Экологический риск, связанный с высокорадиоактивными горными породами
Лебедев С.В., СПбГУ, Санкт-Петербург
ENVIRONMENTAL RISKS RELATED WITH HIGH-LEVEL RADIOACTIVE ROCKS
Lebedev S.V., SPSU, Saint-Petersburg
Обсуждаются два принципиально разных подхода к оценке экологических рисков, связанных с высокорадиоактивными геологическими породами. Один из них – это определение содержания ЕРН непосредственно в пластах и расчетом дозовой нагрузки, оказываемой данным геологическим телом на объекты окружающей среды. Другим способом оценки величины экологического риска является непосредственное определение дозовой нагрузки на биоту и человека путем исследования компонентов среды их обитания: земная поверхность, закрытые помещения, вода и пр. На основе данных опробования обнажений в долинах р. Саблинка и р. Тосна проведена потенциальная оценка радиоэкологического риска, связанного с ордовикскими диктионемовыми сланцами.
In this article there were described two fundamentally different approaches in assessment ecological risks associated with highly radioactive geological formations. One of them is to define the content of the natural radionuclides directly in the layers and calculate radiation doses provided by a geological body in the environment. Another way of assessing the value of ecological risk is the direct determination of radiation doses to biota and humans through study of the components of their habitat: the earth's surface, enclosed spaces, water, etc. Based on the data sampling of outcrops in the valleys of the Sablinka and Tosna river there was conducted a prospective assessment of the radiological risk associated with Dictionema shales.
Радиоактивность естественных радионуклидов. К числу естественных радионуклидов (ЕРН), распространенных в горных породах, относятся уран (U), торий (Th) и калий (К) [1]. Изотопы тяжелых элементов – 238U, 232Th, 235U – испытывают сложные превращения, образуя урановый, ториевые и актиноурановый ряды, или семейства, включающие до 15-18 членов.
Подавляющая часть U и Th находится в рассеянном состоянии. Калий входит в состав породообразующих минералов (например, глауканит, калиевый полевой шпат и др.). Поэтому в горных породах калия довольно много. Например, в гранитах при содержании К=2,1% = 21 000 г/т и ρ =2,67 т/м3 в одном м3 будет 56 кг калия.
Наибольшее содержание ЕРН в магматических горных породах наблюдается в кислых (граниты) и щелочных (сиениты) образованиях. Например, в гранитах кларк урана составляет 4,8, а тория – 20 г/т. Содержание U, Th, K закономерно уменьшается в десятки и более раз с повышением основности пород (дуниты, габбро, диориты).
Среди осадочных пород повышенными концентрациями урана выделяются фосфориты, бурые угли, битуминозные известняки и глины, горючие сланцы, черные углистые сланцы.
Таким образом, к зонам повышенного радиоактивного риска относятся регионы, где на поверхность Земли выходят граниты, гнейсы, фосфориты, горючие сланцы и другие породы, содержание урана и тория в которых может достигать 100 г/т и более.
Безусловным лидером по радиоэкологической опасности среди горных пород являются урановые руды. Главные минералы: уранинит (главным образом урановая смолка и урановая чернь), урановые слюдки. Различают первичные, окисленные и смешанные руды. Супербогатые руды содержат свыше 3000 г/т U, богатые – 1000 – 3000 г/т, рядовые – 500 –1000 г/т, убогие – 300 – 500 г/т.
Мировые запасы U около 2,3 млн. т. Главные добывающие страны (кроме России): Канада, ЮАР, США, Намибия, Нигер, Франция.
Содержание тория в земной коре в 3 раза выше содержания урана. Но его способность к концентрации очень слабая и непосредственно торий редко образует имеющие промышленное значение залежи. Поэтому торий обычно извлекают при добыче редкоземельных элементов или урана в качестве побочного продукта. Торий концентрируется в природе в нескольких минералах, в основном – в монаците. Именно по данному минералу оцениваются промышленные, рентабельные к отработке запасы тория. Монацит в довольно больших прибрежных отложениях найден в Индии и в Южной Америке. Индийские монациты содержат в среднем 9,9% ThО2, бразильские – всего 6,8% [2].
Содержание радиоактивных элементов в почвах наследуется от материнских пород. Средние содержания урана и тория в почвах равны соответственно 1 и 6,2 г/т. Почва, развитая на кислых породах (например, в Карелии), может содержать до 2 г/т урана и до 20 г/т тория.
Радиоактивные эманации (радон, торон). Через породы и почву непрерывно просачивается воздух (дыхание Земли), несущий с ювенилъными (от лат. juvenilis – юный) газами радиоактивные эманации. В ходе дегазации пород на поверхность выносятся радиоактивные газы радон (222Rn) и торон (220Rn).
Радон – самый тяжелый из инертных газов. Он не имеет ни запаха, ни вкуса, прозрачен и бесцветен. Его плотность при 0°С равна 9,81 кг/м3, т. е. почти в 8 раз больше плотности воздуха. Радон химически инертен и реагирует только с сильными фторирующими реагентами. Все изотопы радона радиоактивны (являются альфа-излучателями) и довольно быстро распадаются. Самый устойчивый изотоп 222Rn (продукт распада ряда 238U) имеет период полураспада 3,8 сут. Второй по устойчивости – 220Rn (торон) – имеет период полураспада 55,6 с. Торон является продуктом распада ряда 232Th.
Не вступая в химические реакции, радон способен подниматься к поверхности земли с больших глубин. Радон/торон распространяется по порам и трещинам горных пород, накапливается в почвенном воздухе и поступает в приземные слои атмосферы. Содержание газообразных радионуклидов в почвенном и атмосферном воздухе подвержено значительным колебаниям во времени и пространстве.
Поступление радона и торона в организм человека может происходить вместе с воздухом и водой. Радон выделяется из строительных материалов (гранитного щебня, туфа, облицовочных гранитных плит и т.п.), водопроводной воды и бытового газа, поступает вместе с почвенным воздухом и накапливается в плохо проветриваемых подвальных помещениях и в нижних этажах зданий.
Средняя объемная активность радона в атмосферном воздухе равна 1,8 Бк/м3. В закрытых пространствах эта величина может превосходить естественный атмосферный уровень в сотни и тысячи раз.
Экологический риск, связанный с высокорадиоактивными геологическими телами. Геологические тела с повышенным содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) относятся к категории природных геологических объектов, определяющих экологическую обстановку на данной территории. Существует два принципиально разных подхода к оценке экологических рисков, связанных с высокорадиоактивными геологическими породами. Один из них – это определение содержания ЕРН с учетом природной неравномерности их распределения по простиранию и мощности пластов и расчетом дозовой нагрузки, оказываемой данным геологическим телом на объекты окружающей среды. Другим способом оценки величины экологического риска является непосредственное определение дозовой нагрузки на биоту и человека путем исследования компонентов среды их обитания: земная поверхность, закрытые помещения, вода и пр.
Оба похода обладают как преимуществами, так и недостатками. В первом случае мы на основании экспериментальных данных опробования можем дать количественную характеристику первоисточника радиации. Однако задача оценки реальной радиационной нагрузки на среду обитания человека и животных настолько многовариантна и зависима от большого количества факторов, что порой становится чисто умозрительной. Во втором случае параметры дозовой нагрузки более определенны, но отнюдь не достоверны по той же самой причине: зависимость величин измеряемых параметров от большого количества влияющих факторов, в том числе, очень динамичных метеорологических (давление, температура, влажность, скорость ветра и др.).
Бывают случаи, когда можно совместить оба подхода. Примером могут служить так называемые «черные пески» морских пляжей – россыпи монацита и других минералов темной окраски.
«Чёрные пляжи» есть в курортных зонах на побережье Азовского моря на территории бывшего СССР. По данным работы [2] мощность экспозиционной дозы на таких пляжах в Таганроге превышает 9 900 мкР/ч, в Мариуполе 2 200 мкР/ч, в Бердянске – 1 900 мкР/ч. Для сравнения можно обратиться к данным мониторинга за радиационной обстановкой в районе Чернобыльской АЭС [3]. Радиационный фон в районе 4-го энергоблока ЧАЭС, «страшно подумать», более чем в 2 раза превышает фоновое значение (30 мкР/ч), варьируя от 60 до 70 мкР/ч. Как говорится – почувствуйте разницу!
В большинстве случаев высокорадиоактивные геологические тела не выходят на дневную поверхность и вопрос о способе оценки экологического риска становятся не столь очевидными. Классическим примером таких геологических тел являются диктионемовые сланцы (битуминозные аргиллиты) ордовика, слагающие часть геологического разреза горных пород Ленинградской области и Эстонии.
Важность диктионемовых сланцев как резерва атомного сырья проявилась в послевоенные годы, когда возникла острая необходимость поиска и разведки месторождений урана на территории Советского Союза. В недавно опубликованных документах (Атомный проект СССР: Документы и материалы 2000. Письмо Л.П. Берия И.В. Сталину с представлением на утверждение проекта постановления Совета Министров СССР об организации комбината № 7 Первого главного управления при Совете Министров СССР от 27.07.1946) [4] можно найти сведения о том, что в 1945-1946 годах на территории Эстонской ССР и Ленинградской области геологоразведочными работами был выявлен ряд месторождений диктионемовых сланцев с содержанием в них от 160 до 300 г/т урана. По нынешним временам такие содержания не являются промышленными. Однако в контексте нашей работы здесь важно упоминание о количественных показателях содержания урана и территории распространения радиоактивных пород.
За вариант потенциальной оценки экологического риска можно привести следующие аргументы. Действительно, на дневной поверхности радиоактивные битуминозные аргиллиты наблюдаются только в отдельных обнажениях и не распространяются на какие-либо значимые расстояния. Однако, мы живем в век возрастания техногенных нагрузок на природную среду, когда в ходе вскрыши радиоактивных пород карьерами, при их разработке на какие-либо элементы, или при строительстве дорог, зданий и сооружений на поверхность извлекаются высокорадиоактивные разности пород, отвалы которых могут занимать большие площади. Например, в Северной Эстонии, граптолитовый аргиллит был поднят на поверхность в процессе добычи фосфоритов [5]. В результате произошло загрязнение почв и подземных вод. Впоследствии территории таких отвалов могут попасть под застройку.
Радоноопасность территорий. Исследованию проблемы радоноопасности территорий посвящено огромное количество работ [6]. Не вступая в химические реакции, радон способен подниматься к поверхности земли с больших глубин и скапливаться в подвалах зданий, проникая оттуда и на нижние этажи. Таким образом, источником радона в воздухе помещений служит главным образом геологическое пространство под зданием. Поэтому логично обосновывать экологический риск прежде всего свойствами источника радиоактивности. Правда, этого не достаточно. Диффузия радона в горном массиве и его выделение с поверхности почвы определяются эффективным коэффициентом диффузии, который зависит от многих факторов. Наиболее важными из них являются пористость, проницаемость и трещиноватость пород.
С другой стороны, наиболее очевидным показателем экологического риска, связанного с радоном, являются данные измерений объемной активности непосредственно в помещении или в почвенном воздухе. Известно, что концентрация радона в воздухе жилых помещений может изменяться в широких пределах – от нескольких десятков до десятков тысяч единиц Бк/м3. Но концентрация радона в воздухе сильно зависит от атмосферного давления, температуры, влажности и других метеорологических факторов. Например, при низких температурах (зимой) полевые измерения активности радона вообще не проводят.
Надо сказать, что радоновая проблема позиционируется в радиоэкологии как самостоятельная. Физически радон является дочерним продуктом распада ряда урана (222Rn) или тория (220Rn). Радон является альфа-излучателем. Приникающая же способность альфа-лучей крайне незначительна – всего первые миллиметры обычной бумаги могут полностью поглотить альфа-излучение радона.
Поэтому, говоря о радоне надо иметь в виду, что его экологическую опасность определяет не столько собственная радиоактивность этого изотопа, сколько то агрегатное и химическое состояние, которое позволяет ему перемещать источник альфа и гамма-излучения на большие расстояния от уран(торий)-содержащего геологического тела. Это все равно как самолет, доставляющий бомбу к месту назначения: вред приносит взрывчатое вещество, которое само по себе мало «эффективно» без средств доставки. Дело в том, что наиболее интенсивными гамма-излучателями в семействе урана-238 является не сам уран или радий, а дочерние продукты распада радона – свинец-214 и висмут-214. У них несколько интенсивных жесткоэнергетических линий (1,76; 1,12 мэв и др.), которые создают основную часть дозовой нагрузки на среду обитания, следовательно, определяют в целом степень экологического риска. Кроме того, именно линии висмута-214 регистрируют при лабораторных и полевых гамма-спектрометрических работах.
Продолжая аналогию с самолетом и бомбой скажем, что при любых оценках возможного негатива от радиоактивности вполне логично сначала изучить разрушительные возможности взрывчатки на месте ее изготовления (геологическое тело). Исследование же средств и путей доставки в непосредственное место воздействия радиации является как самостоятельной, так и многовариантной задачей.
Потенциальная оценка экологического риска. Примером такой оценки могут служить работы по определению эффективной удельной активности (Аэфф) битуминозных аргиллитов в геологическом разрезе Саблинского памятника природы [7]. Здесь значение Аэфф в отдельных пробах варьирует от 1200 до 3000 Бк/кг и превышает уровень естественного фона более чем в 10 раз. Пересчет на массовые доли содержания урана и тория показал, что в среднем содержания естественных радионуклидов составляют: U = 150 ± 40 г/т, Th = 16 ± 6 г/т. Для сравнения отметим, что кларк массовых долей содержания ЕРН в сланцах для урана и тория равен 3,6 г/т и 10,3 г/т, соответственно [1].
Удельную активность породы в Бк/кг можно пересчитать в величину поглощенный дозы в воздухе в наноГреях в час (нГр/ч) по коэффициентам, принятым в документах Научного комитета ООН по действию атомной радиации [8]. Величины пересчетных коэффициентов для 238U, 232Th, 40K равны 0.462, 0.604 и 0.0417, соответственно. По данным расчетов среднее значение поглощенной дозы, создаваемой в воздухе над пластом диктионемовых сланцев, составило 850 нГр/час или 7,5 миллиГрей/год. В соответствии с НРБ99/2009 [9] места выхода диктионемовых сланцев на дневную поверхность в долинах рек Тосна и Саблинка необходимо относить к зонам чрезвычайной экологической опасности. Речь, безусловно, идет о потенциальной радиационной опасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Хайкович, И.М. Геофизические поля в экологической геологии: учеб. пособие / И. М. Хайкович, С.В. Лебедев; под ред. В.В. Куриленко. – СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т, 2013. 156 с.
2. Алиев С. Добыча тория в России. [Электронный ресурс]. http://smart‑lab.ru/blog/241711.php
3. Сайт города Припять. Динамика радиационного гамма-фона. [Электронный ресурс]. http://pripyat.com/monitor
4. Атомный проект СССР: Документы и материалы. Т. II. Атомная бомба. 1945-1954. Кн. 2. М-во РФ по атом. энергии; Отв. сост. Г.А. Гончаров. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000. http://www.coldwar.ru/arms_race/2/
5. Soesoo A., Hade S. Metalliferous organic-rich shales of Baltoscandia – a future resource or environmental/ecological problem. Archiv Euro Eco, 2012, Vol. 2(1), P. 11–14.
6. Радон – Библиография на рус. яз. 1990-2015. Сайт государственной публичной научно-технической библиотеки Сибирского отделения РАН. Тематические библиографические списки и указатели А. Зарубина [Электронный ресурс]. http://www.prometeus.nsc.ru/partner/zarubin/radon.ssi
7. Лебедев С.В. Радиоактивность осадочных пород и экологическая обстановка на территории Саблинского памятника природы. Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2012. Вып. 2. С. 22-32.
8. United Nation Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation UNSCEAR 2000 Report to the General Assembly, with scientific annexes. Volume I: SOURCES. Annex B: Exposures from natural radiation sources (74 pages).
9. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). СанПиН 2.6.1.2523-09. М., 2009.