книги из ГПНТБ / Баранов, В. И. Радиогеология учебник

или ниже ее. Помимо основного изотопа радия в этих водах со­ держатся повышенные концентрации других, более короткоживущих его изотопов: мезотория I (2 2 8 Ra) и тория X (2 2 4 Ra). Они являются продуктами распада тория и находятся в этих водах з •очень высоких по сравнению с торием концентрациях. В качестве

растворяется в природных водах и увлекается нередко на значи­ тельные расстояния от места своего образования. В большинстве случаев радон содержится в водах в количествах, во много раз превышающих то, которое соответствует радиоактивному равнове­ сию с растворенным в воде радием.1

Повышенные концентрации радона наблюдаются в условиях повышенной раздробленности пород (в зонах тектонических нару­ шений). Трещмноватость увеличивает свободную поверхность по­ род и выход из них радона. Помимо этого причиной повышенных концентраций радона могут быть высокие содержания радия в породах. Это может быть первичный радий урановых минералов или вторичный, переотложенный на стенках трещин в результате сорбции.

Для пород с нормальным рассеянным содержанием урана и радия содержание радона зависит от. петрографического состава

91

пород. В водах осадочных, метаморфических и основных магмати­ ческих пород оно колеблется, по А. Н. Токареву и А. В. Щерба­ кову (1956), в пределах 20—50 эман. Для всех кислых магматиче­ ских и метаморфических пород концентрация радона может дости­ гать 100—300 эман.

В водах, контактирующих с породами, адсорбировавшими ра­ дий, концентрация радона может быть более 1000 эман. В водах урановых месторождений концентрация радона достигает десятков тысяч эман. Концентрация радиоэлементов атмосферного проис­ хождения в подземных водах меньше, чем в поверхностных. Дл я глубинных вод концентрация короткожнвущих радиоактивных изо­ топов практически равна нулю. Так, присутствие трития в подзем­

Основная часть радиоактивных изотопов, сохранившихся на Земле, обладает слабой радиоактивностью за счет либо очень

с продуктами распада. 2 3 8 U и 2 3 2 Th без продуктов распада вносят сравнительно небольшой вклад в общую активность земного ве­ щества.

Приведем данные по радиоактивности, которую создают от­ дельные природные радиоактивные изотопы в 100 г вещества зем­ ной коры:

изотоп мккюри на 100 г

2.7- lCr 3

6,9-10"*

1 . Ы 0 - *

1.0- Ю-ч

8,9-10-в

4,6-10-°

8.1- 10-'

2,4-10-'

4.2- 10-»

9.8- Ю-"

3,04-10-ц

7,1-10-"

Рубидий-87 обладает сравнительно низкой энергией у-квантов. В связи с этим при регистрации жесткого у-излучения на поверхно­ сти земли около 98% всей у-активности оказывается обусловленной только калием-40 и продуктами распада урана и тория. По под-

92

счетам ряда авторов, немногим более 40% регистрируемого у-из­ лучения нормальных почв приходится на 4 0 К, несколько меньше — на семейство тория и около 20% — на семейство урана.

Т а б л и ц а 12

Содержание радиоактивных изотопов (в весовых %) в горных породах (пересчет сделан на основе данных А. П. Виноградова)

Содержание основных радиоактивных изотопов в различных типах пород и земной коре в целом приведено в табл. 12. Данные таблицы показывают, что наиболее распространенные радиоактив­ ные изотопы накапливаются в ряду изверженных пород от ультра­ основных к кислым. В ходе фракционной кристаллизации они обо­ гащают остаточные расплавы. Среди осадочных пород наиболее вы­

с материнскими изотопами и самостоятельного вклада в зимене-

В верхней части океанических илов повсеместно отмечается резкое преобладание иония (2 3 0 Th) над равновесной с ураном концентра-- цией. Их отношение достигает 10 в единицах активности. Точно так же протактиний ( 2 3 1 Ра) преобладает над концентрациями, рав­ новесными с ураном-235.

Отношение 2 3 4 U / 2 3 8 U в верхней части илов и в молодых корал­ ловых известняках равно в среднем 1,15 в единицах активности, что соответствует этой величине для морской воды.

В континентальных биогенных осадках (низинный торф, ил и т. д.) также отсутствует радиоактивное равновесие между члена­ ми семейства урана. В подавляющем большинстве случаев было

93

тов выветривания, равновесие нарушено в противоположную сто­

иония по отношению к равновесной с ураном концентрации и дефи­ цит протактиния по отношению к 2 3 5 U . Продукты ядерных реакций обнаружены только в самом верхнем слое литосферы.

§ 7. РАДИОАКТИВНОСТЬ БИОСФЕРЫ

Радиоактивные элементы, как и все другие элементы, присут­ ствуют в веществе живых организмов. Их концентрации и отно­ шение между собой сильно отличаются от соответствующих вели­ чин в горных породах и почвах. Одни элементы лучше усваивают­ ся организмами, для других существует более высокий биологиче­ ский барьер. Таким образом, распределение элементов в живых организмах определяется, с одной стороны, их усвояемостью, с другой — распределением этих элементов в среде, питающей орга­ низм.

и калпй-40. Калий — биогенный элемент. Его концентрация в золе большинства растений превышает 10%, иногда достигая 50—60%. Радиоактивный изотоп 4 0 К соответственно составляет 0,0118% от концентрации суммы изотопов калия. Концентрация рубидия в жи-

94

вых организмах также достаточно высока. Почти третью часть об" щеп концентрации рубидия составляет радиоактивный изотоп.

Биогеохимия элементов, все изотопы которых являются ра­ диоактивными, лучше всего изучена для растений. Основные ис­ следования в этом направлении были проведены В. И. Вернад­ ским, К. Г. Кунашевой, Б. К. Бруновским, В. И. Барановым. Они обнаружили, что растения поглощают радий лучше других радио­ активных элементов. Концентрация радия в растениях, выращен­ ных в жидкой питающей среде, может в 100—500 раз превышать концентрацию в питающем растворе. Поглощение радия растения­ ми имеет предел, который определяется также наличием биологи­ ческого' барьера. Концентрация радия в расчете на живое вещест­ во может достигать 2 • 10- 6 % в корнях и 5 • 10- 9 % в воздушных частях растений. Концентрация радия в золе растений обычновыше, чем в почве, на которой выросло растение. Отношение кон­ центрации изотопа в золе растения к концентрации в почве неред­ ко называют коэффициентом биологического поглощения. Для ра­ дия эта величина обычно больше единицы.

Хотя уран более подвижен в почвах, чем радий, он накапли­ вается в растениях значительно хуже. При нормальных содержа­ ниях урана в почвах (/г-10- 4 %) его содержание в золе растений обычно равно 1—5-10-5% • Таким образом, коэффициент биологи­ ческого поглощения урана значительно меньше единицы. Даже в пределах урановых месторождений, где концентрация урана в почвах достигает /г - Ю - 2 и даже /г-10- 1 %, концентрация урана в золе растений равна 10~4%. Только в отдельных случаях она дости^ гает « - 1 0 - 3 — / г - 1 0 _ 2 % . При повышении концентрации урана в поч­ вах наблюдается повышение его концентрации в золе растений. Это увеличение непропорционально содержанию в почве, но каче­ ственно может служить для целей биогеохимических методов по­ исков (более подробно см. гл. IX) .

Особый интерес представляет комплексное распределение ра­ диоактивных изотопов в среде и обитающих в ней организмах. Так, В. В. Ковальский и И. Е. Воротницкая показали, что в водных организмах оз. Иссык-Куль содержание урана закономерно пада­ ет при увеличении длины пищевой цепи в последовательности: ха-

чете на сухое вещество. Содержание урана в фитопланктоне не­

95

планктона происходит концентрирование урана. Отношение изо­ топов урана в морских организмах и морской воде практически -одинаково.

Поглощение тория растениями изучено недостаточно. Имею­ щиеся данные для наземных растений показывают, что концентра­

л - Ю - 3 г/г. Можно предположить, что характер поглощения тория •сходен с характером поглощения урана.

Способность растений более охотно поглощать изотопы радия •пб сравнению с изотопами тория и урана приводит к резкому на­ рушению в них радиоактивного равновесия. Во всех случаях на­

дозы излучения, создаваемые этими изотопами, сравнимы с доза­

и животных изучено значительно хуже, чем в растениях. Так, в те­ ле человека на долю 4 0 К приходится примерно 4-107 распадов в секунду, на долю 1 4 С — 3000, а на долю трития — всего 3 распада

.в секунду.

Концентрация радиоактивных элементов в мертвом органиче­ ском веществе колеблется в значительных пределах. Нередко на­ блюдаются повышенные концентрации урана, а иногда радия и тория в некоторых образованиях (битумах, углях, торфах и т. д.). Содержание урана в них местами достигает рудных концентраций. Повышенные концентрации радиоэлементов, как и других микро­ элементов, в каустобиолитах имеют вторичное, эпигенетическое происхождение.

§8. ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

ВПРИРОДЕ

После открытия способов получения внутриядерной энергии и •использования ее в качестве оружия и в мирных целях во внеш­ ней' среде стали накапливаться радиоактивные продукты ядерно­ го деления. Эти продукты в большом количестве поступали в ат­ мосферу в результаты испытания ядерных устройств, попадали в гидросферу за счет атмосферных выпадений, а также за счет сбро­ са -радиоактивных отходов атомной промышленности, загрязняли литосферу как в результате осаждения радиоактивных изотопов,

.96

4,4 мвгакюри. Выпадение трития в 1962—1963 гг. составило 44—

96 кг. Радиоактивные выпадения вызвали заметное повышение у-активностн земной поверхности. В качестве примера можно при­ вести результаты у-спектральных измерений земной поверхности, проведенных американскими исследователями в 1962—1964 гг. Средняя у-активиость поверхности почв за счет естественных ра­ диоактивных элементов составляла 7 мкр/час (5—9 мкр/час). Ис­ кусственные радиоактивные изотопы, попавшие на почву в резуль­ тате атмосферных выпадений, создавали до 1963 г. дозу мощностью 3—4 мкр/час. К 1964 г. эта величина достигла 4—6 мкр/час, а за­ тем снизилась до 1 мкр/час. При этом основной вклад .в общее у-нзлученне стал вносить долгожнвущий изотоп I 3 7 Cs. До конца 1963 г. 60—80% мощности дозы создавали 9 5 Zr и 9 5 Nb.

Среднее время пребывания радиоактивных продуктов ядер­ ных взрывов в стратосфере зависит от свойств радиоактивного изо­ топа, размера аэрозольных тастиц, времени,- прошедшего после

эти цифры равны 1,5 — для северного полушария и 2,4 года — для южного; для 1 8 5 W — соответственно 0,6 и 1,3 года. Следова­ тельно, очищение атмосферы в северном полушарии происходит быстрее, чем в южном. Отмечают связь между размерами аэро­ зольных частиц и распределением в них тех или иных продуктов ядерных взрывов. Например, наиболее крупные аэрозольные ча­ стицы обогащены 9 5 Zr, И 1 Се , I 8 1 W, 1 8 5 W, 9 1 Y . Они оседают сравни­ тельно быстро, поэтому время пребывания этих изотопов в атмо­ сфере почти в два раза меньше, чем время пребывания 9 0 Sr и ! 3 7 Cs, обогащающих легкие частицы. Период нахождения 1 3 Ч, , 4 0 Ва, шСе, 1 0 3 Ru, i 0 6 Ru оценивается как промежуточный.

Количество радиоактивных выпадений во многом зависит от географического положения места взрыва. Установлено, что при взрывах в приполярных и средних широтах большая часть про­ дуктов деления выпадает в пределах того полушария, где произо­ шел взрыв. При взрывах в приэкваториальной зоне более трети продуктов проникает в другое полушарие.

В связи с тем что большая часть испытаний проводилась в северном полушарии, выпадение 9 0 Sr в его пределах в несколько раз (до 10) больше, чем в южыо'м полушарии.

Из стратосферы радиоактивные аэрозоли попадают в нижние слои атмосферы — тропосферу. Попавшие в тропосферу радиоак­ тивные продукты переносятся по ней вдоль параллели. Они могут несколько раз обойти земной шар, прежде чем тропосфера очистит­ ся от загрязнений.

98