安全的地质环境是人类赖以生存和发展的空间,而天然放射性地质环境是人类生存环境的重要组成部分。随着人类对天然辐射认识水平的提高和放射性环境保护意识的深入,天然放射性水平评价已成为人居环境评价的重要内容之一。

我国许多城市和地区已经或正在开展环境放射性污染水平调查^[1],五莲县中东部地区存在天然放射性异常,对人类生存环境有重要影响,天然放射性环境地质调查的开展势在必行。笔者通过对五莲县中东部地区的天然放射性环境地质调查,确定了天然放射性元素种类、天然放射性剂量强度及分布状况,并对该地区天然放射性元素对人类生存环境的影响进行了评价,为政府决策、规划提供了依据。

调查区位于山东省日照市五莲县中东部地区,隶属五莲县管辖,地理极值坐标为119°09'00″~119°24'00″,35°40'00″~35°51'00″,面积410 km²,所在1∶5万图幅为枳沟幅、五莲县幅、户部岭幅、诸城县幅4幅。

调查区大地构造位置属于华北板块和秦岭—大别—苏鲁造山带(Ⅰ)之胶辽隆起区和胶南—威海隆起区(Ⅱ),三级构造单元为胶莱盆地和胶南隆起西北部(Ⅲ)(图1)。区内地层主要发育中元古界五莲群,白垩系莱阳群、青山群,局部可见少量的第四系松散堆积物。调查区褶皱、断裂构造均较发育,褶皱构造主要有丁家庄—大珠子背斜和南窑沟向斜;断裂构造以脆性断裂为主,主要有NNE向及近SN向、NE向及近EW向、NW向断裂。侵入岩发育,主要有新元古代梭罗树序列、荣成序列、月季山序列,中生代埠柳序列、伟德山序列、崂山序列。

据日照市放射性测量研究程度图及区域1∶20万日照幅资料,五莲群γ强度变化于9~12 γ,蚀变较强,脉岩较为发育,能引起较高的放射性异常。

调查区航放异常^[1]出露于白垩系青山群火山出露区和五莲褶皱域中元古界五莲群变质岩出露区,其中H4航放异常尤为明显,该异常为中元古界五莲群海眼口组黑云片岩、黑云斜长片麻岩、石英岩及伟晶岩化岩石中富含²³²Th(微量²³⁸U)的独居石、锆石、金红石等稀土元素矿物引起;H5航放异常地层为五莲群海眼口组黑云变粒岩、黑云片岩、斜长角闪岩、浅粒岩,青山群不整合于五莲群之上,岩性为安山岩、流纹质火山角砾岩(图2)。

天然放射性测量工作根据地形、地势复杂程度的不同,采用不同网度^[2],在地势相对平坦区域,按500 m×100 m网度进行布点测量;在地形复杂、切割剧烈、通行非常困难且无人居住的山区,按穿越法沿山路小径进行布点测量,并尽量保证1 km²内布置4个点位,点位分布均匀;在地形较为复杂、人口稀少的山区,按网度500 m×200 m进行布点测量,村庄均布置有点位;在人口居住密集区(如五莲县城区)、旅游观光区(五莲山、九仙山风景区)等,沿主要路网进行布点测量,点距为100 m;遇到县市道路(如硬化道路)等人类工程时,为查明其可能存在的放射性异常或对天然放射性的干扰,对其进行专项测量。

野外测量时描述并记录测点周围的地质地貌情况,对重要的地质点和有异议的点位进行复查。

γ剂量率水平和地面γ能谱测量选用核工业航测遥感中心研制的ARD多道伽玛能谱仪;土壤氡浓度测量选用核工业航测遥感中心研制的HDC-C型高灵敏度环境测氡仪。

1) 仪器检定。ARD多道伽玛能谱仪和HDC-C型高灵敏度环境测氡仪均经过国防科技工业1313二级计量站检定,检定合格。

2) 仪器稳定性。选择1条剖面,分别对3台ARD多道伽玛能谱仪和3台HDC-C型高灵敏度环境测氡仪进行仪器一致性、稳定性试验,3台ARD多道伽玛能谱仪各测道含量综合相对误差E_r≤20%,3台HDC-C型高灵敏度环境测氡仪综合相对误差E_r≤25%,均满足规范要求。

3) 现场测定工作质量保证。γ剂量率水平和地面γ能谱测量测点位置尽可能选择周边5 m内无建筑物、凸起物或陡壁的相对平坦地点。测点距附近高大建筑物的距离需大于30 m,测量时将探头直立在比较平坦的基岩露头或地面上,保证测量立体角为2π^[3]。

土壤氡浓度测量^[4]采用专用钢钎打孔,孔的直径为20 mm,孔的深度为500 mm;使用专门取样器进行密闭、抽气;测量高压加电时间为2 min;测量读数时间为2 min;现场测量工作如遇雨天,在停雨24 h后进行测量^[3]。

从频数分布直方图(图3)可以得出,调查区γ辐射空气吸收剂量率数据曲线峰度为0.3,基本呈正态曲线分布,偏度为0.8,为正偏。γ辐射空气吸收剂量率的平均值为92.8 nGy/h,标准偏差为64。经计算,背景值为80.0 nGy/h,标准偏差为21.9。背景值比2015年山东省辐射环境自动监测站监测结果的平均值85.5 nGy/h略低,位于1983~1990年原国家环境保护局组织开展的全国环境天然放射性水平调查中山东省环境陆地γ辐射剂量率范围内(16.9~162.6 nGy/h)^[5,6]。

各类岩石因结构构造和矿物成分的差异,放射性核素的含量有明显的不同,所表现出的γ辐射剂量率水平也存在差异(表1)。花岗质片麻岩、伟晶岩化带、花岗斑岩测值较高(均值为105 nGy/h)。

五莲县城区由于受硬化道路、建筑物等的影响,测值高出周围环境约20 nGy/h。按不同路面材料分类统计结果(表2)表明,花岗岩铺砖的天然γ辐射剂量率最高(155.4 nGy/h),最低为柏油路面(76.2 nGy/h)。

根据联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCER)2000年和2008年报告,采用基于直接测量的空气吸收剂量估算天然放射性外照射剂量^[7,8],估算方法如下:

式中:D_aed—年有效剂量,单位mSv;D_c—所测γ空气吸收剂量率值,单位nGy/h;a₁—居民平均居留因子,室外取0.8;a₂—大气中吸收剂量转换成年有效剂量的换算系数,成人取0.7 Sv/Gy。

根据式(1),调查区室外γ辐射剂量率取平均值92.8 nGy/h,则室外成人人均年有效剂量为0.46 mSv,低于全球平均水平0.48 mSv和我国平均水平0.54 mSv^[9]。

从频数分布直方图中(图4)可以得出,调查区²³⁸U核素含量数据曲线峰度为0.02,呈正态曲线分布,偏度为0.3,为正偏。²³²Th核素含量数据曲线峰度为0.44,基本呈正态曲线分布,偏度为0.8,为正偏。⁴⁰K核素含量数据曲线峰度为-0.01,基本呈正态曲线分布,偏度为0.6,为正偏。

利用²³⁸U、²³²Th、⁴⁰K放射性核素的含量,通过单位换算(表3)转化为比活度(表4),从而对调查区放射性水平进行评价、分析^[7,10]。

调查区地表天然放射性核素²³⁸U含量背景值为1.9×10^-6(24 Bq/kg),标准差为0.8。²³²Th核素含量背景值为26.6×10^-6(108 Bq/kg),标准差为 4.5。⁴⁰K核素含量背景值为2.9×10^-2(898 Bq/kg),标准差为0.8。

各类岩石因结构构造和矿物成分的差异,放射性核素的含量明显不同。表5所示为调查区部分岩石中²³⁸U、²³²Th、⁴⁰K的含量。调查区二长花岗岩和含黑云二长花岗质片麻岩两种岩性放射性强度较高,主要表现为²³²Th含量异常^[6,11]。

对区内露天水源(水源地、河流)、水井进行了取样化验。结果显示,水体中天然放射性核素含量及比活度均较低(表6)^[12]。

从频数分布直方图(图5)上可以得出,调查区土壤氡浓度水平数据曲线经自然对数转换后,基本呈正态分布。调查区背景场中土壤氡浓度为平均值2 006 Bq/m³,标准差为1 101。土壤氡浓度高值(2 000~5 000 Bq/m³)主要分布在山麓冲积平原和剥蚀堆积平原上,土壤层较厚,有利于氡气的积累。

1) 调查区地面岩石(土壤)中天然放射性核素种类主要有²³⁸U、²³²Th、⁴⁰K,其背景值分别为1.9×10^-6(24 Bq/kg)、26.6×10^-6(108 Bq/kg)、2.9×10^-2(898 Bq/kg)。放射性核素浓度较已公布的全国和山东省地面放射性核素浓度明显偏高。

2) 天然放射性本底中,γ辐射剂量率背景值为80.0 nGy/h,处于山东省陆地γ辐射剂量率范围内(16.9~162.6 nGy/h),其公众照射所致居民平均年有效剂量^[15]为0.46 mSv,低于全球平均水平0.48 mSv和我国平均水平0.54 mSv,低于1999年ICRP 82号所建议的公众照射年剂量限值1.0 mSv^[14]。

3) 天然辐射高本底区域主要表现为岩石(土壤)γ剂量率和²³²Th核素含量异常特征,主要岩性为二长花岗岩和含黑云二长花岗质片麻岩。

4) 调查区内供水水源、主要河流及民用水井中水体的放射性核素浓度及比活度均较低,水源安全^[12]。

5) 受人类活动的影响,天然放射性环境本底会在一定程度上发生改变(如五莲县城),但影响作用较小。