青岛市区土壤天然放射性核素的外照射水平估算研究.docx

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5I,中国科学院海洋研究所，山东青岛26607I;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，北京100IOI；6.中国科学院研究生院，北京IOoo49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1m高处的空气吸收剂量率，进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%lllo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Wk,232Th,238U和226Ral4lOUNSCEAR1982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丫剂量的大小，而且反映了该地区的地质背景。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238Ut226Ra,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，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1:50000的地形图选择所测量的陆域160k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200mx200m。根据地表放射性核素浓度测量的中国地质矿产行业标准DZTT02051999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4。K,232Th,238U在地表的含量，其测点位置尽可能选择周边5m内无建筑物的平坦地点。每次读数的测量时间选定120s,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、社含量和钾含量的标准偏差分别是0.5630、1.0158、0.1279,均在允许偏差范围内，可用于实地测量。2Y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WK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，也可以利用就地丫能谱测量数据计算求得。本文采用Beck公式法mi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、社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衡状态。陆地地表上Im高处的伽马空气吸收剂量率(Dr)可用公式(1)进行计算：Qr=AKXA+×Au+Th×Ah(1)式中，。为离地表Im高处空气的y辐射吸收剂量率，nGy/h;版、ku、分别为钾、铀、处的换算系数，Ak、Au、AIh分别为钾、铀、处的放射性比活度(Bq/kg),%、ku、加I取值分别为0.043、0.427、0.662l,3,o年有效剂量(Daed,annualeffectivedose单位为mSv)是评价放射性核素y辐射外照射的一个重要指标，可用公式(2)进行计算H叫Daed=D(nGy/h)×8760××2×106(2)式中，0(0.2)是居民在室外的平均居留因子；a2(0.7Sv/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1。外照射指数内)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(3)计算居民环境中的放射性核素镭-226、牡-232、钾-40的比活度。=CRa370+C¾259+C4810(3)式中：人一外照射指数；CRa一镭一226的放射性核素比活度，Bqkg”(贝可/千克)；Ch牡-232的放射性核素比活度，Bqkg(贝可/千克)；Ck钾-40的放射性核素比活度，BqkgY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370Bqkg1的226Ra或259Bqkg1的232Th或4810Bqkg1的40K可以产生同样的'辐射剂量率四。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+1.43Ch+0.07C(4)式中Raeq代表等效镭浓度，其他字母意义同式(3%3结果与讨论3.1 土壤中238,232Th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卜表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4。K的放射性比活度转换成辐射吸收剂量率D,经计算得到研究区的Dy为98.6nGyh,高于全国(81.5nGyh1)和世界(8OnGy3),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0.12mSv,低于世界平均年有效外部剂量限值0.46mSv，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y辐射还需计算研究区内的外照射指数Hex(externalhazardindex)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0.08-0.98之间，均值为0.56；等效镭浓度Raeq的变化范围是28357BqkgT,均值为197Bqkg',(研究区Hex和RaCq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(Hex<l),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370BqkgW51,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率TableITheactivityconcentrationsofsoilinstudyareaanddoserateinair国家或地区土壤中放射性核素比活度/(BqkgJ)空气中的吸收剂量率/(nGyhl)2%232Th40K均值范围均值范围均值范围均值范围埃及175-64182-9632029-6503220-133美国408-160354-1303701007004714-118香港5920-11095162005308011008751-120印度297-816414-160400387605620-1100日本336-9828288310159905321-77瑞士4010900254-7037040-10004515-120希腊251-240211-1903601215705630109葡萄牙448-655122TOO840220-1230844-230西班牙326-25033221047025-16507640-120全国E38.57.3-44954.610.3-1844584.0n.d.-l548"81.511.6-523世界4()4058080青岛27.93.3-185.360.16.9-157.21082.6115.8-7834.498.613.4-433.2中值354451866I)"nd.”为未检出；文中未标注参考文献的其他国家的数据均引自UNSCEAR2000”明2"UltiArtJ1'<Bqkg,>第软体注:度，lB"'l图1频率图(a、b'C分别为土壤中238U,232Th,"K含的频率分布图;d、e分别为外照射指数和等效悟浓度的频率分布图)Fig.ITheDistributionofFrequency(a,b,andcrepresentfrequencydiagramsof238U,232Th,40Kinsoils,respectively：dandcrepresentfrequencydiagramsofexternalhazardindexandtheradiumequivalentactivity,respectively)4结论根据表I中238U,232Th和40K的放射性比活度，对空气中y辐射吸收剂量率、外照射年有效剂量、外照射指数和等效镭浓度分别进行了计算。由表I数据可知，研究区内土壤放射性核素在地面1m高处产生的辐射吸收剂量率平均值是全国平均值的1.2倍，也高于表中所列出的世界其他国家。由此可见，研究区的辐射吸收剂量率相对比较高。但是对于该区的由天然外照射所产生的年有效剂量、外照射指数和等效镭浓度分别进行计算，外照射的年有效剂量为0.12mSv,低于世界平均年有效外部剂量限值0.46mSv;外照射指数HCX均值为0.56,低于国家对建筑材料外照射指数的限制(<1)标准；等效镭浓度RaCq均值为197Bqkg-'也低于建议最大容许值370Bqkg-l,因此该区天然外照射不会对人居环境产生影响，属于安全的天然外照射水平。参考文献：1UNSCEAR.UnitedNat沁nsScientificCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation,Exposurefromnaturalsourcesofradiation.UnitedNations.NewYork.19932WANGZuoyuan.NaturalradiationenvironmentinChina(J.InternationalCongressSeries.2002,1225:39-46.(3JIBIRINN.AssessmentofhealthrisklevelsassociatedwithterrestrialgammaradioationdoseratesinNigcriaJ).EnvironmentIntcmationnal.2001,27:21-26.(4ARAFAW.SpecificactivityandhazardsofgranitesamplescollectedfromtheEasternDesertofEgyplJ).JournalofEnvironmentalRadioactivity.2004.75:315-327.(5UNSCEAR(UnitedNationsScientificCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation).Sources.EffectsandRiskofIonizingRadiationMl，NewYork:UnitedNations,1982.(6MALANCEA.GaidolfiL.PessinaV.Ctal.Distributionof226Ra,232Th,and40KinsoilsofRioGrandedoNorte,BrazilJ.JournalofEnvironmentandRadioactivity,1996.30:55-67.7ALYABDOAA,HASSANMH,HUWAITMRA.RadioactivityassessmentoffabricatedphosphogypsummixturcsR.FourthRadiationPhysicsConference,15-19November,1999.Alexandria,Egypt.1999:632-640.(8SINGHS,RANIA,MAHAJANRK.226Ra,232Thand40KanalysisinsoilsamplesfromsomeareasofPunjabandHimachalPradesh.IndiausinggammaraySpeClromeIryJ.RadiationMeasurements,2005,39:431-439.(9胡恭任，于瑞莲泉州市环境放射性水平调查J.重庆环境科学，22.24(2):65-68.HUGongren,YURuilian.InvestigationandstudyofenvironmentalnaturalradiationinQuanzhou(J.ChongqingEnvironmentalScience.2002,24(2):65-68.10王卫星.杨亚新王雷明.等.广东下庄铀于田土填的天然放射性研究J.中国环境科学,2005,25(1):120-123.WANGWeixing.YANGYaxin.WANGLciming.ctal.StudiesonnaturalradioactivityofsoilinXiazhuanguraniumorefieldJ.Guangdong.ChinaEnvironmentalScience.2005.25(1):120-123.1王南萍，裴少英,黄英，等.环境y能谱测量方法研究及应用”辎射防护.2005.25(6):347-355.WANGNanping,PEIShaoying,HUANGYing,etal.ResearchonandApplicationsofMethodsforGamma-raySpcctromctQ'inEnvironmentMonitoringIJ.RadiationProtection,2(X)5,25(6):347-355.12BECKHL,DECOMPOJ,GOGOLAKGIn-si(uGe(Li)andNaI(Tl)gamma-raySPCCtromCtryJ.USAEC,1972.HASL-258.113UNSCEAR(UnitedNationsScientificCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation).EffectsandrisksOf沁nizingradiations(M.NewYork:UnitedNations,1988.14UNSCEAR(UnitedNationsScienticCommitteeontheEffectsofAtomicRadiation).Effectsandrisksofionizingradiations!M.NewYork:UnitedNations.2000.I51BERETKAJ,MATHEWPJ.NaturalradioactivityofAustralianbuildingmaterial,industrialwastesandbyprducts(J.HealthPhysics,1985,48:87-95.NaturalterrestrialexternalexposurelevelofnuclidesinsoilsinQingdaoareaYAODe",QULimeik6*,XIANing3,CONGPifu4,WANGChenli51. InstituteofOceanology.ChineseAcademyofSciences.Qingdao266071,China;2. CollegeofGcorcsourccandEnvironmentEngineering.ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049.China;3. QingdaoInstituteofMarineGeology,CGS,Qingdao266071,China;4. NationalMarineEnvironmentMonitoringCenter.Dalian116023,China;5. InstituteofRemoteSensingApplications,ChineseAcademyofSciences,Bcijing100IOI.China;6. GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,BeijingIoOo49,ChinaAbstract:TheFadiogeologicalenvironmentof(hecityisveryimportant(odwellinganddevelopmentplan.TheradioactivityconcentrationsofnaturalnuclidesinQingdaoareawereextensivelymeasuredusingGammaspectrometry.Thedoseraleabove1mgroundwascalculatedaccordingtoBeckFormula.Effectiveannualdoserate,externalhazardindexandradiumequivalentactivitywerealsoobtained.So(heexposurelevelweresystematicallyevaluated.Comparedwithothercountries(regions),althoughtheabsorbeddoserateinthestudyareaisalittlehigh,(heotherindicesfornaturalterrestrialexposurelevelarelowerthan(herecommendedvalue.SoQingdaoissafeinradiologicallevelandthedwellingenvironmentisnotaffected.Keywords:radionuclide;effectiveannualdoserate;externalhazardindex;(heradiumequivalentactivity