花岗岩氡析出影响因素研究进展

龙淑琴，谢焱石，谭凯旋，张明华，单 健，王 升

(南华大学资源环境与安全工程学院 稀有金属矿产开发与废物地质处置技术湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001)

花岗岩作为地壳中分布最广泛的岩石，常用作建筑材料和各类地下工程中，因其相对富含铀钍等放射性元素，氡析出对人类生产生活环境的辐射影响受到广泛关注，不少学者对其氡析出情况和危害进行了研究[1-7]。关于氡危害的研究一般主要关注铀系的222Rn，本文中所提及的氡皆指222Rn。

氡的析出一般被认为是α反冲和扩散-渗流共同作用的结果，而氡析出率能很好地反映氡的析出情况，是评价居室和地下工程内部氡浓度水平和控制氡浓度污染的重要参数，但受射气介质固有性质和外在因素的影响而表现复杂。在花岗岩氡析出中镭活度被认为是重要的影响因素，但众多国内外学者研究发现实际情况更为复杂，其他因素也对花岗岩氡析出有重要的影响[8-12]。由于影响因素复杂，而其释放的氡与人体健康又有着密不可分的联系。因此，本文结合前人研究进行梳理总结，从岩石自身特性方面对各影响因素进行详细阐述和讨论，更好地了解花岗岩氡析出的影响因素，对进一步掌握氡的析出规律以及人居环境和地下工程的氡防护提供重要的参考。

1 岩石原生特性对氡析出的影响

1.1 岩石化学成分

1.1.1镭活度

氡为镭的衰变产物，从其产生的衰变链看氡析出应与镭活度有密切联系，理论上存在预期的相关性。实际上，大量研究表明它们之间确实存在线性相关关系。如Al-Jarallah等[13]研究沙特阿拉伯地区的205个建筑材料样品，结果发现氡析出量与镭活度表现为线性相关，相关系数为0.90。而其他学者对黎巴嫩、塞尔维亚、伊朗、沙特阿拉伯等市场上的花岗岩进行测量分析后得到同样的结果，氡析出率和镭活度同样表现出线性相关，相关系数分别为1、0.886 7、0.9和0.92[4，14-16]。此外，Harb等[17]对花岗岩、大理岩和石灰岩三种岩石类型的镭活度和氡质量析出率关系进行研究，结果显示三种岩石都表现出预期的线性关系，相关系数均为1。

从上述文献可看出，镭活度和氡析出率的相关系数最低为0.886 7，基本保持在0.9以上，这表明镭活度和氡析出率之间存在线性相关关系，并证实镭活度为影响氡析出的一个重要因素，同时也为依据镭活度来推断氡析出情况提供了强有力的证据。

1.1.2铀含量

从氡产生的衰变链来看，铀作为氡产生衰变链上的最初母体，其含量多少对氡析出也起着重要的作用。而它们的关系在一些学者的研究中也有所提及，如El-dine等[18]对花岗岩样品的测量分析结果显示铀活度浓度与氡析出率表现出线性相关，相关系数为1。Singh等[19]对从哈里亚纳邦的图沙姆环杂岩采集的花岗岩进行测量分析，结果表明铀含量和氡析出率为线性相关，相关系数为0.7。此外，不少学者在对室内氡浓度进行测量时也发现，铀含量较高地区对应的室内氡浓度也表现的更高[20-23]，这种现象也间接说明了氡析出率与铀含量之间的线性相关，不过较镭活度而言其相关系数更低。这可能与铀衰变到氡之间经历的一系列其他衰变和影响过程有关，文章稍后将进一步阐述。

1.2 岩石矿物成分

矿物成分为花岗岩组成的基本单元，研究发现花岗岩的氡析出可能与之相关[24-25]。比如，有学者发现石英作为花岗岩主要造岩矿物具有较高的氡析出系数，但对整体氡析出的贡献率表现较低[26-27]，主要原因在于贡献率不仅取决于氡析出系数，还与矿物含量及镭活度有关，而石英放射性元素含量相对较少。Akihiro等[26]发现白云母和针铁矿有较高的氡析出贡献率，可能与它们的高镭活度有关。Tkaczyk等[28]在对爱沙尼亚海岸的黑沙样品进行研究时发现，石英含量与镭活度为弱负线性相关(R2= -0.12)，但它与氡析出率之间却表现出强负线性相关(R2= -0.65)；而长石含量与镭活度为强正线性相关(R2= 0.6)，与氡析出率则表现出很强的正线性相关(R2=0.84)；锆石含量与镭活度具有很强的正线性相关(R2=0.8)，与氡析出率只是强线性相关(R2=0.61)。尽管以上研究结论不全来自于花岗岩样品，但结合关于石英、长石、白云母和针铁矿的研究结果也可看出，不同矿物对花岗岩氡析出的贡献率存在差异，并主要取决于放射性元素含量，同时也受矿物其它性质的影响。比如Ball等人[29]提到一些铀含量高的花岗岩表现出较低的氡析出水平，有些甚至可能在衰变过程中不释放氡。Gomes等[20]在研究中发现当铀存在于重副矿物中，而重副矿物被完整的石英包裹时氡析出率较低，因其衰变产生的氡无法释放到矿物外部成为自由氡，从而减少了氡的析出。Moura等[30]在调查研究中发现结晶岩石中大部分铀结合到如独居石、锆石等副矿物中，致使铀不容易迁移，但如果赋存于长石等抗风化能力较弱的矿物时，随着风化过程的演化长石不断崩解将利于铀迁移并促进氡析出。因此，当铀赋存于矿物内时，岩石中氡的释放很大程度上受铀镭所在的矿物成分控制。

目前关于花岗岩矿物对氡析出率的具体影响机制的研究还比较少，主要影响矿物还有待进一步研究，除白云母、针铁矿和长石外，其他矿物的影响还有待进一步确定。此外，关于这些矿物的影响方式，除放射性元素含量及其赋存形式外，还有哪些矿物性质会产生影响，以及它们对氡析出的影响程度，这都是未来矿物成分对花岗岩氡析出影响研究的方向。

1.3 岩石成因类型

花岗岩按其成因可以分为很多类型，如按照物质来源可分为M型、I型、S型和A型，按照构造背景可分为岛弧造山带、活动大陆边缘、大陆碰撞带、陆内造山带以及大陆裂谷带等多种类型。不同构造背景或者物质来源的花岗岩具有不同的矿物及化学组成，从而具有不同的氡析出特征。研究发现弗里登堡的I型花岗岩组产生的室内氡浓度相较沙尔丹哈的熔结泥灰岩更高，分析其原因主要在于该地区I型花岗岩铀浓度较高[22-23]。Singh等[19]发现高温花岗岩的铀含量较高，在一定程度上也影响着岩石的氡析出。而对于花岗岩表现出的高水平铀，普遍认为受到岩石成因的特点以及相关构造环境的影响，与地幔相比地壳来源的岩石放射性核素含量更高。这在一些研究中得到了验证，如Moura 等[30]在研究巴西火成岩石材的天然放射性时，发现过铝质地壳等岩石类型氡析出率相对较高，总体上随着岩浆过程的演化氡析出率有增加的趋势。不同构造背景或者物质来源的花岗岩很可能因不同放射性核素浓度而影响氡的析出。

2 岩石次生变化对氡析出的影响

由前文可知，岩石原生特性对氡析出起着非常重要的作用，但岩石原生特性会受到后期风化和蚀变过程的影响，Hellmuth 等[31]在研究扰动、蚀变和新鲜等几种类型岩石的氡析出时发现，受蚀变和风化过程影响的花岗岩氡析出率明显高于受爆破扰动的岩石和新鲜岩石。此外，Domingos 等[32]针对蚀变过程进行了具体研究，结果也证实了蚀变过程对氡析出影响的重要性。因此，除岩石原生特性外，下面就次生作用对花岗岩特性的改变方面进行探讨，阐述岩石次生变化对氡析出的影响。

2.1 放射性核素的分布

2.1.1铀的赋存形式

一般情况，岩石中的铀大多赋存于副矿物当中，也有一些以分散形式赋存于造岩矿物或矿物裂隙中。Amaral[33]发现当铀赋存岩石裂隙时表现出更高的氡析出率，并证实铀在岩石中的赋存形式是氡析出的一个重要影响因素。岩石中的铀虽大多分布在矿物内部，但在风化或蚀变过程影响下会发生迁移，甚至发生铀富集[34-35]。研究发现风化过程使得铀更容易富集在裂隙、颗粒边界以及其他孔隙中[31]。Morawska等[36]在利用放射自显影图研究二云母花岗岩中铀原子的位置时发现，大多数铀存在于微裂隙和蚀变部位的晶界上。Pereira等[37]对花岗岩放射性进行测量时观察到一些裂隙中出现轻微铀富集，分析显示受风化或蚀变过程影响铀会迁移到裂隙中，并使得花岗岩的氡析出有所增加。研究岩石和矿物气体泄漏机制的学者发现，岩石中的高氡析出主要是因为铀和镭这些放射性母体沿晶界和微裂隙分布，这更有利于氡的快速逃逸[38]。风化和蚀变过程会致使铀迁移而影响氡析出，一些研究中热液蚀变甚至表现为氡析出显著增加的主要原因，但铀的迁移过程复杂，最终还取决于它在岩石中的赋存形式[32]。

2.1.2镭的赋存形式

镭的赋存形式与铀有着较强的联系，一部分存在于铀矿物中，而不同于铀的是受到风化影响时镭在氧化条件下活动性较低，放射性核素被释放出来之后，铀表现为高活性可自由迁移，而镭仍留在原地，相比之下镭比铀更容易被吸附在矿物表面[39-40]。如Ek等[41]研究瑞士的两个冰河沙堆，由放射性花岗岩碎屑形成的冰河沙堆，其226Ra和238U表现出高度放射性不平衡，因为风化过程使得226Ra从原生矿物中被释放出来并吸附在矿物颗粒表面，238U在风化过程中容易被氧化成六价态，并以可溶性铀酰离子或可溶性复合物的形式被过滤水浸出。有学者对孔隙系统中镭的赋存形式对氡析出的影响进行了模拟实验，用混凝土制备了两种人工基质，一种是把镭添加到水中溶解，另一种是将破碎的铀矿石添加到水泥中，结果表明，第一种基质中的氡析出率更高，因为在镭分布均匀的情况下，镭元素固定在孔隙表面，而铀矿石颗粒被不含放射性核素的水泥包裹从而阻碍了氡的析出[31]。这种浸染在水泥基质中的镭分布模式被认为与强风化结晶岩石的情况是类似的，通过对比两种浸染方式可以得到风化程度的强弱会对氡析出效果的影响。

2.2 矿物颗粒大小

风化过程会使岩石或者矿物颗粒逐渐变小，比表面积增大，研究发现颗粒比表面积增大会导致氡析出增加[24,26,42]。一方面岩石或矿物颗粒变小能够更好地帮助内部的氡释放，从而提高氡的析出。此外，随着比表面积的增大，离子交换容量越大，吸附能力增强，更多的镭在颗粒表面富集从而增加了岩石的氡析出。如Megumi等[43]实验发现风化使花岗岩中的镭从原生矿物中去除而吸附在矿物表面，主要分布在较细的粒径部分。Efstathiou等[44]和Harb等[17]就颗粒粒度与花岗岩样品氡析出的关系进行研究，实验结果显示花岗岩氡析出与粒径之间呈反比关系，并且在Harb等的实验中花岗岩氡析出和粒径之间的反比关系表现的比大理岩和石灰岩都强。

但氡析出也并非简单地随着粒度变小而增加，Funtua等[45]研究发现当富含放射性核素的矿物集中在粗颗粒中时，氡的相对活度会随粒度增大而增加。此外，有研究发现氡析出与比表面积不呈反比关系的现象，主要出现在混合化合物(如岩石和土壤)制成的测量样品中，因矿物抗风化能力不同，细粒级的土壤矿物组成可能与粗粒级有很大不同，不同矿物的氡射气分数也存在差异，对于这类样品将其分为不同粒度进行研究不具参考作用[26,46-47]。关于粒度对氡析出的影响，有学者认为在岩石样品中并不适用，因为土壤受风化作用后颗粒比表面积会增大，导致镭原子在表面富集，而在岩石样品中镭在颗粒表面和内部均有分布，因此认为裂隙和颗粒形状等因素可能更为重要[40]。

2.3 岩石微裂隙

与其他射气材料相比，岩石自身孔隙率更低，这会影响氡原子从矿物内逃离，以及自由氡从介质内扩散到环境中，使得氡析出受到阻碍。而风化过程使岩石成岩时形成的微裂隙继续发展成新裂隙，最后相互连通成为裂隙网络，岩石孔隙率提高。岩石裂隙对氡析出的影响主要表现在两方面：一方面裂隙产生增加岩石内表面积，岩石或矿物内氡的逃逸机率提高[48]；另一方面氡的寿命和扩散距离有限，当晶粒表面产生的原子被困在孔隙空间内或被微裂隙的自由内表面吸附时，才能从岩石释放到周围的介质中，裂隙的产生能为氡析出提供所需的通道和贮存空间。研究发现岩石或矿物内部开放、连通的微裂隙网络使得岩石孔隙率和渗透性都有所提高，导致氡析出能力增大，氡释放增加[31,39,44,49-52]。值得注意的是Pereira等[53]在研究中发现岩石孔隙率提高会使得氡析出率增加，而其中孔隙率的影响作用比镭活度表现的更为显著。从Nicolas等[54]的实验结果看，裂隙的产生能提高氡析出率的原因主要为第二方面，即裂隙通过作为析出通道影响氡析出。

3 总结和讨论

本文从岩石的原生特性和次生变化两方面对花岗岩的氡析出进行综述，发现花岗岩的氡析出与岩石化学成分、矿物成分和成因类型等原生特性以及次生风化和蚀变导致的放射性核素分布、矿物颗粒大小以及微裂隙等因素密切相关。

岩石原生特性方面，作为氡产生衰变链上的母体，铀、镭活度与花岗岩氡析出之间表现出线性相关，尤其是镭活度可做为预测氡析出的一个重要指标。此外，学者发现花岗岩矿物成分对氡析出也有影响，除了与放射性元素含量有关之外，其他具体影响机制还需进一步研究，可能与铀、镭等放射性元素在岩石中的赋存形式密切相关。岩石原生特性的影响除岩石的化学和矿物成分外，岩石构造背景或物质来源同样与氡析出有关，如壳源成因的花岗岩具有较高的氡析出率。

花岗岩自身特性对氡析出虽有影响，但会在风化和蚀变等后期作用中发生变化，花岗岩的次生特性对氡析出具有不可忽视的作用，主要包括放射性核素的分布、矿物颗粒的大小以及岩石微裂隙等几个方面。从放射性核素的分布来说，风化和蚀变过程容易使铀和镭从矿物内部释放出来，并被颗粒表面吸附或迁移到岩石裂隙中，从而提高花岗岩的氡析出率。铀镭在表生环境下的地球化学行为表现不同，最终导致铀含量与氡析出的关系比镭更为复杂。此外风化过程中颗粒逐渐变小有利于氡的析出。一方面岩石或者矿物颗粒逐渐变小，使得铀镭更易从岩石或矿物内部逃逸，另一方面比表面积增大，颗粒对镭铀的吸附能力增强，最终导致岩石氡析出率提高。最后，裂隙的扩展与发育是风化作用下岩石较显著的变化特征，同样是氡析出的有利条件。对氡析出的影响主要表现在两个方面：一方面裂隙的产生导致岩石内表面积增加，岩石或矿物内氡的逃逸机率随着提高，另一方面岩石的孔隙率增加，为氡的析出提供通道，两方面均有助于岩石中氡的析出。但目前关于裂隙的研究多注重于宏观层面和定性方面，微裂隙对氡析出的影响以及它们之间的定量研究相对较少，还需进一步研究。

综上所述，从影响花岗岩氡析出的各种内在因素看，岩石原生特性对氡析出有重要影响，后期的风化和蚀变过程对氡析出的影响更值得关注，这种次生变化将从诸多方面改变岩石化学、矿物成分和结构构造，使得岩石中的氡析出变得更为复杂。因此，未来需要系统研究并定量描述岩石化学、矿物成分和次生变化对氡析出的影响，并据此建立合理有效的岩石氡析出模型，帮助全面地了解岩石中氡析出规律，为地下工程及人居环境的氡防护提供理论依据。