青岛市区土壤天然放射性核素的外照射水平估算研究.docx

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1、青岛市区土壤天然放射性核素的外照射水平估算研究姚德1,2 ,曲丽梅1,6* ,夏宁3,丛丕福4,王臣立51.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071 ； 2.山东理工大学地质资源与环境工程学院，山东淄博266049 ；3.青岛海洋地质研究所，山东 青岛266071 ； 4.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连116023 ；5.中国科学院遥感应用研究所，北京100101 ； 6.中国科学院研究生院，北京100049摘要：城市的辐射环境质量对于人居和发展规划有重要意义。利用伽玛能谱仪对青岛市区内的天然放射性核素进行了大规模 高密度的现场测量，采用BeCk公式计算了离地面Im高处的空气吸收剂量率，进

2、而计算了外照射年有效剂量、外照射指数 和等效镭浓度，对研究区的外照射水平进行了系统的评价。与和其他国家全国比较，虽然该区的空气吸收剂量率较高，但是 其他衡量天然放射性核素外照射水平的指标均在容许范围之内。因此该区属于外照射水平的安全区域，人居环境不受影响。 关键词：天然放射性核素；年有效剂量；外照射指数；等效镭浓度中图分类号：X123 文献标识码：A文章编号：1672-2175 ( 2006 ) 05-0979-04天然离子辐射是世界人口所受到的集体剂量 的最大的部分。天然辐射在人类集体剂量辐射中占 80%o环境中的天然辐射源包括宇宙射线辐射和 陆地辐射，宇宙射线辐射一般随着高度和磁纬的增 加

3、而增加。陆地辐射则随区域呈现出较大的变化， 其辐射源主要是由衰变型放射性核素(40K , 232Th , 238U和226Ra )和非衰变型天然核素所构成。陆地辐 射与区域的地质，降雨和排水等其他人类活动和习 惯等均有关系，但是本底辐射水平则是由岩石和 土壤中的放射性元素所决定的，例如4。K , 232Th , 238U 和 226Rat41O UNSCEAR 1982 年报告中指出, 地球辐射主要产生于地壳表面的岩石、土壤中的 天然放射性核素。地层中的天然放射性，也主要是 由U、Th和K等一系列核素所决定的,它们在地 球各个区域的浓度，决定了该地区的天然辐射剂 量的大小，而且反映了该地区的地

4、质背景。天然放射性核素虽然在地壳中的含量不多，但 其分布极其广泛，几乎遍地皆是，各种岩石土壤， 江河湖海以及矿物中都有，只是含量多寡而已。其 分布规律与岩石的岩性、矿物成分、成岩环境和地 下水活动有关。构成地壳的各种岩石中，约有95% 的火成岩，5%的沉积岩，其中所含有的核素浓度因 基岩成分不同，其差异也十分明显。由于绝大部分 238U , 226Ra , 40K存在于火成岩里，即火成岩中含 有的放射性核素的比活度较沉积岩中的高，而火成 岩中的酸性岩(如花岗岩)中的放射性比活度最高。 但是各个区域的放射性核素水平又不能完全依据 地质岩性和土壤类型来确定，因此对天然放射性同 位素进行测量，确定不

5、同岩石类型的放射性水平， 并对其所发射的放射线的危险性进行评估，具有重 要意义。国内外这些工作开展很多612,但大规 模高密度对一个地区进行采样，然后综合利用各种 指数分析评估的研究较少。作为中国北部滨海发达 城市之一的青岛,属于新华夏系巨型构造的第二隆 起带，燕山期岩浆活动频繁，形成规模巨大的侵入 岩体，因此钾长花岗岩和二长花岗岩为其主体岩 类。从理论上讲，以这两种岩性为主的青岛研究区 内土壤及其在母岩基础上次生的土壤中的放射性 核素的放射性水平应该较高。因此本论文通过大量 测量研究区内的天然放射性核素(40K ,232Th ,238U ) 的含量，并计算多种衡量天然放射性核素外照射水 平的

6、指数，对青岛市区土壤天然放射性核素的外照 射水平进行了评估，研究结果可以为青岛的城市发 展规划和奥运项目提供参考。1测量内容与方法根据青岛市1 ： 50 000的地形图选择所测量的陆 域160 kn?范围内，选取两条剖面(尽可能包括所 有的岩性、岩相、主要构造带)进行测定。根据剖 面测试结果,网格点的布设为200 m200 mo根据 地表放射性核素浓度测量的中国地质矿产行业标 准DZ/T02051999地面能谱测量技术规程， 采用步行方式和手持GPS定位和FD-3022微机四 道伽玛能谱仪测量区内天然放射性核素40K ,232Th , 238U在地表的含量，其测点位置尽可能选择周边5 m内无建

7、筑物的平坦地点。每次读数的测量时间选 定120 s ,每点读数3次。对调查中使用的仪器设备，按要求进行计量检 定和校准的检查，保证所有使用的仪器设备均在检 定的有效使用期内,GPS和FD-3022微机四道伽玛 能谱仪分别由中国剂量科学研究院和国防科工委 放射性计量一级站检定。仪器的三性检查(一致性 检查，短期稳定性检查和长期稳定性检查)结果良 好，仪器各道读数误差较小，铀含量、牡含量和钾 含量的标准偏差分别是0.563 0、1.015 8, 0.127 9 , 均在允许偏差范围内，可用于实地测量。2 Y辐射的外照射评价指标评价环境中辐射水平的指标可以通过空气吸 收剂量率，年有效剂量，外照射指数

8、和等效镭浓度。 空气吸收剂量率是一定时间间隔内吸收剂量的增 量,其单位是戈瑞/时(秒)，Gy/h ( s 在没有受 到人工放射性核素污染的地区,地表空气吸收剂量 率主要是由天然放射性核素238U、232Th系列和4。K 等产生的。其测定可采用高气压电离室或剂量率仪 直接测定，也可以利用就地能谱测量数据计算求 得。本文采用Beck公式法通过地面的能谱测 量数据来计算地表1m高处的空气吸收剂量率，即 通过钾、铀、牡放射性核素的放射性比活度来估算 吸收剂量率。采用Beck公式法估算吸收剂量率时, 必须满足以下基本假设：天然放射性元素在土壤 中分布均匀,构成无限大平面的均匀辐射场；铀和 镭处于放射性平

9、衡状态。陆地地表上1 m高处的伽马空气吸收剂量率 (U)可用公式(1 )进行计算：Dr=左KXA+ hjxAu+左ThXATh( 1 )式中，。为离地表Im高处空气的辐射吸收 剂量率，nGy/h;左k、加、析h分别为钾、铀、社的 换算系数，A, Au、ATh分别为钾、铀、社的放射 性比活度(Bq/kg ),及、ku、析h取值分另!为0.043、 0.427、0.66213o年有效剂量(Daed , annual effective dose 单位 为mSv )是评价放射性核素辐射外照射的一个重 要指标，可用公式(2 )进行计算口4：Daed = D ( nGy/h ) 8 760tz210-6

10、( 2 )式中，41(0.2)是居民在室外的平均居留因子； 2 (0.7 Sv/Gy)是大气中吸收剂量转换成年有效剂量 的换算系数。年有效剂量率的计算结果列于表Io外照射指数()是指建筑材料产品中的放射性 核素镭、牡、钾的比活度对居民所造成的外照射程 度,以此来评价居民所受到的外照射风险程度。可用 公式计算居民环境中的放射性核素镭_226、牡 -232、钾-40的比活度。Zr=CRa370+C259+C4 810( 3 )式中：外照射指数；CRa镭-226的放射性核素比活度, BqkgX贝可/千克)；Ch牡-232的放射性核素比活度, BqkgX贝可/千克)；Ck钾-40的放射性核素比活度，B

11、qkg(贝 可/千克)。等效镭浓度是目前广泛应用于评价含有放射 性核素K ,Th ,U的材料的危险指数，其依据是370 Bqkg1 的 226Ra 或 259 Bqkg1 的 232Th 或 4810 Bqkg1的40K可以产生同样的辐射剂量率。因 为土壤中的放射性核素40K , 232Th , 238U和226Ra 分布的非均衡性,因此一般将材料中的镭-226、牡 -232、钾-40的放射性核素比活度换算成等效镭浓度 作为衡量辐射暴露的指标。其换算关系采用下式：Raeq= CRa +1.43 Ch +0.07C( 4 )式中Raeq代表等效镭浓度，其他字母意义同式 (3卜3结果与讨论3.1

12、土壤中238U , 232Th和40K的放射性比活度采用FD-3022微机四道伽玛能谱仪测得土壤中 238U , 232Th和40K的含量如下页表1 (其频率分布 见下页图1 b表1同时列出了全国、其他一些国家 以及世界的相应放射性核素平均含量。从表1中可 以看出，研究区内土壤中的238U含量低于全国及世 界平均值，土壤中232Th含量是全国和世界均值含 量的1.1倍和1.5倍，土壤中4。K含量分别是全国和 世界均值含量的1.85倍和1.86倍。3.2 Y辐射吸收剂量率。和年有效剂量通过式(1 )将土壤中238U , 232Th和40K的放 射性比活度转换成辐射吸收剂量率A ,经计算得 到研究

13、区的D为98.6 nGyh-1 ,高于全国(81.5 Gyh-1 )和世界(80 nGyh1 ),约为其1.2倍。为进 一步比较研究区与全国和世界的年有效剂量，采用 式(2 )计算得到本区的年有效剂量值是0.12 mSv , 低于世界平均年有效外部剂量限值0.46 mSv W ,因 此可以认为本区属于正常辐射水平地区。3.3 外照射指数和等效镭浓度评估天然辐射还需计算研究区内的外照射指 数Hex ( external hazard index )和等效镭浓度,利用 公式(3 )( 4 )计算得到该区的外照射指数均在 0.080.98之间,均值为0.56 ；等效镭浓度Raeq的 变化范围是283

14、57Bqkg均值为197 Bqkg1(研 究区HeX和Raeq的分布频率见下页图1卜根据国家 对建筑材料外照射指数的限制(Hexl ),可以认为 该区的土壤和岩石中的天然辐射不会对人体造成 伤害，另外区内的平均等效镭浓度Raeq也低于建议 最大容许值370Bqkg-Hi5,因此可以认为该区属于 安全辐射范畴。表1研究区土壤中放射性核素比活度和空气中的吸收剂量率Table 1 The activity concentrations of soil in study area and dose rate in air国家或地区_土壤中放射性核素比活度/(Bqkg)空气中的吸收剂量率 /(nGyh1

15、)238Uh40K均值范围均值范围均值范围均值范围埃及1756418296320296503220133美国408-160354-1303701007004714118香港59201109516-2005308011008751-120印度297-816414-1604003876056201 100日本336982828831015-9905321-77瑞士401090025470370401 0004515-120希腊251-240211-190360121 5705630109葡萄牙448655122-100840220-1 230844-230西班牙326-250332-210470251 6507640120全国38.57.3-44954.610.3-1 844584.0n.d,l 548 1)81.511.6-523世界1240一40一580