Вместе с тем, некоторая неопределенность в оценках глубинности поступления радона к поверхности земли сохраняется, т.к. теоретически возможно формирование непостоянных во времени, импульсных конвективных потоков радона, которые невозможно зафиксировать на основании еженедельных наблюдений, и нельзя учесть в описанных выше математических построениях.

В этой связи, для оценки глубины миграции радона в толще грунтов, был применен усовершенствованный нами неравновесный изотопный геохимический метод, основанный на анализе содержания в грунтах 226Ra и его долгоживущего продукта распада - 210Pb (период полураспада 22,3 года). Ранее возможность применения изотопного метода, основанного на изучении изотопной пары 210Pb/210Po, для выявления эманационных аномалий в ходе оценки потенциальной радоноопасности была показана А.Е. Бахуром с сотрудниками [2009]. Однако более привлекательным для наших целей является вариант изотопного метода, основанный на изучении отношения активностей 210Pb/226Ra [Микляев и др., 2012]. Основные положения 210Pb/226Ra - метода следующие. В условиях закрытой системы в ряду 226Ra > 222Rn > …210Pb устанавливается вековое радиоактивное равновесие, соответственно, соотношение активностей 210Pb/226Ra=1 является признаком отсутствия потока радона в слой из ниже лежащих грунтов. При прохождении через слой радона из нижележащих горизонтов в слое происходит накопление избыточного, не подкрепленного радием, 210Pb образующегося за счет распада радона, поступающего снизу, при этом радиоактивное равновесие смещается в сторону увеличения активности 210Pb (210Pb/226Ra>1). Ощутимое количество избыточного 210Pb может накопиться в грунтах только в случае, если подток радона из нижележащих горизонтов (импульсный или постоянный) существует в течение длительного времени (не менее 100 лет). При этом, флуктуации радонового поля с периодом, меньшим, чем период полураспада 210Pb (суточные, сезонные, многолетние), не влияют на величину активности избыточного 210Pb. Таким образом, отношение активностей 210Pb/226Ra в грунтах является интегральной характеристикой существования в системе длительного постоянного или импульсного восходящего потока радона.

Радий-свинцовый изотопный метод был применен для оценки наличия конвективного потока радона из ниже лежащих горизонтов грунтов на исследуемых экспериментальных площадках. Для этого была проведена серия измерений удельной активности 210Pb и 226Ra в пробах, отобранных из скважин до глубины 5-10 м. Исследования показали, что на всех экспериментальных площадках в большинстве проб отношение в удельной активности 210Pb/226Ra в грунтах близко к 1 (в пределах погрешности определения величины), что свидетельствует об отсутствии конвективного потока радона из ниже лежащих горизонтов разреза.

Однако, на Рязанской площадке в интервале глубин 2,5-3,0 м присутствует незначительное количество избыточного 210Pb, что свидетельствует о формировании в этом слое (представленном хорошо проницаемыми песками) локального конвективного переноса радона из глинистых грунтов, залегающих ниже. Удельная активность избыточного 210Pb в данном слое составляет около 4 Бк/кг. Расчет показывает, что такая активность соответствует скорости конвективного переноса радона приблизительно 4,5*10-6 м/с, что прекрасно согласуется с результатами, полученными на основе расчетной модели (см. табл. 4). При этом в глинах, подстилающих рассматриваемый слой кровля которых залегает на глубине 3,2 м, конвективный перенос радона отсутствует.

Полученные результаты подтверждают данные предыдущей главы и показывают, что в пределах исследованных экспериментальных площадок радоновое поле формируется за счет процессов эманирования приповерхностных грунтов и диффузии радона в атмосферу. Транзитный, дальний перенос радона из глубоких горизонтов геологического разреза отсутствует. Мощность слоя, из которого радон выносится на поверхность, составляет порядка 1,5-3,0 м (область активного газообмена с атмосферой, или «активный слой»). Ниже по разрезу расположена область слабого газообмена с атмосферой, из которой радон практически не поступает к дневной поверхности, и его содержание в поровом воздухе определяется, прежде всего, удельной активностью радия во вмещающих породах. Поступление радона из грунтов основания в подвальные помещения зданий и сооружений обусловлено радоновым полем грунтов основания здания, т.е. области слабого газообмена с атмосферой, что делает целесообразным учет удельной активности радия в грунтах основания сооружений при оценке потенциальной радоноопасности территорий.

Глава 5. Закономерности пространственного распределения плотности потока радона

В главе изложены результаты исследований закономерностей пространственного распределения ППР с поверхности грунта на основе обобщения и анализа данных инженерно-экологических изысканий на территории Москвы, а также полевых эманационных исследований, проведенных в пределах Восточно-Европейской платформы. Наиболее полная информация, имеющаяся в нашем распоряжении, относится к территории Москвы в пределах МКАД (более 1000 обследованных участков). Данные получены при непосредственном участии автора диссертации, во время его работы в ОАО «Мосгоргеотрест» и ООО «Геокон», а также любезно предоставлены Группой компаний РЭИ. На каждом участке ППР измерялась не менее чем в 20 точках, расположенных в узлах регулярной сети. Все измерения проведены с использованием измерительного комплекса «Камера». Также на каждом участке измерялись мощность эквивалентной дозы гамма-излучения (МЭД ГИ) на высоте 0,1 м от поверхности земли и удельная активность радионуклидов, том числе 226Ra, в грунтах. Была составлена унифицированная база данных, включающая следующую информацию: порядковый номер участка; координаты и точный его адрес, дату проведения измерений; значения ППР на участке (среднее, максимальные и минимальные значения); среднее значение удельной активности радия в грунтах; среднее значение МЭД ГИ. Привязка участков к координатной сети выполнялась по точным их адресам и координатам GPS. По этим результатам в программе MapInfo Professional 9.0 были построены карты пространственного распределения плотности потока радона, удельной активности радия, мощности дозы гамма-излучения на территории Москвы.

Анализ пространственного распределения ППР на территории Москвы и на более обширной части Восточно-Европейской платформы показал, что поле плотности потока радона обладает дискретной пространственной структурой и подразделяется на фоновую и аномальную составляющие. Пространственное распределение плотности потока радона описывается логарифмически нормальным законом, значения ППР колеблются в широких пределах, однако подавляющее их большинство (99%) попадает в интервал «3 сигма» для логнормального распределения. Интервал составляет 10-150 мБк/м2с для средних по участкам значений [Микляев и др., 2012, 2013]. Эти значения можно считать региональным фоном ППР для территории Восточно-Европейской платформы (фоновое радоновое поле). Сопоставление пространственного распределения фонового радонового поля с полем удельной активности радия в грунтах (рис. 8), и полем мощности эквивалентной дозы гамма-излучения (МЭД ГИ) для территории Москвы, свидетельствует о близости пространственной структуры этих полей, несмотря на отсутствие строгой корреляции между ними. Таким образом, средние значения ППР на фоновых участках определяются, прежде всего, содержанием в грунтах 226Ra, а, следовательно, их литологическим составом. Наиболее высокие значения ППР приурочены к территориям, поверхность которых сложена глинистыми отложениями с содержанием радия 20-40 Бк/кг, районы, сложенные преимущественно песчаными грунтами с удельной активностью радия 5-15 Бк/кг, характеризуются, в целом, пониженными средними значениями ППР [Микляев и др., 2003; 2012].

Определяющее влияние удельной активности радия в грунтах на фоновые значения плотности потока радона было убедительно подтверждено на более обширной территории Восточно-Европейской платформы в ходе специальных полевых исследований, проводимых в период 2010-2013 г.г. в пределах Курской, Тверской, Новгородской, Ленинградской, Нижегородской области, в республике Карелия. Обобщенные результаты полевых исследований приведены на рис. 9. В ходе этих исследований влияния временных факторов на ППР в удалось избежать, т.к. измерения проводились при сходных условиях: в летний период (июль-август), на водораздельных хорошо дренированных однородных в ландшафтном плане участках, при слабом естественном увлажнении почв, в сухую погоду. На каждом участке проводились измерения ППР в 20 точках и определение удельной активности радия в грунтах как полевыми, так и лабораторными методами. Из рисунка видно, что при близких условиях измерения пространственное распределение средних по участку значений ППР в фоновых условиях определяется, прежде всего, удельной активностью радия в приповерхностных грунтах [Микляев и др., 2012, 2013].

Рис. 8. Карты-схемы пространственного распределения удельной активности радия-226 в грунтах (а) и плотности потока радона с поверхности грунта (б).

В пределах территории Москвы, где имеется наиболее плотная сеть измерений, на некоторых участках в отдельных точках зарегистрированы аномальные значения ППР, в сотни и даже в тысячи раз превышающими поток радона в соседних точках измерения (т.н. «факельные выбросы»). Аномалии зарегистрированы лишь в 1% от общего количества измерений, т.е. представляют собой относительно редкое явление. В тоже время, для аномальных точек характерны крайне высокие абсолютные значения плотности потока радона, достигающие 1000-5000 мБк/м2с, что заставляет считать зарегистрированные аномалии важнейшим фактором радоноопасности на территории платформы.

Рис. 9. Зависимость средних значений ППР (вертикальные планки - СКО) от содержания радия в приповерхностных грунтах на территории Восточно-Европейской платформы (Москва, Московская, Тверская, Новгородская, Нижегородская, Рязанская, Курская обл., респ. Карелия). Участки сложенные: (1-8) - песками; (9-12) - суглинками; (13-16) - глинами; 17 - лессами; 18,19 - известняками; 20 - мергелями, 21 - выветрелыми гнейсами

Выборочные повторные измерения на аномальных участках свидетельствуют об устойчивости или, по крайней мере, периодической повторяемости аномалий ППР во времени. Следует отметить, что зарегистрированные значения близки к плотности потока радона с поверхности «хвостов» переработки урановых руд (1100 - 21000 мБк/м2с) в которых содержание радия составляет 3000 - 10000 Бк/кг [Источники, эффекты и опасность…, 1992]. Учитывая, что содержание радия в грунтах на исследованных аномальных участках составляет 5-50 Бк/кг, можно сделать вывод, что указанные аномалии не связаны с повышенными концентрациями радия. Проведенные нами специальные исследования [Микляев и др., 2013] показали, что аномальные потоки радона не связаны ни с возможными локальными очагами радиоактивного загрязнения грунтов, ни с техногенным фактором (вибрационные воздействия, перекопанные грунты, подземные сооружения и т.п.), ни с развитием экзогенных геологических процессов (карстовые, суффозионные, оползневые). При этом, аномальные участки распределены в пространстве не случайным образом, а формируют хорошо выраженные области сгущения. Анализ данных с привлечением Структурно-геоморфологической карты Москвы, показывает, что области сгущения аномалий ППР можно считать пространственно тяготеющими к структурообразующим элементам, выделяемым на территории по комплексу структурно-геоморфологических и геолого-геофизических признаков. На рис. 10 приведена Структурно-геоморфологическая карта Москвы с нанесенными на нее участками проявления аномалий ППР [Микляев и др., 2012, 2013].

Наибольшая плотность сгущения аномалий ППР проявляется в юго-западной и южной части города, где первостепенным структурным элементом является Теплостанская возвышенность. Хорошо выраженная линейная зона сгущения аномалий выделяется вдоль северо-западной границы Теплостанского поднятия, и приурочена к Сетуньско-Раменской депрессионной линеаментной зоне ВСВ-ЗЮЗ простирания. Сгущение аномалий ППР наблюдается также вдоль восточной периферии поднятия в пределах Царицынской депрессии, разделяющей собственно Теплостанскую возвышенность и ее более опущенное, юго-восточное Орехово-Борисовское крыло. Кроме того, аномалии трассируют эрозионную ступень Теплостанской возвышенности, обращенную к Москворецко-Рязанскому линеаменту.

Рис. 10. Сопоставление пространственного расположения аномалий ППР со Структурно-геоморфологической картой Москвы (обобщенная схема из кн. Москва. Геология и город. 1997). Буквами обозначены поднятия: Т-Теплостанское, ЦМ-Центрально-Москосвкое, ЛИ-Лосиноостровско-Измайловское, ОБ-Орехово-Борисовское, К-Кунцевское; граничные депрессионные зоны: МР-Москворецко-Рязанская, Я-Яузская, СР-Сетуньско-Раменская, Ц-Царицынская; РЯ-Рублевско-Верхнеяузская структурная ступень.

Зоны сгущения аномалий ППР приурочены также непосредственно к сочленению Теплостанской возвышенности и Московско-Рязанского тектонического линеамента. В целом, в южной части города аномалии ППР приурочены, так или иначе, к периферии Теплостанского поднятия.

В северной части города аномалии ППР проявлены в меньшей степени. В общем можно считать, что радоновые аномалии в северной части города присущи участкам, которые характеризуются пересечением разнонаправленных (СЗ-ЮВ и ВСВ-ЗЮЗ) линейных элементов новейшей структуры (см. рис. 10).

Выявленные зоны сгущения аномалий ППР расположены в целом согласно с новейшей или современной структурой региона, связь с более древними структурными планами территории отсутствует. Все аномалии совпадают со структурными границами и линеаментами имеющими диагональную ЮВ-СЗ и ЮЗ-СВ ориентировку. Последнее указывает на возможную связь этих аномалий с регматической сетью линеаменов, отражающих зоны планетарной трещиноватости, что хорошо согласуется с установленной выше чувствительностью радонового поля к ротационному режиму Земли (см. гл. 3). Вероятно, в зонах пониженной устойчивости геологической среды, обусловленной структурно-геодинамическим фактором, деформации ротационного генезиса проявляются интенсивнее, и распространяются на большую глубину, чем в условиях ненарушенного массива, что и является, скорее всего, причиной формирования аномальных потоков радона.

Анализ проявления аномалий ППР во времени показывает, что достаточно четко выделяются периоды частого проявления аномалий, сменяющиеся промежутками времени в которых аномалии встречаются значительно реже, причем максимумы проявления аномалий ППР повторяются с периодом примерно 16 месяцев (около 410-480 сут). Анализ литературы показал, что среди всего многообразия природных процессов четко выраженный ритм с близким периодом характерен для изменения координат полюсов вращения Земли, вызванного перемещением оси вращения в теле планеты (нутации оси вращения). Кроме того, было зафиксировано временное совпадение во времени аномалий ППР в Москве с серией мощных подземных толчков в Индийском океане, произошедших в конце декабря 2004 г. В период с 24 по 31 декабря 2004 года аномальные значения ППР были зарегистрированы сразу на 4 участках, что не могло не вызвать интереса. В этой связи было проведено сопоставление временного распределения аномалий ППР, нутации оси вращения Земли, и сильных землетрясений с магнитудой 7 и более за период с 2002 по 2008 год (рис. 11).

Рис. 11. Сопоставление временного распределения аномалий ППР на территории Москвы (верхний график), землетрясений с магнитудой М>7 в целом по земному шару (нижний график), и нутации земной оси - изменения координаты полюса хр - (пунктирная линия) в период с 2002 по 2008 год.

Как видно из рис. 11, временные интервалы формирования аномалий ППР нельзя считать случайными. Проявление этих аномалий в целом совпадает с периодами нутации оси вращения Земли, а также с периодами реализации наиболее сильных землетрясений (с магнитудой 7 и выше) на планете.

Для оценки глубины поступления радона в аномальных зонах, был применен радий-свинцовый изотопный геохимический метод, суть которого подробно описана выше (см. гл. 4). На двух участках, характеризующихся аномальными значениями ППР, были отобраны пробы грунта с глубин от 1 до 20 м, и определено отношение удельных активностей 226Ra/210Pb в грунтах [Микляев и др., 2012]. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5. Удельная активность 210Pb и 226Ra и их отношение в пробах грунта

Как видно из таблицы, на глубинах до 5 м, в грунтах присутствует избыточный 210Pb, удельная активность которого по мере приближения к поверхности земли возрастает. Этот факт объясняется, скорее всего, выносом радона из грунтов в атмосферу за счет процессов газообмена между грунтовым и атмосферным воздухом. Вместе с тем, на глубинах 8 м и более, между 210Pb и 226Ra сохраняется вековое радиоактивное равновесие (210Pb/226Ra?1), что свидетельствует о закрытости системы, а, следовательно, об отсутствии конвективного переноса радона из более глубоких горизонтов земной коры.

Таким образом, в пределах аномальных участков вынос радона осуществляется с большей глубины, чем в фоновых условиях, причем возможен существенный вклад конвективного переноса радона. Однако глубина конвективного выноса радона к поверхности не превышает 5-8 м. Аномальные значения ППР формируются, скорее всего, за счет существенно более интенсивного, чем в фоновых условиях, газообмена между грунтом и атмосферой. Тот факт, что аномальный газообмен существует в вязко-пластичных глинистых отложениях, и при этом не ослабевает в течение относительно длительного времени (достаточного для накопления в грунтах избыточного 210Pb), заставляет предполагать, что грунты в этих зонах постоянно или периодически находятся в аномальном напряженно-деформированном состоянии, что обеспечивает их повышенную проницаемость, и способствует «выталкиванию» радона к поверхности. В противном случае, однократно образовавшиеся по каким-либо причинам нарушения были бы «залечены» за счет восстановления структурных связей в глинистых грунтах за короткое время. То есть, участки с аномальными значениями ППР можно рассматривать как зоны устойчивых современных деформаций грунтового массива.

На основании проведенных исследований автору удалось определить свойства, или основные характерные особенности проявления выявленных аномалий ППР (а, следовательно, и деформаций их вызывающих) [Микляев и др., 2013]. Указанные аномалии: 1) высокоамплитудны (на один-два порядка превышают фон); 2) обладают ярко выраженной пространственно-временной дискретностью (короткопериодичны, пространственно локализованы); 3) носят пульсационный характер проявления во времени; 4) обладают резко нелинейным откликом на слабые воздействия (в том числе весьма отдаленные землетрясения); 5) приурочены к неотектоническим структурам и линеаментным зонам, которые могут рассматриваться как геодинамически активные зоны; 6) формируются в самой приповерхностной части разреза. Перечисленные особенности формирования радоновых аномалий удивительным образом совпадают с характеристиками такого явления как суперинтенсивные современные движения (деформации) земной поверхности г-типа, выявленные Ю.О. Кузьминым [2009] по результатам высокоточного повторного нивелирования. Данный факт позволяет предполагать наличие связи между суперинтенсивными деформациями земной поверхности и выявленными нами аномалиями ППР.

Таким образом, поле плотности потока радона платформенных территорий обладает дискретной пространственной структурой и подразделяется на фоновую и аномальную составляющие. В пределах фоновых участков радоновое поле определяется содержанием в грунтах радия. Радоновые аномалии приурочены к геодинамически активным зонам и связаны, вероятно, с аномальными деформациями земной поверхности. При этом транзитный перенос радона из более глубоких горизонтов (поступление «глубинного» радона) на платформах отсутствует. Учитывая крайне высокие значения потоков радона в пределах аномальных участков и их устойчивость во времени и пространстве, зоны аномальных радоновых полей следует считать наиболее важным фактором, обуславливающим радоноопасность территорий.

Глава 6. Принципы оценки потенциальной радоноопасности платформенных территорий

В главе формулируются основные понятия, связанные с оценкой потенциальной радоноопасности территорий, обосновываются новые принципы оценки потенциальной радоноопасности платформенных территорий и рекомендации по усовершенствованию нормативно-методической базы инженерно-экологических исследований, разработанные на основе полученных научных результатов.

Потенциальная радоноопасность платформенных территорий определяется двумя факторами:

- наличием в геологической среде (до глубины планируемого инженерно-хозяйственного освоения) пород с повышенным содержанием радия;

- наличием аномальных радоновых полей, приуроченных к геодинамически активным зонам.

Методологические и технологические особенности процедуры оценки потенциальной радоноопасности территорий, в том числе, выбор признаков и критериев оценки, зависят от целей и масштабов исследований. В мировой и отечественной практике развивается два основных направления. Одно из них - региональные мелкомасштабные и среднемасштабные исследования, проводимые в целях идентификации областей, где можно ожидать повышенную вероятность высоких концентраций радона в помещениях, и поэтому при строительстве новых зданий на таких территориях, с большей вероятностью могут понадобиться радонозащитные мероприятия. Эти исследования соответствуют предпроектной стадии изысканий. Другое направление исследований - детальное изучение условий, определяющих потенциальную радоноопасность на выбранных под строительство участках для целей проектирования зданий.

В этой связи принципы выбора признаков и критериев оценки потенциальной радоноопасности крупных территорий (предпроектная стадия) и отдельных участков строительства (стадия проекта) имеют свою специфику.

Рассмотрим принципы картирования радоноопасности крупных территорий. Для построения карты потенциальной радоноопасности территории, прежде всего, следует выбрать оптимальный набор входных параметров, т.е. основных признаков, на основе которых будет проводиться оценка радоноопасности [Микляев и др., 2015]. Анализ данных показывает, что требованиям, предъявляемым к подобным величинам, наиболее удовлетворяют плотность потока радона (ППР) с поверхности грунта (усредненная не менее чем по 20 точкам измерения) и удельная активность радия в грунтах, измеренная по дочерним продуктам распада в деэманированном состоянии (). Эти показатели, во-первых, массово измеряются в ходе инженерно-экологических изысканий для строительства (по ним существуют значительные массивы данных), во-вторых, для измерения этих параметров существуют аттестованные методики измерения и аппаратура, что обеспечивает единство измерений. Наконец, в-третьих, методики измерений этих величин обеспечивают сравнимые результаты независимо от особенностей технологии измерений и пробоотбора, что обеспечивает качество результатов. В то же время, совокупность параметров ППР и напрямую характеризует потенциальную радоноопасность территории, т.е. возможное повышенное радоновыделение геологической среды.

Следующий шаг - выбор типа целевой переменной, которую следует использовать для оценки потенциальной радоноопасности. Опыт исследований показывает, что степень потенциальной радоноопасности территории, может быть корректно оценена только с помощью категориального показателя, характеризующегося тремя категориями: низкой - когда радоновыделение из геологической среды незначительно при любых условиях; высокой - когда повышенное радоновыделение зафиксировано инструментально; средней (умеренной) - некое промежуточное положение, когда некоторые предпосылки для повышенного радоновыделения существуют, но оно не зафиксировано непосредственными измерениями.

В диссертационной работе в качестве целевой переменной предложено использовать категориальный показатель, который мы, вслед за европейскими коллегами [Gruber et al., 2013], называем «геогенным радоновым потенциалом территории» и обозначаем аббревиатурой ГРП. Для определения целевой переменной необходимо предварительно ранжировать выбранные выше входные параметры (ППР и ), т.е. перевести их в разряд категориальных величин, характеризующихся не непрерывными значениями, а категориями «высокий - средний - низкий» или рангами I, II, III… и т.п.

Как было показано выше (см. главу 5), усредненная стационарная плотность потока радона из грунтов может превышать нормируемый уровень ППР (80 мБк/м2с) при удельной активности радия в приповерхностных грунтах () около 40 Бк/кг, что подтверждается расчетом с применением математической модели переноса радона в дисперсных средах (см. гл. 3 и 4). Таким образом, значение = 40 Бк/кг можно принять в качестве верхней границы «безопасного» диапазона параметра . Однако, возможны ситуации, например, при низких коэффициентах эманирования, когда при значении , превышающем 40 Бк/кг, грунтовый массив не будет характеризоваться повышенным радоновыделением. Величина при которой радоновыделение из массива будет гарантировано превышать нормируемые уровни, исходя из результатов математического моделирования, составляет около 100 Бк/кг - это нижняя граница «опасного» диапазона, независимо от каких-либо дополнительных условий. Интервал значений от 40 до 100 Бк/кг относится к «условно опасному» диапазону. При такой «промежуточной» удельной активности радия в грунтах вопрос о потенциальной радоноопасности территории зависит от дополнительных параметров, например, значений коэффициентов эманирования, проницаемости среды и т.п.

Следует отметить, что, учитывая возможное слоистое строение приповерхностной толщи отложений, величина удельной активности радия в грунтах должна оцениваться в пределах приповерхностной толщи грунта, свойства которой определяют радоновую нагрузку на подземную часть зданий, заложенных в этой толще. Предлагается назвать эту приповерхностную толщу «эффективной». Мощность эффективной толщи определятся глубиной инженерно-хозяйственного освоения территории при наземном городском строительстве, и условно принимается равной 20 м. Удельная активность радия в горных породах и рыхлых отложениях, залегающих глубже нижней границы эффективной толщи, в обычных условиях при оценке геогенного радонового потенциала территории не учитываются.

Для оценки величины нами предлагается методологический подход, основанный на наличии закономерной связи между радиоактивностью приповерхностных отложений и их геолого-генетическим типом. Для каждого типа отложений, слагающих эффективную толщу на исследуемой территории, определяется значение параметра ., в качестве которого предлагается использовать верхнюю границу интервала «3 сигма»:

(4)

где - среднее значение удельной активности радия в пробах данного типа грунта; у - стандартное отклонение удельной активности радия в данном типе грунта.

Территория ранжируется по параметру следующим образом: I ранг - <40 Бк/кг; II ранг - в эффективной толще присутствуют грунты, характеризующиеся 40 ? ?100 Бк/кг; III ранг - в эффективной толще присутсвуют грунты с > 100 Бк/кг.

Результаты измерения плотности потока радона из грунтов, как указывалось выше, позволяют выявить радоновые аномалии, обусловленные, возможно, конвективным переносом радона в геодинамически активных зонах. Верхней границей фоновых колебаний ППР в пределах Восточно-Европейской платформы является значение ППР, равное 150 мБк/м2с (усредненное не менее чем по 20 точкам измерения). На этой основе можно выделить два ранга по параметру ППР: I ранг - ППР ? 150 мБк/м2с; II ранг - на территории присутствуют участки с ППР > 150 мБк/м2с.

Категории геогенного радонового потенциала в зависимости от сочетания рангов входных величин приведены в таблице 6.

Таблица 6. Категории геогенного радонового потенциала (ГРП) территории в зависимости от сочетания рангов входных величин ( и ППР)

Рис. 12. Ранжирование территории по показателям и ППР (а) и оценка показателя потенциальной радоноопасности для каждой элементарной территориальной единицы (б). На рисунке (12а): синим цветом выделены области, где присутствуют грунты II-го ранга по , красными точками обозначены участи с аномальными значениями ППР (II-ой ранг по ППР), римскими цифрами обозначен ранг кадастровых кварталов по (первая цифра) и по ППР (вторая цифра через дефис). На рисунке (12б): оттенками болотного цвета показаны градации показателя потенциальной радоноопасности от светлого (низкий), до темного (высокий).

В качестве элементарных территориальных единиц для картирования геогенного радонового потенциала территории нами предлагается использовать кадастровое территориальное деление территории России. Каждому кадастровому кварталу, в зависимости от сочетания входных параметров, присваивается значение геогенного радонового потенциала (низкий, умеренный, средний), при этом радоновый потенциал квартала в целом определяется по наибольшим значениям и ППР, зафиксированным в пределах квартала, как показано на рис. 12.

Преимущества предлагаемого подхода (использования кадастрового деления) определяются, во-первых, четкой привязкой границ кадастровых кварталов к местности и координатной системе, что удобно на практике. Во-вторых, на основе кадастрового реестра объектов капитального строительства можно накапливать информацию как по результатам инженерно-экологических изысканий (измерения и ППР) и санитарно-гигиенических обследований зданий (измерения концентрации радона в помещениях), так и по заболеваемости населения. В-третьих, опыт некоторых других развитых стран показывает, что в перспективе степень радоноопасности территорий может и должна влиять на стоимость недвижимости и земли, что, так или иначе, делает необходимым привязку результатов оценки потенциальной радоноопасности к кадастровому делению.

На основе предложенной методологии была построена карта геогенного радонового потенциала Москвы (рис. 13). Для характеристики удельной активности радия в грунтах исследуемой территории использованы результаты изучения природной радиоактивности грунтов Москвы, полученные нами ранее [Микляев и др., 2001; Петрова 2011]. Участки с аномальными значениями ППР взяты в соответствии с Картой плотности потока радона на территории Москвы [Микляев и др., 2012, 2013] (см. рис. 10). Каждому кадастровому кварталу, в зависимости от сочетания входных параметров, присваивалось значение геогенного радонового потенциала территории в соответствии с алгоритмом, описанным выше.

Рис. 13. Карта геогенного радонового потенциала Москвы. Радоновый потенциал: 1 - низкий; 2 - умеренный; 3 - высокий; 4 - нет данных (парковые зоны).

Высокий геогенный радоновый потенциал присвоен кадастровым кварталам в пределах которых зафиксированы аномальные значения ППР. Кварталы в пределах которых в эффективной толще присутствуют юрские глины, характеризующиеся параметром в интервале 40-100 Бк/кг, обладают умеренным радоновым потенциалом. Остальная территория города характеризуется низким радоновым потенциалом.

Область применения карт геогенного радонового потенциала не ограничивается строительной отраслью. Эти карты необходимы также муниципальным органам власти для градостроительного планирования и знания экологической ситуации в населенном пункте (округе, районе). Также данные материалы могут представлять интерес для кадастровых органов, а также для страховых компаний, т.к. могут влиять на стоимость земли и на размеры страховых премий. Кроме того, такие карты могут (и в перспективе должны) лечь в основу стратегии ограничения облучения населении России от природных источников ионизирующего излучения в части защиты от радона. И, наконец, карты радонового потенциала являются ресурсом, направленным на предоставление информации гражданам страны интересующимся радоновой обстановкой в том или ином районе. Учитывая последнее, такие карты с обязательным сопроводительным текстом, трактующим их содержание, должны быть оформлены в виде интерактивного интернет-ресурса, простого в использовании, постоянно обновляемого, и, главное, находящегося в свободном доступе.

Оценка потенциальной радоноопасности участков строительства на проектном этапе является более узкой задачей по сравнению с картированием радонового потенциала территорий. Данный вид исследований выполняется в рамках инженерно-экологических изысканий на стадии разработки проекта в масштабе 1:500 - 1:5 000. Цель такой оценки на основе комплекса оперативных измерений ответить на вопрос - присутствуют ли на данном конкретном участке признаки потенциальной радоноопасности или нет.

Как было показано в предыдущих главах, закрепленный в существующих методических документах подход к оценке потенциальной радоноопасности территорий, основанный на однократном измерении ППР с поверхности грунта до начала строительных работ в случайный период времени, не может однозначно характеризовать радоноопасность территории. Во-первых, установленное в ОСПОРБ-99/2010, нормируемое значение ППР из грунтов на участке строительства - по сути, должно быть среднегодовым значением ППР из грунтов основания в помещения здания при условии отсутствия радонозащиты [Крисюк и др., 1996/97; Маренный и др., 2006]. Во-вторых, для оценки потенциальной радоноопасности необходимо учитывать также распределение удельной активности радия в геологическом разрезе. Таким образом, соблюдая действующие санитарные нормы и правила, и при этом, не нарушая физического смысла используемых величин, оценку потенциальной радоноопасности участков строительства следует проводить на основе определения среднегодового значения ППР из грунтов основания проектируемого здания.

Среднегодовое значение ППР из грунтов основания можно оценить, по крайней мере, приблизительно, на основе достаточно простых расчетов. Как показано в диссертации (см. главу 4 и 5), в условиях фоновых радоновых полей, т.е. при преимущественно диффузионном переносе радона в массиве грунтов, усредненная плотность потока радона из грунтов почти детерминировано определяется концентрацией радия и коэффициентом эманирования грунтов основания здания [Микляев и др., 2008; 2013].

На основе проведенных исследований предложено простое соотношение для расчета среднегодового значения ППР из грунта, вытекающее из соотношения (3) при условии диффузионного переноса радона в массиве:

(5)

где ППРР - расчетная величина плотности потока радона из грунта, мБк/м2c; - удельная активность радия-226 в грунте, определенная по дочерним продуктам распада в условиях отсутствия радиоактивного равновесия, Бк/кг; Кэм - коэффициент эманирования, отн. ед.; с - плотность грунта, кг/м3; л - постоянная распада радона, 1/с; l - длина диффузии радона, м.

Длина диффузии радона в реальных грунтах колеблется в ограниченных пределах от 0,5 до 1,5 м, эту величину можно условно принять постоянной, равной 0,8 м для слабопроницаемых глинистых грунтов, и 1,4 м для хорошо проницаемых отложений. Тогда подставляя в соотношение (5) численные значения постоянных величин л и l, получаем упрощенную расчетную формулу:

(6)

где ПRn - радоновый потенциал грунта, согласно [Гулабянц 2013]; k - коэффициент, зависящий от длины диффузии радона в грунтах, равный 0,002 для слабопроницаемых глинистых грунтов и 0,003 для хорошо проницаемых отложений,

Результаты расчета плотности потока радона по формуле (6) показывают хорошую сходимость как со среднегодовыми значениями ППР, определенными на экспериментальных площадках (см. главу 3), так и с усредненными данными, полученными по результатам обобщения измерений ППР на территории Москвы [Микляев и др, 2008].

Для проведения расчетов необходимо определить удельную активность радия, коэффициент эманирования и плотность грунтов в каждом литологическом слое (инженерно-геологическом элементе) на исследуемом участке. Определение перечисленных выше параметров проводится в образцах, отобранных из инженерно-геологических скважин, из каждого литологического слоя грунта (инженерно-геологического элемента), слагающего разрез участка. Глубина опробования определяется проектной глубиной заложения подземной части здания, и в общем случае должна быть на 3,0 м глубже проектируемой отметки заглубления подземной части здания. Все параметры, входящие в расчетную формулу (6), кроме коэффициента эманирования, определяются в настоящее время в ходе инженерных изысканий для строительства. Отметим, что измерение удельной активности радия в грунтах на разных глубинах до отметки проектируемой подошвы котлована в настоящее время предусмотрено действующими нормативно-методическими документами на участках застройки для проверки соответствия грунтов нормативным требованиям по эффективной удельной активности природных радионуклидов в грунтах, однако не предусмотрено для проведения оценки потенциальной радоноопасности участков строительства.

Учитывая постоянство коэффициентов эманирования для грунтов, обладающих однородным составом и генезисом, и независимость этого показателя от внешних условий, при расчетах величины ППРР целесообразно использовать усредненные (репрезентативные) значения коэффициентов эманирования грунтов различного состава, определенные в рамках данной диссертационной работы.

Максимальное из полученных на участке расчетных значений ППР - (ППРР)max сравнивается с нормируемым уровнем ППР для строительных площадок, установленным ОСПОРБ-99/2010.

Однако оценка потенциальной радоноопасности территорий по расчетной величине ППРР может быть выполнена только в условиях фоновых радоновых полей, при преобладающем диффузионном механизме переноса радона, когда плотность потока радона определяется исключительно интенсивностью радоновыделения грунтов. В случае если на участке по тем или иным причинам формируются аномальные радоновые поля, поток радона из грунтов в здания практически не зависит от удельной активности радия в грунтах. Таким образом, для оценки потенциальной радоноопасности участков строительства, кроме определения величины ППРР, необходимо проведение полевых измерений плотности потока радона с целью выявления возможных аномалий радонового поля.

На основе результатов наших исследований предложен критерий выявления аномальных радоновых полей, основанный на сравнении измеренных и расчетных значений ППР. Опыт исследований показывает, что в условиях фоновых радоновых полей среднее значение измеренной плотности потока радона с поверхности грунта с учетом неопределенности результата (ППРИ+?) должно в целом соответствовать расчетной плотности потока радона ППРР на участке. Показано, что с учетом временных колебаний значений ППРИ, и неопределенности результатов расчета ППРР, измеренное значение на фоновых участках может превышать расчетное не более чем в 3 раза. Более существенное превышение измеренной величины ППРИ над расчетной величиной ППРР свидетельствует об аномальном радоновом поле на участке, так как измеренные потоки радона в данном случае явно не обеспечиваются запасом радия в грунтах. Таким образом, можно сформулировать основное условие отнесения радонового поля на участке к аномальному типу в виде неравенства:

(ППРИ + Д) > 3*(ППРР)max (7)

где ППРИ - измеренное среднее значение ППР, ? - неопределенность оценки измеренного среднего значения ППР, (ППРР)max - максимальное расчетное значение ППР на участке.

На участках, где выполняется неравенство (7), радоновое поле является аномальным; в противном случае, радоновое поле на участке следует считать фоновым.

Обобщая все сказанное выше, представим алгоритм оценки потенциальной радоноопасности участков строительства, основанный на предложенных выше подходах. Алгоритм состоит из трех основных блоков - полевого, лабораторного и камерального, за которыми следует уже непосредственно оценочная часть.

Полевые исследования включают в себя экспонирование накопительных камер для определения ППР с поверхности грунта, а также отбор проб грунта из инженерно-геологических скважин для последующего определения удельной активности радия, и др. свойств грунтов. Проведение измерений ППР (экспонирования накопительных камер), возможно только при благоприятных условиях. Если условия не благоприятны для измерений (грунт перекрыт искусственными или естественными покровами, переувлажнен и т.д.), то выясняется возможность изменить условия, например, провести инженерную подготовку территории, или перенести измерения на период с более благоприятными условиями. В случае невозможности изменения условий на участке или переноса измерений, оценку потенциальной радоноопасности допустимо проводить без непосредственных полевых измерений ППР, только по результатам определения величины ППРР, при условии, что участок находится на территории, характеризующейся низким радоновым потенциалом.

Лабораторные исследования заключаются в измерении активности радона в угле и определении значений ППР в контрольных точках (при использовании метода сорбции радона на активированный уголь), а также в измерении удельной активности радия в образцах грунта. Камеральный блок включает в себя оформление результатов полевых и лабораторных исследований, расчет статистических параметров распределения ППР, определение среднего измеренного значения ППР с учетом неопределенности оценки (ППРИ + ?), определение расчетного значения плотности потока радона из грунтов (ППРР)max.

На заключительном этапе проводится оценка потенциальной радоноопасности участка строительства. В случае если на участке зафиксировано аномальное радоновое поле, (выполняется условие 7), он считается потенциально радоноопасным. Участки с аномальным радоновым полем относятся к потенциально радоноопасной категории, независимо от конкретных значений параметров ППРР и ППРИ. В случае если условие (7) не выполняется, оценка потенциальной радоноопасности проводится на основе расчетного значения плотности потока радона (ППРР)max. Если величина (ППРР)max превышает уровни, установленные действующими санитарными правилами (ППРН), то на участке присутствуют признаки потенциальной радоноопасности, т.е. он также считается потенциально радоноопасным. В противном случае участок относится к безопасной категории.

Предложенный алгоритм [Микляев и др., 2014] позволяет провести оценку потенциальной радоноопасности участков строительства с учетом распределения источников радоновыделения в разрезе, а также возможного формирования аномальных радоновых полей. Использование в качестве основного параметра для оценки радоноопасности расчетного значения ППР, основанного на стабильных во времени и пространстве значениях удельной активности радия в грунтах, позволяет существенно повысить достоверность оценки потенциальной радоноопасности.

Таким образом, на основе проведенных исследований разработаны научные основы оценки потенциальной радоноопасности территорий, и предложены новые подходы, позволяющие существенно повысить достоверность оценки при минимизации материальных затрат. Результаты, полученные в ходе исследований проведенных в рамках данной диссертации, положены в основу разрабатываемых в настоящее время под эгидой Федерального медико-биологического агентства России Методических рекомендаций «Оценка потенциальной радоноопасности земельных участков под строительство жилых, общественных и производственных зданий» [Микляев и др., 2014] .

Заключение

1. Впервые показано, что эманирование дисперсных грунтов не зависит от их температуры и влажности среды (в диапазоне значений, характерных для верхней части земной коры), а определяется формой нахождения радия и микроструктурными особенностями грунта (присутствием в грунтах частиц, размер которых сопоставим с пробегом атомов отдачи радона в среде, т.е. менее 0,1 мкм).

2. Установлено, что величина 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 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.

3. Выявлено, что поле плотности потока радона платформенных территорий обладает дискретной пространственной структурой и подразделяется на фоновую и аномальную составляющие, при этом радоновые аномалии формируются в геодинамически активных зонах и связаны с аномальными деформациями земной поверхности. Зоны аномальных радоновых полей - наиболее важный критерий при оценке радоноопасности территорий.

4. Показано, что вне геодинамически активных зон (фоновые участки) стационарное радоновое поле грунтов определяется содержанием в грунтах радия и их коэффициентом эманирования, при этом транзитный перенос радона из более глубоких горизонтов (поступление «глубинного» радона) отсутствует, что позволяет проводить оценку потенциальной радоноопасности на основе информации о концентрации радия в грунтах.

5. Установлено, что потенциальная радоноопасность платформенных территорий определяется двумя факторами: 1) наличием в геологической среде (до глубины планируемого инженерно-хозяйственного освоения) пород с повышенным содержанием радия; 2) наличием геодинамически активных зон, в пределах которых могут формироваться аномальные радоновые поля. Оценка потенциальной радоноопасности территорий должна заключаться в выявлении и картировании данных объектов.

6. Предложена новая концепция оценки радоноопасности территорий, на основе которой построена Карта геогенного радонового потенциала Москвы, а также предложены новые методические подходы к оценке потенциальной радоноопасности участков строительства.

Публикации, в которых отражено основное содержание диссертации

Статьи и публикации в журналах по перечню ВАК России

1. Зиангиров Р. С., Медведев О. П., Микляев П. С. Содержание радионуклидов естественного происхождения в грунтах г. Москвы // Геоэкология, 1999, № 4. С. 321-327.

2. Микляев П. С., Петрова Т. Б., Охрименко С. Е. Новые аспекты оценки потенциальной радоноопасности территорий строительства//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2003, № 4. С. 63-71.

3. Микляев П. С. Зиангиров Р. С. Закономерности эксхаляции радона из грунтов в атмосферу на территории Москвы // Геоэкология, 2004, № 3. с. 244-250.

4. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Охрименко С.Е. Исследования коэффициента эманирования грунтов г. Москвы //Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2005, № 2. С. 30-38.

5. Микляев П.С. Что делать? Или «радоновый» кризис в радиационных изысканиях.// Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2005, № 3. С. 60-64.

6. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Учет эманирования грунтов и почв при измерениях радия-226 на сцинтилляционных гамма-спектрометрах//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2006, №3. С. 45-50.

7. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Механизмы формирования потока радона с поверхности почв и подходы к оценке радоноопасности селитебных территорий//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2007, №2. С.2-17.

8. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Цапалов А.А. Принципы оценки потенциальной радоноопасности территорий//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2008, №4. С. 14-19.

9. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Влияние влажности на эманирования песчано-глинистых пород//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2009, №1. С. 53-57.

10. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Власов В.К. и др. Влияние свойств глинистых пород на эманирование// Вестн. Моск. ун-та. Серия 2. Химия, 2009, Т.50, №5. С. 392-395.

11. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Исследования эманирования глинистых пород по радону// Геоэкология, 2010, №1. С. 13-22.

12. Маренный А.М., Микляев П.С., Петрова Т.Б., Маренный М.А., Пенезев А.В., Козлова Н.В. Временные флуктуации плотности потока радона на территории Москвы//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2011, №1. С. 23-36.

13. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Цапалов А.А. Опыт применения изотопного геохимического метода для исследования условий переноса радона к дневной поверхности//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2012, № 1. С. 15-21.

14. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Макеев В.М., Казеев А.И., Петрова О.А. Роль микроструктуры глинистых пород в формировании их эманирующей способности //Геоэкология, 2012, № 3. С. 263-269.

15. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Маренный М.А., Маренный А.М., Дорожко А.Л., Макеев В.М. Карта плотности потока радона на территории Москвы//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2012, №3. С. 15-24.

16. Цапалов А.А., Микляев П.С., Петрова Т.Б. Принцип обнаружения участков с активной геодинамикой на основе анализа отношения активностей Pb-210/Ra-226 в пробах грунта//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2013, №1. С. 9-11.

17. Микляев П.С., Макаров В.И., Дорожко А.Л., Петрова Т.Б., Маренный М.А., Маренный А.М., Макеев В.М. Радоновое поле Москвы //Геоэкология, 2013, №2. С. 172-187.

18. Климшин А.В., Антипин А.Н., Микляев П.С., Петрова Т.Б., Цапалов А.А. Влияние уровня грунтовых вод на перенос радона в почвенном воздухе на полигоне в Екатеринбурге// Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2014, № 2. С. 45-52.

19. Маренный А.М., Микляев П.С., Пенезев А.В., Цапалов А.А. Комплексные мониторинговые исследования формирования радоновых полей грунтовых массивов. Часть 1 программа и организация исследований//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2014, №4. С.33-38.

20. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Климшин А.В., Смирнова А.П. Картирование геогенного радонового потенциала (на примере территории Москвы)//Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ), 2015, №1. С. 2-13.