岳玉美,宋 刚,张志强,富英杰,陈迪云 (广州大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006)

广州市北部土壤天然放射性水平研究

岳玉美,宋 刚*,张志强,富英杰,陈迪云 (广州大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006)

用高纯锗γ能谱分析仪测量了广州市北部土壤中放射性核素238U,226Ra,232Th和40K的含量,分别为 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,与全国和广东省的平均值相比明显偏高.测量了采样点1m高空气γ辐射吸收剂量率,并与利用Beck公式的计算值进行了对比,计算值普遍高于实际测量值.还计算了等效镭浓度、外照射指数和年有效剂量率,平均值分别为502.0Bq/kg,1.4,284.7µSv/a,表明广州市的γ辐射外照射水平远高于全国和广东省平均值.

土壤；天然放射性；γ 能谱分析；广州

土壤是放射性核素迁移转化的重要介质之一[1-2],土壤环境中放射性物质包括天然来源和人为来源.对于一般地区,天然放射性物质所产生的剂量是环境辐射的主要来源,其中外照射剂量主要来自土壤中U系、Th系和40K衰变发射的γ射线[3].国外对天然放射性研究较多[4-7],我国对辐射水平的研究,虽然已在天然贯穿辐射、土壤[2,8]及食品中放射性核素含量和环境氡浓度[9-11]研究等方面做了较多的工作,但从整体上看尚处于起步阶段[12].

广东珠江三角洲经济发达地区分布约 3000 km2的以花岗岩为基岩的覆盖区.这些地区的土壤因继承成土母质(花岗岩)的化学特点,铀、钍放射性元素含量高,并在一定地区形成辐射异常区,如珠海[13]、阳江[14]等地.广州市也分布大面积花岗岩.随着城市建设的进一步扩张和城市人口的增加,有必要对广州市花岗岩覆盖区的土壤天然放射性核素(238U、226Ra、232Th和40K)含量进行深入地调查和研究,并对地表空气 γ辐射吸收剂量率、等效镭浓度和年有效剂量率进行测量和计算,以评价广州市土壤的放射性水平,为城市规划和辐射防护提供科学依据.

1 测区地理与地质概况

根据广州市地质构造和岩层分布的特点和规律,可以将广州分为3个地层单元:即广从断裂以东,瘦狗岭断裂以北的花岗岩地区(局部为混瘦狗岭以南,以白垩纪红色地层为主的红壤区;广从断裂以西的以石炭纪、二叠纪、三叠纪为主的灰岩、含煤灰岩、页岩等地层的灰岩地区.广州主要岩性分布从前震旦纪到始新世的多期次岩浆岩,岩性主要有二长花岗岩、花岗闪长岩、钾长花岗岩、流纹斑岩、粗面质凝灰岩[15].广州市北部基岩为镭含量较高的花岗岩,主要分布在白云区、天河区北部、黄埔区与白云区交界的区域及越秀山附近区域.

根据区域地层、岩性、地质结构等情况,选择穿越地质体多、地质构造复杂的区域作为土壤放射性研究区域.以广州市北部113°15´E～113° 21´E,23°12´N～23°18´N 为采样区 1(广州 1#), 113°21´E～113°33´E,23°10´N～23°15´N为采样区 2(广州 2#),面积共约 300km2.主要包括白云区太和镇、嘉禾街、白云山风景区、天河区和萝岗区等地,以 1:5万地形图按照1km×2km采样网格共采集112个土壤样品.见图 1.

图1 广州市基岩分布和采样区及采样点分布示意Fig.1 Sketch of sample sites distribution, sample areas and bedrock distribution in Guangzhou

2 实验方法

2.1 土壤采样与处理

土壤采样按照《环境核辐射监测规定》(GB 12379-90)[16]进行,在铲除表层的浮土后,取垂直深10cm的表层土,除去土壤中石块、草根等杂物,采样量约2kg.样品经100℃烘干至恒重、碾碎过60目筛、称重后装于直径75mm×高70mm的样品盒中压实,使样品盒中土壤样品重量、密度与标准源尽量一致,再密封保存4周,以使镭与氡及其短寿命子体达到久期放射性平衡[17].

2.2 测量分析方法

测量仪器为 CANBERRA公司生产的 BE-3830系列低本底HPGe反康谱顿γ谱仪,该仪器对于1.33MeV的60Co γ射线特征峰的探测效率和能量分辨率分别为 30%和 1.8keV.利用60Co和152Eu点标准源对其进行了能量刻度,测量中使用中国计量研究院研制的U-Ra-Th-K固体混合源进行能量刻度.采用相对比较法求解样品中放射性核素比活度,选用的 γ射线特征峰分别如下:238U为234Th的63.3keV和92.8keV,226Ra为214Pb的352.0keV和214Bi的609.3keV;232Th为208Tl的583.1 keV和228Ac的911.1keV;40K为1460.8keV.取空样品盒测量放射性本底,标准源、样品和本底测量时间均取 4 h.放射性核素比活度按式(1)计算[3].

式中:Qs为样品放射性核素比活度,Bq/kg;A0为标准源同一核素的活度,Bq;Ns为样品相应放射性核素特征峰净计数;B为本底计数;ms为样品质量,kg;N0为标准源同一核素特征峰净计数.

测量空气 γ辐射吸收剂量率采用的仪器是Inspector γ射线检测仪.测量按《环境地表γ辐射剂量率测定规范》(GB/T 14583-93)[18]要求进行.用γ射线检测仪直接测出采样点的空气γ辐射吸收剂量率瞬时值,每个测点读取10个数取平均值为该点测量值.仪器每年检定两次,进行γ辐射剂量率测量时需扣除仪表对宇宙射线的响应部分.

2.3 土壤环境放射性

2.3.1 土壤样品中238U,226Ra,232Th和40K含量土壤样品中含量的测量结果见表1.

2.3.2 γ辐射外照射 用于评价γ辐射外照射水平的指标有空气吸收剂量率(D)、等效镭浓度(CRaeq)、外照射指数(Ir)和年有效剂量率(Daedr)等.用土壤中226Ra、232Th和40K的含量,由Beck公式按式(2)计算距地表1m高空气γ辐射吸收剂量率[17-22].

式中:D为距地表 lm高空气 γ辐射吸收剂量率,nGy/h;CK、CRa和 CTh分别表示土壤中40K、226Ra和232Th的含量,Bq/kg.

γ辐射吸收剂量率的计算值和实际测量值见表2.

表1 土壤样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辐射空气吸收剂量率的计算值和测量值(nGy/h)Table 2 The calculated and measured results of γ radiation absorbed dose rate of soil samples (nGy/h)

2.3.3 等效镭浓度 等效镭浓度 CRaeq按式(3)进行计算[24].

式中:CRaeq为等效镭浓度,Bq/kg;式(3)建立在 1 Bq/kg的226Ra、0.7 Bq/kg的232Th及13 Bq/kg的40K产生相同的γ辐射吸收剂量率基础上.

2.3.4 外照射指数 用式(4)[3]计算外照射指数Ir评价外照射风险程度.

式中:Ir为外照射指数.

2.3.5 年有效剂量率 年有效剂量率(Daedr,单位为µSv/a)是评价放射性核素γ辐射外照射的另一个重要指标,可用式(5)进行计算[24]:

式中:a1是室外居留因子,0.2;a2是大气中吸收剂量率转换成年有效剂量率的换算系数,0.7Sv/Gy.

CRaeq、Ir和Daedr的计算结果见表3.

表3 相关评价指标的计算值和测量值Table 3 The calculated and measured results for some evaluated targets

3 结果与讨论

3.1 土壤样品238U、226Ra、232Th和40K含量

土壤样品中238U、226Ra、232Th和40K的含量如表1所示.由表1可见,广州土壤中的铀、镭、钍和钾含量远高于广东省、全国和世界的平均值.广州市北部由于受造山运动强烈形成断裂,酸性岩浆侵入,岩石中富集铀、钍等放射性核素.广州市北部岩性主要是花岗岩为主,所以这类岩石中238U、232Th含量较高,风化形成的土壤中相应的226Ra含量也较高.其中广州1#基岩主要属于砂砾和紫红色砂页岩,广州2#主要属于燕山期花岗岩,从土壤放射性核素含量来看,广州 1#的土壤中238U和226Ra比较高,而广州2#的土壤中232Th相对较高.结果表明广州市白云区、天河区、萝岗区等地土壤中高铀、钍的特点.

3.2 γ辐射空气吸收剂量率实际测量值与Beck公式计算值的对比

由表 2数据分析,测区土壤放射性核素所致地面1m高处的平均γ辐射剂量率是广东省平均值(84.8nGy/h)[23]的 2.7倍,全国平均值(81.5 nGy/h)[21]的 2.8 倍,是广州[23]平均值的 1.9 倍.由此可见,研究区的γ辐射吸收剂量率相对比较高.

为了对Beck公式计算的1m高γ辐射空气吸收剂量率与采样点实际测量值进行对比,在采集土壤样品的同时也对其1m高γ辐射空气吸收剂量率进行了测量.数据范围和平均值结果见表2,测量值与计算值之间非常接近.但每个采样点的γ辐射空气吸收剂量率实际测量值与Beck公式计算值的结果对比见图2.

图2 γ辐射空气吸收剂量率实际测量值与Beck公式计算值的对比Fig.2 Contrast of calculated and measured results of γ radiation absorbed dose rate of soil samples

由图 2可见,测量值与计算值的变化趋势基本一致,计算值略高于实际测量值.主要是因为 γ辐射空气吸收剂量率的测量受到多因素的影响,在山上草木茂密的地方或土壤湿度大的地方测量的γ辐射吸收剂量率值都比较低.说明地表 γ辐射剂量率水平与地下水位、土壤中水分、降雨的影响、植被的关系等环境因素有关,测量时应注意其影响[18].

3.3 CRaeq、Daedr和 Ir

表3数据表明,该区域土壤中CRaeq和Ir均较高,平均值都是这两项指标上限值(370 Bq/kg和1)[3]的1.4倍.其中有 67.8%的采样点的CRaeq和64.3%的采样点的 Ir超过其上限值,所以在该区域进行土地开发和城市建设时需要考虑环境辐射问题,特别是花岗岩地区需要进行土壤和建筑材料中天然放射性核素含量的检测.112个样品中天然放射核素 Daedr平均为 284.7µSv/a,小于UNSCEAR推荐的正常地区平均 Daedr460µSv/a[25],因此可以认为广州仍属于放射水平正常区.但是有些采样点的 Daedr最大值达到557.8µSv/a,其中 13.4%采样点的 Daedr超过UNSCEAR推荐值.按照《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2001)[26]和《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB50325-2001)[27]等有关规定,在广州市土壤放射性异常区进行土地开发和城市建设时需要加强环境辐射防护.

4 结论

4.1 测区土壤因继承成土母质花岗岩的化学特点,放射性核素含量高于全国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剂量率平均值不高,该地区仍属于放射性水平正常地区.

4.2 对于等效镭浓度和外照射指数偏高的局部区域,进行土地开发和城市建设时需要考虑环境辐射问题,特别是花岗岩地区土地利用中需要进行土壤和建筑材料中天然放射性核素含量的检测.

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致谢：野外采样和测量工作由汤泽平、黄国平、周子彬、梁全卫张天力等协助完成,王津博士帮助修改英文摘要,在此一并表示感谢.

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

国家自然科学基金资助项目(40872201,40502030)

* 责任作者, 副教授, songg2005@126.com

岳玉美(1985-),女,河南商丘人,广州大学环境科学与工程学院硕士研究生,辐射污染与防治专业.发表论文4篇.