Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Введение

Основополагающим в современной жизни стало понятие экологической безопасности жизнедеятельности человека, одной из составляющих которого является допустимый радиационный фон. Современный уровень развития общества приводит к тому, что одним из важнейших параметров, оказывающим непосредственное влияние на выбор строительных материалов для обеспечения деятельности человека, служит экологическая безопасность, в том числе радиационная составляющая.

Функционирование предприятий по добыче общераспространенных полезных ископаемых оказывает глобальное кратно увеличивающееся влияние на основные биогеоценозы [1]. Радионуклиды представлены во всех оболочках Земли, они содержатся в педосфере, гидросфере, атмосфере, а также в донных отложениях. Ряд ключевых природных радионуклидов представлен в основном Rn222, Ra226, Th232, U234, U238, K40; к антропогенным относится Cs137.

В данной работе рассматриваются комплексный подход к определению возможного негативного воздействия радионуклидов, а также антропогенное влияние на изменение естественной радиационной составляющей. В течение 2024 года были выполнены работы по измерению мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения, удельной активности радионуклидов и плотности потока радона на разрабатываемом месторождении.

Цель исследования – комплексная оценка антропогенного влияния на изменение естественной радиационной составляющей на месторождении гипса в Архангельской области.

Материалы и методы исследования

Исследовательские работы проводились в Холмогорском районе Архангельской области в 10 км от Светлозерского поселения на участке недр Чугская площадь. Точки отбора проб располагались на территории горного отвода месторождения гипса «Глубокое», а также в непосредственной близости от него (рис. 1).

В летний период 2024 года в пределах горного отвода и на прилегающих территориях были проведены работы по измерению мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма-излучения и плотности потока радона. Также изучалось распределение удельной активности радионуклидов Cs137, К40, Ra226, Th232 в донных отложениях и U234, U238 в поверхностных водотоках.

Для определения мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма-излучения участка, разрабатываемого открытым способом месторождения, а также прилегающих территорий в радиусе до 300 м использовался дозиметр-радиометр МКС-АТ1117М с блоком детектирования БДКГ-03 (производитель – НПУП «АТОМТЕХ», диапазоны измерений мощности амбиентного эквивалента дозы от 0,03 до 300 мкЗв/ч; пределы допускаемой основной относительной погрешности ±20%). Всего выполнено 230 измерений МАЭД как на территории карьера, так и за его пределами (на близлежащих фоновых территориях, прилегающих к карьеру).

Для выполнения гамма-спектрометрических измерений радионуклидов цезия-137, радия-226, тория-232, калия-40 пробы донных осадков сушили до воздушно-сухого состояния в лаборатории. Счетные образцы из проб подготовлены согласно Инструкции № И-04.15 по подготовке счетных образцов для последующего определения активности радионуклидов на сцинтилляционном гамма-спектрометре «Прогресс-гамма». Измерение удельной активности изотопов проводили на сцинтилляционном гамма-спектрометре «Прогресс-гамма» (полное наименование прибора – Комплекс спектрометрический для измерений активности альфа-, бета- и гамма-излучающих нуклидов «Прогресс» с блоком детектирования БДЭГ3-2У) по методике «Методика измерения активности радионуклидов в счетных образцах на сцинтилляционном гамма-спектрометре с использованием программного обеспечения Прогресс (утверждена начальником ЦМИИ ГНМЦ «ВНИИФТРИ» Ярыной В.П. 07.05.1996)» [2] в геометрии Маринелли объемом 1 л. Полученные с помощью программного обеспечения гамма-спектры были расшифрованы с целью получения значений удельной активности цезия-137, радия-226, тория-232 и калия-40 в счетных образцах. Также выполняли заверку значений с использованием низкофонового полупроводникового гамма-спектрометра ORTEC (США) на основе коаксильного детектора GEM10P4-70 из особо чистого германия (HPGe): цифровой анализатор DSPEC LF, программное обеспечение MAESTRO-32.

Рис. 1. Район исследования Источник: составлено авторами

Для определения растворенного урана отбирали пробы воды объемом не менее 5 л. Выделение изотопов урана из подземных вод осуществляли методом осаждения на гидроксидах железа, подготовку счетных образцов и измерение изотопов урана в водах выполняли по методике ФР.1.40.2013.15389 «Методика измерений объемной активности изотопов урана (238U, 234U, 235U) в пробах природных (пресных и минерализованных), технологических и сточных вод альфа-спектрометрическим методом с радиохимической подготовкой», разработанной ФГУП «ВИМС» [3]. Выход урана контролировали введением в пробу изотопного трассера 232U, энергия альфа-излучения которого заметно отличается от энергии естественных изотопов урана. Определение концентраций урана (мкг/л) и изотопного отношения (234U/238U) выполняли после радиохимической подготовки, включавшей переведение пробы в азотнокислый раствор; выделение определяемых изотопов с отделением мешающих радионуклидов; приготовление электролитическим способом тонкого счетного образца на подложке из нержавеющей стали. Спектрометрическое детектирование осуществляли с помощью полупроводникового альфа-спектрометра «Мультирад-АС» с погрешностью 3–7%. Общую концентрацию урана определяли по активности изотопа 238U, составляющего более 99% по массе в изотопной смеси природного урана. При измерении подготовленных счетных образцов (подложек) на альфа-спектрометре получены спектры, расшифровка которых позволила определить такие параметры, как концентрация общего урана, активность урана-238, урана-235 и урана-234, и рассчитать изотопное отношение урана-234 к урану-238.

Определение плотности потока радона (ППР) выполняли на профиле, состоящем из 14 точек отбора. Для полевых измерений ППР применяли Комплекс измерительный для мониторинга радона, торона и их дочерних продуктов «Альфарад плюс» – АР (производитель Производственная компания «НТМ-Защита», Россия) с использованием автономной воздуходувки, фильтров-осушителей, накопительной камеры. Диапазон измерения величины плотности потока радона с поверхности грунта составляет от 20 до 103 мБк/с·м2. Предел допускаемой относительной погрешности при измерениях величины плотности потока радона-222 с поверхности грунта не более ±30%.

Результаты исследования и их обсуждение

Для определения МАЭД гамма-излучения был выбран участок площадью более 250 га, который включал территорию горного отвода месторождения гипса, а также 300-метровую зону по периметру карьера. Замеры производили по квадратной сетке с шагом 100 на 100 м, общее количество замеров составило 229 штук. Дозиметр-радиометр МКС-АТ1117М, оснащенный блоком обработки информации (БОИ) и блоком детектирования гамма-излучения (БДКГ-03), использовали для получения полевых данных. Идея исследования состояла в том, что предполагалось, что в глинах и суглинках содержится повышенное значение естественных радионуклидов, которые в результате деятельности карьера концентрируются в отвалах вскрышных пород. Обобщенная информация представлена в таблице 1.

Таблица 1

Результаты определения МАЭД гамма-излучения

Примечание: составлено авторами.

Рис. 2. Площадное распределение МАЭД Источник: составлено авторами

В результате было установлено, что максимальное значение гамма-излучения составляет не более 2,76% от предельных дозовых нагрузок (ПДН), установленных СанПиН 2.6.1.2523-09 для рабочих мест. Экспериментальные данные стали основой для построения схемы площадного распределения (рис. 2), на которой были выделены участки с пониженными значениями МАЭД. Эти участки приурочены к открытым гипсовым массивам, так как гипсы имеют низкие значения активности естественных радионуклидов. Согласно данным предприятия, разрабатывающего карьер гипса «Глубокое», Аэфф составляет 11,1 Бк/кг. Однако в карьере отмечаются участки с повышенными значениями, которые приурочены к отвалам вскрышных пород, представленных смесью суглинков, глин и обломков гипса в разных пропорциях. Следовательно, в результате горных работ происходило локальное перераспределение естественных радионуклидов на территории карьера.

Оценку плотности потока радона (ППР) осуществляли на 14 точках вдоль профиля, пересекающего территорию горного отвода месторождения с юга на север (рис. 3). Для определения ППР использовали радиометр Альфарад+ с автономной воздуходувкой. Основные результаты показаны на рисунке 3. Установлено, что на территории карьера гипса отмечаются значения ППР от 6 до 61 мБк/(м²с), что соответствует первому классу по радоноопасности (ППР менее 80 мБк/м²с). Здесь для устранения проблемы достаточно организовать обычную вентиляцию помещений, в которых располагается рабочий персонал.

Рис. 3. Распределение плотности потока радона Источник: составлено авторами

Максимальные значения в 159 и 181 мБк/(м²с) выявлены на территориях за пределами карьера, где отсутствует антропогенное воздействие на почвенный покров. Значения ППР от 80 до 200 мБк/м²с соответствуют второму классу по радоноопасности. Из этого можно сделать вывод, что гипсовая толща представляет собой непроницаемую оболочку, которая минимизирует выходы радона на поверхность, что, в свою очередь, подтверждает фактор влияния геологии подстилающих пород [4–6]. Деятельность горнорудного предприятия изменяет естественный фон, снижая плотность потока радона в выработанном пространстве карьера.

Таблица 2

Распределение радионуклидов и химических элементов в донных отложениях и физико-химические параметры донных отложений

Примечание: составлено авторами.

Распределение удельной активности радионуклидов Cs137, К40, Ra226, Th232 в донных отложениях является частой практикой для анализа экологического состояния регионов [7–9]. Донные отложения служат накопителями радионуклидов, при этом они поглощают более 80% радиоактивности [10, 11]. В период летней экспедиции 2024 года было отобрано 10 проб донных отложений в реках и озерах, расположенных в непосредственной близости от месторождения гипса (рис. 1). Полученные данные, а также данные по химическому составу и физико-химическим свойствам проб представлены в таблице 2. Полученные значения удельной активности радионуклидов сравнивали с кларковыми значениями изотопов в земной коре или почвах. Для Ra226 и Th232 среднее значение удельной активности радионуклидов составило 17,94 Бк/кг и 10,09 Бк/кг соответственно, что не превышает 62% и 41% от кларковых значений почв [12]. При сравнении полученных значений радионуклида К40 с кларками элемента в почвах (370 Бк/кг), а также в земной коре (655 Бк/кг) авторами выявлено четыре пробы, в которых значения превышают кларк для почв, а именно ДГЛ-1 – 1 373,6 Бк/кг; ДГЛ-5 – 407,4 Бк/кг; ДГЛ-8 – 380,7 Бк/кг; ДГЛ-13 – 396,2 Бк/кг. Точки отбора проб с превышенными значениями находятся в отложениях рек Чуга и Позера. Средний показатель для удельной активности К40 320,87 Бк/кг не превышает кларк для почв и земной коры. При сравнении удельной активности антропогенного радионуклида Cs137 использовали данные, полученные при исследовании озер и рек Архангельской области и Республики Карелия [13]. Показатели в 1–124 Бк/кг были установлены в озерах Архангельской области. Выявленные значения в 1,6–20,8 Бк/кг не превышают фоновых значений для региона. Кроме сравнения результатов исследования с кларковыми значениями, была рассчитана удельная эффективная активность естественных радионуклидов:

Аэфф = АRa + 1,31ATh + 0,085 AК,

где АRa, ATh, AК – удельные активности радия, тория и калия в Бк/кг.

Результаты расчетов представлены в таблице 3. В рамках радиационно-гигиенической оценки полученные значения удельной эффективной активности сравнивали с показателями ГОСТ 8267-93, в котором установлено что при Аэфф менее 370 Бк/кг материал (щебень и гравий) может применяться во вновь строящихся и общественных зданиях. Полученные результаты показали отсутствие точек отбора проб с превышением предельного значения Аэфф в 370 Бк/кг, среднее значение Аэфф – 58,4 Бк/кг, что составляет 15,8% от нормативного.

Таблица 3

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов

Примечание: составлено авторами.

В рамках статической обработки результатов была подготовлена корреляционная матрица (табл. 4). На ее основе выявлен ряд элементов с сильными положительными связями (коэффициент корреляции более 0,87). Также на основе корреляционной матрицы можно сделать вывод об отсутствии элементов с сильной отрицательной связью. Отмечается сильная положительная зависимость между Cs137 и Pb r=0,95; Cs137 и Ti r=0,94; Cs137 и Cu r=0,93, что свидетельствует об их антропогенном источнике. График взаимодействия сильных связей представлен на рисунке 4.

Эксперимент, направленный на изучение распределения изотопов урана в поверхностных водах, включал в себя отбор 14 проб для определения активности изотопов U238, U234, U235, U232, соотношения между U234 и U238, а также концентрации урана. Подготовка (осаждение изотопов на хлорном железе), а также замеры на альфа-спектрометре выполняли в лаборатории радиологии ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН. Результаты исследования представлены в таблице 5.

Таблица 4

Корреляционная матрица связей

Примечание № 1: составлено авторами.

Примечание № 2: Красным цветом обозначены значения, которые являются значимыми. Из них были выбраны пары элементов, у которых коэффициент корреляции выше 0,87.

Рис. 4. График сильных связей между элементами Источник: составлено авторами

Таблица 5

Результаты отбора проб поверхностных вод на изотопы урана

Примечание: составлено авторами.

Максимумы активностей изотопов урана, а также его концентрации отмечаются в точке ГЛ-11 (зумпф для сбора карьерных вод), минимум же приурочен к естественному небольшому озеру, находящемуся за пределами карьера и имеющему атмосферное питание. Во время проведения экспедиции уровень поверхностных вод был низкий, в связи с этим питание озера было преимущественно за счет атмосферной воды, которая, в свою очередь, имеет низкие значения активности изотопов урана. К тому же экспедиция проводилась в летнюю межень, в связи с чем были отмечены максимальные значения из-за концентрирования в результате испарения. Максимальные концентрации урана в водах карьера обусловлены интенсивным химическим выветриванием вскрышных пород в отвалах. В зумпфе также выявлены максимальные значения минерализации воды за счет подземного питания. В истоках реки Позера выше по течению от карьера урана меньше из-за большей составляющей атмосферных вод, далее идет смешивание с подземными водами. Пробы в р. Чуга отбирались в местах, где отмечались выходы подземных карстовых вод, поэтому в них также наблюдаются повышенные концентрации урана [14]. Отношение активностей изотопов урана 235U/238U соответствует природному, что свидетельствует об отсутствии поступления данного изотопа из техногенных источников [15]. Влияние карьера на состав прилегающих водотоков обусловлено тем, что в результате проведения добычных, взрывных работ возрастает трещиноватость породного массива, что увеличивает скорость растворения пород и приводит к увеличению концентрации урана в зумпфе, а также в водах рек Позера и Чуга.

Заключение

Итогом исследовательской работы по изучению радиационного фона на месторождении гипса в Архангельской области является тот факт, что общий фон находится в пределах нормативных требований. Параметры МАЭД гамма-излучения составляют не более 3% от предельно допустимых значений. На территории горного отвода выделяются два участка по степени радоноопасности, первого и второго классов, при этом умеренная защита необходима на участке второго класса, а на участке первого класса достаточно обычной вентиляции помещений, в которых находится рабочий персонал.Активности радионуклидов в донных отложениях и воде не превышают кларковых значений и нормативных показателей.

Также нужно отметить, что деятельность горного предприятия приводит к локальным изменениям радиационного фона. Так, на фоне снижения гамма-излучения и плотности потока радона на территории карьера фиксируются повышенные значения гамма-излучения в отвалах вскрышных пород, а в карьерных водах повышаются концентрации урана.