于鈾系、釷系和錒系衰變系。由于三種氡同位素半衰期的差異和檢測(cè)手段的限制，其中222Rn最受關(guān)注，本研究中的氡氣僅指222Rn。

青島市是我國沿海重要的中心城市，素有“東方瑞士”之稱。青島基巖以花崗巖為主，主要構(gòu)造是北東向展布的平緩寬闊褶皺，有多條NE向斷裂穿過，構(gòu)成青島的構(gòu)造架格[9]。青島市區(qū)土壤覆蓋層很薄，平均深度只有20 cm左右[10]。據(jù)全球統(tǒng)計(jì)，環(huán)境空氣中約有77.7%的氡來源于陸地釋放，且其中絕大部分來源于巖石和土壤[11-13]。

目前我國對(duì)于土壤和巖石中氡的研究主要集中在表層(0～1 m)[14-16]，對(duì)深層巖芯中氡氣釋放能力的研究較少。隨著現(xiàn)代城市的高速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)成為城市發(fā)展的趨勢(shì)，與地上空間相比，地下空間更加封閉，更易造成氡氣的積累，因此開展深層巖芯中氡氣的含量、分布特征及影響因素研究，將為地下空間的合理開發(fā)提供參考。本研究采用實(shí)驗(yàn)室模擬的研究方法，重點(diǎn)研究青島城市規(guī)劃區(qū)巖芯(0～100 m)中222Rn含量及深度分布特征，并結(jié)合其母體核素226Ra的含量，探究巖芯中222Rn釋放的影響因素，以期為城市地下空間開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及描述

本研究選取青島城市規(guī)劃區(qū)6根巖芯樣品開展研究。其中，ZK06、ZK10、ZK13、ZK34分布在青島市主城區(qū)；ZK02分布在黃島區(qū)；ZK52分布在即墨區(qū)(見圖1)。ZK06、ZK34和ZK52巖芯長(zhǎng)度為60 m，ZK02、ZK10、ZK13巖芯長(zhǎng)為100 m。

圖1 巖芯采樣分布圖

6根巖芯共測(cè)試180個(gè)樣品，分為土壤樣品和巖石樣品兩類。根據(jù)樣品類型差異基本可劃分為5種，分別為粉質(zhì)黏土(位于土壤表層，未成巖，包括粉土、素填土和粉質(zhì)黏土)、中粗砂(土壤層，未成巖)、砂質(zhì)泥巖、花崗巖和閃長(zhǎng)巖，其中73%的樣品巖性為花崗巖(見表1)。土壤樣品呈現(xiàn)粉末狀(粉質(zhì)黏土、中粗砂)，以沖填土形式存在于巖芯表層；巖石樣品呈圓柱狀(花崗巖、砂質(zhì)泥巖和閃長(zhǎng)巖)，在沉積層之下。

表1 不同類型222Rn測(cè)試樣品量和狀態(tài)描述

1.2 樣品測(cè)試

1.2.1222Rn測(cè)定方法 將6根巖芯按照總深度平均差分取樣，每根巖芯平均取樣30個(gè)，每個(gè)樣品質(zhì)量約400 g。對(duì)于未成巖樣品直接進(jìn)行裝樣，而對(duì)于成巖樣品則先粉碎至長(zhǎng)度約2 cm的不規(guī)則小石塊再進(jìn)行裝樣。裝樣完成后，將樣品管封存20天以上(222Rn與其子體達(dá)到久期平衡)，用RAD7測(cè)氡儀測(cè)定平衡后樣品管中的222Rn活度。本實(shí)驗(yàn)中使用的5臺(tái)RAD7測(cè)氡儀均具有較低的空白值，Win A和Win C計(jì)數(shù)率低于0.01 cpm。儀器使用過程中，需要每月校正探測(cè)效率，校準(zhǔn)儀器所使用的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為美國DURRIDGE 公司生產(chǎn)的“ROCK SAMPLE RADON CALIBRATION”，編號(hào)分別為044、049、050和073，校準(zhǔn)結(jié)果顯示5臺(tái)儀器的探測(cè)效率均保持在0.30～0.45 CPM(pCi·L-1)-1之間，每臺(tái)儀器測(cè)試階段效率穩(wěn)定。測(cè)試過程中儀器的設(shè)置參數(shù)如下，Protocol: None；Cycle: 00:30；Recycle: 06；Mode: Auto；Thoron: on；Pump：auto；Tone: off；Fomat: med；Units: Bq·m-3。

1.2.2226Ra測(cè)定方法 選取ZK06、ZK13、ZK34和ZK52孔開展226Ra含量分析，其中ZK06和ZK13分別選取9個(gè)深度，ZK34和ZK52分別選取11個(gè)深度，共計(jì)40個(gè)樣品。樣品處理方法如下，將巖芯樣品研磨、過篩、裝樣后密封于10 mL樣品管(裝樣高度為9 cm)中20天，用ORTEC?公司的井型-高純鍺伽馬譜儀進(jìn)行樣品測(cè)試，測(cè)試方法詳見參考文獻(xiàn)[17]。測(cè)試結(jié)束后采用GammaVision?v7.02軟件對(duì)樣品測(cè)試獲取的γ射線譜圖進(jìn)行解譜，226Ra選取其子體214Pb在351.9 keV能量的活度峰[18-20]。工作開展期間，井型-高純鍺伽馬譜儀在351.9 keV處的能量峰效率偏差小于5%(見表2)，測(cè)試狀態(tài)穩(wěn)定。

表2 井型-高純鍺伽馬譜儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的計(jì)數(shù)率結(jié)果統(tǒng)計(jì)(h=9 cm，n=17)

2 結(jié)果與討論

2.1 巖芯222Rn活度及其深度分布

巖芯的222Rn活度范圍為0.1～16.8 kBq·m-3，平均值為(1.9±2.6)kBq·m-3(n=180)。其中，整體222Rn活度最高的巖芯為ZK34，活度均值為(4.9±2.3)kBq·m-3(n=30)；整體222Rn活度最低的巖芯為ZK02，活度均值為(0.3±0.4)kBq·m-3(n=30)，各巖芯222Rn活度范圍及均值詳見表3。

表3 巖芯222Rn釋放量與巖性特征

世界土壤222Rn活度和中國土壤222Rn活度均值分別為7.4 kBq·m-3[21]和7.3 kBq·m-3[22](見表4)，本研究中巖芯表層的土壤樣品222Rn活度范圍0.3～11.4 kBq·m-3，平均值為(4.1±3.3)kBq·m-3(n=27)，小于中國土壤222Rn活度均值，屬于土壤222Rn活度正常的區(qū)域。姚德等對(duì)青島市土壤222Rn調(diào)查的研究結(jié)果顯示，青島市土壤222Rn活度變化范圍為1.7～18.8 kBq·m-3，平均值為4.5 kBq·m-3[14]，本實(shí)驗(yàn)與前人研究結(jié)果相近。與王喜元及鄒新悅等研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)[22-23]，本研究中土壤222Rn活度高于蘭州、徐州、西寧等城市。與表層土壤樣品相比，巖石樣品222Rn活度范圍為0.1～16.8 kBq·m-3，平均活度為(1.5±2.2)kBq·m-3(n=153)，巖石樣品的整體222Rn釋放量低于土壤樣品。

表4 不同城市土壤222Rn活度對(duì)比

根據(jù)222Rn含量及深度分布特征(見圖2)，可將巖芯大致劃分為2組類型，即ZK02、ZK06、ZK10、ZK13為第一組，ZK34和ZK52為第二組。第一組中各巖芯222Rn濃度較低且深度分布差異較小，除了表層土壤和極個(gè)別巖石樣品以外，222Rn活度自上而下保持較低水平且平穩(wěn)分布。尤其是ZK02，除表層的一個(gè)樣品以外，其余層位222Rn活度范圍為0.1～1.0 kBq·m-3，平均值為(0.3±0.2)kBq·m-3(n=29)。第二組中的巖芯均表現(xiàn)出上層222Rn活度高于下層的分布趨勢(shì)，各巖芯222Rn高、低濃度的分界線深度不盡相同，但都在20～30 m左右的深度范圍內(nèi)出現(xiàn)濃度波動(dòng)，例如ZK34在0～20 m內(nèi)222Rn活度為(6.2±2.8)kBq·m-3(n=10)，20 m以下222Rn活度為(4.1±1.5)kBq·m-3(n=20)；ZK52在0～30 m內(nèi)222Rn活度為(5.3±4.6)kBq·m-3(n=16)，30 m以下222Rn活度為(2.3±1.8)kBq·m-3(n=14)，ZK52巖性種類較多，222Rn活度整體波動(dòng)也較大。

圖2 巖芯中222Rn釋放量深度分布特征

對(duì)比6根巖芯的巖性資料發(fā)現(xiàn)(見表5)，不同類型樣品222Rn釋放量不盡相同。其中花崗巖、粉質(zhì)黏土、中粗砂、砂質(zhì)泥巖和閃長(zhǎng)巖中222Rn釋放量均值分別為(1.1±1.4)kBq·m-3(n=131)、(5.3±3.5)kBq·m-3(n=17)、(2.1±1.8)kBq·m-3(n=10)、(4.1±1.5)kBq·m-3(n=18)和(7.1±7.7)kBq·m-3(n=9)。對(duì)比222Rn活度釋放量平均值得出，不同類型樣品222Rn釋能力表現(xiàn)為閃長(zhǎng)巖>粉質(zhì)黏土>砂質(zhì)泥巖>中粗砂>花崗巖。青島市基巖類型以花崗巖為主，與其他類型樣品相比，其222Rn釋放量最低。

表5 不同類型樣品226Ra含量及222Rn釋放量

2.2 巖芯226Ra的含量及分布

226Ra是222Rn的母體核素，巖芯中的222Rn由226Ra衰變產(chǎn)生，因此巖芯中的226Ra含量是決定其222Rn釋放量的關(guān)鍵因素[28]。測(cè)試結(jié)果顯示，巖芯中226Ra活度范圍為6.0～44.0 Bq·kg-1，平均值為(12.1±11.3)Bq·kg-1(n=40)。

對(duì)于土壤樣品，226Ra活度范圍為9.9～39.1 Bq·kg-1，平均值為(20.0±8.1)Bq·kg-1，曹龍生等對(duì)我國大陸主要省份土壤中天然放射性核素含量分布研究發(fā)現(xiàn)[29]，我國28個(gè)主要省市土壤中226Ra變化范圍值為1.0～437.8 Bq·kg-1，本研究得出的青島市巖芯中226Ra含量均在其研究結(jié)果范圍之內(nèi)。對(duì)于巖石樣品，226Ra活度范圍為5.9～52.0 Bq·kg-1，平均值為(22.9±12.4)Bq·kg-1，兩種類型的樣品相比，土壤樣品的226Ra含量略高于巖石樣品。

不同類型樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)(見表5)，226Ra在砂質(zhì)泥巖和中粗砂中含量最低，分別為(16.6±3.1)Bq·kg-1(n=7)和(16.9±7.4)Bq·kg-1(n=2)，在閃長(zhǎng)巖中含量最高，為(31.9±11.5)Bq·kg-1(n=7)，花崗巖中226Ra含量為(20±13.5)Bq·kg-1(n=19)。五種類型樣品中226Ra含量表現(xiàn)為閃長(zhǎng)巖>花崗巖>粉質(zhì)黏土>中粗砂>砂質(zhì)泥巖。結(jié)合前文對(duì)五種類型樣品的222Rn釋放量研究結(jié)果表明，與其他類型樣品相比，雖然花崗巖的222Rn釋放量不高，但其本身含有的226Ra活度卻并不低，推測(cè)巖芯中222Rn的釋放量還受其他因素的影響。

2.3 巖石樣品222Rn深度分布的影響因素分析

對(duì)比4根巖芯222Rn及其母體核素226Ra的深度分布發(fā)現(xiàn)，在大部分層位，兩者空間上呈現(xiàn)出比較相似的分布趨勢(shì)(見圖3)。北京地區(qū)淺層土壤(0～1 m)222Rn濃度的深度分布特征研究，同樣也發(fā)現(xiàn)不同深度土壤樣品的226Ra含量和222Rn釋放量垂向變化趨勢(shì)具有一致性[28]。然而，本研究巖芯之間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ZK06、ZK13、ZK34和ZK52中222Rn平均釋放量為(1.2±1.2)、(0.9±0.4)、(4.1±1.5)和(2.3±1.8)kBq·m-3，相應(yīng)巖芯226Ra平均含量為(30.9±12.2)、(31.0±5.3)、(16.1±3.1)和(27.4±16.1)Bq·kg-1，其中ZK34巖芯226Ra含量最低，釋放的222Rn卻最多。這表明除了母體核素含量的天然影響以外，還存在其他因素也能夠顯著影響巖石222Rn的釋放量。為了更直觀的了解該影響因素，可以從226Ra衰變產(chǎn)生222Rn并從巖芯釋放到外界的這一過程來分析。

圖3 巖芯中222Rn釋放量及226Ra深度分布

如圖4所示，在不考慮222Rn自身衰變的情況下，外界檢測(cè)到的222Rn活度主要受到以下三個(gè)過程的影響，巖石中的226Ra衰變產(chǎn)生222Rn并擴(kuò)散到巖石“間隙”中，222Rn沿著巖芯中的“通道”到達(dá)巖芯表面，巖芯表面222Rn的逸散損失[30]。由于本研究中所有樣品均經(jīng)過了20 d的封存時(shí)間，因此，222Rn的釋放量主要受前兩個(gè)過程的控制。研究發(fā)現(xiàn)除母體核素含量的影響以外，還有諸多因素影響巖石中222Rn釋放的前兩個(gè)過程，例如巖石的粒度、幾何形狀、孔隙度等樣品固有屬性，以及測(cè)試時(shí)的裝樣密度、溫度、濕度、氣壓等外界環(huán)境條件[23,31-33]。本實(shí)驗(yàn)中所有巖石樣品的原始狀態(tài)、處理方式以及測(cè)試條件均保持一致，因此推測(cè)孔隙率可能是影響巖石樣品222Rn釋放量的另一重要因素。

圖4 226Ra衰變產(chǎn)生的222Rn并從巖芯釋放到外界的過程示意圖

ZK06和ZK34巖性不同，孔隙率也存在明顯差異。深井泥巖吸水特性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[33]，砂質(zhì)泥巖樣品孔隙率范圍為18.63%～25.17%。砂巖與砂質(zhì)泥巖滲透性能的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)[34]，砂質(zhì)泥巖樣品的孔隙率均值為14.57%。相比而言，花崗巖的孔隙率明顯較低。風(fēng)化花崗巖礦物會(huì)隨著風(fēng)化程度的增加，花崗巖孔隙率會(huì)逐漸增加，其中微風(fēng)化花崗巖孔隙率大約為1%～2%，中風(fēng)化花崗巖孔隙率約為3%～4%[35]；常溫下二長(zhǎng)花崗巖的孔隙率為0.37%[36]；湖南岳陽和湖北黃岡兩地的花崗巖樣品孔隙率范圍為0.72%～1.18%[37]。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)泥巖孔隙率約為花崗巖孔隙率的15～25倍。由此可見，在本文所測(cè)試的巖芯中，雖然ZK34的226Ra含量最低，但由于其孔隙率較高，內(nèi)部產(chǎn)生的222Rn有更多的“通道”擴(kuò)散到表層和外界，導(dǎo)致更多的222Rn被檢測(cè)。

3 結(jié)論

通過對(duì)青島城市規(guī)劃區(qū)巖芯樣品222Rn釋放量和226Ra的分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)巖芯的222Rn釋放量變化范圍為0.1～16.8 kBq·m-3，平均值為(1.9±2.6)kBq·m-3(n=180)，小于世界土壤222Rn活度和我國土壤222Rn活度均值，屬于土壤222Rn活度正常的區(qū)域。兩種類型的樣品相比，巖石樣品的整體222Rn釋放量低于土壤樣品。

(2)巖芯的226Ra含量范圍為6.0～44.0 Bq·kg-1，平均值為(12.1±11.3)Bq·kg-1(n=40)，兩種類型的樣品相比，土壤樣品的226Ra含量略高于巖石樣品。

(3)不同類型樣品的222Rn活度釋放能力表現(xiàn)為閃長(zhǎng)巖>粉質(zhì)黏土>砂質(zhì)泥巖>中粗砂>花崗巖；226Ra在砂質(zhì)泥巖和中粗砂中含量最低，在閃長(zhǎng)巖中含量最高，與其他類型樣品相比，作為青島市的主要基巖類型，花崗巖樣品的222Rn釋放量最低。

(4)對(duì)于同一根巖芯，222Rn釋放量及母體226Ra含量在深度分布上呈現(xiàn)出比較相似的分布趨勢(shì)，說明巖芯中的226Ra含量是決定其222Rn釋放量的關(guān)鍵因素；但不同巖芯之間對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于巖石樣品，除母體核素226Ra含量的影響以外，樣品本身的孔隙率可能也是影響222Rn釋放量的重要因素。