CC BY
244
УДК 550.835:551.73
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2012. Вып. 2
С. В. Лебедев
РАДИОАКТИВНОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА НА ТЕРРИТОРИИ САБЛИНСКОГО ПАМЯТНИКА ПРИРОДЫ
Радиометрическое опробование обнажений. Геологический разрез в районе Саб-линского памятника природы (Тосненский район Ленинградской области) представлен разнообразными по уровню естественной радиоактивности породами — глины, пески, аргиллиты, известняки. Ряд крупных обнажений в каньонах рек Тосно и Са-блинки, на участках от водопадов до слияния двух рек, являются отличным объектом для проведения радиометрического опробования с целью литологического расчленения пород участка по уровню их естественной радиоактивности.
На рис. 1 в качестве примера представлены результаты исследования одного из обнажений в каньоне р. Тосно [1]. На иллюстрации изображен разрез обнажения с условными обозначениями различных пород, указаны точки радиометрического опробования и приведены показания радиометра (СРП-97). По данным измерений построена диаграмма мощности экспозиционной дозы гамма-излучения (мкР/ч).
Н, м
мкР/Ч
10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 1. Результаты радиометрического опробования одного из обнажений.
Как видно из рассмотренного примера, минимальной радиоактивностью обладают пески саблинской свиты. Известно, что эти породы более чем на 98% состоят из кварцевого песка и не содержат каких-либо радиоактивных элементов. Средние по-
© С. В. Лебедев, 2012
казания радиометра в породах средней пачки саблинской свиты могут быть приняты как фоновые. В данном случае фон составляет 8 мкР/ч.
Максимальной радиоактивностью (до 80-120 мкР/ч) отличаются аргиллиты (дик-тионемовые сланцы), в которых уровень радиоактивности превышает фоновый более, чем в десять раз. Уровень радиоактивности синих глин сиверской свиты и известняков волховской свиты примерно в два раза выше фонового.
Радиоактивность оболовых песков тосненской свиты в нижней части также составляет два фоновых значения. Однако она закономерно повышается по мере приближения точек опробования к горизонту аргиллитов. Отчасти такое повышение обусловлено влиянием толщи высокорадиоактивных сланцев на данные радиометрического опробования. Этот же эффект наблюдается и в глауконитовых глинах, песках и мергелях леэтсесской свиты. Здесь наблюдается почти 4-кратное превышение фоновых значений радиоактивности.
Удельная активность пород. Для того, чтобы исключить возможное влияние высокорадиоактивных пластов (аргиллиты) на показания радиометра в подстилающих (тосненские пески) и перекрывающих (глауконитовые пески) толщах были отобраны сводные (из нескольких обнажений) пробы различных пород.
Пробы анализировались на установке «Радек» в испытательной лаборатории отдела радиационной гигиены ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург». Определялась удельная активность проб по торию, радию и калию. По данным анализов вычислялась эффективная удельная активность пород (Аэф). Результаты анализа проб показаны на рис. 2.
Глауконитовые шины, пески, мергели
Аргиллиты
Пески,верхняя тосненская свита
Пески, нижняя тосненская свита
Пески саблинские
:
Синие глины
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 Удельная эффективная активность, Бк/кг
Рис. 2. Сравнение удельной эффективной активности пород.
В результате исследований установлено, что повышенный уровень радиоактивности пород верхней тосненской и леэтсесской свит определяется содержанием в них естественных радионуклидов и не связан с технической погрешностью радиометрического опробования пород в обнажениях.
Анализируя иллюстрацию значения Аэф в пробах различных пород (см. рис. 2), можно сделать вывод о том, что общий уровень радиоактивности синих глин, песков верхней тосненской свиты и глауконитовых песков, глин и мергелей леэтсесской свиты примерно одинаков. В то же время известно, что эти породы существенно различаются по составу и текстуре [2]. Поэтому имеет смысл оценить различие во вкладе Ra, ^ и К в суммарную активность пород.
Анализируя диаграммы рис. 3, на которых сравнивается вклад радия, тория и калия в эффективную удельную активность различных пород, можно сделать следующие выводы.
Рис. 3. Сравнение вклада радия, тория и калия в эффективную удельную активность породы. а) синие глины, б) пески верхней тосненской свиты, в) глауконитовые пески, глины, мергели.
Радиоактивность синих глин на 50% обусловлена содержанием в них калия. Существенный вклад (36%) в общий уровень радиоактивности вносит также торий. Подавляющая часть общей радиоактивности песков тосненской свиты связана с радием (88%) и совсем незначителен вклад калия (2%). Радиоактивность глауконитовых песков, глин и мергелей на 50% обусловлена содержащимся в этих породах радия. Примерно равный вклад в общий уровень радиоактивности вносят торий (24%) и калий (26%).
Экологическая оценка высокорадиоактивных разностей пород. Целью данного этапа исследований являлась экологическая оценка высокорадиоактивных разностей пород с учетом неравномерного распределения содержания естественных радионуклидов (уран, торий, калий) по простиранию пластов диктионемовых сланцев и вмещающих пород ордовика. Для этого был проведен отбор проб на обнажениях «Придорожный карьер» и «Саблинский водопад» [3] по следующей схеме. Точки опробования располагались по простиранию пластов на расстоянии 1-2 метра друг от друга. В каждой точке опробования отбиралось по 3 пробы (весом около 500 г каждая): ожелезнен-ные пески (самый верхний слой тосненской свиты), аргиллиты, глауконитовые пески (самый нижний слой леэтсесской свиты). Всего отобрано 36 проб.
После отбора образцы пород высушивались, затем, при необходимости дробились до фракции <3 мм. Удельную активность проб по торию, радию и калию определяли на установке «Радек» в испытательной лаборатории отдела радиационной гигиены ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург». Результаты определения
эффективной удельной активности пород (Аэф) по данным анализа проб показаны на рис. 4.
2500
2000
1500
IV класс
к
м
< 1000 -
500 -
Шкласс
П класс
I класс
П-1 П-5 П-2 П-6 П-3 П-4 В-1 В-2 В-3 В-4 В-5 В-6 I I Пески тосн. И Аргиллиты Ц Пески глаук.
Рис. 4. Удельная эффективная активность проб. Литерой «П» обозначены пробы с обнажения «Придорожный карьер», литерой «В» — «Саблинский водопад».
Экологическая опасность пород регламентируется в «Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009)» значением эффективной удельной активности (Аэф) природных радионуклидов.
Эффективная удельная активность аргиллитов составила в среднем 1640 ± 340 Бк/кг. По значению естественной радиоактивности такие породы относятся к строительным материалам IV категории (1500 Бк/кг < Аэф < 4000 Бк/кг), и вопрос об их использовании решается в каждом случае отдельно по согласованию с федеральным органом госсанэпиднадзора.
Эффективная удельная активность песков в кровле тосненской свиты в среднем равна 450 ± 120 Бк/кг. По уровню естественной радиоактивности такие породы относятся к строительным материалам II категории (370 Бк/кг < Аэф < 740 Бк/кг). Эти пески могут использоваться в дорожном строительстве в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных сооружений.
В среднем Аэф глауконитовых песков леэтсесской свиты составила 290 ± 230 Бк/кг. Согласно нормативам такие породы относятся к I категории строительных материалов, используемых в строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях (Аэф < 370 Бк/кг). Однако, радиоактивные элементы распределены по простиранию пласта глауконитовых песков крайне неравномерно (коэффициент вариации 80%). Значения Аэф в отдельных пробах могут превышать уровень 370 Бк/кг (2 пробы из 12), и попадать в категорию II класса и даже III класса (одна проба) строительных материалов.
В целом, места выхода рассмотренных типов пород (аргиллиты, тосненские пески, глауконитовые пески) на поверхность представляют определенную радиоэкологическую
опасность. В случае их использования в качестве строительных материалов должны быть учтены требования по обеспечению радиационной безопасности населения от природных источников излучения.
Пересчет на массовые доли урана показал, что в среднем содержание урана в аргиллитах обнажения «Саблинский водопад» составило 105 ± 22 г/т, а диктионемовые сланцы в обнажении «Придорожный карьер» содержат и в количествах 130 ± 30 г/т. Вопреки распространенному мнению [4] диктионемовые сланцы в данном районе не могут считаться резервом атомного сырья, поскольку среднее содержание урана в них меньше, чем кондиции убогих урановых руд (300 г/т).
Сравнение радиоактивности диктионемовых сланцев и вмещающих пород ордовика. Экспериментальные данные измерений уровня радиоактивности пород геологического разреза Саблинского памятника природы, рассмотренные выше, наталкивают нас на два вопроса, решение которых могло бы уточнить картину процессов осадко-накопления высокорадиоактивных разностей пород на рассматриваемой территории.
Первый вопрос — существует ли корреляция между содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) в верхних слоях тосненских (ожелезненных) песков и в диктио-немовых сланцах. Если да, то повышенная радиоактивность самых верхних слоев тос-ненских песков может быть связана со вторичными ореолами рассеяния радиоактивных элементов, прежде всего, урана. Если нет, то радиоактивные элементы входили в состав терригенных пород непосредственно в процессе их осадконакопления.
Второй вопрос — существует ли корреляция между содержанием ЕРН в нижних слоях пород леэтсесской свиты и в аргиллитах. Поскольку в процессе осадконакопле-ния рассматриваемых фаций пород был большой перерыв, то наличие корреляции свидетельствовало бы скорее о вторичных ореолах рассеяния радиоактивных элементов, чем о закономерном накоплении повышенных концентраций ЕРН в глауконито-вых песках леэтсесской свиты.
Рис. 5-6 иллюстрируют взаимосвязь удельной активности радия в точках опробования в тосненских песках (самый верхний ожелезненный слой), аргиллитах и леэтсес-ских глауконитовых песках (самый нижний слой).
Как видно из рис. 5, корреляции между удельной активностью радия в аргиллитах и нижних слоях глауконитовых песков леэтсесской свиты нет, что свидетельствует о закономерном накоплении повышенных концентраций ЕРН в терригенных породах (глауконитовых песках) леэтсесской свиты.
По нашим расчетам (см. рис. 6) коэффициент корреляции между удельной активностью радия в аргиллитах и верхних слоях песков тосненской свиты равен 0,27. Статистически же значимым считается коэффициент корреляции более 0,7. Поскольку корреляцию между содержанием радия в аргиллитах и верхних слоях песков тоснен-ской свиты нельзя считать достоверно установленной, то повышенная радиоактивность самых верхних слоев тосненских песков, скорее всего, не связана со вторичными ореолами рассеяния радиоактивных элементов, прежде всего, урана. Остается предположить, что радиоактивные элементы входили в состав терригенных пород непосредственно в процессе их осадконакопления.
Радиоактивность песков тосненской свиты. Для более детального исследования радиоактивности песков тосненской свиты был проведен отбор проб на обнажении «Придорожный карьер» (ниже автодороги). Это обнажение отличается разнообразием текстурных особенностей обсуждаемых пород. Здесь — четко выраженная косая
900
/—ч
§ 800
о
о С 700
О
3 о 600
и 500
1 400
300
1 200
ю
£ 100
0
500
□ □ □ 0-, □ □ □ ^п
1000 1500 2000
Яа, бк/кг (аргиллиты)
2500
Рис. 5. Сравнение радиоактивности аргиллитов и глаукони-товых песков в точках опробования.
800 700
¡а 600
500 400 300 200 100
0 500
1000 1500 2000
Яа, Бк/кг (аргиллиты)
2500
Рис. 6. Сравнение радиоактивности аргиллитов и тосненских песков в точках опробования.
Сплошная линия — аппроксимирующая функция.
и желобообразная слоистость, бобовидные стяжения, слои с большим (до 10%) и очень большим (до 30%) количеством обломков раковин брахиопод.
Рис. 7 иллюстрирует результаты определения удельной активности радия в пробах. Характерные особенности текстуры пород показаны в подписях к вертикальной оси гистограммы. Порядок воспроизведения столбцов гистограммы соответствует геологическому разрезу по вертикали (снизу вверх). Самая верхняя колонка представляет среднюю удельную активность Ra в пробах верхнего ожелезненного слоя на контакте с аргиллитами в 12 описанных ранее точках опробования. Пересчет на содержание урана показывает здесь среднее значение 28 ± 8 г/т.
Радиоактивность песков тосненской свиты закономерно возрастает снизу вверх по разрезу и имеет максимальное значение в слое, подстилающем аргиллиты (см. рис. 7). При этом зависимость содержания урана от количества обломков раковин брахиопод не установлена.
Отсутствие однозначной зависимости между количеством обломков раковин и содержания урана в породе является довольно неожиданным. Исходя из общих соображений, слои с большим количеством раковин брахиопод должны быть обогащены фосфором и, соответственно, ураном.
Тосн. пески, ожел. слой 2
Тосн. пески, ожел. слой 1
Тосн. пески, базальн. слой, оч. много оболусов
Тосн. пески, 1,2 м от подошвы, бобов, стяж.
Тосн. пески, 0,5 м от подошвы, много
оболусов _
0 100 200 300 400
Яа, Бк/кг
Рис. 7. Радиоактивность песков тосненской свиты в вертикальном разрезе.
Однако главным выводом из проведенных исследований является закономерное повышение содержания ЕРН, прежде всего урана, в геологическом разрезе песков тосненской свиты снизу вверх. Это свидетельствует о том, что в тремадокском веке раннего ордовика накопление песчаников в морском бассейне происходило за счет разрушения недалеко расположенного массива горных пород с относительно высоким содержанием урана.
Возможна и другая, нетривиальная, интерпретация полученных данных. Высокий уровень радиоактивности диктионемовых сланцев обычно связывают с особыми условиями осадконакопления тонкозернистых аргиллитов в обстановке повышенных содержаний в первичных осадках сероводорода, создающего благоприятные условия для химического осаждения растворенного в воде урана. Однако, закономерное повышение содержания урана в тосненских песках наводит на мысль — либо о наличии в то время огромного массива радиоактивных геологических тел, либо о катастрофе планетарного масштаба, вызвавшей выпадение радиоактивных осадков из атмосферы. Напомним, что кларк урана в щелочных и кислых магматических породах равен 7,0 и 4,8 г/т, соответственно.
Объемная активность радона в воздухе пещеры «Жемчужная». Одной из главных достопримечательностей Саблинского памятника природы являются знаменитые Саблинские пещеры [5]. Всего на территории СПП известно 14 пещер. Все пещеры — это старинные горные выработки, чем-то напоминающие штольни, но способ добычи песка был особенный — камерно-столбовой. При проходке оставляли столбы-колонны в качестве естественной крепи, которые чередовались с камерами, где велась основная добыча. Возраст этих выработок более 150 лет.
Предметом добычи являлся белый кварцевый песок для стекольного производства. В геологическом разрезе палеозойских пород этот песок представлен породами
саблинской свиты. Как уже говорилось ранее, выше по разрезу залегают пески тоснен-ской свиты (мощность — 2-3 м), затем располагается маркирующий горизонт аргиллитов (диктионемовых сланцев) мощностью 15-20 см. Далее следуют пески, глины, мергели леэтсесской свиты (50-70 см) и перекрывающие их известняки волховской свиты.
После выемки представляющих промышленный интерес песков саблинской свиты своды и стенки штолен и камер (сейчас их называют залами) стали обрушаться. В результате в свободном подземном пространстве практически повсеместно оказались обнаженными породы всех вышележащих свит. При этом потолок залов образуют, как правило, пески тосненской свиты, либо известняки волховской свиты.
Целью исследований (совместно с кафедрой геологии и геоэкологии РГПУ им. А. И. Герцена) являлось определение уровня объемной активности радона (ОАР) в закрытом пространстве Саблинских пещер (Тосненский район, Ленинградская область) и изучение закономерности его временных вариаций по результатам ежемесячных наблюдений, а также оценка возможного радиационного риска для посетителей пещер (экскурсанты, туристы-любители, спелеологи-исследователи) [6].
В течение 2009 (май-декабрь) — 2010 (январь-апрель) гг. были проведены ежемесячные наблюдения за величиной объемной активности радона в воздухе одной из Саблинских пещер — «Жемчужная». В процессе исследования осуществляли измерения в пяти точках опробования в разных залах пещеры. В каждой из точек раз в месяц ставили угольные адсорберы, сроком на 2-3 суток. Затем колонки снимали и увозили для измерений в ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург».
Метод угольных адсорберов основан на адсорбции радона из воздуха на активированном угле и последующем анализе с помощью гамма-спектрометра излучения дочерних продуктов распада в равновесии с адсорбированным из воздуха радоном в объеме адсорбента.
На рис. 8 показаны результаты измерений объемной активности радона в разных залах пещеры «Жемчужная» (в среднем за год).
Среднегодовой уровень объемной активности радона в пещере «Жемчужная» составил 13120 Бк/м3. Максимальный уровень ОАР (до 32700 Бк/м3) наблюдался там, где в коренных выходах пород в закрытом подземном пространстве присутствуют аргиллиты или своды зала сильно трещиноваты (Зал с летучими мышами). Минимальный уровень ОАР (менее 4600 Бк/м3) был зафиксирован в тех местах подземного пространства, где всегда есть интенсивная циркуляция воздуха (Зал вентиляция). Какой-либо отчетливой зависимости уровня объемной активности радона от времени года не выявлено.
Оценка возможного радиационного риска для посетителей и обитателей пещер. «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)» регламентируют уровень объемной активности радона следующим образом:
«п. 5.3.2. При проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность дочерних продуктов радона и торона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м3...
«п. 5.3.3. В эксплуатируемых зданиях среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность дочерних продуктов радона и торона в воздухе жилых помещений не должна превышать 200 Бк/м3.».
20000
15000 -
I
ш
<Т юооо -о
рц
СП
5000 -
зал с летучими трамвай Карлушииа колонный зал вентиляция мышами стоянка перед кухней
Рис. 8. Активность радона в разных залах пещеры «Жемчужная» (в среднем за год).
По нашим же данным среднегодовой уровень содержания радона в воздухе исследованных залов пещеры «Жемчужная» (9900-17550 Бк/м3) превышает допустимый уровень радона в закрытых помещениях более чем в 50-88 раз!
Наличие повышенного уровня объемной активности радона в разные периоды в отдельных залах может представлять определенный риск для здоровья посещающих пещеры спелеологов и туристов. Однако время пребывания туристов в ходе экскурсии по пещере незначительно. Поэтому мощность полученной за время экскурсии дозы мала. А как же летучие мыши?
В Саблинских пещерах собирается на зимовку большое количество летучих мышей [5]. В пещеры они прилетают в конце октября — начале ноября, и спят там до апреля-мая, т. е. примерно 7 месяцев, благодаря жировому запасу, накопленному за летний период (рис. 9).
Летучие мыши выбирают для зимовки пещеры из-за постоянной температуры (+8°) и влажности около 90%. При таких условиях накопленный жировой запас расходуется равномерно и с одинаковой скоростью. Летучие мыши являются высокоразвитыми представителями жи-вотного мира. Следовательно, они должны быть чувствительны к негативному воздействию ионизирующих излучений. Радиационную же обстановку в пещерах, если исходить из нормативов, следует признать не просто плохой, а катастрофической! Тем не менее, мыши, судя по всему, благополучно приспособились к таким условиям зимовки. Вот такой парадокс!
Рис. 9. Летучие мыши на зимовке в одном из залов пещеры «Жемчужная».
1 — песок тосненской свиты, 2 — диктионемовые сланцы, 3 — летучие мыши.
Выводы
1. Самым большим уровнем радиоактивности среди пород геологического разреза в районе Саблинского памятника природы обладают аргиллиты, пески верхней тос-ненской свиты и глауконитовые пески леэтсесской свиты. Уровень радиоактивности аргиллитов имеет аномально высокое значение (от 1200 до 3000 Бк/кг) и превышает уровень естественного фона более чем в 10 раз. В связи с этим места выхода этих пород на поверхность представляют определенную радиоэкологическую опасность.
Пересчет на массовые доли содержания урана показал, что в среднем концентрация урана в аргиллитах находится на уровне 105-130 г/т. Вопреки распространенному мнению, диктионемовые сланцы в данном районе не могут считаться резервом атомного сырья, поскольку среднее содержание урана в них меньше, чем кондиции убогих урановых руд (300 г/т).
2. На основе изучения естественной радиоактивности осадочных пород палеозойского возраста в геологическом разрезе Саблинского памятника природы сделаны выводы, которые уточняют картину процессов осадконакопления высокорадиоактивных разностей пород на рассматриваемой территории.
В частности, достоверно не установлена корреляция между концентрацией урана в аргиллитах и подстилающих песках тосненской свиты по вертикальному профилю в точках опробования. Установлено закономерное повышение содержания ЕРН, прежде всего урана, в геологическом разрезе песков тосненской свиты снизу вверх. Подтвердилось отсутствие корреляции между содержанием урана в аргиллитах и нижних слоях глауконитовых песков леэтсесской свиты. Все это позволяет предположить, что радиоактивные элементы входили в состав терригенных пород непосредственно в процессе их осадконакопления.
3. Среднегодовой уровень радона в пещере «Жемчужная» составил 13120 Бк/м3. Максимальный уровень объемной активности радона наблюдался в «Мышином зале» (32720 Бк/м3), там, где в коренных выходах пород присутствуют аргиллиты. Минимальный уровень был установлен в зале «Вентиляция» (7180 Бк/м3) — здесь имеет место интенсивная циркуляция воздуха. Отчетливые сезонные закономерности в изменении уровня объемной активности радона не выявлены.
4. Общий уровень содержания радона в воздухе пещеры «Жемчужная» превышает допустимый уровень радона в рабочих помещениях в 50-88 раз. Это значит, что длительное пребывание в пещерах посетителей — спелеологов или неорганизованных туристов — может нанести вред их здоровью.
Тем не менее, на зимовку в Саблинских пещерах собирается большое количество летучих мышей. Они там спят в течение примерно семи месяцев, предпочитая высокому уровню радиации комфорт «жилищных» условий с постоянной температурой (+8°) и высокой влажностью.
Литература
1. Лебедев С. В. Методическое пособие по радиоэкологической учебной практике в Саблино. СПб.: Изд-во С. -Петерб. ун-та, 2003. 16 с.
2. Федоров П. Ф. От палеозоя до первой столицы древней Руси (путеводитель геолого-краеведческой экскурсии Путилово — Старая Ладога). В сб.: «Экскурсии в геологию». СПб., 2001. С. 75-96.
3. Лебедев С. В., Садыков Э. А. Радиоактивность диктионемовых сланцев и вмещающих пород ордовика в районе Саблинского учебного полигона // Школа экологической геологии и рационального недропользования. СПб., 2008. С. 306-308.
4. Киселев И. И., Проскуряков В. В., Саванин В. В. Геология и полезные ископаемые Ленинградской области. СПб., 2002, 234 с.
5. Натальин Н. А. Саблино — природная жемчужина окрестностей Санкт-Петербурга. В сб. «Экскурсии в геологию». СПб., 2001. С. 97-122.
6. Гребенников Г. Г., Лебедев С. В. Объемная активность радона в воздухе пещеры «Жемчужная» (Саблино, Ленинградская обл.). Геология, геоэкология, эволюционная география. Т. X: сб. научн. тр. / под ред. Е. М. Нестерова. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2010. С. 34-37.
Статья поступила в редакцию 23 декабря 2011 г.
