Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА

Глава 32. ГЕОХИМИЯ ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В ЛАНДШАФТАХ

 

геохимия

 

Смотрите также:

 

История атомов и география - Перельман

 

Геохимия - химия земли

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

почвы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

Биология

 

Эволюция биосферы

 

Геоботаника

 

 Биографии геологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

В середине XX столетия в результате ядерных испытаний и работы предприятий атомной промышленности началось загрязнение земной поверхности искусственными радионуклидами, которых ранее наша планета не знала. Одной из теоретических основ мониторинга и борьбы с радиоактивным загрязнением земной поверхности стала геохимия ландшафта.

 

Искусственные радионуклиды различаются по типам излучения (a, b, g), интенсивности, периодам полураспада (табл. 32.1). Не одинаково и количество отдельных радионуклидов, поступающих в ландшафт. Так, например, в результате чернобыльской катастрофы 1986 г. в ландшафты Белоруссии, Украины и России поступили радиоактивные изотопы йода — йод-129 и йод-131, первого намного меньше, чем второго. Период полураспада йода-131 8,04 суток, он практически полностью распадается за 2,5 месяца и, следовательно, не представляет опасности в длительной перспективе. Наоборот, стронций-90 и цезий-137 с периодами полураспада около 30 лет могут загрязнять ландшафт свыше 100 лет. Наконец, плутоний-239 с периодом полураспада 24 тыс. лет будет загрязнять территорию практически вечно. При изучении и прогнозировании последствий загрязнения необходимо учитывать и особенности миграции радионуклидов.

 

Источники радионуклидного загрязнения

 

Глобальные источники. Они возникли в 1945 году в результате американских атомных бомбардировок городов Хиросима и Нагасаки. В дальнейшем глобальное значение приобрели испытания ядерного оружия на земной поверхности и в атмосфере, в результате которых стронций-90, цезий-137 и другие радионуклиды с атмосферными осадками поступали в ландшафты, в значительной степени определив их радиационный фон. В настоящее время интенсивность подобного загрязнения в России незначительна и не представляет серьезной опасности, так как часть радионуклидов распалась.

 

Атомные электростанции (АЭС). Этот источник наиболее характерен для европейской России (Кольская, Ленинградская, Калининская, Смоленская, Курская, Нововоронежская, Балаковская АЭС), а за рубежом — для Франции и Японии. Катастрофическое значение имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. (Украина). Уже в первые сутки радиоактивное облако распространилось в разных направлениях и достигло Белоруссии, многих районов Украины, западного региона России, в котором крупные пятна загрязнения образовались в Брянской, Тульской, Орловской и других областях. Загрязнение проникло в Польшу, Скандинавию, Англию и другие страны. Главным источником радионуклидов для ландшафтов были дожди, с чем и связан "пятнистый характер" загрязнения, когда зараженные пространства чередуются с незараженными. В качестве факторов загрязнения играют роль и эоловый перенос, "растаскивание" загрязненных почв автотранспортом, пожары лесов и торфяников, при которых радионуклиды, содержащиеся в растениях, снова поступают в атмосферу, другие процессы.

 

К радионуклидам, связанным с АЭС, относятся в первую очередь стронций-90, йод-131, цезий-137, а также изотопы аргона, ксенона, марганец-54, кобальт-60, углерод-14, водород-3 и др. При нормальном режиме работы АЭС лаборатории внешнего контроля систематически измеряют радиоактивность атмосферы, почв, вод, растительности, продуктов питания на территории радиусом 30 км. Как правило, загрязнение невелико и узко локализовано в непосредственной близости от станции.

 

Заводы атомной промышленности. К ним относятся предприятия, перерабатывающие урановые руды, получающие оружейный плутоний и другие радиоактивные вещества. Характерными радионуклидами являются плутоний-239, нептуний-237, америций-241 и другие трансураны, а также изотопы йода, инертных газов, водорода, стронция, цезия, церия, рутения и т.д. Как и для АЭС, влияние заводов на радиоактивность окружающих ландшафтов резко различается при нормальном режиме работы и при аварии. Детально изучена авария в районе г. Кыштыма Челябинской области на предприятии "Маяк" (1957 г.).

 

Места захоронения радиоактивных отходов (могильники). Твердые и жидкие радиоактивные отходы в зависимости от суммарной активности делятся на низко-, средне- и высокорадиоактивные. Проблема захоронения низко- и среднеактивных отходов в международной практике решена — контейнеры с отходами хранятся в специальных штольнях, иногда в поверхностных траншеях, в заброшенных шахтах и других горных выработках или даже на дне моря. Предполагается, что за 30-летний период хранения эти отходы в ходе радиоактивного распада становятся практически не опасными. К основным среднерадиоактивным отходам относятся стронций-90 и цезий-137. Сложнее проблема захоронения высокорадиоактивных отходов, так как пока еще ни одна страна окончательно не выбрала места их глубокого захоронения. В результате они хранятся в пристанционных хранилищах АЭС и других предприятий атомной промышленности. Наибольшую опасность представляют высокорадиоактивные трансураны со значительными периодами полураспада — америций-241 и 243, плутоний-239 и 240, нептуний-237, кюрий-244. В случае реализации проектов глубокого захоронения этих отходов в геологических формациях, опасность загрязнения ландшафтов будет минимальной, поскольку при этом используются многократные барьеры на пути возможной миграции радионуклидов: поглощающая керамика, металлический контейнер (рассчитанный на устойчивость в течение 300 лет), монтмориллонитовые, цементные и другие прослойки вокруг контейнера, горные породы в условиях стабильного сейсмического режима и т.д.

 

Прочие источники радиоактивного загрязнения ландшафтов. К ним относятся полигоны, где проводятся испытания ядерного оружия, ядерные реакторы спутников Земли, подводных лодок и надводных кораблей, исследовательских институтов и другие. Их опасность также сильно зависит от региона работы и резко возрастает при авариях. Отметим, что некоторые источники опасны не только при их расположении на территории России. Например, испытания на Семипалатинском полигоне в Казахстане привели к загрязнению некоторых районов Алтайского края за счет северо-западных ветров, принесших радиацию.

 

Основные процессы миграции и концентрации искусственных радионуклидов в ландшафтах

 

Большое практическое значение этих вопросов привлекло к ним внимание многих производственных и научных организаций различных ведомств, включая Госкомгидромет, министерства атомной промышленности, здравоохранения, геологии, сельского хозяйства, академии наук России, Белоруссии, Украины. После чернобыльской катастрофы 1986 г. исследования особенно возросли, они выполнялись как в окрестностях ЧАЭС, так и в более отдаленных районах на территории Чернобыльского следа в России, Белоруссии и Украине. Установлено распределение радионуклидов в приземной атмосфере, поверхностных и грунтовых водах, илах, континентальных отложений, почвах, растительном покрове, животном мире, т.е. во всех компонентах ландшафта. Детально изучено содержание рН в организме людей, продуктах питания, питьевой воде. Особое внимание уделено медицинскому аспекту проблемы. Все эти данные получены на основе разной методологии, но они очень важны для понимания процессов миграции и концентрации рН в ландшафтах.

 

Миграционные процессы. Выщелачивание радионуклидов из элювиального горизонта почв. Эти процессы характерны для всех элювиальных почв, но их интенсивность для разных элементов и разных почв не одинакова.

 

Механическая миграция реализуется на склонах в результате плоскостного смыва — делювиальных и других процессов. В условиях даже слабо расчлененного рельефа эрозия верхних горизонтов загрязненных почв приводит к механической миграции радионуклидов, сорбированных мелкоземом. В лесостепи Среднерусской возвышенности это установил В.В. Соколов. Там делювиальные плащи у основания склонов обогащены радионуклидами на участках, загрязненных в результате чернобыльской катастрофы.

 

Распашка почв облегчает их развевание, что приводит к расширению ареала загрязнения. Если загрязняется снежный покров, то имеет значение и его развевание (сдув). При вспашке наиболее загрязненный поверхностный горизонт почв поступает на глубину около 20 см. Это существенно уменьшает загрязнение поверхности, однако неоднократная вспашка приводит к более или менее равномерному распределению радионуклидов по всему пахотному горизонту.

 

Солифлюкция, дефлюкция, криотурбация и другие мерзлотные процессы механического перемещения материала загрязненного радионуклидами широко распространены в ландшафтах с многолетней мерзлотой. Они могут приводить к латеральной миграции материала загрязненных горизонтов на сотни и даже тысячи метров. Радиальная миграция радионуклидов по профилю почв может быть связана с вымораживанием, образованием "пятен медальонов" и др. мерзлотными явлениями.

 

Миграция радионуклидов в ионной форме. Стронций-90, цезий-137 и другие изотопы мигрируют в почвах, грунтовых и поверхностных водах, частично в виде простых и комплексных ионов. Так как концентрация их ничтожна, то и осаждения из ионных растворов с образованием самостоятельных минералов не происходит. Поэтому главный механизм перехода радионуклидов из раствора в твердую фазу — сорбция.

 

Миграция радионуклидов с растворенным органическим веществом. Большинство из них образует комплексные органические соединения. Эта форма миграции широко распространена и имеет важное значение. Напомним, что поверхностные и грунтовые воды многих гумидных ландшафтов богаты растворенным органическим веществом ("черные" и "коричневые" реки и озера).

 

Концентрация радионуклидов. Сорбция органической и минеральной фракцией почв, илов, кор выветривания, континентальных отложений, осадочных пород. Эти процессы характерны для всех почв и илов, большинства осадочных пород. Они тем интенсивнее, чем выше содержание органического вещества и глинистой фракции. Сорбция может быть как обменной, так и необменной. Энергия поглощения зависит и от свойств радионуклидов. Так, цезий-137 поглощается энергичнее стронция-90, что связано с большим ионным радиусом первого.

 

Концентрация в краевой зоне болот. Данная зона представляет собой комплекс сорбционного, глеевого, часто щелочного геохимических барьеров. Поэтому радионуклиды, поступающие с поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым стоком, задерживаются в этой зоне, что существенно для решения ряда прикладных вопросов.

Испарительная концентрация. Стронций-90 и цезий-137, находящиеся в водах в ионной форме, способны концентрироваться при испарении. Наиболее это характерно для степных и пустынных ландшафтов, где в солевой корке солончаков могут накапливаться радионуклиды. Для гумидных ландшафтов подобные процессы в целом не характерны, но в особо жаркие дни возможна испарительная концентрация ряда радионуклидов (в дождливый период такие испарительные аномалии могут уничтожаться).

Концентрация живым веществом. Растения, животные и микроорганизмы способны поглощать радионуклиды. Это имеет значение для их накопления в деревьях и травах, причем его масштаб зависит от вида концентрации радионуклидов в водах и почвах, от систематического положения организма, его возраста, времени года и других условий.

 

Концентрация радионуклидов на геохимических барьерах. Особенно большое значение для концентрации искусственных изотопов имеют сорбционные барьеры, меньше значение щелочных, восстановительных и других. Отметим три аспекта данных процессов:

1)        Радиоактивные аномалии, образующиеся на барьерах, характеризуются высокой контрастностью, что облегчает их выявление (возможна меньшая чувствительность анализа и т.д.).

2)        Геохимические барьеры можно использовать для локализации радиоактивного загрязнения с целью не дать ему распространиться на большие пространства. Для этого могут использоваться как природные барьеры, так и техногенные. В разных ландшафтах они, как правило, не одинаковы. Так, в полесских ландшафтах большое значение имеют природные и техногенные барьеры краевой зоны торфяных болот, а в черноземных степях — барьеры на основе глин и других дисперсных материалов.

3)        Использование местных материалов для создания техногенных барьеров — осадочных пород, отходов промышленности и т.д. (торф, лессы, известняки, глины, мергеля, красноцветы, трепела, опоки и т.д.). Важное значение при этом приобретает экономический фактор — материал для создания барьеров должен быть дешев, находиться преимущественно в данном ландшафте.

 

Миграция радионуклидов в полесских ландшафтах. Она детально изучена в полесьях Белоруссии, Украины и России, которые подверглись загрязнению при аварии на Чернобыльской АЭС. Установлено, что за первые 3 года после аварии радионуклиды сосредоточились в самом верхнем горизонте почв нередко в одном- двух сантиметрах. Отмечено их накопление в дернине и лесной подстилке, в гумусовом горизонте. В почвенных растворах доказано существование радионуклидоорганических соединений (до 60 — 90% от их общей массы). Стронций-90 и цезий-137 содержатся и в поглощающем комплексе почв.

 

Песчаные почвы ближней зоны ЧАЭС содержали мало воднорастворимых форм радионуклидов — не более 0,On % в горизонте 0 — 5 см. В этом же районе во фракции размером около 1 мм (преимущественно хвойный опад), было сосредоточено 47 — 55% цезия-134, цезия-137, церия-144 и рутения-106. Содержание этой фракции в слое 0 — 5 см составляет 4%. Во фракции 1 — 0,5 мм и 0,5 — 0,25 мм содержалось соответственно 4 и 8% указанных элементов. Установлены и некоторые пространственные закономерности: в Белоруссии с удалением от ЧАЭС в почвах возросло относительное количество изотопов цезия и уменьшалось церия и рутения. К июлю 1988 года в республике основное количество радионуклидов по-прежнему было в верхнем (3 см) слое почвы и только в наиболее северных точках наблюдения они проникали до глубины 20 — 25 см.

 

Для района Чернобыля отмечена тенденция к накоплению радионуклидов в дерново-луговых почвах. В пойменных почвах за год они проникли на глубину 3 — 7 см, за 2 года — на 9 — 12 см. Особенно мала подвижность плутония — максимум его в слое 0 — 1 см. Полагают, что основную роль в миграции плутония играют гумусовые и низкомолекулярные органические кислоты, их соли, а также гидроксиды железа и алюминия. Большинство авторов отмечает большую подвижность стронция-90 по сравнению с цезием-137.

 

Большое значение в перераспределении радионуклидов играют эоловые процессы. Так, при сельскохозяйственных работах происходит вторичное пылеобразование и концентрация радиоактивных аэрозолей в приземном слое воздуха. Определенную роль играет также транспорт по грунтовым и другим дорогам, другие техногенные факторы, активизирующие эоловую деятельность.

 

В почвах полесских ландшафтов радионуклиды концентрируются на радиальных геохимических барьерах — биогеохимическом (накопление мхами, подстилкой, дерниной, гумусом и т.д.) и сорбционных. Последние характерны как для верхних горизонтов, так и для иллювиальных, а также для почв пойм. Латеральные геохимические барьеры также задерживают радионуклиды. Наиболее активны щелочно-сорбционно-глеевые барьеры окраины торфяных болот и кислородно-сорбционные барьеры в местах разгрузки глеевых вод. Менее активны сорбционно-глеевые барьеры окраин слабокислых лугово-болотных ландшафтов. В случае значительного увеличения содержания радионуклидов в почвах и почвенных растворах природные барьеры задержат только их часть и не будут служить препятствием для распространения радиации. Они должны быть усилены искусственными (техногенными) барьерами. Расположение природных барьеров указывает места заложения и техногенных: притеррасья, окраины пойменных лугов и болот, окраины верховых болот. Обширна информация о содержании радионуклидов в растениях, продуктах питания и водах полесских ландшафтов, о дозах, полученных местным населением на загрязненных территориях, о росте там заболеваемости.

 

Последствия Кыштымской аварии

 Она произошла 29 сентября 1957 г. и привела к радиоактивному загрязнению свыше 20 тыс. км2. Последствия аварии изучены детально и всесторонне. На материалах этих исследований развивалась радиационная биогеоценология, основателем которой был выдающийся русский биолог Н.В. Тимофеев-Ресовский (1890 — 1980), ряд лет руководивший исследованиями в районе аварии. Большое значение имели также работы под руководством Д.А. Криволуцкого. Наиболее интенсивно ландшафты были загрязнены в первые 5 лет, в т.н. "острый период" за счет главным образом короткоживущих радионуклидов. Позднее главным носителем радиоактивности стал стронций-90. Благодаря радиоактивному распаду за 30 лет общая радиоактивность уменьшилась в 30 раз, но по стронцию-90 только в два раза. Загрязненная территория — Зауральская лесостепь с относительно ровным рельефом, множеством рек и озер на 50% покрыта березовыми и березово- сосновыми лесами. Наиболее распространены серые лесные почвы, выщелоченные черноземы, дерново-подзолистые почвы.

 

За тридцать лет (1957 — 1987) цезий-137 и стронций-90 проникли в почву на глубину около 30 см, в то время как в первый период максимальное их содержание, как и в районе Чернобыля, было в слое 0 — 2 см. В первые 3 года преобладал ветровой механизм и нисходящий поток миграции радионуклидов. Далее при усвоении стронция-90 корнями растений возникло равновесие: радионуклид — растительный покров — почва. После включения корневого усвоения стронция-90 распределение его на лугах и залежах составляло в растительном покрове — 1,6 — 4%, в отмершей растительности — 0,06 — 0,3, в дернине — 0,04 — 57% и в минерализованной части почвы — 38,7 — 98,3%. Травяная растительность практически не влияет заметным образом на перераспределение стронция-90, так как его ежегодное вовлечение в биологический круговорот (и почти такой же возврат) составляет сотые и в лучшем случае десятые доли процента от их общего количества. Запас стронция- 90 в древесной растительности, обладающей значительно большей биомассой, того же порядка, что и в травянистых ценозах. Вовлечение в бик деревьев составляет ежегодно 2,7% от общего количества стронция-90 в почве, из них 1,4% приходится на древесину. Ежегодный возврат с опадом составляет 0,5%, остальные аккумулируются, преимущественно в древесине.

 

Наиболее чувствительны к радиации хвойные деревья: при плотности загрязнения 180 Ки (кюри) км^ сосны к осени 1959 г . полностью погибли. Летальные плотности для березового леса и лугов оказались более чем на порядок выше — 4000 и 1500 — 5000 Ku/км^ соответственно. При меньших размерах загрязнения семена утрачивали всхожесть, возникали морфогенетические изменения — гигантизм, хлороз, посинение и скручивание листьев, уменьшение числа зерен. Среди трав максимально пострадали многолетники с невысоко расположенными почками возобновления. Эти виды исчезали, но через 3 — 4 года начался медленный обратный процесс.

 

Среди животных наиболее поражены были дождевые черви, многоножки и панцирные клещи (100 Ки/км^). Не замечено угнетающего действия радиации на муравьев. Среди млекопитающих максимально пострадали мышевидные грызуны (увеличилась смертность и уменьшилась продолжительность жизни при 1000 Ки/км^). Однако через 15 лет, когда сменилось 30 поколений, популяции животных на загрязненных участках по всем показателям сравнялись с остальными.

 

Радиоактивное загрязнение привело к увеличению мутаций у растений и животных, однако для популяции в целом это не играет существенной роли, так как мутанты быстро уничтожаются естественным отбором. Все же отдельные генетические изменения накапливаются особенно при длительном хроническом облучении.

 

В 14 озерах, расположенных в пределах контура 0,2 Ки/км^, уже через год 90% стронция-90 поступило в ил. Через 5 — 6 лет концентрация радионуклидов в воде озер уменьшилась вдвое, через 30 лет — в 1500 раз.

 

Водная и ветровая миграция не привели к дезактивации территории, их суммарный эффект в перераспределении радиоактивности составил 1 — 2% от ее общего количества в начальный период и доли процента в последующий.

 

В почвах Кыштымского региона радионуклиды образуют следующий ряд по возрастанию химической подвижности: цезий-137 — стронций-90 — церий-144 — рутений-106. Цезий входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, и через 2 года его подвижность снизилась на порядок. Количество подвижных форм стронция-90 в почвах постоянно и составляет 76 — 90% от его содержания в верхнем горизонте почвы. Минимальна подвижность названных радионуклидов в черноземе, несколько больше в серой лесной и дерново-подзолистой почвах.

 

Оценки долгосрочной миграции плутония в зависимости от быстрой или медленной миграции показали, что через 25, 50 и 100 лет он может оказаться на глубинах 50 — 80, 80 — 130 и 100 — 200 см (те же величины для почв Белорусского полесья для цезия-137: через 25 и 50 лет — 45 — 60 и 60 — 75 см, а для стронция-90: 55 — 85 и 70 — 100 см). Медленный преобладающий вертикальный перенос плутония происходит вместе с тонкодисперсными частицами при их вымывании, а быстрый — в виде водорастворимых комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. Стронций-90 мигрирует главным образом в виде водорастворимых комплексных бикарбонатов и соединений с органическими лигандами. Так как цезий-137 быстро изоморфно входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, то он мигрирует главным образом вместе с тонкодисперсными вымываемыми частицами и по механизму диффузии.

 

Наиболее эффективным приемом дезактивации и восстановления почв, возвращения их в сельскохозяйственное производство оказалась глубокая вспашка с захоронением верхнего загрязненного слоя на глубину 30 — 40 см. Это снижало содержание стронция-90 на 80%. При перемещении верхнего слоя на глубину до 70 см концентрация стронция-90 снижалась в 10 — 50 раз (в пшенице — на 75, а в картофеле — на 99%). Применялся также эффективный но трудоемкий метод удаления верхнего загрязненного слоя и захоронения его в специальных могильниках (при этом поступление стронция-90 в овощи снижалось в 8 — 20 раз).

 

Эффект глубокой вспашки усиливался внесением минеральных удобрений, локализовавших корневую систему в незагрязненном слое. Известкование кислых почв позволяло уменьшить концентрацию стронция-90 на 10 — 30%.

 

Результат деятельности специально созданных 6 совхозов позволил разработать следующие агромероприятия:

—        Размещение продовольственных культур на наименее загрязненных площадях (2 — 5 Ku/км2), а фуражных, с загрязнением в 10 раз большим.

—        Животные корма должны включать главным образом картофель и корнеплоды и минимально корма с естественных угодий и грубые корма.

—        Корма для молочного скота надо получать с площадей в 3 — 4 раза менее загрязненных по сравнению с площадями, используемых для мясного скота.

—        Предпочтительно свиноводство и разведение птицы, поставляющие наименее загрязненную продукцию.

—        Зерновая продукция и картофель с загрязнением выше допустимого могут быть использованы для переработки на этиловый спирт и другие цели.

 

С 1961 года началось возвращение загрязненных земель в сельскохозяйственное использование специализированными совхозами Свердловской и Челябинской областей (с плотностью загрязнения ниже 8 Ku/км2). ИМИ производится продукция с содержанием стронция-90 ниже допустимых норм. Головная часть радиоактивного следа превращена в государственный Восточно-Уральский заповедник (16 700 га).

 

 

Контрольные вопросы

 

1.         Назовите источники загрязнения ландшафтов искусственными радионуклидами.

2.         Охарактеризуйте основные процессы миграции радионуклидов в ландшафтах.

3.         На каких геохимических барьерах концентрируются радионуклиды?

4.         Опишите последствия чернобыльской и кыштымской аварий.

 

 

 

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов

 

 

Последние добавления:

 

Жизнь в почве

 

Шаубергер Виктор – Энергия воды

 

Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников

 

 Костычев. ПОЧВОВЕДЕНИЕ

 

Полынов. КОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ

 

Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы