廣州市北部土壤天然放射性水平研究

岳玉美,宋 剛,張志強(qiáng),富英杰,陳迪云 (廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

廣州市北部土壤天然放射性水平研究

岳玉美,宋 剛*,張志強(qiáng),富英杰,陳迪云 (廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

用高純鍺γ能譜分析儀測(cè)量了廣州市北部土壤中放射性核素238U,226Ra,232Th和40K的含量,分別為 167.5(43.0～605.0)Bq/kg,171.7(47.8～603.6)Bq/kg,183.2(45.4～447.1)Bq/kg和871.7(70.5～1967.2)Bq/kg,與全國(guó)和廣東省的平均值相比明顯偏高.測(cè)量了采樣點(diǎn)1m高空氣γ輻射吸收劑量率,并與利用Beck公式的計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比,計(jì)算值普遍高于實(shí)際測(cè)量值.還計(jì)算了等效鐳濃度、外照射指數(shù)和年有效劑量率,平均值分別為502.0Bq/kg,1.4,284.7μSv/a,表明廣州市的γ輻射外照射水平遠(yuǎn)高于全國(guó)和廣東省平均值.

土壤；天然放射性；γ 能譜分析；廣州

土壤是放射性核素遷移轉(zhuǎn)化的重要介質(zhì)之一[1-2],土壤環(huán)境中放射性物質(zhì)包括天然來(lái)源和人為來(lái)源.對(duì)于一般地區(qū),天然放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的劑量是環(huán)境輻射的主要來(lái)源,其中外照射劑量主要來(lái)自土壤中U系、Th系和40K衰變發(fā)射的γ射線[3].國(guó)外對(duì)天然放射性研究較多[4-7],我國(guó)對(duì)輻射水平的研究,雖然已在天然貫穿輻射、土壤[2,8]及食品中放射性核素含量和環(huán)境氡濃度[9-11]研究等方面做了較多的工作,但從整體上看尚處于起步階段[12].

廣東珠江三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)分布約 3000 km2的以花崗巖為基巖的覆蓋區(qū).這些地區(qū)的土壤因繼承成土母質(zhì)(花崗巖)的化學(xué)特點(diǎn),鈾、釷放射性元素含量高,并在一定地區(qū)形成輻射異常區(qū),如珠海[13]、陽(yáng)江[14]等地.廣州市也分布大面積花崗巖.隨著城市建設(shè)的進(jìn)一步擴(kuò)張和城市人口的增加,有必要對(duì)廣州市花崗巖覆蓋區(qū)的土壤天然放射性核素(238U、226Ra、232Th和40K)含量進(jìn)行深入地調(diào)查和研究,并對(duì)地表空氣 γ輻射吸收劑量率、等效鐳濃度和年有效劑量率進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算,以評(píng)價(jià)廣州市土壤的放射性水平,為城市規(guī)劃和輻射防護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 測(cè)區(qū)地理與地質(zhì)概況

根據(jù)廣州市地質(zhì)構(gòu)造和巖層分布的特點(diǎn)和規(guī)律,可以將廣州分為3個(gè)地層單元:即廣從斷裂以東,瘦狗嶺斷裂以北的花崗巖地區(qū)(局部為混瘦狗嶺以南,以白堊紀(jì)紅色地層為主的紅壤區(qū);廣從斷裂以西的以石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)為主的灰?guī)r、含煤灰?guī)r、頁(yè)巖等地層的灰?guī)r地區(qū).廣州主要巖性分布從前震旦紀(jì)到始新世的多期次巖漿巖,巖性主要有二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、流紋斑巖、粗面質(zhì)凝灰?guī)r[15].廣州市北部基巖為鐳含量較高的花崗巖,主要分布在白云區(qū)、天河區(qū)北部、黃埔區(qū)與白云區(qū)交界的區(qū)域及越秀山附近區(qū)域.

根據(jù)區(qū)域地層、巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等情況,選擇穿越地質(zhì)體多、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域作為土壤放射性研究區(qū)域.以廣州市北部113°15′E～113° 21′E,23°12′N～23°18′N 為采樣區(qū) 1(廣州 1#), 113°21′E～113°33′E,23°10′N～23°15′N為采樣區(qū) 2(廣州 2#),面積共約 300km2.主要包括白云區(qū)太和鎮(zhèn)、嘉禾街、白云山風(fēng)景區(qū)、天河區(qū)和蘿崗區(qū)等地,以 1:5萬(wàn)地形圖按照1km×2km采樣網(wǎng)格共采集112個(gè)土壤樣品.見(jiàn)圖 1.

圖1 廣州市基巖分布和采樣區(qū)及采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Sketch of sample sites distribution, sample areas and bedrock distribution in Guangzhou

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 土壤采樣與處理

土壤采樣按照《環(huán)境核輻射監(jiān)測(cè)規(guī)定》(GB 12379-90)[16]進(jìn)行,在鏟除表層的浮土后,取垂直深10cm的表層土,除去土壤中石塊、草根等雜物,采樣量約2kg.樣品經(jīng)100℃烘干至恒重、碾碎過(guò)60目篩、稱重后裝于直徑75mm×高70mm的樣品盒中壓實(shí),使樣品盒中土壤樣品重量、密度與標(biāo)準(zhǔn)源盡量一致,再密封保存4周,以使鐳與氡及其短壽命子體達(dá)到久期放射性平衡[17].

2.2 測(cè)量分析方法

測(cè)量?jī)x器為 CANBERRA公司生產(chǎn)的 BE-3830系列低本底HPGe反康譜頓γ譜儀,該儀器對(duì)于1.33MeV的60Co γ射線特征峰的探測(cè)效率和能量分辨率分別為 30%和 1.8keV.利用60Co和152Eu點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)其進(jìn)行了能量刻度,測(cè)量中使用中國(guó)計(jì)量研究院研制的U-Ra-Th-K固體混合源進(jìn)行能量刻度.采用相對(duì)比較法求解樣品中放射性核素比活度,選用的 γ射線特征峰分別如下:238U為234Th的63.3keV和92.8keV,226Ra為214Pb的352.0keV和214Bi的609.3keV;232Th為208Tl的583.1 keV和228Ac的911.1keV;40K為1460.8keV.取空樣品盒測(cè)量放射性本底,標(biāo)準(zhǔn)源、樣品和本底測(cè)量時(shí)間均取 4 h.放射性核素比活度按式(1)計(jì)算[3].

式中:Qs為樣品放射性核素比活度,Bq/kg;A0為標(biāo)準(zhǔn)源同一核素的活度,Bq;Ns為樣品相應(yīng)放射性核素特征峰凈計(jì)數(shù);B為本底計(jì)數(shù);ms為樣品質(zhì)量,kg;N0為標(biāo)準(zhǔn)源同一核素特征峰凈計(jì)數(shù).

測(cè)量空氣 γ輻射吸收劑量率采用的儀器是Inspector γ射線檢測(cè)儀.測(cè)量按《環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》(GB/T 14583-93)[18]要求進(jìn)行.用γ射線檢測(cè)儀直接測(cè)出采樣點(diǎn)的空氣γ輻射吸收劑量率瞬時(shí)值,每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取10個(gè)數(shù)取平均值為該點(diǎn)測(cè)量值.儀器每年檢定兩次,進(jìn)行γ輻射劑量率測(cè)量時(shí)需扣除儀表對(duì)宇宙射線的響應(yīng)部分.

2.3 土壤環(huán)境放射性

2.3.1 土壤樣品中238U,226Ra,232Th和40K含量土壤樣品中含量的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1.

2.3.2 γ輻射外照射 用于評(píng)價(jià)γ輻射外照射水平的指標(biāo)有空氣吸收劑量率(D)、等效鐳濃度(CRaeq)、外照射指數(shù)(Ir)和年有效劑量率(Daedr)等.用土壤中226Ra、232Th和40K的含量,由Beck公式按式(2)計(jì)算距地表1m高空氣γ輻射吸收劑量率[17-22].

式中:D為距地表 lm高空氣 γ輻射吸收劑量率,nGy/h;CK、CRa和 CTh分別表示土壤中40K、226Ra和232Th的含量,Bq/kg.

γ輻射吸收劑量率的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值見(jiàn)表2.

表1 土壤樣品中放射性核素含量Table 1 The activity concentration of soil samples

表2 土壤放射性核素的γ輻射空氣吸收劑量率的計(jì)算值和測(cè)量值(nGy/h)Table 2 The calculated and measured results of γ radiation absorbed dose rate of soil samples (nGy/h)

2.3.3 等效鐳濃度 等效鐳濃度 CRaeq按式(3)進(jìn)行計(jì)算[24].

式中:CRaeq為等效鐳濃度,Bq/kg;式(3)建立在 1 Bq/kg的226Ra、0.7 Bq/kg的232Th及13 Bq/kg的40K產(chǎn)生相同的γ輻射吸收劑量率基礎(chǔ)上.

2.3.4 外照射指數(shù) 用式(4)[3]計(jì)算外照射指數(shù)Ir評(píng)價(jià)外照射風(fēng)險(xiǎn)程度.

式中:Ir為外照射指數(shù).

2.3.5 年有效劑量率 年有效劑量率(Daedr,單位為μSv/a)是評(píng)價(jià)放射性核素γ輻射外照射的另一個(gè)重要指標(biāo),可用式(5)進(jìn)行計(jì)算[24]:

式中:a1是室外居留因子,0.2;a2是大氣中吸收劑量率轉(zhuǎn)換成年有效劑量率的換算系數(shù),0.7Sv/Gy.

CRaeq、Ir和Daedr的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算值和測(cè)量值Table 3 The calculated and measured results for some evaluated targets

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤樣品238U、226Ra、232Th和40K含量

土壤樣品中238U、226Ra、232Th和40K的含量如表1所示.由表1可見(jiàn),廣州土壤中的鈾、鐳、釷和鉀含量遠(yuǎn)高于廣東省、全國(guó)和世界的平均值.廣州市北部由于受造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈形成斷裂,酸性巖漿侵入,巖石中富集鈾、釷等放射性核素.廣州市北部巖性主要是花崗巖為主,所以這類巖石中238U、232Th含量較高,風(fēng)化形成的土壤中相應(yīng)的226Ra含量也較高.其中廣州1#基巖主要屬于砂礫和紫紅色砂頁(yè)巖,廣州2#主要屬于燕山期花崗巖,從土壤放射性核素含量來(lái)看,廣州 1#的土壤中238U和226Ra比較高,而廣州2#的土壤中232Th相對(duì)較高.結(jié)果表明廣州市白云區(qū)、天河區(qū)、蘿崗區(qū)等地土壤中高鈾、釷的特點(diǎn).

3.2 γ輻射空氣吸收劑量率實(shí)際測(cè)量值與Beck公式計(jì)算值的對(duì)比

由表 2數(shù)據(jù)分析,測(cè)區(qū)土壤放射性核素所致地面1m高處的平均γ輻射劑量率是廣東省平均值(84.8nGy/h)[23]的 2.7倍,全國(guó)平均值(81.5 nGy/h)[21]的 2.8 倍,是廣州[23]平均值的 1.9 倍.由此可見(jiàn),研究區(qū)的γ輻射吸收劑量率相對(duì)比較高.

為了對(duì)Beck公式計(jì)算的1m高γ輻射空氣吸收劑量率與采樣點(diǎn)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,在采集土壤樣品的同時(shí)也對(duì)其1m高γ輻射空氣吸收劑量率進(jìn)行了測(cè)量.數(shù)據(jù)范圍和平均值結(jié)果見(jiàn)表2,測(cè)量值與計(jì)算值之間非常接近.但每個(gè)采樣點(diǎn)的γ輻射空氣吸收劑量率實(shí)際測(cè)量值與Beck公式計(jì)算值的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2.

圖2 γ輻射空氣吸收劑量率實(shí)際測(cè)量值與Beck公式計(jì)算值的對(duì)比Fig.2 Contrast of calculated and measured results of γ radiation absorbed dose rate of soil samples

由圖 2可見(jiàn),測(cè)量值與計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本一致,計(jì)算值略高于實(shí)際測(cè)量值.主要是因?yàn)?γ輻射空氣吸收劑量率的測(cè)量受到多因素的影響,在山上草木茂密的地方或土壤濕度大的地方測(cè)量的γ輻射吸收劑量率值都比較低.說(shuō)明地表 γ輻射劑量率水平與地下水位、土壤中水分、降雨的影響、植被的關(guān)系等環(huán)境因素有關(guān),測(cè)量時(shí)應(yīng)注意其影響[18].

3.3 CRaeq、Daedr和 Ir

表3數(shù)據(jù)表明,該區(qū)域土壤中CRaeq和Ir均較高,平均值都是這兩項(xiàng)指標(biāo)上限值(370 Bq/kg和1)[3]的1.4倍.其中有 67.8%的采樣點(diǎn)的CRaeq和64.3%的采樣點(diǎn)的 Ir超過(guò)其上限值,所以在該區(qū)域進(jìn)行土地開(kāi)發(fā)和城市建設(shè)時(shí)需要考慮環(huán)境輻射問(wèn)題,特別是花崗巖地區(qū)需要進(jìn)行土壤和建筑材料中天然放射性核素含量的檢測(cè).112個(gè)樣品中天然放射核素 Daedr平均為 284.7μSv/a,小于UNSCEAR推薦的正常地區(qū)平均 Daedr460μSv/a[25],因此可以認(rèn)為廣州仍屬于放射水平正常區(qū).但是有些采樣點(diǎn)的 Daedr最大值達(dá)到557.8μSv/a,其中 13.4%采樣點(diǎn)的 Daedr超過(guò)UNSCEAR推薦值.按照《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2001)[26]和《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》(GB50325-2001)[27]等有關(guān)規(guī)定,在廣州市土壤放射性異常區(qū)進(jìn)行土地開(kāi)發(fā)和城市建設(shè)時(shí)需要加強(qiáng)環(huán)境輻射防護(hù).

4 結(jié)論

4.1 測(cè)區(qū)土壤因繼承成土母質(zhì)花崗巖的化學(xué)特點(diǎn),放射性核素含量高于全國(guó)和全世界的平均水平,土壤中U、Th含量偏高.但放射性核素年有效劑量率平均值不高,該地區(qū)仍屬于放射性水平正常地區(qū).

4.2 對(duì)于等效鐳濃度和外照射指數(shù)偏高的局部區(qū)域,進(jìn)行土地開(kāi)發(fā)和城市建設(shè)時(shí)需要考慮環(huán)境輻射問(wèn)題,特別是花崗巖地區(qū)土地利用中需要進(jìn)行土壤和建筑材料中天然放射性核素含量的檢測(cè).

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致謝：野外采樣和測(cè)量工作由湯澤平、黃國(guó)平、周子彬、梁全衛(wèi)張?zhí)炝Φ葏f(xié)助完成,王津博士幫助修改英文摘要,在此一并表示感謝.

Studies on natural radioactivity of soil in North of Guangzhou

. YUE Yu-mei, SONG Gang*, ZHANG Zhi-qiang, FU Ying-jie, CHEN Di-yun (School of Environmental Science and Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006,China). China Environmental Science, 2011,31(4)：657～661

The contents of radioactive nuclides238U,226Ra,232Th and40K in soils in northern Guangzhou were measured using an HPGe γ-ray spectrometer. The measured activity concentrations of238U,226Ra,232Th and40K were 167.5(43.0-605.0), 171.7 (47.8-603.6), 183.2 (45.4～447.1) and 871.7 (70.5～1967.2) Bq/kg, respectively, which were evidently higher than the average values of Guangdong Province and countrywide. The absorbed dose rates in air from γ radiation above the sampling points were determined and found to be generally lower than the predicted values based on the Beck formula. The calculated mean values of radium equivalent activity, external hazard index and annual effective dose rate were 502.0 Bq/kg, 1.4 and 284.7 μSv/a, respectively. The results indicate that the levels of gamma radiation external irradiation and natural radioactivity in soils of northern Guangzhou are much higher compared with the average values of nationwide and Guangdong.

soil；natural radioactivity；γ-ray spectra analysis；Guangzhou

X53

A

1000-6923(2011)04-0657-05

2010-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40872201,40502030)

* 責(zé)任作者, 副教授, songg2005@126.com

岳玉美(1985-),女,河南商丘人,廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,輻射污染與防治專業(yè).發(fā)表論文4篇.