地质环境与空气中氡浓度的关系.pdf

， ， ， 代 地 质 第 1 0毫第 1， 9 l GEOS CI ENCE N o 1 1 9 9 6年 3月 J o u r ml o f Gr s d u a t e S c h o o l ， C h L a a Un i v e r s i t y D f G e o s c i e n c e s Ma r c h 1 9 9 6 一 l 地质环境与空气 中氡浓度的关系 壅 量堡 塾 章哗 ／ f f -，一 ‘ 、 ‘ 应 用 地球 物理 蒹北京1 0 0 0 8 3 摘要论述土壤和空气中氧的动态．分析和讨论了土壤 对空气中氧浓度的影响．建立了土壤 中铀古量与空气中氧浓度的关系式 ． 按该式利用现有放射性物撵贤料快逮定性地评价空气中氧 浓度 的分 布 。 关键 词环境氧 浓度迁 移 分娄号P 3 5 1 ；X5 1 1 0多年前氡被认为仅仅是对铀矿山及其选冶厂的一种危害， 但是近来世界上许多国家 研究发现在住宅区和建筑群内氡也严重影响人们的健康。据联台国原子辐射效应委员会估 计，人所受到的天然辐射 5 3 来自环境 中的氡，氡是产生肺癌的主要元凶之一，因此发达 国家和许多发展 中国家高度 重视环境氡的危害 。自然界中氡有 3种同位索 Rn ， 。 R n ， ” Rn 。 。 R n的半衰期为 3 ． 8 2 5天，是环境氡研 究的主要对象； 。 R n半衰期为 5 4 ． 5 s ．危害 程 度远 小于 Rn； Rn半衰 期为 3 ． 9 6 s ， 且母体核 素 。 u 的丰度值小 ， 故 一般 影响不大 。 氡 是一种无色、无味的放射性情性气体 ，能溶于水和有机溶剂，所以在环境中氡除以气态方 式迁移外．还以溶解态伴随地下水、地表水等迁移。研究表明土壤氡是居室环境氡 的主要 来源 ，居室氡与土壤的形成、地下水以及地质环境有密切联系，通过对地质环境中放射性 元素和氡的动态研究，可以预测空气中氡浓度的变化趋势。 1 土壤和空气 中氡 的动 态 Rn是铀 系中放 射性 核索镭衰变 而成 的 ， 若土壤 中的 U、R a含量分别 为 c 和 c ， 则 单位时间、单位体积产生的氡为 A。一 ． c h 一 2 ． 5 9 1 0 u 。 Bq 5 c m 1 式中 为 Ra 的衰变常数；c 为土壤中Ra 含量 ； P为土壤的密度 ； f u为土壤中 U含量； 为 u与 R a的平衡系数 ； B q为放射性活度单位。 R a衰变形成的氡通过扩散和齐拉却满斯 反冲效应离开矿物晶格， 而促使氡离开的扩散作用很弱，主要靠反冲作用 ； R a 衰变形成氡 时产生的反冲动能为 8 6 k e V，能使氡在土壤中运移 0 ． 0 4／x m，在空气中运移 6 0 m，使部 分氡原子离开矿物晶格进入土壤孔隙中； 部分仍被阻止在矿物晶格中。 用射气系数 来描述 由镭衰变形成的活动部分与总氡量的比，则活动氡 。 可用下式表示 收穑 日期 {1 9 9 5 0 3 0 6 * 国家 自鼻 ； 科学 基金 资助顶 目。 第一作者简介 刘庚成，男、1 9 6 1 年 出生，讲师 博士 ．应用地球物理学专业。 维普资讯 现代地质 中国地质大学研究生院学报 A1 7 Ao 2 ． 5 9 1 0 ～ p c p 7 B q s I 1 c m 2 不 同岩性 、土壤 由于物理 和化学性质 的不 同，射气 系数也不 同。关 于氡在 岩石 、土壤中迁 移 的假说很 多 ，经典的迁移假说 为扩 散和对流 。半无限介质 见 图 1 孔隙 中氡 浓度的稳定 分布方 程可 表示 为 ． 一 警 一 Ⅳ 。 o 3 式 中 ． 为介质 中氡 的扩散 系数 c m s I 1 ； t 为介质 中气体 的对流速 度 c m s I 1 ； ． 为氡的衰变常数 s }N． 为介质孔隙中氡的浓度 B q c m ；P为介质的孔隙度。 假 定边 界条 件 为 一0时 ，N ； 一∞ 时 ，Ⅳ。 有限 ，则式 3 的解 为 ● Ⅳ 。 一 AI N o Ex 逝 4 在地质介质中，氡受气象因素的影响相对在空气中小得多，氡和短寿命子体通常处于 平衡状态，可用比值描述“ ] ，即 Rn Ra A ” PoRa B PbRa C ‘ Bi 一 10 ． 90 ． 7 0 ． 6 在 地 质找 矿 中测 出 土 壤 中氡子 体 如” 。 P 0就 可换 算 出氡 浓 度 ，如 F D一 3 0 1 7 R a A测 氡仪 就是这样的仪 器。土壤 中的氡 迁 移到 空气 中后 ， 仍 以扩 散和 对流方式运 动 。 空气中氡浓度 受气象 因素影响以及大气的稀释作用，日变规律、 季节变化 规 律十 分明显 ，因此空气 中氡浓度 的变化 比在 土壤 中的复 杂得 多且低几个 数量级 ，这 就需要 测量环 境 空气 中氡 浓度 的仪 器有较 高的灵敏度 。由于气溶胶和礅 尘等 因素 的影响 ， 空气 中的氡与其子 体通 常处于 不平衡状 态 ，氡 衰变形 成 的 短 寿命子 体被分成 结合 态和 自由态。居室 空气 中 的氡 子体 还受到室壁 对子 体 的淀积 作用 ， 使空气 中氡子 体减小 ， 破坏 空 气 图 1半无 限介 质 示意 图 Fi g ． 1 S k e t c h ma p o f h a l f i n d e f i n i t e m a t r i x 地 而 了氡与子体 间的平衡 。测量 环境空气 中的氡 时 ，若不知氡与子体 的平衡状况 ，就难 以计算 因氡子体 而 引起 的剂量效应 ，所以须考虑平衡 因子这个重要参数 ，平衡 因子定 义为 F C R n ／ CR 5 式 中C 为平衡当量氡浓度，即与具有和实际非平衡混合物相同 n 潜能浓度的短寿命子 体处于平衡的氡浓度；C 为氡的活度浓度。 F的常见值为室内 0 ． 4 、室外 0 ． 7 。 2 地质环境对空气 中氡浓度 的影响 、 放 射性 核素在地壳 中分布 十分 广泛 ，氡 的母体核 素 u 的地 球化 学性 质活泼 ，在原生状 态下 u 以 4价形式形 成 u 的独立矿物或 以类 质 同象形式进 入岩 石的副矿物 中 ； 在表生环境 下 4价 u 氧化成 6 价 井形成铀酰络合 离子迁移 或形 成 u 的次生矿物等 ；地壳 中 u 的克拉 克值为 2 ． 8 g ／ t ， 相应 的 Ra含量 为 2 5 B q k g ； 地球表面平均氡析 出率 为 1 ． 6 1 0 B q m 5 一，每年 的析 出率 为 5 ． 0 5 1 0 。 B qm s 一，乘上陆地面积 1 ． 51 0 1 4 m 得每 年地球 表面迁移 到空气中的氡为 7 ． 6 1 0 1 9 B q ，这 么大 的量令人惊讶 。不同地 区、不 同岩 性 放射性核素含量水平 不同 ，许 多地 区的 u 丰度值高于地 壳克拉克值 。一般花 岗岩地 区和 维普资讯 第 1期 刘庆 成等 地质 环境 与空 气 中氧 浓 度的 关 系 有机 质 、粘土质较 多 的沉积岩地 区放射性核 索含量较高 ，空气中氡浓度 比周围地区高 。如 美国 R e a d i n g P r o n g地 区有 一狭 长的花岗岩体 ，建 于其 上的房屋有 4 O 超过美 国居室氡 标 准 1 4 8 B q m_ ’ } 我 国放射性活度水平较高 的岩体 、 地 层分 布广泛 ， 其 中产出有许多铀矿 床 ， 所以地质环境 中放 射性核 素的含量水平较高 。 由式 4 可 以看 出 ，介质 的物理 、化学性 质也影 响孔 晾中氡的浓度 ，如不 同介质的 扩 散系数 、射气 系数及孔 隙度均 不同。几 种常 见介质 的扩 散系数和射气系数 见表 1 、表 2 。 表 I 几 种常 见介 质 的扩散 系 数 Tah i e I DI l l u si o n c oe f f i cki 1 t 墨of se v ell no r m a l m t r l xs 表 2几种 岩 石的射 气 系 数 Ta b l e 2 Emm n a t t o n p o we r o f s e v e r a ]k i n d o f r o c k s 岩石土壤中形成 的氡 不断 向外析出 ，可用氡 析出率 d来衡量 ，即单位 时间 、单 位地 表 面积 析 出到空气 中的氡量 ；放射 性核素 U、R a含量高 ，但介 质的氡 迁移通 路不好 ，介质 中 产生 的氡 析出到空 气 中的也不会多 ； 显 然氡析 出率 大小 与岩 石、土壤的性 质 、 结构有关 ，因 而不 同地 质单元的地 区往往空气 中的氡 浓度也不 同 。 3 土壤 中铀 、氡与空气 中氡浓度的关 系 铀是氡 的母体核 素 ，当假设 一些条件时 ，就 可建立土壤 中铀 含量 与空气 中氡浓 度的关 系式 。将 空气 当成 是土壤的盖层 ，空气的孔晾度 为 1 ，铀含量趋于 0 ．扩散 系数为 k ，对 流 速度 为 口 ，则由式 4 和 图 1 空气中氡浓度 N。 可表示为 Ⅳ Ⅳ。 Ex p 取 负值 6 当土壤 中氡分布 稳定 时，在 0处 地面 土壤流 出的射气 量 Q 等于空气中流入的射 气 量 Q ， Q 一 k l 喾 ， Q 一 一 尝 N 7 解 得 维普资讯 l 2 8 现代地质中国地质大学研究生院学报 1 9 9 6年 一垫 二 I 一 V口 i 4 抽1 P ； 4 抽2 8 将 式 2 代入式 8 ， 式 8 代入式 6 中， 得空气中氡浓度 与土壤 中铀含量的关 系式 为 1 r～ 2 ． 5 9 1 0 一p c u V 4 -4 2 k 1 P 一 1 Ⅳ 一 _ l 一 4 - }4 -4 抽I P 4 -√ l 4 -4 抽2 _ _ _ _ ●_ _ __ __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ __ _ _ ． Ex p 9 对土壤参 数进 行研 究后 ， 就能用 9 式预测空气 中的 氡浓度 ， 这不 仅能 定性 了解空 气中氡的 分布状态， 还能了解土壤氡源的分布。在区域上甩航空 y能谱 、 地面 y能谱或铀矿化探资料 得到 的当量铀 含量 代人式 9 中 ． 并对式 中一些 系数取 经验值 时 ， 就 能快速 地对某个地 区空 气 中氡的分布作 出定性 评价 综上所述 ，空 气中的氡来 自地质 环境 ，在 了解 了氡源分布 、状 态 、性 质后 ，可进 一步 研究空气中氡的分布规律 及产生的环境效应 。 参考文献 N CRP r e po r t 9 7 ． M e a s u r eme nt of r a d on a n d r a d oa d a u gh t e r s Ⅱ a ir． B et s da． M a l a n d U SA ， 1 9 8 8． 1 7 ～ 1 9 张智慧 ． 氧与居民健康 ．中华放射医学与防护．1 9 8 8 ．5 3 ；2 1 9 2 2 4 章晔-石拍慎 ．放射性方挂苛查北京 原子能出版杜 ．i 9 9 0 2 2 7 2 2 8 张哲 ． 氧的析出与捧氧通风 ． 北京原子能出版社．1 9 8 2 ． 2 O ～4 4 霍 磊沛 ．放 射性 物探 在环境 蔚 查 中的 应用 ．国外 地质勘 探技木 ．1 9 9 3 ，S } ，1 ～l 2 RELATI oNSH I P BETW EEN GEoLoGI CAL ENVI RoNM ENT AND RADoN CoNCENTRATI o N I N AI R Li u Qi n g c h e n g Ch e n g Ye x u n Z h a n g Ye C h i n a Un l v e e n o f G e o s c i e c e , 一 * 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t Th e a u t h or s d e s c r i b e t h e b e h a v i o r o f r a d o n i n s o l l a n d a i r ， di s c u s s e t h e i n f l u e n c e o f s o i l o n r a do n c o n c e n t r a t i o n i n a i r ，a n d s e t a n e q ua t i o n b e t we e n u r a n i u m i n s o i l a n d r a d o n c o n c e n t r a t i o n i n a i r i n t h i s p a p e r ．Fr o m t h i s e q ua t i o n，t h e i n f 0 r ma t i o n o f r a d i o me t r i e s c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t he d i s t r i b u t i o n o f r a d o n i n a i r r a p i d l y ． Ke y wo r d s e nv i r on me n t ， r a d o n c o n c e n t r a t i on． t r a n s p o r t a t i o n 维普资讯