花崗巖氡析出影響因素研究進(jìn)展

龍淑琴，謝焱石，譚凱旋，張明華，單 健，王 升

(南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 稀有金屬礦產(chǎn)開發(fā)與廢物地質(zhì)處置技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001)

花崗巖作為地殼中分布最廣泛的巖石，常用作建筑材料和各類地下工程中，因其相對富含鈾釷等放射性元素，氡析出對人類生產(chǎn)生活環(huán)境的輻射影響受到廣泛關(guān)注，不少學(xué)者對其氡析出情況和危害進(jìn)行了研究[1-7]。關(guān)于氡危害的研究一般主要關(guān)注鈾系的222Rn，本文中所提及的氡皆指222Rn。

氡的析出一般被認(rèn)為是α反沖和擴(kuò)散-滲流共同作用的結(jié)果，而氡析出率能很好地反映氡的析出情況，是評價(jià)居室和地下工程內(nèi)部氡濃度水平和控制氡濃度污染的重要參數(shù)，但受射氣介質(zhì)固有性質(zhì)和外在因素的影響而表現(xiàn)復(fù)雜。在花崗巖氡析出中鐳活度被認(rèn)為是重要的影響因素，但眾多國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況更為復(fù)雜，其他因素也對花崗巖氡析出有重要的影響[8-12]。由于影響因素復(fù)雜，而其釋放的氡與人體健康又有著密不可分的聯(lián)系。因此，本文結(jié)合前人研究進(jìn)行梳理總結(jié)，從巖石自身特性方面對各影響因素進(jìn)行詳細(xì)闡述和討論，更好地了解花崗巖氡析出的影響因素，對進(jìn)一步掌握氡的析出規(guī)律以及人居環(huán)境和地下工程的氡防護(hù)提供重要的參考。

1 巖石原生特性對氡析出的影響

1.1 巖石化學(xué)成分

1.1.1鐳活度

氡為鐳的衰變產(chǎn)物，從其產(chǎn)生的衰變鏈看氡析出應(yīng)與鐳活度有密切聯(lián)系，理論上存在預(yù)期的相關(guān)性。實(shí)際上，大量研究表明它們之間確實(shí)存在線性相關(guān)關(guān)系。如Al-Jarallah等[13]研究沙特阿拉伯地區(qū)的205個(gè)建筑材料樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氡析出量與鐳活度表現(xiàn)為線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.90。而其他學(xué)者對黎巴嫩、塞爾維亞、伊朗、沙特阿拉伯等市場上的花崗巖進(jìn)行測量分析后得到同樣的結(jié)果，氡析出率和鐳活度同樣表現(xiàn)出線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為1、0.886 7、0.9和0.92[4，14-16]。此外，Harb等[17]對花崗巖、大理巖和石灰?guī)r三種巖石類型的鐳活度和氡質(zhì)量析出率關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示三種巖石都表現(xiàn)出預(yù)期的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為1。

從上述文獻(xiàn)可看出，鐳活度和氡析出率的相關(guān)系數(shù)最低為0.886 7，基本保持在0.9以上，這表明鐳活度和氡析出率之間存在線性相關(guān)關(guān)系，并證實(shí)鐳活度為影響氡析出的一個(gè)重要因素，同時(shí)也為依據(jù)鐳活度來推斷氡析出情況提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

1.1.2鈾含量

從氡產(chǎn)生的衰變鏈來看，鈾作為氡產(chǎn)生衰變鏈上的最初母體，其含量多少對氡析出也起著重要的作用。而它們的關(guān)系在一些學(xué)者的研究中也有所提及，如El-dine等[18]對花崗巖樣品的測量分析結(jié)果顯示鈾活度濃度與氡析出率表現(xiàn)出線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為1。Singh等[19]對從哈里亞納邦的圖沙姆環(huán)雜巖采集的花崗巖進(jìn)行測量分析，結(jié)果表明鈾含量和氡析出率為線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.7。此外，不少學(xué)者在對室內(nèi)氡濃度進(jìn)行測量時(shí)也發(fā)現(xiàn)，鈾含量較高地區(qū)對應(yīng)的室內(nèi)氡濃度也表現(xiàn)的更高[20-23]，這種現(xiàn)象也間接說明了氡析出率與鈾含量之間的線性相關(guān)，不過較鐳活度而言其相關(guān)系數(shù)更低。這可能與鈾衰變到氡之間經(jīng)歷的一系列其他衰變和影響過程有關(guān)，文章稍后將進(jìn)一步闡述。

1.2 巖石礦物成分

礦物成分為花崗巖組成的基本單元，研究發(fā)現(xiàn)花崗巖的氡析出可能與之相關(guān)[24-25]。比如，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)石英作為花崗巖主要造巖礦物具有較高的氡析出系數(shù)，但對整體氡析出的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)較低[26-27]，主要原因在于貢獻(xiàn)率不僅取決于氡析出系數(shù)，還與礦物含量及鐳活度有關(guān)，而石英放射性元素含量相對較少。Akihiro等[26]發(fā)現(xiàn)白云母和針鐵礦有較高的氡析出貢獻(xiàn)率，可能與它們的高鐳活度有關(guān)。Tkaczyk等[28]在對愛沙尼亞海岸的黑沙樣品進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，石英含量與鐳活度為弱負(fù)線性相關(guān)(R2= -0.12)，但它與氡析出率之間卻表現(xiàn)出強(qiáng)負(fù)線性相關(guān)(R2= -0.65)；而長石含量與鐳活度為強(qiáng)正線性相關(guān)(R2= 0.6)，與氡析出率則表現(xiàn)出很強(qiáng)的正線性相關(guān)(R2=0.84)；鋯石含量與鐳活度具有很強(qiáng)的正線性相關(guān)(R2=0.8)，與氡析出率只是強(qiáng)線性相關(guān)(R2=0.61)。盡管以上研究結(jié)論不全來自于花崗巖樣品，但結(jié)合關(guān)于石英、長石、白云母和針鐵礦的研究結(jié)果也可看出，不同礦物對花崗巖氡析出的貢獻(xiàn)率存在差異，并主要取決于放射性元素含量，同時(shí)也受礦物其它性質(zhì)的影響。比如Ball等人[29]提到一些鈾含量高的花崗巖表現(xiàn)出較低的氡析出水平，有些甚至可能在衰變過程中不釋放氡。Gomes等[20]在研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈾存在于重副礦物中，而重副礦物被完整的石英包裹時(shí)氡析出率較低，因其衰變產(chǎn)生的氡無法釋放到礦物外部成為自由氡，從而減少了氡的析出。Moura等[30]在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)結(jié)晶巖石中大部分鈾結(jié)合到如獨(dú)居石、鋯石等副礦物中，致使鈾不容易遷移，但如果賦存于長石等抗風(fēng)化能力較弱的礦物時(shí)，隨著風(fēng)化過程的演化長石不斷崩解將利于鈾遷移并促進(jìn)氡析出。因此，當(dāng)鈾賦存于礦物內(nèi)時(shí)，巖石中氡的釋放很大程度上受鈾鐳所在的礦物成分控制。

目前關(guān)于花崗巖礦物對氡析出率的具體影響機(jī)制的研究還比較少，主要影響礦物還有待進(jìn)一步研究，除白云母、針鐵礦和長石外，其他礦物的影響還有待進(jìn)一步確定。此外，關(guān)于這些礦物的影響方式，除放射性元素含量及其賦存形式外，還有哪些礦物性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，以及它們對氡析出的影響程度，這都是未來礦物成分對花崗巖氡析出影響研究的方向。

1.3 巖石成因類型

花崗巖按其成因可以分為很多類型，如按照物質(zhì)來源可分為M型、I型、S型和A型，按照構(gòu)造背景可分為島弧造山帶、活動(dòng)大陸邊緣、大陸碰撞帶、陸內(nèi)造山帶以及大陸裂谷帶等多種類型。不同構(gòu)造背景或者物質(zhì)來源的花崗巖具有不同的礦物及化學(xué)組成，從而具有不同的氡析出特征。研究發(fā)現(xiàn)弗里登堡的I型花崗巖組產(chǎn)生的室內(nèi)氡濃度相較沙爾丹哈的熔結(jié)泥灰?guī)r更高，分析其原因主要在于該地區(qū)I型花崗巖鈾濃度較高[22-23]。Singh等[19]發(fā)現(xiàn)高溫花崗巖的鈾含量較高，在一定程度上也影響著巖石的氡析出。而對于花崗巖表現(xiàn)出的高水平鈾，普遍認(rèn)為受到巖石成因的特點(diǎn)以及相關(guān)構(gòu)造環(huán)境的影響，與地幔相比地殼來源的巖石放射性核素含量更高。這在一些研究中得到了驗(yàn)證，如Moura 等[30]在研究巴西火成巖石材的天然放射性時(shí)，發(fā)現(xiàn)過鋁質(zhì)地殼等巖石類型氡析出率相對較高，總體上隨著巖漿過程的演化氡析出率有增加的趨勢。不同構(gòu)造背景或者物質(zhì)來源的花崗巖很可能因不同放射性核素濃度而影響氡的析出。

2 巖石次生變化對氡析出的影響

由前文可知，巖石原生特性對氡析出起著非常重要的作用，但巖石原生特性會(huì)受到后期風(fēng)化和蝕變過程的影響，Hellmuth 等[31]在研究擾動(dòng)、蝕變和新鮮等幾種類型巖石的氡析出時(shí)發(fā)現(xiàn)，受蝕變和風(fēng)化過程影響的花崗巖氡析出率明顯高于受爆破擾動(dòng)的巖石和新鮮巖石。此外，Domingos 等[32]針對蝕變過程進(jìn)行了具體研究，結(jié)果也證實(shí)了蝕變過程對氡析出影響的重要性。因此，除巖石原生特性外，下面就次生作用對花崗巖特性的改變方面進(jìn)行探討，闡述巖石次生變化對氡析出的影響。

2.1 放射性核素的分布

2.1.1鈾的賦存形式

一般情況，巖石中的鈾大多賦存于副礦物當(dāng)中，也有一些以分散形式賦存于造巖礦物或礦物裂隙中。Amaral[33]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈾賦存巖石裂隙時(shí)表現(xiàn)出更高的氡析出率，并證實(shí)鈾在巖石中的賦存形式是氡析出的一個(gè)重要影響因素。巖石中的鈾雖大多分布在礦物內(nèi)部，但在風(fēng)化或蝕變過程影響下會(huì)發(fā)生遷移，甚至發(fā)生鈾富集[34-35]。研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)化過程使得鈾更容易富集在裂隙、顆粒邊界以及其他孔隙中[31]。Morawska等[36]在利用放射自顯影圖研究二云母花崗巖中鈾原子的位置時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鈾存在于微裂隙和蝕變部位的晶界上。Pereira等[37]對花崗巖放射性進(jìn)行測量時(shí)觀察到一些裂隙中出現(xiàn)輕微鈾富集，分析顯示受風(fēng)化或蝕變過程影響鈾會(huì)遷移到裂隙中，并使得花崗巖的氡析出有所增加。研究巖石和礦物氣體泄漏機(jī)制的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，巖石中的高氡析出主要是因?yàn)殁櫤丸D這些放射性母體沿晶界和微裂隙分布，這更有利于氡的快速逃逸[38]。風(fēng)化和蝕變過程會(huì)致使鈾遷移而影響氡析出，一些研究中熱液蝕變甚至表現(xiàn)為氡析出顯著增加的主要原因，但鈾的遷移過程復(fù)雜，最終還取決于它在巖石中的賦存形式[32]。

2.1.2鐳的賦存形式

鐳的賦存形式與鈾有著較強(qiáng)的聯(lián)系，一部分存在于鈾礦物中，而不同于鈾的是受到風(fēng)化影響時(shí)鐳在氧化條件下活動(dòng)性較低，放射性核素被釋放出來之后，鈾表現(xiàn)為高活性可自由遷移，而鐳仍留在原地，相比之下鐳比鈾更容易被吸附在礦物表面[39-40]。如Ek等[41]研究瑞士的兩個(gè)冰河沙堆，由放射性花崗巖碎屑形成的冰河沙堆，其226Ra和238U表現(xiàn)出高度放射性不平衡，因?yàn)轱L(fēng)化過程使得226Ra從原生礦物中被釋放出來并吸附在礦物顆粒表面，238U在風(fēng)化過程中容易被氧化成六價(jià)態(tài)，并以可溶性鈾酰離子或可溶性復(fù)合物的形式被過濾水浸出。有學(xué)者對孔隙系統(tǒng)中鐳的賦存形式對氡析出的影響進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，用混凝土制備了兩種人工基質(zhì)，一種是把鐳添加到水中溶解，另一種是將破碎的鈾礦石添加到水泥中，結(jié)果表明，第一種基質(zhì)中的氡析出率更高，因?yàn)樵阼D分布均勻的情況下，鐳元素固定在孔隙表面，而鈾礦石顆粒被不含放射性核素的水泥包裹從而阻礙了氡的析出[31]。這種浸染在水泥基質(zhì)中的鐳分布模式被認(rèn)為與強(qiáng)風(fēng)化結(jié)晶巖石的情況是類似的，通過對比兩種浸染方式可以得到風(fēng)化程度的強(qiáng)弱會(huì)對氡析出效果的影響。

2.2 礦物顆粒大小

風(fēng)化過程會(huì)使巖石或者礦物顆粒逐漸變小，比表面積增大，研究發(fā)現(xiàn)顆粒比表面積增大會(huì)導(dǎo)致氡析出增加[24,26,42]。一方面巖石或礦物顆粒變小能夠更好地幫助內(nèi)部的氡釋放，從而提高氡的析出。此外，隨著比表面積的增大，離子交換容量越大，吸附能力增強(qiáng)，更多的鐳在顆粒表面富集從而增加了巖石的氡析出。如Megumi等[43]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)化使花崗巖中的鐳從原生礦物中去除而吸附在礦物表面，主要分布在較細(xì)的粒徑部分。Efstathiou等[44]和Harb等[17]就顆粒粒度與花崗巖樣品氡析出的關(guān)系進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示花崗巖氡析出與粒徑之間呈反比關(guān)系，并且在Harb等的實(shí)驗(yàn)中花崗巖氡析出和粒徑之間的反比關(guān)系表現(xiàn)的比大理巖和石灰?guī)r都強(qiáng)。

但氡析出也并非簡單地隨著粒度變小而增加，F(xiàn)untua等[45]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)富含放射性核素的礦物集中在粗顆粒中時(shí)，氡的相對活度會(huì)隨粒度增大而增加。此外，有研究發(fā)現(xiàn)氡析出與比表面積不呈反比關(guān)系的現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在混合化合物(如巖石和土壤)制成的測量樣品中，因礦物抗風(fēng)化能力不同，細(xì)粒級的土壤礦物組成可能與粗粒級有很大不同，不同礦物的氡射氣分?jǐn)?shù)也存在差異，對于這類樣品將其分為不同粒度進(jìn)行研究不具參考作用[26,46-47]。關(guān)于粒度對氡析出的影響，有學(xué)者認(rèn)為在巖石樣品中并不適用，因?yàn)橥寥朗茱L(fēng)化作用后顆粒比表面積會(huì)增大，導(dǎo)致鐳原子在表面富集，而在巖石樣品中鐳在顆粒表面和內(nèi)部均有分布，因此認(rèn)為裂隙和顆粒形狀等因素可能更為重要[40]。

2.3 巖石微裂隙

與其他射氣材料相比，巖石自身孔隙率更低，這會(huì)影響氡原子從礦物內(nèi)逃離，以及自由氡從介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散到環(huán)境中，使得氡析出受到阻礙。而風(fēng)化過程使巖石成巖時(shí)形成的微裂隙繼續(xù)發(fā)展成新裂隙，最后相互連通成為裂隙網(wǎng)絡(luò)，巖石孔隙率提高。巖石裂隙對氡析出的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一方面裂隙產(chǎn)生增加巖石內(nèi)表面積，巖石或礦物內(nèi)氡的逃逸機(jī)率提高[48]；另一方面氡的壽命和擴(kuò)散距離有限，當(dāng)晶粒表面產(chǎn)生的原子被困在孔隙空間內(nèi)或被微裂隙的自由內(nèi)表面吸附時(shí)，才能從巖石釋放到周圍的介質(zhì)中，裂隙的產(chǎn)生能為氡析出提供所需的通道和貯存空間。研究發(fā)現(xiàn)巖石或礦物內(nèi)部開放、連通的微裂隙網(wǎng)絡(luò)使得巖石孔隙率和滲透性都有所提高，導(dǎo)致氡析出能力增大，氡釋放增加[31,39,44,49-52]。值得注意的是Pereira等[53]在研究中發(fā)現(xiàn)巖石孔隙率提高會(huì)使得氡析出率增加，而其中孔隙率的影響作用比鐳活度表現(xiàn)的更為顯著。從Nicolas等[54]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，裂隙的產(chǎn)生能提高氡析出率的原因主要為第二方面，即裂隙通過作為析出通道影響氡析出。

3 總結(jié)和討論

本文從巖石的原生特性和次生變化兩方面對花崗巖的氡析出進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)花崗巖的氡析出與巖石化學(xué)成分、礦物成分和成因類型等原生特性以及次生風(fēng)化和蝕變導(dǎo)致的放射性核素分布、礦物顆粒大小以及微裂隙等因素密切相關(guān)。

巖石原生特性方面，作為氡產(chǎn)生衰變鏈上的母體，鈾、鐳活度與花崗巖氡析出之間表現(xiàn)出線性相關(guān)，尤其是鐳活度可做為預(yù)測氡析出的一個(gè)重要指標(biāo)。此外，學(xué)者發(fā)現(xiàn)花崗巖礦物成分對氡析出也有影響，除了與放射性元素含量有關(guān)之外，其他具體影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究，可能與鈾、鐳等放射性元素在巖石中的賦存形式密切相關(guān)。巖石原生特性的影響除巖石的化學(xué)和礦物成分外，巖石構(gòu)造背景或物質(zhì)來源同樣與氡析出有關(guān)，如殼源成因的花崗巖具有較高的氡析出率。

花崗巖自身特性對氡析出雖有影響，但會(huì)在風(fēng)化和蝕變等后期作用中發(fā)生變化，花崗巖的次生特性對氡析出具有不可忽視的作用，主要包括放射性核素的分布、礦物顆粒的大小以及巖石微裂隙等幾個(gè)方面。從放射性核素的分布來說，風(fēng)化和蝕變過程容易使鈾和鐳從礦物內(nèi)部釋放出來，并被顆粒表面吸附或遷移到巖石裂隙中，從而提高花崗巖的氡析出率。鈾鐳在表生環(huán)境下的地球化學(xué)行為表現(xiàn)不同，最終導(dǎo)致鈾含量與氡析出的關(guān)系比鐳更為復(fù)雜。此外風(fēng)化過程中顆粒逐漸變小有利于氡的析出。一方面巖石或者礦物顆粒逐漸變小，使得鈾鐳更易從巖石或礦物內(nèi)部逃逸，另一方面比表面積增大，顆粒對鐳鈾的吸附能力增強(qiáng)，最終導(dǎo)致巖石氡析出率提高。最后，裂隙的擴(kuò)展與發(fā)育是風(fēng)化作用下巖石較顯著的變化特征，同樣是氡析出的有利條件。對氡析出的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致巖石內(nèi)表面積增加，巖石或礦物內(nèi)氡的逃逸機(jī)率隨著提高，另一方面巖石的孔隙率增加，為氡的析出提供通道，兩方面均有助于巖石中氡的析出。但目前關(guān)于裂隙的研究多注重于宏觀層面和定性方面，微裂隙對氡析出的影響以及它們之間的定量研究相對較少，還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，從影響花崗巖氡析出的各種內(nèi)在因素看，巖石原生特性對氡析出有重要影響，后期的風(fēng)化和蝕變過程對氡析出的影響更值得關(guān)注，這種次生變化將從諸多方面改變巖石化學(xué)、礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，使得巖石中的氡析出變得更為復(fù)雜。因此，未來需要系統(tǒng)研究并定量描述巖石化學(xué)、礦物成分和次生變化對氡析出的影響，并據(jù)此建立合理有效的巖石氡析出模型，幫助全面地了解巖石中氡析出規(guī)律，為地下工程及人居環(huán)境的氡防護(hù)提供理論依據(jù)。