北京地区浅层土壤氡浓度的垂向分布特征.pdf 7页

'中国http://www.paper.edu.cn科技论文在线#北京地区浅层土壤氡浓度的垂向分布特征**杨志杰，赵荣，王南萍（中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京100083）5摘要：为了研究北京地区浅层土壤氡浓度与深度变化的关系，利用RAD7电子测氡仪对北京市通州区、丰台区、门头沟区和延庆县的9个测点进行了野外现场测量并采集了土壤样品。测量了各测点浅层深度20cm、40cm、60cm、80cm和100cm处的土壤氡浓度，使用室内高纯锗γ能谱仪对采集的样品进行土壤镭含量分析。通过分析得出，在浅层深度（0-100）cm范围内土壤氡浓度随土壤深度的增加呈现上升的趋势，土壤氡浓度与土壤样品镭含量之间呈10现正相关关系；对比砂质土壤和粘质土壤氡浓度，得出在土壤镭含量水平相当的情况下，粘质土壤氡浓度比砂质土壤氡浓度高。关键词：土壤氡浓度；镭含量；深度变化；土壤质地中图分类号：P631.615MeasurementofradonconcentrationinshallowsoilinBeijingareaYANGZhijie,ZHAORong,WANGNanping(SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083)20Abstract:InordertostudytherelationshipbetweentheradonconcentrationandthedepthofshallowsoilinBeijingarea,asoilsurveyusingRAD7electronicradonmonitorwithsamplecollectinghasbeenperformed.Thesurveywith9samplesiteswascarriedoutinTongzhouDistirct,FengtaiDistrict,MenTougoudistrictandYanqingCounty.Thesoilradonconcentrationat20cm,40cm,60cm,80cmand100cmdepthwasmeasuredandtheradiumspecificactivityofthecollectedsampleswasanalyzedbythe25indoorHPGeγspectrometer.Theresultsshowedthatthesoilradonconcentrationincreasedwiththeincreaseofsoildepthinthedepthofshallowsoil,andtherewasapositivecorrelationbetweensoilradonconcentrationandradiumspecificactivityinsoilsamples.Comparedwiththeradonconcentrationinthesandysoilandintheclayeysoil,Itisconcludedthattheconcentrationofradonintheclayeysoilishigherthanthatinthesandysoil.30Keywords:soilradonconcentration;radiumspecificactivity;depthchange;soiltexture0引言222238226氡（Rn）是一种天然放射性惰性气体，是天然放射性U系列中Ra的衰变产物，[1]其半衰期为3.825天。氡广泛存在于岩石和土壤中，任何土壤层都含有天然放射性核素铀、35镭，经衰变形成土壤中氡的本底浓度。氡形成后，一部分留在晶格内，大部分逸出。氡源层和土壤层之间的氡浓度差和压力差，形成氡的扩散作用和对流作用，使氡向土壤层运移，最终析出到大气中。通过测量土壤气体中氡的浓度，可以作为一种野外找矿和解决相关地质问[1][2]题的方法。另外，室内氡潜势与土壤氡潜势具有很好的相关性，就全球而言，室内氡中[3]有60.4%的氡气来源于地面和建筑物周围的土壤释放，因此研究土壤氡也可以作为预测室[4]40内氡潜势的一个实用工具。基金项目：教育部高等学校博士学科点专项基金（20120022110011）作者简介：杨志杰（1990-），男，博士研究生，主要从事核辐射与环境等相关领域的研究通信联系人：王南萍（1957-），女，教授，主要从事核辐射与环境等相关领域的研究.E-mail:npwang@cugb.edu.cn-1- 中国http://www.paper.edu.cn科技论文在线然而，在实际测量中，受复杂地质条件影响，我国部分城市或地区实测的气体采样深度[5][6]在（0.5-0.7）m之间，平均采样深度在0.6m，而国外通常采用0.8m的深度，这就导致[7]土壤氡浓度测量的前提条件不一致。那么，不同取气深度测量的土壤氡浓度值是否会受到影响，值得我们深入思考。45根据文献记载，一般情况下，土壤在水平方向上能大体保持均匀，而在垂直方向上则变化很大，从上到下分为A、B、C和D4层，形成土壤剖面，相应称为：腐殖层（<0.25m）、[8]淀积层（0.3m-1.0m）、母质层（>1.0m）、和未风化基岩。其中，对氡测量主要在B层，[5]取气样的最佳深度为（0.7-1.0）m，它基本由砂质和粘质土壤组成。然而，在近地表，土壤的含水率、孔隙度、渗透率、植物根茎数量的变化非常大，根据国内外研究可知，这些参50数都能够影响土壤氡浓度的测量结果，那么取气深度不同，则土壤的上述物性参数也不同，[9-13]肯定会导致不同深度的土壤氡浓度测量值不同。为了研究土壤氡浓度与土壤剖面之间的关系，在北京周边区县进行了土壤氡浓度深度测量，并现场采集土壤样品带回实验室测量，分析土壤氡浓度和土壤镭含量的关系。并结合土壤氡测量数据分析了B层土壤中不同土壤质地的土壤中土壤氡浓度的分布特征。551测点概况根据中国土壤数据库记载的土壤信息，选择了土壤质地为砂质土壤和粘质土壤的地点进行野外测量，9个测点的具体情况如下：测点DMZ和WYH位于北京市通州区，测点DFZ位于北京市丰台区，测点XLM和DJZ位于北京市门头沟区，测点YQ01、YQ02、YQ03和YQ04位于北京市延庆县。综合野外测量取样的实际情况和参考的中国土壤数据库中记录的60土壤质地信息，测点DMZ、XLM、DJZ和YQ02处的土壤质地属于砂质土壤，测点DFZ、WYH、YQ01、YQ03和YQ04处的土壤质地属于粘质土壤。2测量仪器与方法2.1土壤氡浓度测量现场土壤氡测量使用RAD7电子测氡仪（DURRIDGE），RAD7测氡仪主要由体积为650.7L的腔室、离子注入硅半导体探测器（PIPS）、采样泵、干燥管、子体过滤器和多道能-3-3谱系统组成，测量范围是4Bq•m~750kBq•m。其工作原理是基于静电收集原理采集氡子体，且能将氡的各个子体区分开来，半球状腔室内表面加有上千伏正高压，探测器相对腔室表面为低电势，从而在腔室内形成电场。经过干燥和过滤子体的放射性氡气体由采样泵抽进累积腔内，在累积腔内衰变生成带正电的氡子体，在电场的作用下氡子体富集到探测器表面，70衰变释放α粒子被探测器收集，经过信号处理和多道能谱分析、计算，最终得到被测气体的[14]氡浓度值，图（1）为RAD7测量土壤氡的原理示意图。现场土壤氡测量取样深度从20cm到100cm，每间隔20cm取一个样。在同一个测点处，每个采样深度点之间的间隔不超过5米。在每个采样点利用内径为8mm、外径为15mm、长度为110cm的不锈钢采气管打到测量所需的深度。将打入地下的不锈钢采样管与RAD775测量系统的进气口相连接，气体经过灰尘过滤器、CaSO4干燥管和入口过滤器进入RAD7测量腔室。RAD7测量采用3min-sniff模式，为了保证测量数据的稳定性和土壤气体的相对湿度在10%以下，每个采样深度点连续测量30min，最后取稳定数据的平均值作为采样点的-2- 中国http://www.paper.edu.cn科技论文在线[15]平均测量结果。灰尘过滤器干燥管采气管出气口入口子体过滤器PIPS探测器土壤氡采样泵腔室RAD7电子测氡仪80图1RAD7电子测氡仪测量土壤氡示意图Fig.1DiagramofRAD7electronicradonmonitorsystem2.2土壤样品镭含量分析利用环刀在测量点各个深度处取样，对采集的土壤样品在实验室使用同轴高纯锗γ能谱仪（ORTEC）进行土壤镭含量分析，将分析得到的各深度处的土壤镭含量的平均值作为该6085测点的代表值。高纯锗γ能谱仪的相对探测效率为30%，标称能量分辨率为1.80keV（对Co的1332.5keV的特征能量峰）。在实验室将现场采集的土壤样品进行研磨，过筛保证粒径不大于0.16mm。将研磨过筛后的土壤样品装入烧杯内，然后放入105℃恒温烘箱内烘烤6-8小时至其质量不再变化，这样可以排除样品中的水分，消除样品水分含量不同对测量结果的影响从而减少测量误差。将90烘干后的土壤样品装入尺寸为φ75mm×70mm的聚乙烯样品盒中，同时称量待测土壤样品的226净重，然后将其密封放置25天以上，使Ra和其子体达到放射性平衡状态。最后，将达到放射性平衡的样品利用高纯锗γ能谱仪测量。为保证测量精度，减小放射性衰变涨落带来的误差，样品的测量时间一般不低于8小时。最后经过质量修正、本底扣除等计算求得土壤[11]样品的镭含量。953测量结果与分析各测点的土壤镭含量平均值和不同深度的土壤氡浓度值如表（1）所示，参考2010年在[6][7]捷克举办的土壤氡国际比对时的统一测量深度，选取80cm深度处土壤氡浓度作为各测点的土壤氡浓度代表值。通过对测量数据统计分析，选取的9个测点在80cm深度处土壤氡-3-3浓度的平均值为：（16.1±2.1）kBq•m，最大值为34.5kBq•m出现在测点DFZ处，最小值-3-1-1100为4.8kBq•m出现在测点DJZ处；土壤镭含量的平均值为25.3Bq•kg，最大值为33.3Bq•kg-1出现在测点DFZ处，最小值为21.6Bq•kg出现在测点WYH处。表1各测点土壤镭含量和不同深度土壤氡浓度值Tab.1Thevalueofsoilradonconcentrationandradiumspecificactivityatdifferentdepth-3测点土壤土壤镭含量土壤氡浓度深度测量值/kBq·m-3- 中国http://www.paper.edu.cn科技论文在线编号质地（20-100）cm-1/Bq·kg20cm40cm60cm80cm100cm平均值DMZ砂质27.85.45.810.815.215.810.57WYH粘质21.66.08.512.113.815.111.09DFZ粘质33.313.025.528.634.536.727.67XLM砂质29.44.96.710.013.617.010.41DJZ砂质1.43.34.64.85.13.82YQ01粘质25.47.08.113.316.216.312.19YQ02砂质19.42.84.14.85.44.26YQ03粘质21.77.911.932.330.520.66YQ04粘质23.54.98.68.99.17.88平均值25.35.78.711.716.119.51053.1土壤氡浓度与土壤镭含量土壤镭是土壤氡衰变的直接母体，它在土壤中的含量是决定土壤氡水平的关键因素，为了验证土壤氡浓度和土壤镭含量之间的关系，通过对现场测量的土壤氡浓度和实验室测量的土壤样品镭含量分析，得出土壤氡浓度与土壤样品镭含量的关系如图（2）所示。4040土壤镭含量35土壤氡浓度35-13030-32525/Bq·kg/kBq·m20201515土壤镭含量1010土壤氡浓度5500DMZWYHDFZXLMYQ01YQ02YQ03YQ04测点编号110图2各测点土壤镭含量与土壤氡浓度的关系图Fig.2Relationshipdiagrambetweensoilradonconcentrationandradiumspecificactivity从图（2）中可以看出，除测点YQ03外，其他测点之间不论土壤质地如何，土壤氡浓度的变化与土壤镭含量的变化存在正相关关系。其中测点YQ02、YQ03和YQ04的土壤镭115含量相当，但测点YQ03的土壤氡浓度要比其他两点高出许多，属于相对异常点。可能的原因除了测点YQ03属于粘质土壤，孔隙度较低，土壤气体渗透率较差，导致土壤氡浓度相对较高外，还可能与土壤含水率有关，在实际测量时，其地表30cm以下相对湿度较大，土壤[11][16]含水率相对较高，而在一定范围内，土壤氡浓度与土壤样品含水率成正比关系。除去测点YQ03，做其他测点之间土壤氡浓度和土壤镭含量的关系曲线如图（3），得出各测点2120土壤氡和土壤镭的相关指数R=0.6533。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn30y=1.2511x-20.227252R=0.6533-320/kBq·m15105土壤氡浓度01520253035-1土壤镭含量/Bq·kg图3土壤氡浓度与土壤镭含量的关系曲线Fig.3Correlationcurveofsoilradonconcentrationandradiumspecificactivity5125结合表（1）和图（2）可知，位于丰台区的测点DFZ的土壤氡浓度实测值相对最高，可能的原因是测点DFZ处的土壤镭含量相对最高且其土壤质地为粘质土壤，孔隙度低，土壤通气性较差导致扩散到空气中的氡气较少，土壤中氡的累积值相对较多，从而导致该测点5处土壤氡浓度相对较高；而位于门头沟区的测点DJZ和延庆县的测点YQ02处的土壤氡浓度实测值相对最低，可能的原因是这两处测点均为砂质土壤，孔隙度高，土壤结构松散且130YQ02处土壤镭含量相对最低，导致两测点处土壤氡浓度值相对较低。其余测点的土壤氡浓度实测值水平相当。对比测点DFZ、DMZ和XLM，它们的土壤镭含量相当，但测点DFZ处土壤氡浓度值远高于测点DMZ和XLM处，可能的原因是测点DFZ处土壤质地属于粘质土壤，而测点DMZ和XLM处土壤质地属于砂质土壤，在土壤镭含量相当的情况下，粘质土壤相比于砂1350质土壤孔隙度低、扩散能力差，导致土壤氡扩散到周围土壤和空气中的比例减小，反而使得[9]土壤中氡的剩余浓度增加。最终导致粘质土壤氡浓度比砂质土壤氡浓度高。3.2土壤氡浓度随深度变化特征0分析土壤氡浓度的现场实测数据，图（4）给出所有测点的浅层土壤氡浓度随深度变化关系曲线。140图4各测点土壤氡浓度随深度变化趋势图Fig.4Relationshipdiagrambetweensoilradonconcentrationandsoildepth从图（4）中可以得出，随着采样深度的增加，各测点处的土壤氡浓度均呈现上升的趋[14][17-20]145势，这与相关文献对珠海地区的研究结果和国外相关文献的研究结果相一致。所有-5- 中国http://www.paper.edu.cn科技论文在线测点各深度处土壤氡浓度的平均值与土壤深度的相关曲线如图（5）所示，图（5-a）为砂质2土壤氡浓度与土壤深度的相关曲线，其相关指数R=0.9877；图（5-b）为粘质土壤氡浓度与2土壤深度的相关曲线，其相关指数R=0.9897，进一步说明无论土壤质地如何，土壤氡浓度均随土壤深度的增加而增大。1530-3-3y=0.2166x+3.054y=0.114x+0.869222R=0.9877R=0.98971020/kBq·m/kBq·m510砂质土壤氡浓度粘质土壤氡浓度00020406080100020406080100150土壤深度/cm土壤深度/cm（a）（b）图5氡浓度平均值与土壤深度曲线（a）砂质土壤；（b）粘质土壤Fig.5Correlationcurveofradonconcentrationandsoildepth(a)sandysoil;(b)clayeysoil4结论155通过对北京地区9个测点的浅层土壤氡浓度测量和土壤镭含量分析，在80cm深度处土-3-3-3壤氡浓度从4.8kBq•m到34.5kBq•m变化，其平均值为（16.1±2.1）kBq•m；土壤镭含量-1-1-1从21.6Bq•kg到33.3Bq•kg变化，其平均值为（25.3±2.3）Bq•kg。分析测量数据得出，土壤氡浓度随土壤镭含量的变化呈正相关关系，其相关指数2R=0.6533。土壤氡浓度随土壤深度的增加呈现上升的趋势，且所有测点各深度处砂质土壤、2160粘质土壤氡浓度的平均值与测量深度的相关指数R分别为0.9877和0.9897。在土壤镭含量水平相当的条件下，粘质土壤氡浓度比砂质土壤氡浓度高。根据本次测量结果，结合相关文献分析，如果土壤氡测量取气深度不同，则土壤氡浓度的测量结果不同。然而，我国土壤氡浓度测量在取气深度方面没有统一标准，不同的机构土壤氡测量的取气深度不一致，导致土壤氡浓度测量的前提条件不同，最终的测量结果也不尽165相同。因此，亟需建立完善的土壤氡测量标准规范，提高我国土壤氡测量水平，使得我国各个地区相关机构测得的土壤氡浓度量值统一，最终实现全国范围内土壤氡浓度数据共享，为我国土壤氡调查提供更全面、准确的数据。致谢本研究得到教育部高等学校博士学科点专项基金资助（20120022110011）。赵荣、刘洪170涛、孙源、赵东升、王尊品、朱国兴等同学参加了相关野外测量工作，再次表示深深的感谢。[参考文献](References)[1]吴慧山，林玉飞，白云生，等.氡测量方法与应用[M].北京：原子能出版社，1995:1-67.175[2]程业勋，王南萍，侯胜利.核辐射场与放射性勘查[M].北京：地质出版社，2005：2-5，151-238.-6- 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