Радон является важным фактором геологической среды, который влияет на частоту неинфекционной заболеваемости населения, в первую очередь онкологической [1]. Отмечается значимость изучения длительного воздействия радона и связанного с ним канцерогенного риска [2]. Низкодозовое (резидентное) бытовое облучение радоном в настоящее время в исследованиях рассматривается в качестве важного фактора канцерогенеза [3].
Естественным причинам радоновой опасности геологической среды посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей [4–6]. Хорошо изучены механизмы концентрации и рассеивания радона, его пространственные закономерности распределения и приуроченность к определенным тектоническим структурам. Полученные результаты лежат в основе создания карт радоноопасности территории или геогенного потенциала радона.
Техногенные причины увеличения радоновой опасности геологической среды в основном связывают с областями отработки высокорадиоактивных руд, где описаны закономерности изменения радиоактивного фона, которые, как правило, затрагивают все компоненты окружающей среды [7–8]. На территориях добычи слаборадиоактивных полезных ископаемых существенного изменения радиологических показателей, как правило, не фиксируется. В целом для таких территорий радиологические параметры определяются главным образом особенностями транспорта радона из недр к поверхности, который преимущественно осуществляется по нарушениям. Это характерно и для угледобывающих территорий. Открытый способ добычи угля считается наиболее геоэкологически неблагоприятным в отношении окружающей среды, поскольку он воздействует на все компоненты окружающей среды, одновременно с этим существенного роста радиационных параметров в них не наблюдается. Подземный способ добычи угля определяет меньшее химическое загрязнение ландшафтов, в то же самое время происходит образование областей повышенной трещиноватости пород, которым сопутствуют проваливание и проседание грунта. К ним приурочены обильные выходы различных газов (метана, угарного газа, углекислого газа, водорода, радона и др.) [9]. Механизмы его поступления на поверхность изучены на территории угольных шахт Китая и Австралии. В исследованиях по миграции радона над шахтной выработкой его обычно используют как косвенный индикатор подземного горения пластов угля [10]. На территории старопромышленных районов Великобритании, Германии и Польши были зафиксированы превышения концентрации радона в почвенном воздухе и подвальных помещениях жилых строений [11; 12]. Наряду с этим в Кузбассе на территориях угледобычи, где применяется подземный способ, были обнаружены высокие и существенно превышающие фоновые уровни показатели плотности потока радона из грунта [13; 14], что позволило в настоящей работе рассматривать данный антропогенный механизм образования транспортных путей для этого газа в качестве существенного фактора радиационной опасности для населения.
Таким образом, геологическая среда представляет собой весьма неоднородный объект в отношении эманаций радона на поверхность. Это обстоятельство может приводить к формированию разных по своему масштабу и интенсивности влияния зон повышенной потенциальной радоновой опасности, которые необходимо выявлять и территориально выделять. Наиболее подходящим средством для пространственной оценки выступают геоинформационные системы.
Предварительная территориальная оценка причин радоноопасности геологической среды производится с целью их ранжирования по степени распространенности на территории и расчета потенциального риска для населения. Данная оценка может быть востребована при принятии решения о назначении земель под индивидуальное жилищное строительство (ИЖС) либо определении мер радонозащиты.
Материалы и методы исследования
Большое количество поселений в Кемеровской области располагается на или в непосредственной близости к местам добычи угля, что может вызывать повышенный риск, связанный с воздействием радона на человека. В настоящее время отсутствуют работы по выявлению радоновой опасности Кузнецкого угольного бассейна, в частности в местах активной добычи угля подземным способом, что определяет необходимость проведения подобного исследования для данной территории. Типовым объектом был выбран Ленинск-Кузнецкий городской округ, который является одним из старейших районов добычи угля, со значительными площадями шахтных полей и присутствием крупных тектонических нарушений, что делает его подходящим для пространственного исследования антропогенных и естественных факторов радоноопасности, с целью последующей экстраполяции закономерностей на аналогичные территории Кузбасса.
В работе использовалась среда ArcGIS, в которой были созданы слои пространственной и атрибутивной информации: жилые строения, геологическая карта района исследований, шахтные поля и т.п. Также применяемая система позволяет оперативно обновлять базу по мере поступления новых данных.
Пространственная оценка потенциальных факторов радоноопасности геологической среды основана на установленных ранее фактах их взаимосвязи. Для каждой территории могут быть выбраны ключевые факторы и оценена их площадная доля (F) в территории региона по формуле:
где Fi – площадная доля фактора в районе, Si – площадь влияния фактора, S – общая площадь территориального образования.
По своей сути для составления предварительной схемы оценки мы используем ранжирование по площади распространения того или иного фактора геологической среды.
Со стороны естественных факторов радоноопасности были предложены:
– состав пород (при составлении мелкомасштабной карты ограничиваются границами свит (для стратифицируемых толщ) или комплексов пород (для плутонических комплексов));
– тектоника (дизъюнктивные нарушения и сопутствующая им зона дробления и трещиноватости). Границами воздействия фактора считалась линия потенциального окончания зоны трещиноватости тектонических нарушений. Их ширина установлена по данным геологических отчетов.
Среди антропогенных факторов радоноопасности:
– загрязнение радиоактивными элементами, материнскими по отношению к радону (рассматриваются обычно рассеивание вследствие выемки, взрывов, транспортировки и иных действий, которым сопутствует рассеивание загрязняющих веществ (ЗВ)). В представленной работе данный фактор не рассматривался;
– формирование или регенерация трещиноватости пород в результате ведения горных работ (границы воздействия данного фактора аппроксимированы шахтным полем).
Территориальная оценка радоноопасности жилых строений с учетом потенциальных факторов геологической среды производится с целью уточнения возможных рисков для уже проживающего населения и производится по формуле:
где Af – доля жилых строений на территории потенциального фактора радоноопасности в районе, Ni – число жилых строений на территории потенциального фактора радоноопасности, N – общее число строений.
Оценка сводится к определению доли жилых строений, расположенных на территории проявления того или иного фактора, ко всем частным жилым строениям. Из изучения целенаправленно были исключены многоэтажные жилые строения, поскольку, по материалам ранее проведенных исследований, они являются безопасными в отношении радона.
Результаты исследования и их обсуждение
Для пространственной оценки потенциальных источников радоноопасности территории Ленинск-Кузнецкого городского округа была построена картосхема (рисунок).
Вследствие существенных различий между распространенностью потенциальных источников естественной и антропогенной радоноопасности геологической среды и размещения ИЖС в Ленинск-Кузнецком районе, возникает необходимость их сравнения (таблица).
Ключевым источником радоноопасности геологической среды, с точки зрения занимаемого пространства городского поселения, являются антропогенно сформированные нарушения в зоне добычи угля. Шахтные поля занимают ≈ 47,72 % территории Ленинска-Кузнецкого, а в пределах этого пространства расположены 48,06 % малоэтажных частных жилых строений. Взяв во внимание данные ранее проведенных исследований о радоноопасности грунтов и жилых строений, расположенных в зоне подземной выработки, [11; 12] можно утверждать, что данный фактор определяет высокий уровень радиационной нагрузки на население в городе. С учетом слабой радиоактивности горных пород описанных ранее свит и данных, приведенных в исследованиях других авторов [15], вторым источником радоноопасности являются участки тектонической нарушенности, которые занимают 7,58 % территории городского поселения. В пределах этих естественных нарушений расположены 13,33 % жилых строений.
Расположение основных потенциальных источников радоноопасности и частных малоэтажных жилых строений
Распространенность потенциальных естественных и антропогенных источников радоноопасности геологической среды и доли жилых строений в их пределах для территории Ленинск-Кузнецкого городского округа
|
Потенциальные источники радоноопасности |
Вся территория |
Шахтное поле |
||
|
(Fi), % |
(Af), % |
(Fi), % |
(Af), % |
|
|
Состав пород (свиты) |
||||
|
P2km |
29,98 |
64,47 |
11,34 |
35,58 |
|
P2us |
63,63 |
35,56 |
36,07 |
12,47 |
|
P2ln |
5,83 |
0,58 |
0,31 |
0,01 |
|
J1os |
0,61 |
0,00 |
0 |
0 |
|
Тектоника (крупные тектонические нарушения) |
||||
|
Виноградовский взбросо-надвиг |
2,67 |
2,82 |
0 |
0 |
|
Журинский взбросо-надвиг |
3,38 |
8,71 |
0,21 |
0,42 |
|
Кильчигизский взбросо-надвиг |
0,05 |
0,00 |
0,05 |
0 |
|
Нарушения меньшей амплитуды |
1,50 |
1,88 |
0,81 |
1,28 |
|
Все нарушения |
7,58 |
13,33 |
1,06 |
1,69 |
|
Тектоника и состав пород |
||||
|
P2km |
3,65 |
9,10 |
0,42 |
1,56 |
|
P2us |
3,91 |
4,59 |
0,64 |
0,13 |
Примечание. *P2km – казанково-маркинская свита; P2us – ускатская свита; P2ln – ленинская свита; J1os – осиновская свита.
Анализ показывает, что расположение ИЖС, вероятно, не учитывает наличие источников естественной потенциальной радоноопасности. Наблюдается увеличение числа жилых строений в казанково-маркинской свите (P2km) при меньшем ее распространении, в том числе и зоне тектонической нарушенности, которая связана в первую очередь с Журинским взбросо-надвигом и нарушениями меньшей амплитуды. Данный факт предположительно можно объяснить меньшей современной перспективностью казанково-маркинской свиты в отношении потенциала добычи угля.
Распределение ИЖС также, вероятно, не в полной мере учитывает антропогенные потенциальные источники радоноопасности геологической среды. Число строений увеличивается на территории шахтных полей казанково-маркинской свиты, в том числе и в пределах одновременной естественной и техногенной нарушенности пород данной стратифицируемой толщи. Что, предположительно, можно связать с вытеснением жилых земель под ИЖС с территорий отрабатываемых в настоящее время шахтных полей.
Данные факторы естественной и антропогенной потенциальной радоноопасности геологической среды являются первостепенными для изучения с учетом распространенности ИЖС в их пределах.
При установлении средних показателей плотности потока радона из грунта и эквивалентной равновесной объемной активности радона в жилых строениях предложенная методика может быть дополнена усреднением по всему административному образованию с учетом доминантных территорий.
Заключение
Таким образом, проведенный с помощью предлагаемой методики анализ потенциальных источников радоноопасности территории Ленинск-Кузнецкого городского округа позволил выделить существенные неоднородности в распределении ИЖС, которые предположительно вызваны в числе прочих причин влиянием расположения современных отрабатываемых подземным способом пространств, но без должного учета радиологических рисков для населения.
Выяснение доли строений, расположенных в той или иной части геологической среды с определенным набором факторов, связанных с радоновой опасностью, может предоставить более точные данные для сравнения с эпидемиологической статистикой по новообразованиям дыхательной системы административных территорий. В целом данный подход позволит более достоверно выяснить вклад наиболее существенных факторов геологической среды в общий канцерогенный риск населения угледобывающих районов Кузбасса.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-35-00390.