Материалы и методы исследования
Цели данной работы – изучить распределение, соотношение и концентрацию изотопов урана в поверхностных водах группы малых озер, находящихся на территории южнее Белого моря, сделать основу для дальнейшего мониторинга изменений активности изотопов урана в водах, выявления природных аномалий и мест разгрузки подземных вод. Большинство исследователей уделяют внимание крупным озерам, оказывающим значительное влияние на окружающую среду. Большие озера, такие как Байкал, Ладожское, Иссык-Куль, являются центрами больших экосистем, источником воды для огромной территории тщательно изучаются и контролируются по многим показателям. Однако небольшие озера не менее интересны с точки зрения гидрологии, радиологии и геоэкологии. Малые озера также активно участвуют в геологических процессах, формировании и пространственном распределении концентраций урана и его изотопного состава. Все эти факторы озерной воды должны учитываться при прогнозе возможного изменения геологической среды, в том числе и под действием антропогенных факторов, тем более что данные озера находятся в непосредственной близости от центра атомного подводного судостроения в г. Северодвинске. Небольшие озера в меньшей степени изучены на предмет наличия четных изотопов урана и в особенности равновесия между 234U и 238U. Поскольку изотопные исследования такого рода никогда не проводились на данных озерах, они и были выбраны в качестве объекта для изучения.
Географически группа малых озер расположена на северо-западе Архангельской области, в 11 километрах от Двинского залива Белого моря и входит в водосбор беломорского бассейна. Группа озер включает в себя 4 озера и по площади поверхности они убывают в следующем порядке: озеро Кудьмозеро, Кородское, Белое и Каменное. Наиболее крупным среди них является озеро Кудьмозеро, которое имеет длину 4,5 км, а в ширину достигает 3,2 км, максимальная глубина до 6 м. Основанием озер служит север Русской плиты. Осадочный чехол в основном сформирован усть-пинежской свитой венда и имеет мощность от 20 до 100 м [1; 2]. Климат в районе озер умеренный морской, который формируется под воздействием воздушных масс Баренцева и Белого морей. За год выпадает 600–680 мм осадков. Для этой территории характерны высокая влажность воздуха и большое количество дней с осадками.
В течение двух лет, с 2016 по 2017 гг., в летний период было отобрано 34 пробы поверхностных природных вод с целью определения в них активности изотопов урана (рис. 1).
Рис. 1. Карта точек отбора проб воды с поверхности озер
Первичная подготовка проб заключалась в отборе вод с поверхности озера, определении минерализации и консервации кислотами. В лабораторных условиях пробу объемом 10 л упаривали, вводили необходимое количество изотопной метки 232U. Окрашенные гуминовыми веществами воды озер осветляли H2O2, концентрацией 32 %.
Радиохимическая обработка проб включала в себя стандартную аттестованную методику для определения объемной активности изотопов урана в водах, разработанную ВИМС им. Н.М. Федоровского, и предусматривала несколько этапов.
Первично подготовленные пробы упаривались до 1 литра, и с помощью гидроокиси железа изотопы осаждались водным раствором аммиака, одновременно очищаясь от радионуклидов с близкими к урану энергиями распада [3].
Следующим этапом проводили экстракцию изотопов урана. Из полученного ранее азотнокислого раствора, свободного от изотопов 210Po и 226Ra, извлекали изотопы урана 30 % раствором трибутилфосфата в толуоле, одновременно избавляясь от мешающего изотопа 230Th [3]. Следующей ступенью является реэкстракция урана, для чего органическую фазу промывают дистиллированной водой, в которую и переходят изотопы урана. Водный реэкстракт выпаривают досуха, прибавляют 5 мл концентрированной азотной кислоты для удаления следов органических веществ и снова выпаривают досуха [3].
Заключительная часть радиохимической подготовки пробы включает в себя электролитическое осаждение изотопов урана на подложку из нержавеющей стали. Сухой остаток растворяют в 0,5 М HNO3, добавляют поочередно трилон Б, насыщенный раствор щавелевокислого аммония и 25 % раствор хлористого аммония, устанавливают pH = 9 и переводят в электролитическую ячейку. Осаждение проводят 30 минут на диск при токе 2А [3]. В качестве положительного электрода применяется платина, отрицательным электродом служит диск из нержавеющей стали. По окончании электролиза диск извлекают, промывают дистиллированной водой и сушат. Счетный образец готов к измерению. Измерение активности проводили в течение 60000 секунд на спектрометрическом комплексе «Прогресс альфа». Результаты обрабатывались в программном обеспечении «Progress 3.20».
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенных исследований озер и обработки данных проявились некоторые особенности распределения изотопов урана, отраженные на рис. 2. Активность изотопа 234U в целом, по четырем озерам, колеблется от 0,0014 Бк/л до 0,0036 Бк/л. Активность изотопа 238U изменяется в пределах от 0,0010 до 0,0023 Бк/л. Соотношение изотопов урана минимально в озере Белом и составляет 1,1 единиц, достигая максимальных значений в озере Каменном (более 3,3). Активность изотопа 235U во всех пробах не превышает природного соотношения к четным изотопам урана, что указывает на отсутствие поступления его в воду из техногенных источников. Валовая концентрация изотопов урана изменяется в пределах от 0,84 до 1,83*10-7 г/л по данным масс-спектрометрических исследований.
а)
б)
в)
Рис. 2. а) активность изотопа 234U, Бк/л; б) активность изотопа 238U, Бк/л; в) соотношение активностей изотопов234U/238U
Наиболее интересно распределение активности четных изотопов урана непосредственно по озерам. Каждое из озер отличается друг от друга, хотя в целом не имеет аномальных, очень резких отличий. Особняком стоит оз. Каменное которое имеет достаточно низкие значения 238U (0,00104 Бк/л) и повышенные значения 234U (0,00359 Бк/л).
Соответственно, эти активности обуславливают особенно высокие показатели изотопного соотношения достигающего 2,5–3,3 единиц. Это указывает на то, что вода в этом озере формируется преимущественным образом за счет источников подземных вод с медленной инфильтрацией и поверхностных источников, имеющих большую площадь контакта воды с горной породой, что обогащает ее легким изотопом урана (эффект Чердынцева – Чалова). Два других озера, Белое и Кородское, в целом похожи по изотопному составу и концентрации урана. Однако следует отметить, что если активности 238U в обоих озерах схожие, то активность дочернего изотопа 234U в озере Кородское имеет повышенные значения, что свидетельствует о наличии источников подтока подземных вод.
Наиболее детально подверглось изучению крупнейшее из группы малых озер – Кудьмозеро. Здесь было отобрано 17 проб поверхностных вод и построены карты пространственного распределения активности изотопов и валового содержания урана в воде.
Легкий изотоп 234U имеет максимальные значения активности от 0,00235 до 0,00245 Бк/л в западной и северо-восточной частях озера. Это, очевидно, связано с впадением в этих местах рек, имеющих повышенные значения этого изотопа (рис. 3, а).
Рис. 3. а – объемная активность 234U Бк/л; б – объемная активность 238U Бк/л; в – соотношение объемных активностей 234U/238U; г – валовая концентрация изотопов урана, n*10-7г/л
Что касается материнского изотопа 238U, то его активность, напротив, в данных районах минимальная (0,00120–0,00135 Бк/л). Максимальные значения в 0,00175 Бк/л 238U отмечаются в южной части озера, что связано с источниками разгрузки подземных вод на дне и параметрами активностей втекающих в этом месте речных вод (рис. 3, б).
Районы озера с относительно высокими значениями соотношения объемных активностей 234U/238U (рис. 3, в) указывают на то, что формирование поверхностных вод здесь происходит под влиянием втекающих рек с замедленной циркуляцией, приводящей к захвату выведенного из кристаллических решеток и подготовленного для растворения урана (эффект Чердынцева – Чалова) [4]. Кроме того эти реки несут небольшой объем воды, но имеют большую контактную поверхность с вмещающими русло породами. Максимальные обнаруженные значения для этого показателя составляют 1,65–1,70 единиц, минимальные 1,10.
На карте распределения валовой концентрации урана (рис. 3, г) видно, что максимальные значения находятся на юге озера и достигают 1,4*10-7г/л. Минимальные значения зафиксированы на северо-западе и на востоке озера, где они составляют 1,00–1,05*10-7 г/л. Эти минимальные показатели обусловлены несколькими факторами: 1 – втекающей в него рекой с более высокой скоростью течения, когда вода не успевает обогатиться легким изотопом (эффект Чердынцева – Чалова)[4]; 2 – подтоком подземных источников имеющих высокую концентрацию урана и как следствие низкий коэффициент соотношения 234U/238U; 3 – небольшой протяженностью втекающей в данном месте реки; 4 – влияние валунно-галечных пород, слагающих речное русло, обогащающих воду ураном;
В целом гумидный климат района исследований оказывает влияние на понижение валовой концентрации урана из-за сильного разбавления речных и поверхностных озерных вод атмосферными осадками, которые имеют на порядок более низкие концентрации изотопов урана. Как правило, для озер с характерными гумидными условиями, где испарение подчинено атмосферным осадкам, концентрация урана не превышает 1,0–3,0 *10-7 г/л по сравнению с высокими значениями в аридных районах Земли. Это подтверждают и наши исследования группы малых озер. Помимо четных изотопов урана в их природную смесь входит и 235U, который используется в атомной энергетике. Замеры данного радионуклида не выявили каких либо значений отличных от естественного природного соотношения как в озере Кудьмозеро, так и в остальных, менее крупных.
Выводы
В заключение можно сказать, что в поверхностных водах отсутствуют какие-либо опасные уран-изотопные аномалии, а измеренные значения соответствуют нормам безопасности [5]. Распределение изотопов урана подчинено естественным потокам его поступления и распределения. Аномально высоких или низких значений объемной активности также не зафиксировано. Соотношение активностей изотопов больше единицы и находится в допустимых пределах для озер данного климатического пояса. Однако впервые проведенные, довольно подробные, измерения альфа-активности изотопов урана на данной территории выявили индивидуальные особенности поверхностных вод каждого озера. Наиболее интересным с точки зрения изотопных исследований вод являются два объекта: оз. Каменное и места с повышенным соотношением изотопов 234U/238U на оз. Кудьмозеро. Поиск мест разгрузки подземных вод в озерах представляет большой интерес, и данная работа позволяет определить возможные дислокации этих точечных источников. Проделанные исследования логично подталкивают авторов к тому, чтобы отдельно изучить вышеупомянутые зоны с отбором придонных вод для изотопных, химических и масс-спектрометрических исследований. Кроме того, для понимания всей картины поступления и перераспределения изотопов урана необходимо провести отбор донных проб для определения в них изотопного и химического состава, что уже и было начато в 2017 г. на одном из озер данной группы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства научных организаций (проект № АААА-А16-116052710105-1) и УрО РАН (проект № 18-5-5-26).