大连近海沉积物中放射性核素分布及环境指示

杜金秋,关道明*,姚子伟,高 会,王 震,孟书锋,3(1.中国海洋大学海洋化学系,山东 青岛 66100；.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 11603；3.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁 大连 11603)

大连近海沉积物中放射性核素分布及环境指示

杜金秋1,2,关道明1,2*,姚子伟2,高 会2,王 震2,孟书锋2,3(1.中国海洋大学海洋化学系,山东 青岛 266100；2.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023；3.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁 大连 116023)

基于大连近海表层和柱状沉积物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs比活度与分布特征分析,对大连近海的沉积环境进行讨论.结果表明,水平方向上放射性核素含量均分别处于同一水平,陆源输入特征明显;垂直方向上40K比活度随深度变化较小,238U、226Ra、210Pb和137Cs比活度随深度增加出现波动,整体上不存在物质输入的显著变化,沉积环境相对稳定;226Ra相对于母体238U亏损,210Pb相对于母体226Ra过剩,40K和137Cs之间存在显著的正相关关系.利用210Pbex法和137Cs法分别计算得到大连近海沉积速率为0.49和0.43cm/a.

大连近海; 沉积物; 放射性核素; 环境指示

沉积物中放射性核素含量、分布及迁移规律是地球化学的重要研究内容,被广泛应用于河口、海岸及陆架海域沉积物年龄的确定,沉积过程的揭示和物质来源的判断等[1].天然放射性核素238U、226Ra、210Pb和40K,以及人工放射性核素137Cs,由其特有的地球化学性质,已成为海洋沉积过程的良好示踪剂,特别是210Pb和137Cs,其半衰期适中,是研究近海沉积过程和沉积速率最常用核素[2].我国学者针对近海表层沉积物、沉积物岩心、潮间带和周围陆地沉积物中放射性核素分布特征开展了大量研究,指出放射性核素含量在水平与垂直方向上的变化与沉积物粒径组成有关[3],反映了物质输入的改变,并利用210Pbex和137Cs方法计算获得了胶州湾[4](0.64～1.74cm/a)、厦门近海[5](2.43～2.62cm/a)、黄河口[6](1.0cm/a)等海域的沉积速率.国外学者也在不同海域开展了相关研究,Tsabatis[7]分析了希腊西部Amvrakikos湾沉积物中137Cs的垂直分布特征,并结合模型研究计算得到切尔诺贝利核事故与核试验贡献的137Cs约为60和211Bq/kg,对应的沉积速率约为0.10cm/a和0.41cm/a.

大连近海位于黄海北部,包含大连湾、大窑湾和小窑湾等多个半封闭式海湾,拥有世界知名的港口和船舶基地,周围无成型的河流,多为间歇性小溪,由于人口密集、工业发达,海洋生态环境受人类活动影响加剧[8].多年来,诸多学者对大连近海进行了广泛调查研究,有部分关于沉积物的报道[9],而针对沉积物中放射性核素的相关研究很少.

本文对大连近海沉积物中放射性核素含量和分布特征进行分析,对影响分布特征的环境因素进行讨论,并利用放射年代学方法揭示沉积速率,以期为进一步了解大连近海沉积环境现状及演变过程提供研究基础与理论参考.

1 研究方法

1.1 样品采集与处理

图1 采样站位Fig.1 Sampling locations

本研究于2014年7月在大连近海采集8个表层沉积物和 1个柱状沉积物,站位分布如图 1所示,其中 8个表层样品分别位于大窑湾和大连湾及其东南海域的两个断面(A01～A04;B01～B04),1个柱状样品位于大窑湾口的A02站位,所有站位水深均小于 50m.沉积物利用箱式采泥器采集,表层样品采样深度约 5cm,柱状样品利用50mm直径的有机玻璃管采集,长度约30cm.表层沉积物经过烘干、研磨、过筛、称重后封装于Φ 75×70mm的样品盒待测,柱状沉积物按4cm间隔切割出 7个样品,同样经过烘干、研磨、过筛、称重后封装于Φ 75×25mm的样品盒待测.

1.2 样品测量

样品在国家海洋环境监测中心海洋放射性实验室完成测量,所用仪器为 ORTEC公司GEM-MX7080P4型同轴高纯锗γ谱仪,平面探测器的晶体直径70mm,厚度80mm,端窗直径83mm,能量响应范围 10keV～10MeV,能量分辨率对14.4keV峰(57Co)好于 0.88keV,对 1.33MeV峰(60Co)好于 1.9keV,相对探测效率大于 66%.谱仪系统的屏蔽室为 10cm厚低本底铅室,全谱本底计数率小于3cps.数据分析采用Gamma Vision谱分析软件.

测量天然放射系核素需要建立母子体之间的平衡,不同半衰期核素建立平衡所需的时间不同,测量226Ra需建立与222Rn的平衡,按5个半衰期(222Rn:3.8d),即19d达到平衡;而利用234Th测量238U,按5个半衰期(234Th:24.1d),即120d达到平衡[10].本研究中样品测量时间与样品密封时间间隔均大于120d,样品在密封的前提下直接置于探测器顶部,并由专门的定位器固定位置,测量时间为 24h,测定结果校正为采样时的沉积物干重含量.测量效率采用与样品几何规格一致的标准源进行刻度,标准源(编号:CJ130621)由中国计量科学研究院制备标定.各待测核素比活度计算的特征峰能量分别为:238U(63.3keV),226Ra(295.2、351.9 和 609.3keV),210Pb(46.5keV),40K (1460.8keV),137Cs(661.6keV).

2 结果与讨论

2.1 放射性核素含量及分布

研究海域表层沉积物中放射性核素含量的水平分布如图 2所示,238U比活度为(26.4±4.0)～(47.0±6.0)Bq/kg,平均值为34.9Bq/kg,分布规律不明显.226Ra比活度为(11.2±0.3)～(25.3±0.6)Bq/kg,平均值为 19.3Bq/kg,由陆向海方向呈现降低趋势.210Pb比活度为(52.6±10)～(87.8±17)Bq/kg,平均值为 72.4Bq/kg,由陆向海方向呈现先升高后降低的趋势.40K 比活度为(669±21)～(807± 26)Bq/kg,平均值为746Bq/kg,由陆向海方向呈现降低趋势.137Cs比活度为(1.67±0.25)～(3.49± 0.27)Bq/kg,平均值为 2.42Bq/kg,分布规律与40K相似.综上可见,研究海域表层沉积物中放射性核素的最高值均出现在大连湾口附近,由湾口向外水平方向上呈现降低趋势,各核素含量变化范围较小,均分别处于同一水平.

图2 表层沉积物中放射性核素的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of radionuclides in surface sediment

研究海域 A02站位柱状沉积物中放射性核素含量的垂直分布如图 3所示,238U 比活度为(25.5±2.1)～(35.6±3.5)Bq/kg,平均值为 30.2Bq/kg,表层至16cm随深度增加呈现升高趋势,16cm以深变化不明显.226Ra比活度为(7.9±0.85)～(27.0± 1.65)Bq/kg,平均值为13.5Bq/kg,随深度增加出现波动.210Pb比活度为(23.3±4.4)～(69.7±12)Bq/kg,平均值为43.1Bq/kg,在8cm层出现极大值,整体上随深度增加而降低.40K 比活度为(506±17)～(582±19) Bq/kg,平均值为 541Bq/kg,随深度增加呈现降低趋势,但变化幅度较小.137Cs比活度为(0.91±0.20)～(2.25±0.24)Bq/kg,平均值为 1.47Bq/ kg,12cm 层位出现极大值,12～24cm 显著降低, 24cm以深又呈现升高趋势.综上可见,研究海域沉积物中放射性核素含量垂向上随深度增加出 现波动,且不同核素的分布特征存在差异.

图3 A02站位沉积物中放射性核素的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of radionuclides in sediment at A02station

2.2 放射性核素分布的环境指示

近海沉积物中放射性核素的分布与迁移受到多种因素影响,其中物质来源的变化是主要因素[11].238U、226Ra、210Pb、40K为天然放射性核素,近海沉积物中的238U、226Ra、40K主要来源于河流输运[12],210Pb一部分来源于226Ra衰变,这部分210Pb通常与226Ra达到衰变平衡,另一部分来源于大气沉降,被称作过剩的210Pb(210Pbex)[4].137Cs是人工放射性核素,大气气溶胶的清除效应导致137Cs的大气沉降通量很小,通常认为近海沉积物中的137Cs主要是陆源输入[13].

研究海域表层沉积物中放射性核素的水平分布整体上呈现出由陆向海降低的趋势,表明陆源输入是大连近海沉积物的主要来源.表层沉积物中各核素含量变化范围较小,均分别处于同一水平,表明不存在物质输入的显著变化,不同站位间的差异主要是受到表层沉积物吸附和解吸过程影响.沉积物中的放射性核素存在母子体关系,研究海域沉积物中226Ra相对于母体238U亏损,210Pb相对于母体226Ra过剩,放射系衰变不平衡,表明大气来源部分的210Pb随颗粒物埋藏进入沉积物.40K和137Cs的分布特征相似,经检验两者存在比较显著的正相关关系,表明研究海域沉积物中137Cs和40K的主要来源相似,同为陆源,并且两者的地球化学行为一致.

研究海域沉积物中放射性核素的垂直分布显示,238U、226Ra和210Pb随深度增加均呈现出先增加后降低的趋势,一方面表层的低值说明核素表现出非颗粒活性,在表层容易发生解吸进入海水导致核素含量降低;另一方面次表层的高值说明在沉积过程中受到物质输入改变、生物扰动或动力过程影响导致核素含量升高.40K随深度变化较小,符合沉积物岩心中40K的典型分布特征,表明大连近海不存在物质输入的显著变化.137Cs随深度变化出现明显波动,该分布特征与人类核利用活动密切相关,导致两者相似的陆源输入物质中137Cs的波动,并由此降低了两者的相关系数.

生物扰动作用影响着沉积物中有机质的埋藏和再循环,进而影响沉积环境过程[14],A02站位沉积物中TOC含量的垂直分布如图4所示,表层TOC含量较高,表层至12cm随深度增加呈现出显著降低趋势,12cm以深变化不明显,表明研究海域沉积物受生物扰动影响程度较低.TOC含量整体上呈现出随深度增加而降低的趋势与放射性核素含量的垂直变化一致,经检验TOC含量与238U、226Ra、210Pb和40K比活度存在显著相关性(P＜0.01),表明有机质有利于放射性核素在沉积物中的埋藏.137Cs的垂直分布同样绘制于图5,两者几乎成镜像关系,表明137Cs不利于沉积物中有机质的积累.

综上可见,陆源输入是大连近海沉积物的主要来源,且在水平和垂直方向上均不存在物质输入的显著变化,同时生物扰动信号较弱,沉积环境相对稳定.沉积物与水界面的吸附和解吸过程、区域性沉积动力过程和有机质含量是影响大连近海沉积物中放射性核素分布的主要因素.

图4 A02站位沉积物中137Cs与TOC的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of137Cs and TOC in sediment at A02station

2.3 研究海域沉积速率

沉积速率是海洋沉积学研究的重要指标,能综合体现海域沉积过程和环境变化趋势,对提取沉积记录的环境信息、揭示沉积动力机制等具有重要意义[15].沉积物中210Pbex和137Cs比活度随深度的垂直变化是近海沉积速率研究的常用方法.210Pbex法测定沉积速率要求柱状沉积物中210Pbex的垂直分布呈指数衰减形式[16],由此,不同深度处210Pbex比活度的计算公式(1)如下[17]:

式中:A210Pbex-0代表0cm处的210Pbex比活度,Bq/kg; A210Pbex代表深度为 h cm 处的210Pbex比活度,Bq/kg;S代表沉积速率,cm/a;λ代表210Pb的衰变常数,a-1;h代表深度,cm.

对公式(1)求对数,得到公式(2):

将A02柱状沉积物中的lnA210Pbex对深度h作图(图5),计算得到研究海域近50a的沉积速率为0.49cm/a.

137Cs法测年根据人类核利用活动历史,最大检出深度为1955年(核爆开始年份),最大峰值检出深度为1963年(核爆高峰年),最后一个峰值检出深度为1986年(切尔诺贝利核事故)[18],以这些峰出现的位置作为参考时间,推算沉积速率.由于采样深度限制,研究海域137Cs比活度仅在12cm层位出现极大值,且 24cm以深又呈现升高趋势,推测12cm的极大值为切尔诺贝利核事故影响所致(1986年)的最后一个峰值,距采样时间的间隔为28a,由此估算出研究海域近30a的沉积速率为0.43cm/a,与210Pbex法得到的近50a沉积速率在同一水平.

图5 lnA210Pbex深度分布与沉积速率计算Fig.5 Distribution of lnA210Pbexto depth and sedimentation rate calculation

表1 研究海域与其他海域沉积速率比较Table 1 Comparison of sedimentation rates between study area and other sea areas

对大连近海沉积速率与文献报道的中国近海沉积速率进行比较,结果如表1所示,由近岸向外海方向沉积速率呈现降低趋势,河口区的沉积速率明显高于开阔海域,与渤海和东海相比,黄海的沉积速率明显较低.不同海域沉积速率存在区域性差异,主要是受到河流输入等物源制约、沉积动力过程和生物扰动等影响.大连近海位于北黄海,获得的沉积速率与文献报道的黄海沉积速率范围吻合,在近岸海域中处于偏低水平.由于采样站位限制,本文报道值仅反映了大连近海 A02站位邻近海域近几年来的沉积速率水平.

3 结论

3.1 表层沉积物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs的比活度分别为(26.4±4.0)～(47.0±6.0), (11.2±0.3)～(25.3±0.6), (52.6±10)～(87.8±17), (669±21)～(807±26)和 (1.67±0.25)～(3.49±0.27)Bq/kg,水平分布整体呈现出由陆向海降低的趋势,陆源输入是大连近海沉积物的主要来源.各核素含量均分别处于同一水平,不存在物质输入的显著变化.

3.2 柱状沉积物中放射性核素238U、226Ra、210Pb、40K和137Cs的比活度分别为(15.5±2.1)～(25.6±3.5), (6.8±0.17)～(27.0±0.65), (23.3±4.4)～(69.7±12),(506±17)～(582±19) 和 (0.91±0.20)～(2.25±0.24)Bq/kg,垂直分布中238U、226Ra和210Pb随深度增加均呈现先升高后降低趋势.40K随深度变化较小,137Cs在12cm层出现极大值.研究海域沉积环境相对稳定,物质输入变化与生物扰动影响不明显.沉积物的吸附与解析过程、沉积动力过程和有机质含量是影响大连近海沉积物中放射性核素分布的主要因素.

3.3 大连近海沉积物中226Ra相对于母体238U亏损,210Pb相对于母体226Ra过剩,放射系衰变不平衡.137Cs和40K 之间存在显著的正相关关系,两者的来源和地球化学行为相似.

3.4 基于210Pbex法和137Cs法分别计算得到大连近海近 50a和近 30a的沉积速率为 0.49和0.43cm/a.

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致谢：本研究的样品在采集工作由国家海洋环境监测中心刘星和宗虎民协助完成,在此表示感谢.

Distribution and environmental significances of radionuclides in sediments of Dalian coastal area.

DU Jin-qiu1,2, GUAN Dao-ming1,2*, YAO Zi-wei2, GAO Hui2, WANG Zhen2, MENG Shu-feng2,3(1.Department of Marine Chemistry, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China；3.School of Marine Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1889～1895

Levels and distribution of238U,226Ra,210Pb,40K and137Cs in surface sediment and sediment core samples collected from Dalian coastal area were analyzed, the influencing factors and sedimentation rates were discussed. The results showed that the horizontal level of individual radionuclide was similar. Characteristic of terrestrial input was obvious. On the vertical level, the content of40K displayed no apparent change with depth, while the levels of other radionuclides fluctuated with depth increase, there was no significant change in the material input. A deficit in226Ra was recorded in comparison with matrix238U, excessive of210Pb was recorded in comparison with matrix226Ra, and a positive correlation between137Cs and40K existed .The sedimentation rate in Dalian coastal area was 0.49 and 0.43cm/a based on the methods of210Pbexand137Cs, respectively.

Dalian coastal area；sediment；radionuclide；environmental significances

X55,P736.4+5

A

1000-6923(2017)05-1889-07

杜金秋(1984-),女,天津市人,工程师,中国海洋大学博士研究生,主要从事海洋环境化学与同位素海洋学方面研究.发表论文3篇.

2016-09-27

国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金资助项目(201308);国家海洋局海洋—大气化学与全球变化重点实验室开放基金资助项目(GCMAC1303)

* 责任作者, 研究员, dmguan@nmemc.org.cn