Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Уран и торий в объектах биосферы Большого Кавказа 8
Глава 2. Объекты и методы исследований 22
2.1. Природно-географическая характеристика района исследования 22
2.2. Методы исследований 35
Глава 3. Природный гамма-фон Большого Кавказа 41
Глава 4. Закономерности распределения урана и тория в системе порода-почва-растение 46
4.1. Уран и торий в породах Большого Кавказа 46
4.2 Уран и торий в почвах Большого Кавказа 53
4.2.1. Содержание урана и тория в почвах Большого Кавказа 53
4.2.2. Миграция урана и тория в почвах Большого Кавказа 66
4.2.3. Подвижные формы урана и тория в почвах Большого Кавказа 72
4.3. Уран и торий в растениях Большого Кавказа 16
Выводы 102
Литература 105
- Уран и торий в объектах биосферы Большого Кавказа
- Природно-географическая характеристика района исследования
- Природный гамма-фон Большого Кавказа
Введение к работе
Подводя итог многолетней дискуссии о характере воздействия ионизирующей радиации на биологические объекты, Международная комиссия по радиационной защите и Научный комитет ООН по действию атомной радиации в качестве рабочей приняли гипотезу о линейном беспороговом действии ионизирующего излучения [67]. Это обстоятельство превращает проблему хронического воздействия малых и ультрамалых доз радиации, вызванных естественными и искусственными радионуклидами на человека и среду его обитания в ключевую проблему современной радиоэкологии.
Естественная радиоактивность в объектах биосферы в основном представлена космическими лучами и естественными радиоактивными нуклидами (ЕРН), которые по своему происхождению подразделяются на радионуклиды урано-радиевого, актиниевого и ториевого рядов, радионуклиды, стоящие вне радиоактивных семейств (примордиальные) и радионуклиды, образующие в результате взаимодействия космического излучения с земной атмосферой (космогенные).
Примечание: - на уровне моря. Во-вторых, горные системы Кавказа, из-за особенностей циркуляции атмосферы, играют специфическую роль в депонировании глобальных (тропосферных и стратосферных) радиоактивных выпадений, особенно, долго-живущих нуклидов 90Sr и 137Cs. Поэтому антропогенные дозовые нагрузки объектов биосферы Кавказа, меняясь по высотной поясности и накладываясь на естественный радиационный фон, могут в существенной степени изменить дозовые нагрузки населения. В-третьих, в силу разнообразия геологического строения разные зоны (районы, области, локальные участки) Кавказа имеют совершенно разный генезис радиоактивности. Так, в горных породах средние годовые значения поглощенных доз (биологическая активность) изменяются в пределах от 4-6 мГр (карбонатные породы) до 25-35 мГр (гранитные породы), что также необходимо учитывать при оценке хронического облучения населения.
Отмеченные особенности выдвигают в качестве приоритетных проблем региональной радиоэкологии Кавказа решение следующих задач: 1) определение путей поступления радионуклидов в объекты биосферы; 2) выявление региональных особенностей воздействия радиации по виду излучения, мощности дозы, площади действия; 3) установление закономерностей миграции и распределения тяжелых радионуклидов в ландшафтах, их участия в биогеохимических циклах.
Без знания этих характеристик невозможно дифференцированно определить ни дозовые нагрузки различных источников радиации в различных участках Кавказа, ни последствия хронического воздействия ионизирующего излучения на организмы популяций, населяющих различные районы Карказа. Однако, как нам представляется, на современном этапе проведения радиоэкологических исследований на Кавказе главной является задача установления региональных кларков естественных радионуклидов. Действительно, в районах с нормальным естественным фоном на долю поглощенной дозы от нуклидов семейства урана-238 и тория-232 в облучении человека приходится 70% естественного радиационного фона Земли. Само по себе это обстоятельство требует повышенного внимания, но для Кавказа оно приобретает особую значимость, поскольку содержание ЕРН и их дозовая нагрузка в разных участках Кавказа может различаться в несколько раз. С другой стороны, анализ накопленного к настоящему времени экспериментального материала по содержанию ЕРН в породах, почвах и растениях Кавказа показывает, что он носит фрагментарный характер и не дает целостного представления о радиационном фоне региона: практически отсутствуют данные по содержанию ЕРН в объектах высокогорий (выше 1500 м над уровнем моря); многие генетические типы пород и почв вообще не охарактеризованы по содержанию до-зообразующих нуклидов; не установлены закономерности распределения ЕРН в системе порода-почва-растение; имеющиеся экспериментальные данные по содержанию ЕРН в породах и почвах не обладают необходимой статистической достоверностью. Важно также отметить, что результаты радиоэкологических исследований, выполненные в разных лабораториях с использованием различных методик и выраженные в разных единицах, вносят определенную неопределенность в их трактовку. В частности, до сих пор нет четких представлений по содержанию ЕРН в различных типах почв Большого Кавказа.
Цели и задачи работы. Основная цель работы - установление региональных кларковых концентраций радионуклидов урана-238 и тория-232 в объектах биосферы Большого Кавказа. Реализация поставленной цели потребовало решение следующих задач: выявление региональной особенности (дифференцированности) Большого Кавказа по содержанию естественных дозообразующих нуклидов в породах, почвах и растениях; установление форм нахождения радионуклидов в основных типах почв; изучение закономерностей миграции ЕРН в почвах с учетом гидротермических, ландшафтно-геохимических, высотно-поясных характеристик; исследование роли генети ческой связи основных элементов биосферы (порода, почва, растение) в биогеохимическом круговороте ЕРН.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые определена структура поля радиационного у-фона высокогорных ландшафтов Большого Кавказа; установлены основные закономерности распространения и миграции естественных радионуклидов урана-238 и тория-232 в системе порода-почва-растение в условиях высокогорья Большого Кавказа; определены формы их нахождения в различных типах почв Большого Кавказа; установлены закономерности влияния климатических, ландшафтно-геохимических, высотно-поясных условий на распределение урана и тория в разных типах почв; определены коэффициенты накопления урана и тория в растениях и выявлены растения-маркеры.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы для достоверной оценки дозовой нагрузки населения, проживающего в условиях высокогорья (выше 1500 м над уровнем моря) Южного федерального округа России (Дагестан, Чечня, Северная Осетия-Алания, Кабардино-Балкария, Карачаево-Черкессия, Краснодарский край) и частично Азербайджанской республики и Грузии. Они могут быть использованы также для разработки методологических основ радиационного мониторинга окружающей среды Большого Кавказа, основанного на дифференцированном подходе определения закономерностей поведения радионуклидов в объектах биосферы с учетом всего комплекса природных особенностей (исходный уровень содержания в материнских породах, интенсивность почвообразования, процессы вертикальной и горизонтальной миграции, географические, климатические, ландшафтно-геохимические факторы), характеризующих данный регион. Установленные нами закономерности распределения ЕРН в объектах биосферы Большого Кавказа необходимо учитывать в радиобиологии при прогнозировании поступления урана-238 и тория-232 по пищевым цепям в организмы животных и человека.
Уран и торий в объектах биосферы Большого Кавказа
Изучению процессов поступления естественных радионуклидов в окружающую среду, а также закономерностей их миграции и аккумуляции в отдельных звеньях биосферы посвящена столь обширная литература, которая вряд ли может быть обобщена в одном обзоре. Поэтому данный обзор не претендует на полноту освещения современных проблем радиобиогеохимии - рассмотрены лишь те работы, которые имеют непосредственное отношение к тематике диссертации.
Геохимия естественных радиоактивных элементов и, прежде всего, 238U и 232Th изучена достаточно полно [21-27, 37-40, 43, 44, 76, 94, 111, 112, 121, 122, 125, 130, 132-135, 138-140]. По А.П. Виноградову [43, 44], содержание урана в земной коре (кларк урана) составляет 3» 10"4%, тория 7» 10"4%.
Радиоактивность почв обусловлена присутствием в них широкого набора радиоактивных элементов естественного и техногенного происхождения.
Накопление ZJ0U и ZJZTh в почвах зависит от целого ряда факторов, главными из которых являются: исходный уровень радиоактивности коренных пород, генезис рыхлых продуктов выветривания почвообразующих пород, особенности почвообразовательных процессов и тип почв [ПО]. В последние десятилетия существенным источником увеличения содержания естественных радионуклидов в почвенном покрове стало внесение различных мелиорантов, содержащих радионуклиды в повышенных концентрациях [3, 15, 16, 113].
Основным фактором, определяющим содержание естественных радиоактивных элементов в почве, является почвообразующая порода — почвы наследуют химический и минералогический состав от почвообразующих пород [38, 39]. Наиболее высокие их концентрации характерны гранитам и тяжелым по механическому составу глинистым породам, а низкие - песчаникам и базальтам. Концентрация радионуклидов в изверженных породах, как правило, выше, чем в осадочных [5]. Так, концентрация U в кислых породах вулканического происхождения примерно в 100 раз больше, чем в ультраосновных вулканических породах. В гранитах количество урана достигает величины 4-10"4% и более [119]. Для 232Th наблюдается несколько иная картина. Его содержание в магматических породах может изменятся от 8»10"4% до 38 10" 4%, в осадочных - от 1 10-4% до 10»10"4%, причем тория в песчанике в 6 раз больше, чем в граните [118]. Наибольшее различие в содержании радионук-лидов наблюдается в глинистых сланцах, где концентрация Th может, превысит концентрацию 238U в 10 и более раз. Поэтому почвы, развитые на кислых магматических породах и продуктах их выветривания, в большей степени обогащены ураном и торием, чем почвы, развитые на основных и ультраосновных породах; содержание радионуклидов в почвах и их профильное распределение определяется характером и направлением почвообразовательного процесса [22, 25, 52, 53]. Так, в зависимости от химического состава материнских пород, на которых происходило образование тех или иных почв, концентрация урана в почвах изменяется от п«10" % до п»10"3% [4, 6, 9, 11, 21]. За геохимический фон содержания урана в равнинных почвах принимают величину 1.7« 10"4%, а тория - 7» 10"4%.
Миграция ЕРН в почвах, следовательно, и степень их включения в пищевые цепи и биогеохимические циклы, зависят как от свойств радионуклидов, так и свойств почв. Основными движущими силами миграции радионуклидов являются: конвективный перенос (фильтрация осадков, капиллярный и температурный перенос влаги, профильное перемещение пелитовых и коллоидных частиц); диффузия свободных и адсорбированных ионов; перенос по корневым системам растений; внутрипочвенное выветривание; деятельность микроорганизмов, животных и человека.
Поскольку радионуклиды перемещаются в почвенном профиле в основном с почвенными водами, то общей закономерностью является увеличение подвижности большинства радионуклидов с увеличением степени увлажненности почвы. Наибольшее значение имеет свободная влага, то есть влага, не находящаяся под влиянием сорбционных сил и способная свободно мигрировать [83].
Подавляющее большинство исследователей [38, 40, 97, 106] отмечает высокую миграционную способность урана в почвах (преимущественно накапливается в продуктах почвообразования) и слабую миграционную способность тория, определяемую в основном процессами выщелачивания остаточной коры выветривания. Основная же часть тория в почвах находится в труднорастворимой форме - минералы, в составе которых торий обычно встречается, обладают крайне низкой растворимостью. Поэтому подвижный торий, в противоположность урану, накапливается в горизонтах, близких к породе.
Значимое влияние на миграционную способность радионуклидов оказывают почвенные глинистые частицы - отрицательно заряженные глинистые частицы, соединившись с положительными ионами нуклидов, переводят последних в малоподвижные формы. Сорбционные характеристики глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидроксиды) зависят, прежде всего, от водородного показателя (рН), редоксгпотенциала (Eh), концентрации и типа органического лиганда (хелата). Обычно адсорбция нуклидов на глинистых минералах возрастает с ростом рН - рН влияет на поверхностный заряд неорганических частиц, на которых сорбируются U и Th. Особенно сильно влияет рН на адсорбционную, емкость гидроксидов. Влияние органических лигандов на адсорбцию проявляется в конкурентной борьбе лиганда, нуклида и, по-видимому, других компонентов за адсорбционные центры.
Природно-географическая характеристика района исследования
Классификация типов и подтипов высокогорных почв разрабатывалась Докучаевым [64], Герасимовым [48, 49], Фридландом [117], Ромашкевичем [102], Маслюгиным [88] и другими исследователями [10, 20, 28, 46, 66, 71, 77, 78, 79, 80, 86, 87, 89, 91, 93, 98, 100, 104, 115, 116, 129].
В создании современного рельефа Центрального Кавказа, наряду с тектоникой, деятельностью ледников, эрозией, принимали участие карстовые процессы, почти отсутствующие в Восточном Кавказе, и молодой вулканизм, отсутствующий на Западном Кавказе. Осевую часть горной системы составляют два хребта: Главный или Водораздельный хребет и сопровождающий его с севера Боковой хребет. Водораздельный хребет представляет собой сплошную горную цепь, Боковой хребет имеет иной характер. В Центральном и Восточном Кавказе его составляют ряд массивов и коротких хребтов, располагающихся в общем на одной линии, параллельно Водораздельному хребту, и поднимающихся иногда (в восточной половине горной системы) выше соседних участков гребня Водораздельного хребта. Началом Водораздельного хребта в Западном Кавказе считают район вершины г. Чугуш. Водораздельный хребет сложен в основном гнейсами и кристаллическими сланцами.
Центральный Кавказ сложен мезозойскими и домезозойскими породами, распространенными в виде полос с запада-северо-запада на восток-юго-восток. Почвообразующие породы Центрального Кавказа метамбрфизирова-ны и представлены изверженными (гранит, базальт, туф, диорит) и осадочными (песчаник розовый, глинистый сланец, известняк мраморизированный, мергель, железистосинеродистый аргеллит, известняки, слюдистый гнейс) породами. К западу от г. Эльбрус расположен Западный Кавказ. Массивы Скалистого хребта в Центральном Кавказе сложены верхнеюрскими известняками. В строении северного, склона принимают участие нижнемеловые породы - валанжинские известняки, севернее перекрывающиеся песчаниково-глинистыми более рыхлыми осадками нижнего мела. Высшая точка Скалистого хребта на Центральном Кавказе — г. Кара-Кая.
Барьерное положение Большого Кавказа между умеренным и субтропическим географическими поясами и соответствующее им соотношение тепла и влаги обусловили формиробание высотных поясов горных ландшафтов с характерным типом растительного и почвенного покрова (табл. 3).
Высотная зональность почвенного покрова Кавказа характеризуется значительным разнообразием, что обусловлено различием осадочных и изверженных магматических пород, особенностями климата, различием гидротермических условий высотных и широтных поясов, а также характером растительного покрова и склоновой экспозицией сменяющихся с высотой почвенных зон.
По определению, вертикальная зональность почв - это определенная совокупность последовательно сменяющихся с высотой почвенных зон. Структура вертикальной поясности главным образом определяется биоклиматической обстановкой, поскольку основным фактором вертикальной поясности является количество тепла и влаги, изменяющееся с высотой над уровнем моря.
Специфика и своеобразие горного почвообразования обуславливают формирование маломощных профилей, значительную скелетность и фрагментарность, повышенную гумусность и кислотность, сильную выщелоч-ность и малое содержанием солей. Для горных почв, кроме того, исключительно важен процесс транзитного перемещения продуктов почвообразования вниз по склону. На каждом высотном уровне высокогорья наблюдаются пассивные (спокойные) и активные природные денудационные процессы, сочетание которых определяет степень изменений почв во времени и по охвату площади.
Природный гамма-фон Большого Кавказа
Полученные нами данные уровня радиационного у-фона высокогорий Большого Кавказа обобщены в табл.6.
Из таблицы видно, что у-фон на всем протяжении Большого Кавказа подвержен значительным колебаниям и варьирует в пределах от 6 до 40 мкР/ч; наименьшие значения мощности дозы у-излучения наблюдаются в почвенно-растительном покрове, развитом на известняках, наибольшие - на почвенно-растительном покрове, развитом на глинистых сланцах. Так, на Восточном Кавказе уровень гамма-активности на горе Шалбуздаг, хребтах Нукатль и Андийский изменяется в пределах от 10 до 24 мкР/ч, на горах Баба- Даг" и Шаг-Даг - от 8 до 17 мкР/ч, а на отдельных участках Богосского хребта достигает 40 мкР/ч.
На Центральном Кавказе мощности дозы у-излучения колеблются в пределах от 10 до 30 мкР/ч. Наибольший уровень гамма-активности (16-30 мкР/ч) наблюдается на горах Эльбрус и Чегет, леднике Безенги, перевале Твибер, ущелье Шаурту Водораздельного и Бокового хребтов, наименьшее (6-10 мкР/ч) - на горах Щелканка, Бермамыт, Башкирка и Кинжал Скалистого хребта, за исключением небольших локальных участков на горах Махческ и Кара-Кая. На Скалистом хребте уровень гамма-активности составляет 6-11 мкР/ч, а на Водораздельном хребте - 12-18 мкР/ч. В целом средняя экспозиционная доза мощности у-излучения почвенно-растительного покрова Водораздельного и Бокового хребтов превышает такового Скалистого хребта в 1.5-2.0 раза (рис. 2).
В создании природного радиационного у-фона Кавказа превалирующее значение имеют почвы; обнаженные участки субнивального пояса (скальные породы, осыпи, мелкозем), как правило, имеют низкую, по сравнению с имеющимися в той или иной степени развитый почвенный покров альпийскими и субальпийскими поясами, у-активность. Здесь проявляется эффект суммирования мощности дозы - излучения пород и почвенно-растительного покрова, и в создании природного радиационного фона превалирующее значение приобретают почвы.
Так, например, у-фон почвенного покрова на вершине г. Шалбуздаг составляет 13-15 мкР/ч, тогда как у-фон находящихся здесь же открытых скальных пород не превышает 6-8 мкР/ч. Отметим также, что у-активность материнских пород достоверно ниже у-активности развитых на них почв; для гранитов, глинистых сланцев, песчаников, известняков, гнейсов она составляет соответственно 12-23, 14-22, 10-13,6-10, 12-16 мкР/ч.
Таким образом, природная радиоактивность почвенно-растительного покрова большей части Кавказа находится на уровне 6-18 мкР/ч (табл. 6). Но вместе с тем имеется достаточно большое количество участков (в том числе и в местах компактного проживания людей) на Восточном и Центральном Кавказе, где гамма-фон превышает 20 мкР/ч. Естественно, высокий радиационный фон отдельных участков Большого Кавказа, являясь постоянно действующим энергетическим фактором, способен вызвать значительные изменения в работе живых систем в первую очередь структур, связанных с наследственностью клетки.
Как известно [75, 92], в качестве главных естественных источников гамма - излучения в породах выступают изотопы U, Th, Ra и К. Однако данные гамма-съемки, объективно отображая состояние радиационного фона и являясь интегральной характеристикой радиоактивного загрязнения конкретной местности как естественными, так и техногенными у-излучателями, не позволяют дифференцированно выявить и вычленить основных дозообразующих радионуклидов, обуславливающих различный фон радиации. Так, при концентрации ЕРН в почвах, равной кларковой, доля у-излучения в суммарной дозе a-, ft- и у- излучения, равна приблизительно 7% [27], причем основной вклад приходится на долю 40К. Но, с другой стороны, анализ данных табл. 4 показывает, что у-фон локальных участков Кавказа в первом приближении коррелируется с суммарным содержанием урана и тория в почвах.
