Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The article examines patterns of spatial distribution of 137Cs and natural radionuclides 226Ra, 232Th, 40K in the upper (0—5 cm) layer of soils in the main functional zones of the city of Polyarnye Zori. The analysis of the general gamma activity of the territory, using RS-700 mobile gamma spectrometric complex, showed, three local anomalies of increased gamma radiation, which were confined to high-rise buildings within the city. In undisturbed peat soils in the area of the Kola Nuclear Power Plant and in the area of urban forests and parks, the maximum specific activity of technogenic 137Cs was 29.5 and 28.8 Bq/kg, respectively. In other functional zones of the city, the activity of 137Cs was 5 times less. According to the results of the correlation analysis, the technogenic 137Cs has a moderate relationship (on the Chaddock scale) with the 45 and 500 µm fraction. 232Th has a high affinity with 226Ra, and 40K with 232Th, which are statistically significant results when taking P-Value into account. It can be assumed that natural radionuclides 232Th, 40K, 226Ra have a moderate association with the 1 mm fraction due to the presence of particles of this size in the upper soil layer. There is a moderate relationship between 232Th and 40K.
specific radioactivity, urban soils, 137Cs, 40K, 226Ra, 232Th, Polyarnyye Zori, Murmansk region
Основными источниками техногенной радиоактивности для изучаемой территории являлись: стратосферные выпадения в результате атмосферных ядерных испытаний, локальные (тропосферные) выпадения в результате испытаний на ядерном полигоне архипелага Новая Земля. Более ранние исследования (Kuzmenkova, Vorobyova, 2015; Никанов и др., 2019; Мелентьев, 2021) не определили повышенных значений естественной и техногенной радиоактивности в почвах Мурманской области. Удельная активность техногенного 137Cs в верхнем слое почв (0—5 см) изменяется от 3 до 60 Бк/ кг (Воробьева и др., 2017). Несмотря на это, Кольский полуостров является местом, потенциально опасным для загрязнения радионуклидами в результате трансграничного воздушного переноса (Kuzmenkova, Vorobyova, 2015; Никанов и др., 2019; Мелентьев, 2021). Загрязнение почв 137Cs соответствует уровню мирового фона, и ранее «существенных участков со следами выпадения радиоактивных осадков после аварии на Чернобыльской АЭС не выявлено» (Романович и др., 2006). Удельная активность естественных радионуклидов 226Ra, 232Th в ненарушенных почвах Хибинской тундры составляла: в болотной — от 7.03 до 71.06, а в горной тундре — от 15.17 до 27.75 Бк/кг (Никанов и др., 2019).
Город Полярные Зори расположен на возвышенной части берега оз. Пинозеро, а русло р. Нивы разделяет его на правую и левую части. Правобережный район сформирован системой городских озелененных территорий, водных объектов, а так же сеткой улиц и дорог. К городским озелененным территориям относятся: лесопарковая зона у берега оз. Пинозеро, парковые массивы внутри жилых кварталов. Правобережье р. Нивы — жилая зона, которая представлена преимущественно многоэтажной застройкой. Четвертый микрорайон сформирован 3- и 9-этажными жилыми домами. На севере города располагается промышленная зона (Карта …, 2018).
Целью данной работы является получение оригинальных данных и выявление основных закономерностей пространственного распределения естественных и техногенных радионуклидов в почвах г. Полярные Зори в зависимости от типа городской застройки.
Предметом исследования являлась удельная активность 137Cs, 232Th, 226Ra, 40K в городских и в фоновых ненарушенных почвах к югу от Кольской АЭС. Подобные исследования городских почв в Полярных Зорях не проводились.
Материалы и методы
Пробы почвы доводили до абсолютно сухого состояния при температуре 105 °С. В сосуде Маринелли проводились измерения удельной активности изотопов при помощи гамма-спектрометра «ПРОГРЕСС-2000» (Методика …, 2016). Фракционный состав проб почвы выполнялся просеивающей машиной AS200 (Retsch, Германия) ситами с диаметром 200 мм и размером ячеи < 45, 45, 100, 250, 500 мкм, 1.2 мм.
Автомобильные гамма-спектрометрические исследования выполнялись с использованием мобильного сцинтилляционного гамма-спектрометрического комплекса RS-700 (Канада), который имеет цифровой спектрометр с разрешением (1024 канала), позволяющий выполнять измерения общей радиоактивности местности через скорость счета в секунду. Измерения выполнялись на высоте 1.7 м над поверхностью земли. Спектрометр размещали в багажнике, установленном на автомобиле. В общей сложности при гамма-спектрометрической съемке было обработано 370 точек измерений (рис. 3). Точность привязки составляла ± 1—1.5 м (Мобильная система радиометрического контроля RS-700).
Результаты исследования
Летом 2018 г. проведены измерения удельной активности 137Cs, 40K, 226Ra, 232Th в почвах г. Полярные Зори. На первоначальном этапе определены зоны в соответствии с типом застройки и точки отбора проб почвы. В ходе экспедиционных работ было отобрано 18 проб во всех районах города, в пунктах, представленных на рисунке 1.
На большей части города широкое распространение получили урбиквазиземы, индикатором которых служит генетический горизонт «урбик» — горизонт аккумуляции и биогенной трансформации органоминерального и искусственного материала, формирующийся синлитогенно под воздействием антропогенной деятельности. Он характеризуется тем, что содержит не менее 10 % антропогенных включений. Реплантоземы представлены на газонах в кварталах с каменной застройкой. Наиболее сформировавшийся почвенный профиль отмечается под участками с древесной и кустарниковой растительностью в парковых и лесных зонах (Кряучюнас и др., 2020). Функциональное зонирование территории г. Полярные Зори приведено на рисунке 1 (Карта …, 2018). В зоны застройки домами высокой этажности попадают точки отбора проб почвы: 1, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 17, 18; в зоны городских лесов и парков — 5, 8, 9; в зоны зеленых насаждений общего пользования — 2—4, 10, 13, 16.
По данным проведенных исследований установлено, что значения удельной активности 137Cs в почвах от 10 до 29.5 Бк/кг (точки 3, 4, 9) получены в юго-восточной части города в почвах городских лесов, парков и в зоне зеленых насаждений общего пользования (рис. 1, a). Значения от 3 до 10 Бк/кг выявлены в почвах зон многоэтажной застройки и озеленённых территорий специального назначения. Для почв остальных районов города значения 137Cs составили менее 3 Бк/кг.
По данным выполненных исследований установлено, что максимальные значения удельной активности 40К в почвах (от 40 до 340.5 Бк/кг) распределены практически равномерно по всей территории города. Значения менее 40 Бк/кг выявлены в почвах юго-восточной части города в зонах городских лесов, парков и зеленых насаждений общего пользования и коррелируют с распространением максимальных значений техногенного 137Cs (рис. 1, d).
На рисунке 1, c показано, что максимальные значения удельной активности 232Th в почвах (от 6 до 14.9 Бк/кг) относятся к почвам зоны застройки высокой и средней этажности. Значения менее 6 Бк/кг встречаются практически равномерно в почвах всех зон города.
По данным проведенных исследований установлено, что максимальные значения удельной активности 226Ra в почвах (от 5 до 17.1 Бк/кг) относятся к зонам многоэтажной застройки и озеленённых территорий специального назначения. Значения менее 5 Бк/кг встречаются практически равномерно в почвах всех зон города (рис. 1, b).
Обсуждение результатов
Более ранние исследования близлежащих территорий показали, что наибольшие значения удельной активности 137Cs отмечаются в лесной подстилке и гумусовом горизонте (от 30 до 103) Бк/кг в окрестностях Кольской АЭС. Удельная активность 137Cs в 15-километровой зоне от Кольской АЭС соответствует фоновым уровням, формирующимся в результате глобальных выпадений техногенных радионуклидов (Кизеев и др., 2018). Для сравнительного анализа авторами были отобраны пробы из верхнего 5-сантиметрового слоя ненарушенных торфяно-подзолистых почв в 2 км к югу от Кольской АЭС, где максимальные значения 137Cs достигали 29.5 Бк/кг.
Средние значения удельной активности радионуклеидов составили: 137Cs в почвах вблизи домов высокой этажности г. Полярные Зори — 3.33 Бк/кг, в пределах городских лесов и парков — 6.78 Бк/кг, в почвах зеленых насаждений общего пользования — 10.18 Бк/кг; 226Ra в почвах рядом с домами высокой этажности — 9.36 Бк/кг, в почвах городских лесов и парков — 8.35 Бк/кг, в почвах зеленых насаждений общего пользования — 10.17 Бк/кг (рис. 2); 232Th в почвах рядом с домами высокой этажности — 9.04 Бк/кг, в почвах городских лесов и парков — 7.79 Бк/кг, в почвах зеленых насаждений общего пользования — 8.2 Бк/кг; 40K в почвах рядом с домами высокой этажности 216.58 Бк/кг, в почвах городских лесов и парков — 161.43 Бк/кг, в почвах зеленых насаждений общего пользования — 196.86 Бк/кг (рис. 3).
Анализ общего гамма-излучения территории г. Полярные Зори по результатам гамма-спектрометрических исследований с использованием мобильного комплекса RS-700 показал, что в пределах города можно выделить три локальные аномалии повышенного гамма-излучения (0.08—0.084 мкЗв/ч) (рис. 3), что не превышает средних значений по России (0.04—0.20 мкЗв/ч). Также можно выделить три зоны гамма-излучения на северо-западе, в средней части и на востоке города с меньшими значениями (0.068—0.072 мкЗв/ч). Все аномалии приурочены к домам высокой этажности. В остальных частях города значения общей гамма-активности составили менее 0.06 мкЗв/ч.
Максимум анализируемых образцов почв исследован с помощью сит с размером ячеек 100 мкм и 250 мкм (по 23 % соответственно), а минимум — ситом с размером ячеек < 45 мкм (4 %) (рис. 4). По результатам корреляционного анализа взаимосвязей между радионуклидами и фракционным составом можно утверждать, что техногенный 137Cs имеет умеренную по силе связь (по шкале Чеддока) с фракцией 45 и 500 мкм. 232Th имеет высокую по силе связь с 226Ra, а 40K — с 232Th, что является статистически значимыми результатами при учете P-Value. Интересной особенностью явилось отсутствие связи активностей 232Th, 40K, 226Ra с фракциями 45 и < 45 мкм и наличие умеренной по силе связи 226Ra с фракцией 1 мм. Можно предположить, что естественные радионуклиды 232Th, 40K, 226Ra имеют умеренную по силе связь с фракцией 1 мм из-за присутствия в верхнем слое почв частиц этого размера. Отмечается умеренная по силе связь между 232Th и 40K (табл. 1).
Заключение
При анализе пространственного распределения полученных оригинальных данных установлено, что максимальное значение удельной активности 137Cs в почвах г. Полярные Зори (28.8 Бк/кг) отмечается в юго-восточной части города в зонах городских лесов, парков и зеленых насаждений общего пользования. Значения от 3 до 10 Бк/кг выявлены в почвах зон многоэтажной застройки и озеленённых территорий спецназначения. Для почв остальных районов города значения 137Cs составили менее 3 Бк/кг. По нашим данным, в 2 км к югу от Кольской АЭС в верхнем (0—5 см) слое ненарушенных торфяно-подзолистых почв максимальные значения удельной активности 137Cs достигают 29.5 Бк/кг.
Максимальные значения удельной активности естественных радионуклидов в городских почвах составили: для 232Th в зонах застройки многоквартирными домами высокой и средней этажности — 14.9 Бк/кг; для 226Ra в зоне застройки многоквартирными домами высокой этажности — 17.1 Бк/кг; для 40К в зоне озеленённых территорий — 340.5 Бк/кг. Для 226Ra и 232Тh более высокие активности в почвах города связаны с гранулометрическим составом и характером подстилающих почву четвертичных отложений. Распределение удельной активности 40K в почвах объясняется разной плотностью растительности на изученной территории, легко вовлекающей его в биологический круговорот.
Анализ общего гамма-излучения территории г. Полярные Зори по результатам гамма-спектрометрических исследований показал, что можно выделить три локальные аномалии повышенного гамма-излучения в диапазоне от 0.08 до 0.084 мкЗв/час. Все выявленные аномалии приурочены к домам высокой этажности.
По результатам корреляционного анализа можно утверждать, что техногенный 137Cs имеет умеренную связь (по шкале Чеддока) с фракцией 45 и 500 мкм. 232Th имеет высокую связь с 226Ra, а 40K — с 232Th, что является статистически значимыми результатами при учете P-Value. Можно предположить, что естественные радионуклиды 232Th, 40K, 226Ra имеют умеренную связь с фракцией 1 мм из-за присутствия в верхнем слое почв частиц этого размера. Отмечается умеренная связь между 232Th и 40K.
1. Vorobyeva T. A., Evseev A. V., Kuzmenkova N. V. Radiogeochemical studies of the state of the landscapes of the Kola Peninsula. Arctic: Ecology and Economy, 2017, No. 2 (26), pp. 17-26. (in Russian)
2. Urban zoning map of Polyarnye Zori. http://www.pz-city.ru/index.php/pravila-zemlepolzovaniya-i-zastrojki/62-gradostroitelstvo/945-karty-gradostroitelnogo-zonirovaniya (in Russian)
3. Kizeyev A. N., Manakhov D. V., Silkin K. Yu., Ushamova S. F., Popova M. B. Soil and vegetation cover in the 30-km zone of the Kola nuclear power plant. Science and business: ways of development, 2018, No. 4 (82), pp. 199-205. (in Russian)
4. Kryauchyunas V. V., Kuznetsova I. A., Kotova E. I., Iglovsky S. A., Mironenko K. A., Sukhanov S. G. Content and features of the distribution of natural and technogenic radionuclides in the soils of a small Arctic city. Journal Human Ecology, 2020, No. 5, pp. 11-20. (in Russian)
5. Melentiev G. B. Natural radioactivity of rare-metal specialized mineral raw materials and urbanized territories of the Karelian-Kola region as a factor in their radioecological assessment. Proc. KarRC RAS, 2021, No. 2, pp. 27-43. (in Russian)
6. Method for measuring the activity of radionuclides using a scintillation gamma spectrometer with the "Progress" software. Moscow: Amplituda, 2016, 12 p. (in Russian)
7. Mobile radiometric control system RS-700. https://agtsys.ru/storage/instructions/December2019/tPgJvmBN67MXpVzMIiOE.pdf (in Russian)
8. Nikanov A. N., Gudkov A. B., Shelkov M. V., Popova O. N., Shcherbina F. A., Shcherbina A. F. Characteristics of the radiation background of the Arctic territory in the area of the mining and processing complex. Journal Human Ecology, 2019, No.5, pp. 11-14. (in Russian)
9. Radiation Safety Standards (NRB-99/2009). Sanitary and epidemiological rules and regulations. Moscow: Federal Center for Hygiene and Epidemiology Rospotrebnadzor, 2009, 115 p. (in Russian)
10. Romanovich I. K., Chernev A. V., Stamat I. P., Venkov V. A., Kormanovskaya T. A. Exposure doses of the population of the Murmansk region by natural sources of radiation and radionuclides of global fallout. Industrial ecology, 2006, No. 1, pp. 36-38. (in Russian)
11. Kuzmenkova N., Vorobyova T. Landscape-geochemical mapping of territory in the north-west of Kola Peninsula // J. of geochemical exploration, 2015, No. 154, P. 194-199. doihttps://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.12.016
