Научные основы оценки потенциальной радоноопасности платформенных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

14

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ РАДОНООПАСНОСТИ ПЛАТФОРМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Микляев Петр Сергеевич

25.00.36 - геоэкология

Москва - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Альберт Михайлович Маренный

ФГУП НТЦ РХБГ ФМБА России

Официальные оппоненты: Александр Евстафьевич Бахур

доктор геолого-минералогических наук

ФГУП «ВИМС», зав. лаб.

Владимир Михайлович Бондаренко

доктор технических наук, профессор

МГРИ-РГГРУ им. Серго Орджоникидзе, профессор

Лорен Арамович Гулабянц

доктор технических наук, профессор

ФГБУ «НИИСФ РААСН» Минстроя РФ, зав. лаб.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов» (ФГУП «ИМГРЭ»).

Защита состоится « 01 » июня 2015 г. в 15-00 часов на заседании Диссертационного совета

Д 002.048.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН) по адресу:109004, Москва, ул. Николоямская, д. 51

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭ РАН по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д.13, стр.2.

Автореферат разослан «….»__________2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 101000, Москва, Уланский пер., д.13, стр.2, а/я 145, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.048.01 кандидату геолого-минералогических наук Г.И.Батраку, gib74@mail.ru

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук Г.И.Батрак

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие современных крупных городов невозможно без учета геоэкологических рисков, оценки безопасности проживания человека на осваиваемых и уже освоенных территориях, в том числе без учета радиационной безопасности. В 1970 годах прошлого века было установлено, что более 80% годовой дозы облучения человек получает от природных источников ионизирующего излучения, при этом более 50% дозы обусловлено радоном и продуктами его распада. С этого момента во многих странах были начаты исследования радиационной безопасности зданий. В нашей стране подобные исследования начались в 1990-х годах. В настоящее время Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) и Международный Комитет радиационной защиты (МКРЗ), основываясь на результатах совокупного анализа эпидемиологических исследований, проведенных в ряде стран, признает радон одним из ведущих канцерогенных факторов, уступающим по значимости лишь курению.

Важным аспектом радоновой проблемы в целом является обеспечение радонобезопасности зданий и сооружений с длительным нахождением в них людей. Известно, что содержание радона в помещениях в значительной степени зависит от его поступления из грунта, которое, в свою очередь, определяется радоновым полем грунтового основания зданий.

Несмотря на то, что исследования радоновых полей с геоэкологических позиций в последние десятилетия активно проводятся как российскими, так и зарубежными специалистами, единая теоретическая и методическая база этих исследований разработана недостаточно. Отчасти это связано с отсутствием среди исследователей единства мнений о механизмах формирования радонового поля грунтовых массивов. Кроме того, изучение радона проводилось, в основном, в рамках поискового и геодинамического направлений, что обусловило сосредоточение массовых исследований радона, главным образом, в районах со специфическим геологическим строением, например, с высокими (рудными) концентрациями радионуклидов уранового ряда или в горно-складчатых областях с высокой современной сейсмической или вулканической активностью. При этом территории древних платформ, характеризующиеся спокойной геодинамической обстановкой и кларковым содержанием радионуклидов в горных породах, оставались практически не исследованными. Между тем, с геоэкологических позиций интерес представляет, прежде всего, изучение радонового поля в крупных городах, расположенных на платформенных территориях. В этой связи возникла необходимость проведения специальных комплексных исследований радоновых полей платформенных областей с целью разработки системы нормирования и оценки потенциальной радоноопасности территорий. Таким образом, разработка теоретических основ оценки потенциальной радоноопасности платформенных территорий является одной из наиболее актуальных проблем современной геоэкологии.

Цель исследования: разработка, научное обоснование и внедрение в практику инженерно-экологических изысканий для строительства системы комплексной оценки показателей потенциальной радоноопасности на платформенных территориях.

Основные задачи исследований:

- выполнить критический анализ существующего положения в исследованиях радоновых полей с геоэкологических позиций;

- выявить закономерности выделения и межфазового распределения свободного радона в дисперсных грунтах с целью оценки влияния этих процессов на формирование радоновых полей;

- оценить масштабы и характер временных вариаций радонового поля грунтовых массивов по результатам долговременного мониторинга параметров радонового поля на экспериментальных режимных площадках;

- определить закономерности пространственного распределения радонового поля на основе обобщения и анализа имеющихся результатов измерений плотности потока радона (ППР) в ходе инженерно-экологических изысканий, а также по результатам специальных полевых исследований на территории Восточно-Европейской платформы;

- установить основные составляющие радоноопасности на основе анализа и схематизации источников и факторов формирования радоновых аномалий на платформенных территориях;

- разработать рекомендации по оценке и картированию потенциальной радоноопасности на различных стадиях проектирования и строительства.

Фактический материал и методы. В работе применен новый комплексный подход к изучению радоновых полей, основанный на исследованиях параметров радонового поля и радиационно-физических характеристик геологической среды. В основу исследований положен фактический материал, полученный в период с 1997 по 2012 год в процессе инженерно-экологических изысканий, а также в ходе специальных исследований в центральной части Восточно-Европейской платформы (г. Москва, Московская, Курская, Тверская, Новгородская, Ленинградская, Нижегородская области). Результаты площадных эманационных исследований дополнены результатами долгосрочного мониторинга показателей радоноопасности на экспериментальных площадках, расположенных как в пределах платформы (г. Москва, д. Морозовы Борки Рязанской обл.), так и за ее пределами (г. Екатеринбург, г. Пятигорск). Все измерения проводились с применением современной высокоточной аппаратуры, прошедшей метрологическую аттестацию, по методикам, утвержденным Госстандартом. Применялся широкий спектр радиометрических и спектрометрических полевых и лабораторных методов.

Защищаемые положения:

1. Эманирование дисперсных грунтов определяется микроструктурными особенностями грунта, а именно, соотношением размеров структурных элементов грунта (частиц и пор) по отношению к величине пробега атомов отдачи в среде, и не зависит от внешних условий - температуры и влажности среды (в диапазоне значений, характерных для верхней части земной коры).

2. Плотность потока радона с поверхности грунта определяется выносом радона из зоны активного газообмена с атмосферой (специфического пограничного грунтового слоя, мощностью 1,5-3,0 м), и испытывает высокоамплитудные временные колебания, в связи с чем эта величина не может применяться в качестве однозначной характеристики интенсивности поступления радона из грунтов основания в подземную часть проектируемого здания.

3. Поле плотности потока радона платформенных территорий обладает дискретной пространственной структурой и подразделяется на фоновую и аномальную составляющие. В пределах фоновых участков радоновое поле определяется, прежде всего, содержанием в грунтах радия. Радоновые аномалии приурочены к геодинамически активным зонам и связаны с аномальными деформациями приповерхностных грунтов. При этом транзитный перенос радона из более глубоких горизонтов (поступление «глубинного» радона) на платформах отсутствует.

4. Потенциальная радоноопасность платформенных территорий определяется присутствием в геологической среде пород с повышенным содержанием радия, а также наличием геодинамически активных зон, в пределах которых могут формироваться аномальные радоновые поля. Оценка потенциальной радоноопасности территорий должна заключаться в выявлении и картировании данных объектов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены закономерности распределения радона в грунтах между твердой и газово-жидкой фазой, и впервые установлены характерные значения коэффициентов эманирования для приповерхностных рыхлых отложений.

2. Впервые получен региональный фоновый уровень плотности потока радона с поверхности грунта на территории Восточно-Европейской платформы, установлены закономерности пространственно-временных колебаний этой величины в зависимости от литологического состава приповерхностных отложений и внешних факторов (ротационный режим Земли, колебания влажности грунтов, изменения метеоусловий). Определены количественные критерии для выявления радоновых аномалий.

3. Разработан и апробирован оригинальный изотопный геохимический метод оценки интенсивности миграции радона в массиве, и глубины выноса радона из грунтов, основанный на определении отношения активности изотопов 210Pb/226Ra в пробах грунта.

4. Впервые установлено, что в фоновых условиях радоновое поле формируется исключительно за счет выделения радона из грунтов зоны аэрации, дальний перенос радона из более глубоких горизонтов маловероятен.

5. Впервые выявлены контрастные аномалии плотности потока радона и установлена их возможная связь с явлением суперинтенсивных деформаций земной поверхности в геодинамически активных зонах платформ.

6. Разработаны новые принципы оценки и картирования потенциальной радоноопасности территорий в пределах платформенных территорий, в том числе, впервые разработана методика оценки потенциальной радоноопасности на основе расчета плотности потока радона из грунтов для условий фоновых радоновых полей.

Личный вклад автора. В диссертационной работе приводятся результаты многолетних исследований, выполненных лично автором, при его участии, или под его руководством. Автору принадлежат: выбор направления исследования и постановка проблемы, аналитический обзор литературы, разработка обобщенной концепции формирования радонового поля в платформенных условиях, теоретических, методологических и методических положений оценки и картирования потенциальной радоноопасности, постановка, руководство и участие в исследованиях по апробации теоретических и методологических положений, формулировка выводов. Результаты разработок, проведенных в соавторстве с другими исследователями, и касающиеся в основном апробации ряда положений диссертации на конкретных участках, включены в диссертацию только при наличии совместных публикаций.

Практическая значимость работы. В результате выполнения диссертационных исследований решена крупная научно-практическая проблема создания комплексной системы оценки и картирования потенциальной радоноопасности территории России с целью минимизации рисков, связанных с облучением населения радоном в помещениях. Полученные результаты положены в основу соответствующих разделов нормативно-методических документов, в том числе, «Инструкции по проведению инженерно-геологических и геоэкологических изысканий на территории г. Москвы» (2004 г), СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства, Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96» (2012 г), Методических указаний «Оценка потенциальной радоноопасности участков строительства» (проект, находится в стадии метрологической аттестации). Предложенные в диссертации идеи положены в основу «Программы исследований мониторинга параметров потенциальной радоноопасности» в рамках Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года». Теоретические и методологические разработки могут быть использованы при: 1) проведении оценки потенциальной радоноопасности территорий на различных стадиях инженерно-экологических изысканий и проектирования; 2) геоэкологическом обосновании градостроительных программ, генпланов городов и населенных пунктов; 3) обосновании управляющих решений по минимизации рисков, связанных с облучения населения радоном. Внедрение изложенных в работе принципов в практику позволяет существенно повысить эффективность оценки радоноопасности территорий, минимизировать материальные затраты при разработке и осуществлении мероприятий по ограничению облучения населения радоном.

Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертации были доложены и обсуждались на международных и всероссийских совещаниях, конференциях и семинарах, в том числе на 33-ем Международном геологическом конгрессе (Осло, 2008); на X, XI и XII Международных конгрессах IAEG (Нотингем, 2006; Окленд, 2010; Турин, 2014); V Европейском конгрессе «Regional Geoscientific Cartography and Information Systems. Earth and Water», (Барселона, 2006); Международной конференции «Waste Management. Environmental Geotechnology And Global Sustainable Development» (Любляна, 2007); Международной конференции «Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safety. EngeoPro-2011» (Москва 2011); Международном симпозиуме Russian-Nordic Symposium on Radiochemistry (Москва, 2013); Годичных сессиях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии («Сергеевские чтения» Москва 2006, 2010, 2012, 2014); Международных научно-практических конференциях «ГЕОРИСК» (Москва 2006, 2009, 2012); Российских конференциях «Радиохимия» (Дубна 2007, Москва 2009); Международных совещаниях «Проблемы прикладной спектрометрии (ППСР)» (2002, 2005, 2007, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2010, 2012); Научном семинаре Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (Москва, 2010, 2013, 2014); XII ежегодном совещании «Спектрометрический анализ. Аппаратура и методы обработки на ПВЭМ» (Обнинск, 2005); Международной конференции «Город и геологические опасности» (Санкт-Петербург, 2006); Научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (Москва, 2006); Международной конференции «Мониторинг геологических, лито-технических и эколого-геологических систем (Москва, 2007); Конференции «Актуальные вопросы обеспечения радиационной безопасности на территории РФ» (Москва, 2007); Конференции «Радон в геологоразведке и экологии» (Москва, 2007); Всероссийской конференции «Актуальные вопросы радиационной гигиены» (Санкт-Петербург, 2010); Научном семинаре «Актуальные вопросы радиационной физики» НИЯУ МИФИ (Москва, 2011); Всероссийской конференции «Радиохимия - наука настоящего и будущего» (Москва, 2011), VII Университетских геол. чтениях «Проблемы региональной геологии и поисков полезных ископаемых» (Минск, 2013).

Исследования, положенные в основу некоторых глав диссертации, выполнены при финансовой поддержке РФФИ, гранты №№ 07-05-01011а, 10-05-01050а, 10-05-09461моб з, 13-05-00975а, 13-05-01112а.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 20 публикаций в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России (список прилагается в конце автореферата).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 307 страницах, состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа проиллюстрирована 63 рисунками и содержит 25 таблиц. Список использованных источников включает 232 наименования.

Благодарности. Автор глубоко признателен первому заведующему лабораторией эндогенной геодинамики и неотектоники ИГЭ РАН дгмн В.И. Макарову, определившему научно-методологическую направленность диссертации, оказавшему неоценимую поддержку и помощь в работе. Автор выражает благодарность директору ИГЭ РАН академику В.И. Осипову, зам. директора по науке дгн А.С. Викторову, зав. лабораторией эндогенной геодинамики и неотектоники кгмн В.М. Макееву и всем сотрудникам лаборатории, в том числе, кгмн С.В. Григорьевой, кгмн А.Л. Дорожко, В.С. Крыловой, И.В. Коробовой, В.Г. Синчук, С.А. Несмеянову, О.А. Воейковой, А.А. Мурому, а также ученому секретарю диссертационного совета кгмн Г.И. Батраку за доброжелательное отношение, внимание, помощь. Автор выражает благодарность своему учителю и научному консультанту дфмн А.М. Маренному, зав. лабораторией природных источников ионизирующих излучений ФГУП НТЦ РХБГ ФМБА России, а также всем сотрудникам лаборатории, без участия которых работа не была бы полной. Автор благодарен сотрудникам и директору ООО «РЭИ-регион», кэн М.А. Маренному, за сотрудничество, помощь и предоставление фактических материалов. Автор выражает признательность ктн А.А. Цапалову за плодотворное сотрудничество и помощь, начальнику ООО «ЛРК Сталкер» Ю.А. Баннову за предоставление материалов и ценные идеи, А.В. Томашеву за неоценимую поддержку и помощь, в том числе, в организации и проведении полевых исследований. В заключение автор благодарит сотрудника кафедры радиохимии МГУ им. М.В. Ломоносова ктн Т.Б. Петрову, свою супругу, соавтора и товарища по несчастью и счастью, за терпение, понимание, поддержку и помощь в написании и обсуждении работы в целом и отдельных ее частей.

Основное содержание работы

радоноопасность картирование грунт

Глава 1. Существующее состояние исследований радоновых полей и подходы к оценке радоноопасности

В главе проведен обзор результатов исследований радонового поля платформ в период от первых пионерских исследований в 20-30-х годах ХХ века до настоящего времени. В нашей стране над проблемой работают и работали В.И. Вернадский, А.Г. Граммаков, Ю.П. Булашевич, В.И. Баранов, В.Л. Шашкин, А.С. Сердюкова, Г.Ф. Новиков, Ю.Н. Капков, А.А.Смыслов, В.А. Максимовский, М.Г. Харламов, И.М. Хайкович, Ю.П. Рябоштан, Е.И. Селюков, Л.Т. Стигнеева, В.И. Уткин, А.К. Юрков, И.А. Козлова, А.В. Климшин, В.П. Рудаков, А.Л. Дорожко, А.М. Маренный, Л.А. Гулабянц, А.А. Цапалов, В.М. Бондаренко, Н.В. Демин, И.В. Павлов, В.С. Яковлева, Н.К. Рыжакова, Ю.В. Жуковский, И.В. Ярмошенко, В.С. Рогалис, М.В. Белецкая, Т.М. Овсянникова, Н.П. Лукутцова, Р.И. Паровик, П.П. Фирстов, В.А. Воеводин, С.А. Кургуз и другие.

Анализ литературы показывает, что, несмотря на многолетние исследования, предлагаемые решения вопроса о формировании радонового поля платформ далеки от полноты и содержат много дискуссионных моментов. Слабо изучено эманирование и межфазовое распределение радона в приповерхностных дисперсных грунтах (основная среда, где проводятся собственно измерения радонового поля). Недостаточно информации о характере и амплитуде временной изменчивости параметров радонового поля приповерхностных грунтов. Слабо изучены закономерности формирования стационарного распределения содержания радона по вертикальному профилю, неизвестна глубина поступления радона к дневной поверхности. То же относится и к закономерностям пространственного распределения радонового поля, в том числе, связи радоновых аномалий с разрывными нарушениями и геодинамически активными зонами платформ.

В нашей стране, согласно комплекту нормативно-методических документов, действующих с середины 1990-х годов, оценка потенциальной радоноопасности проводится на основании результатов однократных измерений плотности потока радона (ППР) с поверхности грунта в пределах контура проектируемого здания (не менее чем в 20 точках). В основе данного подхода лежит предположение, что в массиве грунтов существует постоянный во времени и непрерывный в пространстве (неизменный по глубине) поток радона из недр в атмосферу. Однако анализ литературы и результаты собственных исследований свидетельствуют о том, что данное предположение ошибочно. Сложившееся положение определяет необходимость разработки научных основ оценки потенциальной радоноопасности платформенных территорий.

Глава 2. Изучение эманирующей способности грунтов

В главе описаны результаты исследований эманирующей способности рыхлых отложений, проведенные как автором лично, так и в сотрудничестве с коллегами. Как известно, благодаря эффекту радиоактивной отдачи, часть атомов радона, образовавшихся при радиоактивном распаде радия содержащегося в грунтах, попадает в поровое пространство грунта, образуя т.н. свободный радон, другая же часть оказывается в твердой фазе, где прочно удерживается. Процесс выделения свободного радона, способного к миграции в поровом пространстве в газовой или жидкой фазе, называется эманированием и количественно характеризуется коэффициентом эманирования (Кэм), равным отношению между количеством радона, выделяющегося в поровое пространство грунта, и общим его количеством, которое образуется в грунте. Следует отметить, что под эманированием многими авторами понимается выделение радона из твердого вещества (образца) в окружающую среду (например, в воздух, окружающий образец в условиях опыта), при этом эманирование рассматривается как совокупность процессов радиоактивной отдачи и диффузии радона в ультрамикрокапиллярах и дефектах в структуре вещества (диффузией радона через твердую фазу кристаллических веществ можно пренебречь). В данной работе под эманированием понимается выделение свободного радона в газово-жидкую среду пор только за счет эффекта радиоактивной отдачи. Диффузия радона в поровом пространстве (включая ультрамикромикрокапилляры) рассматривается как отдельный процесс, не связанный с эманированием.

Результаты проведенных нами многочисленных измерений коэффициентов эманирования глинистых грунтов Восточно-Европейской платформы показывают, что каждому литолого-генетическому типу глинистых отложений свойственно некоторое характерное значение Кэм, колеблющееся в ограниченных пределах. Так, четвертичные покровные глины характеризуются коэффициентами эманирования 35-50% (среднее 42%), Кэм моренных суглинков колеблются в пределах от 25 до 40% (среднее 35%), для юрских черных глин оксфордского яруса, обогащенных органическим веществом, характерны коэффициенты эманирования 50-65% (среднее 57%) [Микляев и др., 2005; Микляев, Петрова 2010].

Как показали наши исследования [Микляев, Петрова 2010; Микляев и др., 2012], эманирование дисперсных грунтов определяется микроструктурными особенностями грунта, а именно, соотношением размеров структурных элементов грунта (частиц и пор) по отношению к величине пробега атомов отдачи в среде. Так, породы с ячеистой микроструктурой (современный озерный ил, голоценовые озерно-болотные глинистые отложения) по В.И. Осипову и др. [1987], характеризующиеся наименьшими размерами частиц, сопоставимыми с пробегом атомов отдачи (менее 0,1 мкм), и наибольшими размерами пор, значительно превышающими пробег атомов отдачи в среде, обладают наибольшими Кэм (более 60%). Для пород с матричной и турбулентной микроструктурой, сложенных относительно крупными микроагрегатами, при развитом поровом пространстве (размеры структурных элементов грунта намного больше пробега атомов отдачи радона), Кэм составляет от 35-45% (до 50 %). Глинистые породы, прошедшие стадию катагенеза (ламинарная микроструктура), для которых характерны низкая пористость и щелевидные ультрамикропоры с шириной раскрытия менее 0,1 мкм, обладают коэффициентами эманирования 3-5 %. Таким образом, установлено, что эманирующая способность глинистых пород закономерно возрастает в зависимости от микроструктуры породы в ряду:

ламинарная < матричная/турбулентная < ячеистая.

Кроме того, нами установлено, что увеличению Кэм способствует присутствие в грунтах органического вещества, что, вероятно, связано с выносом радона из органики за счет диффузии (в органике, в отличие от твердой фазы кристаллических веществ, коэффициенты диффузии радона могут достигать существенных величин). С этим фактором, по нашему мнению, связаны повышенные коэффициенты эманирования черных глин оксфордского яруса верхней юры [Микляев и др., 2009].

Также были проведены исследования влияния на Кэм влажности и температуры среды в диапазоне, характерном для приповерхностной части геологической среды [Микляев, Петрова 2006, 2009; Микляев и др., 2010]. Известно, что эманирование полностью подавляется в абсолютно сухих грунтах, однако, уже при гигроскопической влажности Кэм восстанавливается до характерных для данного грунта значений, и, при дальнейшем увеличении влажности, остается практически неизменным [Sasaki et al., 2004]. Эти результаты были убедительно подтверждены нами в эксперименте, в ходе которого образцы различного литологического состава с различной начальной влажностью постепенно высушивались, при этом периодически выполнялись измерения коэффициентов эманирования. По нашему мнению, этот эффект объясняется установлением термодинамического равновесия между содержанием радона в порах образца и в атмосферном воздухе при отборе образцов из массива, в результате чего практически весь свободный радон, в том числе, растворенный в поровой влаге, покидает образец. Благодаря данному эффекту грунтовая влага в принципе не может удерживать радон в образце, а влажность проб, соответственно, не может влиять на результаты определения Кэм в образцах.

Эксперименты, проведенные нами на большом количестве образцов дисперсных грунтов, показали, что на значении Кэм существенно не сказывается и температура среды в диапазоне от 0°С до 180°С. Так, содержание связанного радона в дисперсных грунтах не изменяется (в пределах погрешности измерения) после высушивания, нагревания и прокаливания образцов до температур 150-180°С [Микляев, Петрова 2006, 2009]. В литературе часто предполагается влияние на эманирование возможной сорбции радона на поверхности твердой фазы грунта. Однако, приведенные выше результаты, свидетельствуют об отсутствии адсорбированного радона в грунтах, иначе он неизбежно десорбировался бы при прокаливании образцов, что сказалось бы на содержании связанного радона. В этой связи был поставлен дополнительный эксперимент, в ходе которого через образцы активированного угля и глины прокачивался воздух с объемной активностью радона 40 000 Бк/м3 при температуре - 70C. Затем производилось нагревание образцов до комнатной температуры, до 80 0С, и прокаливание при температурах 150 и 2200С. В результате установлено, что уголь адсорбирует практически весь радон из воздуха, десорбция радона наблюдается уже при комнатной температуре, а полная десорбция происходит при температуре 1500C. В тоже время сорбции радона в глине не обнаружено (рис. 1).

Различие в сорбции радона глинами и активированным углем определяется (кроме разницы в удельной поверхности) тем, что уголь, являясь гидрофобным сорбентом, хорошо поглощает газовую компоненту, в то время как глина - гидрофильный сорбент, благодаря чему влага, содержащаяся в воздухе, вытесняет радон и другие газы с поверхности минеральных частиц. Полученные результаты подтверждают, что природные грунты не содержат адсорбированного радона и, следовательно, процессы сорбции-десорбции радона не могут влиять на эманирование грунтов.

Рис. 1. Десорбция радона из активированного угля (1) и из глины (2).

Обобщение результатов наших исследований, а также анализ литературы, позволяют заключить, что Кэм грунтов определяется, прежде всего, характеристиками вещества, влияющими на вероятность вылета атомов отдачи радона из твердой фазы в поровое пространство. Среди них, наиболее значимые [Микляев, Петрова 2010; Микляев и др., 2012]:

– распределение радия в твердой фазе (равномерное по объему или поверхностное),

– свойства среды, заполняющей поры (воздух, вода, лед), определяющие длину пробега атомов отдачи радона в поровом пространстве.

– размеры структурных элементов (пор и частиц) по отношению к длине пробега атомов отдачи, т.е. микроструктура грунта.

Изменение внешних условий, таких как температура и влажность грунтов, вопреки распространенному мнению, не влияют на эманирование. Из постоянства коэффициентов эманирования пород, обладающих однородным составом и генезисом, и независимости этого показателя от внешних условий, вытекает важное практическое следствие - возможность использовать в расчетах радоновых полей средние (репрезентативные) значения Кэм, характерные для грунтов различного состава и генезиса, определенные по ограниченным выборкам [Микляев и др., 2005]. В ходе работы над диссертацией была составлена сводная таблица усредненных (референтных) значений Кэм для наиболее распространенных типов грунтов Восточно-Европейской платформы.

Глава 3. Временные вариации радонового поля грунтовых массивов

В главе приводятся результаты изучения закономерностей распределения и переноса радона в вертикальном профиле приповерхностных грунтов на четырех экспериментальных площадках (ЭП), расположенных в разных регионах страны, различающихся как географическим положением и климатическими условиями, так и геологическим строением. Площадки были оборудованы в г. Москве, Битцевский парк («Московская» ЭП), в д. Морозовы Борки Рязанской области («Рязанская» ЭП), г. Екатеринбурге, парк Юго-Западый («Екатеринбургская» ЭП), г. Пятигорске, пос. Розы Люксембург («Пятигорская» ЭП). Московская и Рязанская площадки расположены в пределах Восточно-Европейской платформы и сложены с поверхности ледниковыми (Московская) и аллювиальными (Рязанская) четвертичными отложениями. Екатеринбургская площадка расположена в пределах уральской складчатой системы в зоне развития коры выветривания гранитов (Екатеринбургская-1) и габбро-диабазов (Екатеринбургская-2) Верх-Исертского массива. Пятигорская площадка располагается в пределах Ставропольского поднятия Скифской молодой плиты и сложена деллювиально-коллювиальными суглинками с многочисленными обломками граносиенитпорфиров. Екатеринбургская и Пятигорская площадки не относятся к платформенным территориям, однако результаты исследований на этих площадках использованы в данной работе, т.к. дают дополнительное представление о формировании радоновых полей грунтовых массивов. Программа работ, унифицированное методическое оснащение, выбор мест расположения, оборудование площадок и проведение исследований на них проводилось с непосредственным участием автора диссертации [Маренный, Микляев и др., 2014].

На всех площадках был подробно изучен геологический разрез до глубины 10-12 м, а также произведен отбор проб с последующим определением физико-химических и радиационно-физических свойств грунтов. На каждой площадке устанавливалось по 20 точек измерения ППР в узлах сети 10 Х 10 м (метод сорбции радона на активированном угле). Для измерения ОА радона в подпочвенном воздухе были оборудованы накопители подпочвенного газа, объемом 1 л на глубинах 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0 и 5,0 м с выведенными на поверхность шлангами для отбора газа. Ствол скважин заполнялся раствором бентонитовой глины, который, после застывания, играл роль газо- и водонепроницаемого глинистого замка, исключающего влияние пробуренной скважины на радоновое поле массива. Отбор проб подпочвенного воздуха, объемом около 1 л, производился на активированный уголь. Определение ППР и ОА радона проводились при помощи измерительного комплекса для мониторинга радона «Камера».

Измерения на площадках проводилось еженедельно, в ходе каждого сеанса определялись ППР с поверхности грунта (среднее по 20 точкам измерений), ОА радона в скважинах, а также температура воздуха и почвы, влажность воздуха и почвы, атмосферное давление.

Параметры распределения временного ряда ППР на площадках приведены в таблице 1 [Микляев и др., 2015а]. Плотность потока радона на исследуемых площадках испытывает существенные временные вариации, причем на всех площадках в разные моменты времени значение средней по площадке плотности потока радона то превышала нормируемый уровень - 80 мБк/м2с, то была ниже этого уровня.

Говоря о закономерностях временных вариаций ППР, прежде всего, следует указать хорошее совпадение временного хода этого показателя на всех площадках. Высокую корреляцию между плотностью потока радона на исследованных площадках иллюстрируют таблица 2. и рис. 2.

Таблица 1. Параметры временного распределения средних по площадке значений ППР за период наблюдений

Таблица 2. Коэффициенты корреляции между временными изменениями ППР на различных экспериментальных площадках

Рис. 2. Сопоставление временных колебаний ППР на Московской и Пятигорской (а) и на Московской и Екатеринбургской-1 (в) экспериментальных площадках.

Как видно из таблицы 2, сопоставимые коэффициенты корреляции наблюдаются между временным ходом ППР как на площадках, отстоящих друг от друга на 50 м, так и на территориях, удаленных на тысячи километров, и характеризующихся совершенно разным геологическим строением, гидрогеологическими условиями, тектоническим режимом, климатическими особенностями.

Очевидно, что кроме местных локальных факторов, определяющих особенности колебаний ППР на каждой площадке, мы наблюдаем влияние некоторого глобального фактора, одинаково воздействующего на поток радона из грунтов и в центральной части Русской равнины, и на Среднем Урале, и на Северном Кавказе. Этим фактором, по нашему мнению, является изменение ротационного режима планеты. В этой связи нами было проведено сопоставление данных мониторинга ППР на площадках с изменением скорости вращения Земли (рис. 3).

В качестве параметра, характеризующего скорость вращения Земли, была взята величина отклонения длительности суток от эталонных (данные IERS http://www.iers.org). Сопоставление показало, что на всех исследуемых площадках значения ППР проявляют высокую обратную корреляцию с длительностью суток, и, соответственно, прямую корреляцию со скоростью вращения Земли. Коэффициент корреляции достигает -0,83 (Екатеринбургская ЭП).

Рис. 3. Сопоставление изменения отклонения длительности суток от эталонных дp (1) и колебаний плотности потока радона на экспериментальных площадках: Московской (2), Екатеринбургской-1 (3), Екатеринбургской-2 (4), Пятигорской (5). Данные усреднены по 30 дням (фильтр скользящее среднее).

Корреляция между скоростью вращения Земли и ППР подтверждается и более длительным рядом данных (рис. 4), полученным в результате обобщения результатов измерений ППР на участках строительства на территории Москвы в период с 2002 по 2008 год (более 1000 участков) [Маренный, Микляев и др., 2011].

Наблюдаемая синхронность колебаний ППР на исследованных экспериментальных площадках объясняется, на наш взгляд, изменением проницаемости приповерхностных грунтов за счет периодического воздействия напряжений сжатия-растяжения, возникающих в массиве под воздействием сил ротационной природы. Известно, что в результате приспособления геоида к изменению осевой скорости вращения Земли, возникают периодические вертикальные деформации земной поверхности, обусловленные волнами сжатия-растяжения ротагенной природы, и регистрирующиеся по вертикальным перемещениям грунтовых реперов.

Рис. 4 Сопоставление изменения отклонения длительности суток от эталонных дp (1) и колебаний плотности потока радона (2) в Москве в период с 2002 по 2008 год. Данные усреднены по 30 дням (фильтр скользящее среднее).

В годовом ходе ППР выделяются два максимума и два минимума. Максимальные значения плотности потока радона зафиксированы в периоды наибольшего растяжения приповерхностного грунтового массива (в июле-августе и в январе-феврале), при этом зимний максимум ППР, как и зимний максимум скорости вращения Земли, значительно меньше летнего. Минимумы в годовом ходе ППР проявляются в периоды наибольших сжимающих напряжений в грунтах (октябрь-ноябрь и март-апрель).

На временные колебания ППР, помимо ротационного, оказывают влияние и другие факторы, которые, отчасти нарушают картину временных колебаний ППР, обусловленных ротационным фактором, а отчасти, наоборот, усиливают ее. Так, при сильном переувлажнении зоны аэрации за счет обильных осадков осенью и таяния снега весной, поток радона с поверхности грунта подавляется практически до нулевых значений, что приводит к резкому усилению осеннего и весеннего минимумов ППР. В отдельные годы, характеризующиеся частыми зимними оттепелями, отсутствует зимний максимум ППР, что также связано с переувлажнением почв и грунтов в результате таяния снега при оттепелях [Маренный, Микляев и др., 2011]. Изменения метеоусловий - температуры и влажности почв, а также резкие перепады атмосферного давления вызывают кратковременные колебания ППР (Рис.5).

Нами установлено, что кратковременные колебания ППР связаны с процессами газообмена между почвой и атмосферой (аэрации почв). При уменьшении влажности и увеличении температуры верхнего слоя почв степень заполнения пор грунта водой уменьшается и, соответственно, увеличивается их газопроницаемость, что вызывает рост плотности потока радона с поверхности грунта (рис. 5 а, в). С этим же связана корреляционная связь между ППР и суммой осадков за неделю до момента измерений (Рис. 5 б). Резкие перепады атмосферного давления вызывают изменение направления переноса почвенного воздуха в системе «почва-атмосфера», что также сказывается на плотности потока радона из грунтов (рис. 5 г).

Результаты мониторинга объемной активности радона в подпочвенном воздухе показывают, что влияние перечисленных выше факторов на радоновое поле грунтовых массивов быстро уменьшается с глубиной (рис. 6) [Микляев и др., 2015а].

Рис. 5. Зависимость плотности потока радона от влажности почвы (а), количества осадков (б), температуры верхнего почвы (в) и перепадов атмосферного давления в момент проведения измерений (г).

Рис. 6. Изменение коэффициента корреляции между ППР и объемной активностью радона в подпочвенном воздухе с увеличением глубины.

Как видно из рисунка 6, на глубине 0,5 м на всех площадках регистрируется максимальная обратная корреляция между плотностью потока радона с поверхности грунта и объемной активностью радона, что вполне закономерно, и объясняется выносом радона из приповерхностного слоя в атмосферу. Однако, уже на глубине 2 м и более, корреляция между этими параметрами резко снижается, а на глубине 3-5 м практически исчезает.

Таким образом, радоновое поле уже на глубине 1,5-3,0 м слабо связано с поверхностными факторами и практически не реагирует на такие воздействия как изменение скорости вращения Земли и колебания метеоусловий на поверхности. Амплитуда временных вариаций ОА радона на этих глубинах существенно снижается - до 30% от среднего, что соответствует погрешности определения данной величины. Это, вообще говоря, не позволяет достоверно выявить какие либо закономерности во временных колебаниях ОА радона. Исключение составляют периоды, когда грунты зоны аэрации затопляются в результате подъема уровня грунтовых вод или при формировании верховодки. Обводнение грунтового массива приводит к снижению объемной активности радона в порах грунта (в грунтовых водах по сравнению с грунтовым воздухом) в 5-10 раз, последующее осушение грунтов при понижении уровня грунтовых вод вызывает рост ОА радона до прежних значений [Микляев и др., 2015а]. В таблице 3 представлено распределение по глубине средних значений и вариации объемной активности радона на экспериментальных площадках (периоды затопления массива грунтовыми водами не учитывались).

Измерения ППР с поверхности земляного пола в подвалах отапливаемых зданий, проводившиеся на Рязанской и Екатеринбургской площадках, показывают, что временные колебания ППР в подвалах также незначительны, и не превышают 30 % от среднего, что, вероятно, связано с отсутствием существенных колебаний влажности и температуры грунтов. Вместе с тем, в подвалах проявляется слабый сезонный ход ППР, коррелирующий с изменением скорости вращения Земли.

Таблица 3. Распределение по глубине средних значений и вариации объемной активности радона за период наблюдений

Таким образом, значение плотности потока радона с поверхности грунта определяется процессами газообмена между подпочвенным и атмосферным воздухом в зоне активного газообмена с атмосферой (специфическом пограничном грунтовом слое, мощностью около 1,5-3,0 м), и испытывает высокоамплитудные временные колебания в связи с чем не может применяться в качестве однозначной характеристики интенсивности поступления радона из грунтов основания в подземную часть проектируемого здания. На глубине более 1,5-3,0 м временные изменения ОА радона незначительны, не связаны с поверхностными факторами и в основном определяются колебаниями уровня грунтовых вод. То есть, формирование радонового поля в приповерхностной области грунтового массива, до глубины 1,5-3,0 м и на глубинах более 1,5-3,0 м подчиняется разным закономерностям.

Глава 4. Изучение механизмов переноса радона в грунтах

В главе приведены результаты изучения механизмов переноса радона в массиве дисперсных отложений на основе математического моделирования, а также описан изотопный метод, предложенный автором с коллегами для обнаружения конвективных газовых потоков в массиве. Перемещение радона в поровом пространстве горных пород происходит благодаря двум основным механизмам транспорта - диффузионного и конвективного. Для оценки параметров переноса радона (коэффициента диффузии D и скорости конвективного переноса v) и выяснения преобладающего механизма поступления радона к земной поверхности в платформенных условиях, были проведены исследования переноса радона с помощью математического моделирования. Модели строились и верифицировались на основании результатов мониторинга радонового поля, проведенного на экспериментальных площадках. Для описания процессов переноса радона в дисперсных отложениях принято упрощение: реальная пористая среда заменяется сплошной средой с эффективными параметрами, характеризующими свойства этой среды и механизмы переноса радона (последние задаются в виде эффективных параметров D и v). В данной работе рассматривается стационарная одномерная модель. Основное дифференциальное уравнение диффузионно-конвективного переноса радона в пористой среде при описанных выше допущениях, как известно, имеет вид:

; , (1)

где A(z)- объемная активность радона в поровом воздухе на глубине z (Бк/м3); v - скорость конвективного переноса радона (м/с); D - объемный коэффициент диффузии радона в грунте (м2/с); л - постоянная распада радона (1/с); A? - объемная активность радона в поровом воздухе в состоянии радиоактивного равновесия с 226Ra (Бк/м3), АRa - удельная активность 226Ra (Бк/кг); Кэм - коэффициент эманирования (отн. ед.); с - плотность грунта (кг/м3); з - эффективная (воздушная) пористость грунта (отн. ед.).

Решение уравнения (1) в простейшем случае (для эманирующего слоя бесконечной мощности и простирания), с учетом граничных условий z=0, A(z)=0 и z > ?, A(z)=A?, позволяет получить следующее соотношение для расчета распределения поровой активности по глубине:

, (2)

Плотность потока радона (q) с поверхности земли в этом случае определяется выражением:

, (3)

Приведенные уравнения описывают т.н. «однослойную» модель, которая может применяться, строго говоря, только для однородного по составу и свойствам необводненного массива грунтов. В случае неоднородной зоны аэрации, и соответственно, неоднородной расчетной области, необходимо решение уравнения переноса радона для случая двух и более эманирующих слоев («многослойная» модель). К сожалению, решение задачи диффузионно-конвективного переноса радона в многослойной среде сопряжено с рядом объективных трудностей. В связи с этим, для оценки вклада различных механизмов переноса в общий баланс радона в массиве нами применен упрощенный метод расчета. Метод основан на предположении, что в неоднородном массиве распределение объемной активности радона в каждом слое определяется соотношением (2), т.е. функцией A(z), характерной именно для этого слоя, присущих ему параметров D, v и A?, а на границах слоев наблюдаются скачки ОА радона. Несмотря на большую долю условности, заложенную в данную схему расчета, сравнение расчетных распределений ОА радона, полученных по предложенной схеме, и по двухслойной модели [Яковлева, 2002] для Екатеринбургской и Пятигорской площадок, показывают весьма хорошую сходимость результатов.

Параметры, входящие в модель, и результаты расчета приведены в таблице 4. Радиационно-физические и физические свойства грунтов - параметры АRa, Кэм, и с использованные в расчетах, были определены непосредственно в ходе исследований на площадках. Значения эффективной пористости з рассчитывалось исходя из непосредственно определенных значений плотности, плотности твердой фазы и влажности грунта. Значения параметров переноса радона D и v подбирались на основе сравнения экспериментальных значений ОА радона и ППР с теоретическими. Наличие экспериментальных данных по свойствам грунтов, стационарному распределению объемной активности радона в разрезе и одновременно усредненной во времени плотности потока радона с поверхности грунта, существенно ограничивает диапазон возможных значений D и v и, таким образом, сужает неопределенность оценки этих параметров.

Результаты свидетельствуют, что на всех исследуемых площадках формирование стационарного радонового поля осуществляется, главным образом, за счет диффузии. Наблюдаемое распределение ОА радона по профилю и среднее значение ППР удовлетворительно описываются диффузионной моделью, при отсутствии конвективного переноса. Объемный коэффициент диффузии радона при этом составляет от (1,0-1,5)*10-6 м2/с в слабопроницаемых глинистых отложениях, до (3-5)*10-6 м2/с в хорошо проницаемых песках и элювиально-делювиальных отложениях, что в целом согласуется с известными в литературе значениями.

Скорость конвективного переноса радона, если таковой вообще имеет место, составляет менее 10-7 м/с (менее 1 см/сут) в песчано-глинистых отложениях, и менее 10-6 м/с (менее 10 см/сут) в элювиальных и делювиальных дресвяных отложениях.

Таблица 4. Параметры модели, результаты моделирования и фактические значения параметров радонового поля на экспериментальных площадках

* в числителе приведены значения, характерные ноября 2011-февраля 2012 г, в знаменателе, характерные для марта - ноября 2012 г.

При таких значениях этот параметр не сказывается на распределении радона и плотности потока радона с поверхности грунта, т.е. конвективным переносом радона при расчетах стационарных параметров радонового поля, можно пренебречь. Однако не исключено, что в отдельные периоды в исследованных грунтовых массивах могут формироваться непостоянные конвективные потоки. Наиболее ярко это проявилось на Рязанской площадке, где в осенне-зимний период, в верхнем песчаном и почвенном слое, мощностью около 4 м, судя по специфическому распределению ОА радона, и повышенным значениям плотности потока радона, радоновое поле было обусловлено конвективным переносом радона, скорость которого составляла 4,5*10-6 м/с (около 40 см/сут). Скорее всего, имела место естественная конвекция за счет перепада температур между атмосферным и почвенным воздухом в холодный период. В марте 2012 года, в результате интенсивного снеготаяния территория была подтоплена, в результате чего перенос радона на участке определялся уже только диффузией.

Знание механизма и параметров переноса радона в массиве грунтов позволяет оценить глубину, с которой радон выносится к дневной поверхности на исследуемых площадках, т.е. мощность «активного» слоя в котором формируется поток радона в атмосферу. Экспонента в уравнении (2) отражает долю радона, покидающего каждый элементарный слой. То есть, можно оценить вклад каждого элементарного слоя в общее количество радона, выносимого из грунтов, а затем, суммируя эти значения, получить суммарный вклад слоя, мощностью z, в общий поток радона с поверхности земли. Результаты такой оценки приведены на рис. 7. В качестве критерия оценки мощности «активного» слоя выбрано условие, что в данном слое должно формироваться не менее 85 % радона, выходящего в атмосферу. Как видно, мощность активного слоя, в котором формируется поток радона в атмосферу (глубина, с которой радон выносится к земной поверхности), составляет от 1,5 м в слабопроницаемых глинах (Московская ЭП), до 3,0 м в хорошо проницаемых песчаных и дресвяных отложениях (Рис. 7). Эти значения хорошо согласуются с мощностью зоны активного газообмена с атмосферой (1,5-3,0 м), полученного в предыдущей главе на основе экспериментальных данных мониторинга радонового поля.

Рис. 7. Оценка мощности активного слоя на экспериментальных площадках: 1-Московской, 2- Пятигорской, 3- Екатеринбургской, 4 - Рязанской.