楚科奇海、白令海表层沉积物210 Pb和137 Cs分布

石红旗,陈发荣

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；2.自然资源部 海洋生态环境科学与技术重点实验室,山东 青岛266061)

210Pb为铀系衰变系的子体,是其母体核素226Ra的气态衰变产物222Rn通过一系列的短寿命氡子体(218Po、214Pb、214Bi和214Po)衰变而成。210Pb进一步衰变为210Bi,210Po和稳定同位素206Pb。222Rn在海水中溶解度随温度和压力变化而变化,在低温高压下处于溶解状态。地表析出的222Rn进入大气中,衰变为210Pb,在行星边界层的大气中短暂停留(约10 d)后,随雨、雪、尘埃等迁出大气,沉降于海洋表面,并进一步沉降至海底沉积物中,形成了沉积物中210Pb的比活度过剩于其母体226Ra的现象。海底表层沉积物中过剩的210Pb(210Pbex)来自颗粒物吸附海水中的210Pb和大气沉降颗粒物210Pb。海洋大气也受到来自陆地大气气团的影响,使得海洋上空大气颗粒物中210Pb比活度升高[1-2]。Persson等的研究[3]表明北冰洋表层大气中210Pb活度浓度为37～176μBq·m-3,靠近陆地气团的表层大气中210Pb活度浓度为269～2 712μBq·m-3。2009—2013年Zhang等[4]的加拿大放射性监测站(其中3个位于北极圈内)气溶胶中210Pb活度浓度数据表明,210Pb比活度冬季高于夏季,冬季与夏季的平均比活度比值随纬度增加而升高。还有研究者关注有机颗粒物中210Pb,应用210Pb测年法测定海底表层沉积物样品的年龄及沉积速率,结合沉积物有机碳含量计算有机碳沉积通量,反映有机颗粒物的输入和输出、迁移特征[5-6],这说明210Pb有作为颗粒标志物和时间标记的特殊作用。对于海洋稳定沉积环境区域,沉积物过剩210Pb比活度可作为近百年内沉积的测年依据。杨伟峰等[7]研究了中国首次北极科学考察楚科奇海表层沉积物放射性核素,指出210Pb比活度低于大多数中低纬度区的,反映了研究海域较低的大气210Pb输入通量,证实有机物质在210Pb的生物地球化学循环中起到重要作用。胡王江等[8]研究了白令海深层(水深1 000 m至底)210Pb质量平衡关系,指出白令海深层除了上层海水沉降输入的210Pb通量,尚需额外的210Pb输入,并归因于陆架区向深海的输入。Oguri等[9]对白令海沉积物放射性核素研究表明,陆架区表层沉积物210Pb比活度随沉积物样品深度(0～20 cm)变化不明显,说明表层沉积物发生了层间混合,由于海洋初级生产力的清除作用和随后的迁移使得陆坡底部沉积物中210Pb颗粒物有较强的积聚。部分区域海洋沉积物存在生物扰动现象,即生物将不同沉积物层相互混合,这可通过测定柱状样上过剩210Pb比活度进行评价[10]。目前海底沉积物中210Pb的研究主要集中在沉积物沉积、表层向深层的自由扩散、生物扰动等过程。我们通过沉积物表层210Pb的分层测定,探讨北冰洋及邻近海区表层沉积物中天然放射性核素的分布状况。

137Cs是人工放射性污染的指标核素。北冰洋137Cs的来源途径主要包括1952—1980年各国大气层核武器试验产生的核废料下沉灰、北冰洋周边国家在海底抛弃的固态及液态核废料、3次重大滨海核电站事故向海洋排放的放射性污染物、欧洲核工厂放射性污染物远程输运进入北冰洋[11]。前苏联将北极圈内的新地岛附近巴伦支海、喀拉海作为处置核废料和其他放射性废物的场所,在远东地区的堪察加半岛东南海域也设有固体和液体核废料倾倒场。海水中溶解态的137Cs通过海洋生物代谢形成有机质沉降进入海底沉积物[12]。楚科奇海、白令海是北冰洋和太平洋连接海域,其陆架区沉积物中人工放射性核素,反映了受到多种因素综合影响。如Oguri K等[9]在白令海北部和西北部陆架区表层沉积物监测到137Cs,并归因于陆源137Cs随河流输入。目前北冰洋及邻近海域海底沉积物是否受到日本向西北太平洋排海放射性污染物的影响尚不明确,我们通过测定表层沉积物中137Cs比活度,判断北极海域海底沉积物可能的突发污染状况。

通过检测第十次北极考察北冰洋楚科奇海、白令海考察区表层沉积物样品,分析了表层沉积物样品0～8 cm层中210Pb和137Cs比活度,获得表层沉积物中比活度分布,评估考察区海底沉积物中的210Pb和137Cs分布状态、特征及成因机制,明确其目前污染状况。

1 取样与分析方法

1.1 研究区海底地形地貌、水文、海冰特征

中国第十次北极考察航次(2019-08-10—09-27)沉积物取样站位分布于楚科奇海R断面、白令海BL和BR断面(图1)。站位图采用Ocean Data View 5.0.0软件绘制。楚科奇海位于北极区的南端,R断面为浅海陆架区,水深41～61 m。楚科奇海水团主要有变性的白令海上层水(位于白令海相连的楚科奇海南部)和极地水组成,夏季海冰融化,70°N以北表层形成较强的温盐锋带[13]。2014—2018年夏季楚科奇海密集冰区的海冰外缘线位置在78°～85°N。2019年夏季楚科奇海台和加拿大海盆附近密集冰区的海冰外缘线位置在78°～80°N①自然资源部第一海洋研究所.中国第十次北极考察现场实施方案,2019:24.。白令海平均水深1 598 m,南部与北太平洋相通,北部通过宽80 km、水深约50 m的白令海峡与楚科奇海相连。BR断面由北侧陆架区延伸到南侧陡坡区,水深33～1 684 m。BL断面为陆架区,水深44～118 m,北浅南深。白令海存在3种水团,即白令海上层水(100 m以浅)、白令海中层水(冬季残留水)、白令海深层水(水深300～400 m以深)[13],白令海水团的温、盐特性有着明显的季节和区域变化。

图1 楚科奇海、白令海沉积物取样站位()和3个断面Fig.1 Sampling locations()for sediments from the Chukchi and Bering seas and the three sampling sections

1.2 仪器、设备和试剂

取样设备:箱式取样器(50×50×65 cm3),青岛蓝科海洋仪器设备有限公司生产,型号LK-DDC-5；聚丙烯管(15 m L),购自亚速旺(上海)商贸有限公司。

测量仪器:高纯锗γ谱仪(其井型探测器直径为22.5 mm,井深为33.5 mm),美国Canberra有限公司生产,型号GCW6023。

实验试剂:210Pb标准溶液(88.28 Bq·g-1),全国统一编号01-12-01-3702,参考日2017-11-01,全国辐射环境监测标准物质配置项目提供,美国Eckert&Ziegler Analytics有限公司生产；模拟介质MRC201705,国家海洋环境监测中心提供的实验室比对用沉积物。137Cs标准溶液(47.01 Bq·g-1)和152Eu标准溶液(191.17 Bq·g-1),中国原子能科学研究院生产。

1.3 沉积物取样与沉积物中210 Pb、137 Cs和226 Ra活度测定

2019-08-27—09-08,采用箱式取样器获取各站位海底表层沉积物样品。用聚丙烯管插管取样,采集表层沉积物0～8 cm样品,置于4℃冰箱保存,陆上实验室测量放射性核素比活度。沉积物管状样品每隔2 cm分层切割,置于105℃烘箱烘干,并干样磨细,置于塑料管中称重,密封放置20 d以上。沉积物中210Pb、137Cs和226Ra用高纯锗伽玛谱仪测量γ能谱。测量日期:2019年10月至12月、2020年4月至9月。210Pb比活度测量用伽马射线46.5 ke V；226Ra比活度通过测量子体214Pb衰变伽马射线351.9 ke V,用于计算过剩210Pbex活度。137Cs测量子体137Ba发射的661.2 keV。井型探测器的探测效率测量添加210Pb、137Cs、152Eu标准溶液的模拟介质,然后通过计算能量效率曲线获取。沉积物中放射性核素的比活度校正到了取样时刻。

取样站位信息及表层沉积物检测结果见表1。沉积物样层深度1 cm、3 cm、5 cm、7 cm对应沉积物层深0～2 cm、2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm数据。R断面海水的温盐数据来自“向阳红01”船船载SBECTD数据(表2)。

表1 BL、BR和R断面表层沉积物(0～8 cm)样品检测结果Table 1 The analytical results for surface sediments(0～8 cm)in the BL,BR and R sections

表2 R断面海水温盐数据Table 2 Sea water temperatures and salinities data for the R section

2 结果与讨论

2.1 楚科奇海考察区R断面表层沉积物中210 Pb和137 Cs比活度分布

楚科奇海考察区R断面表层沉积物中210Pb和137Cs比活度及海水温盐分布见图2。R断面表层沉积物(0～2 cm层)210Pb比活度范围为44.80～117.45 Bq·kg-1,平均值为(74.77±24.02)Bq·kg-1(n＝10),最高值出现在R03站位。不同层深210Pb比活度稍有区别,同一个站位210Pb比活度随深度增加而降低(图2a)。137Cs检出站位9个(共10个站位),检出层13层(共27层),主要分布在表层沉积物的2～4 cm和4～6 cm层,检出的比活度范围在ND～2.23 Bq·kg-1,最高值出现在偏北侧R09站位4～6 cm层。楚科奇海考察区R断面表层沉积物样品中的137Cs比活度处于较低水平,该断面沉积物没有明显的人工放射性核素污染现象。210Pb在表层沉积物的分层分布和137Cs在表层沉积物出现(站位R04、R05和R09)均体现了生物扰动现象(图2a和图2b)。R5站位(168°44′56″W,68°48′27″N)和R6站位(168°45′13″W,69°32′17″N)海水温度较高(图2c),符合汤毓祥等认为的白令海暖流流过影响[13]。考察区R断面水深较浅(43～61 m),易受到陆源输入的影响。210Pb和137Cs主要随大气沉降进入海洋后随颗粒物沉降到海底沉积物表面。137Cs还受到海水交换的影响,白令海、大西洋与北冰洋的水体交换,带入的137Cs影响沉积物中137Cs变化。210Pb和137Cs比活度没有出现随海水深度增加呈现减少的趋势,这与杨伟锋等分析结果[7]不同。R断面北端R10站位(168°44′40″W,72°53′58″N)的表层海水呈现出低温低盐海冰融水混和性质,夏季(9月份)水深20 m以深是温度峰面,20 m以浅是盐度峰面,低温峰面对颗粒物沉积有一定的促进作用。

图2 楚科奇海R断面表层沉积物210 Pb和137 Cs比活度及海水温盐分布Fig.2 The concentrations of 210 Pb and 137 Cs in surface sediments and the distribution of sea temperatures and salinities of the section R in the Chukchi Sea

2.2 白令海考察区BL和BR断面表层沉积物中210 Pb和137 Cs比活度分布

白令海BL和BR断面表层沉积物中210Pb和137Cs比活度分布分别见图3和图4。白令海西侧BL断面表层沉积物(0～2 cm层)210Pb比活度范围为23.93～141.35 Bq·kg-1,平均值为(81.10±51.19)Bq·kg-1(n＝5)。该断面站位随纬度增加(61°16′53″～63°46′08″N)和海水水深渐浅(由水深118 m上升至水深44 m),表层沉积物样品中210Pb比活度降低。210Pb比活度最大值为(142.46±17.63)Bq·kg-1,出现在南端站位BL10(水深118 m)。该断面137Cs检出站位4个(总站位5个),检出层4层(共17层),检出的比活度范围为ND～2.48 Bq·kg-1(图3)。

图3 白令海BL断面表层沉积物中210 Pb和137 Cs比活度分布Fig.3 The distribution of 210 Pb and 137 Cs in surface sediments of the section BR in the Bering Sea

图4 白令海BR断面表层沉积物中210 Pb和137 Cs比活度分布Fig.4 The distribution of 210 Pb and 137 Cs in surface sediments of the section BR in the Bering Sea

白令海东侧BR断面表层沉积物(0～2 cm层)210Pb比活度范围为40.78～620.43 Bq·kg-1,平均值为(132.75±160.81)Bq·kg-1(n＝12)。210Pb比活度在南端BR00站位(174°05′29″W,56°57′12″N)出现的极高值为(620.43±22.09)Bq·kg-1,该站位是BR断面最深站位,水深为1 648 m。该站位226Ra比活度为(47.85±2.22)Bq·kg-1。由沉积物中226Ra产生的210Pb仅占总210Pb的7.7%,说明沉积物中210Pb主要外源应是来自颗粒物沉降过程的携带。该断面137Cs检出站位6个(共12个站位),检出层7层(共40层),检出的比活度范围为ND～2.08 Bq·kg-1,高值出现在断面北端BR10站位的0～2 cm层。BL断面和BR断面沉积物中137Cs分层检出不均匀,这应与核素来源和地球化学循环过程有关,陆架区受到陆源输运的影响,存在明显的扰动现象。白令海考察区BL和BR断面表层沉积物中的137Cs检出站位和检出层均较少,比活度处于极低水平,说明考察区海底沉积物没有明显的人工放射性核素污染现象。

海洋大气中210Pb的沉降是海底表层沉积物中210Pb的重要来源之一,大气影响具有范围广的特点。白令海海域大气中的210Pb可能受周围特殊环境影响。俄罗斯勘察加半岛克柳切夫火山每隔3～5 a发生大型喷发,2015—2019年每年都有喷发。火山喷发释放到大气中的氡气222Rn受到风的影响会随风向大范围扩散。与BR00站位紧邻的BR01站位,其210Pb比活度为(197.47±10.83)Bq·kg-1,远低于BR00站位,表明火山喷发不应是BR00站位海域210Pb比活度高的原因。BR00站位处于陡坡深水区(1 684 m),虽然与BR01站位(水深134 m)相隔较近,但水深差别非常大(超过12倍),原因可能是存在边界清除使得位于陆坡区的深水BR00站位表层沉积物中210Pb比活度极高。

2.3 BR断面部分站位表层沉积物210 Pb分层分析

BR断面6个站位(BR00～BR04、BR07)表层沉积物样品0～8 cm(2 cm/层)分层分析结果见表3。210Pb比活度随自身衰变而降低,附着在海底沉积物颗粒上的210Pb以固定的速率衰变(半衰期22.3 a)。如果沉积环境稳定,210Pb沿沉积深度的分布呈指数衰减关系。过剩210Pbex是指210Pb比活度与226Ra比活度的差值。依照余雯等[6]沉积物表层(0～8 cm)分层过剩210Pbex比活度(dpm·g-1)的自然对数与深度的关系公式:

式中A h为分层210Pbex比活度(dpm·g-1),A0为最顶层210Pbex比活度(dpm·g-1),h为沉积物分层深度(取层中间值,cm),λ为210Pb衰变常数(0.031 1 a-1)；s为沉积速率(cm·a-1)。

计算的沉积物210Pbex比活度(dpm·g-1)、年沉积速率(mm·a-1)和210Pb均化因子(HF)见表3,我们将210Pb均化因子(HF)定义为沉积物表层210Pb比活度与海水深度的比值。

表3 白令海BR断面部分站位表层沉积物样品(0～8 cm)210 Pb分层分析Table 3 The stratification analysis of 210 Pb in surface sediments(0～8 cm)at part of stations of the section BR in the Bering Sea

沉积物平流输送多发生在海峡、海底、斜坡、海流异常处。表层沉积物随海流由高处向低处移动,会引起年沉积率的增加。处于深海陆坡区的BR00站位,沉积物表层样品(0～8 cm)210Pbex比活度总量最高,但因年沉积速率和均化因子(HF)较低,故不是陆架区沉积物平流输送。深海区表层沉积物210Pb比活度高值主要原因是来自上层海水中的210Pb移出并下降至海底,我们初步认为这种移迁不仅与颗粒物数量有关,还与颗粒物粒度有关,后续将展开不同粒度颗粒物对深海沉积的影响研究。在大气颗粒物吸附210Pb研究中[14],亚微米细颗粒物(0.1～0.7μm)对210Pb吸附作用最大。在海水中不同粒径的颗粒物对210Pb吸附性能因技术条件限制很少研究。我们提出用沉积物表层210Pb比活度与海水深度的比值(HF),描述不考虑横向迁移情况下颗粒物由表层向底层沉降过程中,210Pb随水体深度(距离)增加量的差异。这一参数反映了颗粒物对210Pb的吸附性能,不同区域表层沉积物相近的HF值,意味着海洋沉积过程中存在相似机制。

续 表

本研究中北极考察区楚科奇海沉积物取样站位位于陆架区,水深较浅(41～61 m),没有做表层沉积物样品210Pb均化因子分析。Lepore等[5]研究了楚科奇海3个断面(WHS、EHS和BC),提供了水体及沉积物中210Pb的较详细的数据,注意到表层沉积物过剩210Pbex(dpm·cm-2)总量随海底深度增加而增大。我们基于其数据计算得楚科奇海陆架斜坡区(WHS5站位,水深1 108 m；WHS6站位,水深2 264 m)表层沉积物样品210Pb沉积均化因子(HF,0.48和0.52 Bq·kg-1·m-1)相近,意味着临近站位的海洋沉积过程中存在相似机制。

海底表层沉积物中226Ra和210Pb受到海水中颗粒物沉降的影响,颗粒物下降过程中吸附海水中的226Ra和210Pb,并最终抵达海底成为海底表层沉积物一部分。在白令海随海底深度增加表层沉积物中226Ra和210Pb增加。除去226Ra产物外,210Pb增加还来自于海水中210Pb的析出和移迁,这与水深呈一定的线性关系现象。水体中氡(Rn)的溶解与析出受温度和压力影响,高压低温下溶解度系数变大[15-16]。北太平洋Papa站位数据分析[17]表明,水深超过150 m,海水中222Rn比活度接近226Ra的,222Rn处于接近完全溶解,较长寿命子体210Pb以颗粒态或溶解态在海水中存在。海洋水体中溶解态或颗粒态210Pb被下沉的颗粒物再吸附,析出水体并沉积到海底。颗粒物沉降距离随水深增加而增加,颗粒物沉降过程的吸附作用是深海表层沉积物210Pb比活度随海底深度增加的主要原因。

Oguri等的研究表明白令海陆架区沉积物质量沉积速率0.11～0.44 g·cm-2·a-1[9],质量沉积速率最小值出现在陆坡区的最深站位(1 158 m),该站位的表层沉积物210Pb比活度为最高值。陆架浅海区的表层沉积物混合层较厚,沉积物混合主要是海底生物活动以及冬季沉积物再悬浮引起的。来自河流的悬浮物主要沉积在河口区,河流对陆架区沉积物的贡献很小。在海洋陆坡区,较深的陡坡站位具有明显高的过剩210Pb[5,9,18-19],这应是深海雾状层细颗粒物在陆坡上的聚集[9],或因较高的初级生产力对上层水体210Pb的清除作用[5,19],或与沉积物的化学特性(较高的水合锰氧化物)[18]有关。Carpenter等[18]指出海水中的226Ra原位衰变产生210Pb,含有可溶态210Pb的海水平流输运,是沉积物过剩210Pb的主要来源,过剩210Pb的沉积性输入受限于颗粒物对溶解态210Pb的清除过程。深海表层沉积物中210Pb随海底深度变化的趋势具有普遍性。我们发现在过剩210Pb比活度高值BR00站位的226Ra比活度是邻近站位的1倍以上,显然226Ra来自颗粒物的沉积过程。深海区域海水的平流作用、溶解态210Pb的驻留时间、颗粒物(数量、尺寸、物化性质)的综合影响,是导致考察区深海区域表层沉积物中210Pb高值的主要原因。

3 结 论

海洋表层沉积物中的210Pb主要来自海洋水体,210Pb比活度的分布反映了水体颗粒物沉积过程,也反映了生物活动对沉积层的扰动。我们通过将沉积物过剩210Pb与海水深度相关联,以颗粒物在下降过程中的比活度的变化显示上层颗粒物在沉积到底层过程中增加的210Pb(包括226Ra)比活度。结果表明在沉降过程中颗粒物不断吸附海水中的210Pb(包括226Ra)。不同海底深度的表层沉积物中210Pb明显差异,深海区明显高于浅海区。我们提出用210Pb均化因子HF(沉积物表层210Pb比活度与海水深度的比值)代表深海210Pb表层沉积物活度与海水深度的关系。研究表明随海底深度增加颗粒物吸附210Pb增加；颗粒物理化性质对210Pb吸附有明显的影响,细颗粒物对210Pb吸附作用高于粗颗粒物,年沉积率小而比活度大。颗粒物沉降过程的吸附作用是深海沉积物表层210Pb比活度随海水深度增加的主要原因。不同水深站位均化因子有的相近,有的差异很大。相近者可能具有相似的颗粒物下降过程,特别是细颗粒物沉积过程。颗粒物中210Pb比活度随颗粒物粒径变化的研究较少,水体中亚微米级粒径的颗粒物起何种作用有待于进一步研究。

137Cs作为人工放射性核素是非颗粒吸附型元素,不易被颗粒物吸附。大气中放射性核素降落进入海洋,在海水中处于溶解状态的137Cs通过生物代谢转化为有机质沉降进入海底形成沉积物。大多数考察区站位表层沉积物(0～8 cm)137Cs比活度处于较低水平,这表明人类核活动释放影响处于较弱状态。海洋沉积物中137Cs比活度能够反映一段时间以来海水中人工放射性核素污染状况。楚科奇海陆架区、白令海陆架区沉积物中137Cs比活度分布不均匀,明显受到生物扰动影响。

依据我们考察获得的调查数据,确实难以系统地阐述该区域底质沉积物中放射性核素比活度变化规律。深海中表层沉积物210Pb比活度随沉积层深度变化的特征,反映了其随时间的自然衰变过程和由上至下的自然扩散过程。表层沉积物210Pb比活度随海底深度增加而提高的现象,虽难以用现有数据指明原因,但作为一个特征并且用均化因子作为这一现象的量化指标,对于沉积物研究有一定的科学意义。