8.5. ЕСТЕСТВЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМАХ

Источником естественных радионуклидов морей и океанов является литосфера: 1) твердый и жидкий сток с континентов; 2) береговая абразия; 3) выщелачивание из донных осадков; 4) осаждение аэрозолей из атмосферы (пыль); 5) осаждение материала вулканических извержений (сравнительно мало и не постоянно). Состав морской воды достаточно стабилен, поэтому и концентрации природных радионуклидов в ней довольно постоянны (табл. 8.7).

208

Таблица 8.7

Концентрация и активность естественных радионуклидов в морской воде
(по Поликарпову, 1990)

Радионуклид	Концентрация, г/л	Активность, Бк/л		Радионуклид	Концентрация, г/л	Активность, Бк/л
238U	3,3 · 10-6	3,3 · 10-2		210Po	2 · 10-17	3,3 · 10-3
234U	2 · 10-10	3,3 · 10-2		235U	2 · 10-8	1,7 · 10-3
230Th	1 · 10-12	6,7 · 10-4		231 Ра	5 · 10-14	8,4 · 10-5
226Ra	3 · 10-14	3,3 · 10-3		232Th	5 · 10-9	1,7 · 10-5
222Rn	5 · 10-19	3,3 · 10-3		228Ra	2 · 10-17	1,7 · 10-4
210Pb	5 · 10-15	3,3 · 10-3

Согласно изотопным исследованиям, в составе морской воды преобладают изотопы урана, наиболее устойчивые в этих условиях. Максимальную активность имеет ²³⁴U, а отношение активностей ²³⁴U/ ²³⁸U постоянно и равно 1,15.

Концентрации естественных радионуклидов в донных осадках зависят как от состава последних, так и от самих радионуклидов. В составе глинистых прибрежных осадков преобладает терригенная компонента, и они во многом отражают области сноса. Среди глубоководных осадков наиболее высокой радиоактивностью отличаются красные глины. Соотношение радионуклидов в осадках существенно отличается от их распределения в воде. По массе преобладает ²³²Тb, затем ²³⁸U, по величине активности на первом месте находятся продукты распада урана: ²³⁰Th и ²²⁰Ra (табл. 8.8).

Таблица 8.8

Активность природных радионуклидов в глубоководных океанических осадках,
Бк/кг
(Woodhead, 1984)

Тип осадков	238U	234U	230Th	226Ra	235U	232Th
Красная глина	11 - 30	11 - 30	590 - 2400	420 - 1700	0,7 - 1,5	22 - 96
Глобигериновый ил	7,4	7,4	150	85	0,4	13

По общей активности запасов природных радионуклидов, согласно данным МАГАТЭ, на первом месте находится калий (1,6 · 10¹⁰ ТБк), а на втором - ²³⁸U (5,6 · 10⁷ ТБк) (Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере, 1990). Различия в распределении отдельных радионуклидов определяются их геохимическими особенностями в океанической среде.

Уран наиболее устойчив в воде океана. Его концентрация стабильна и составляет в среднем 3 · 10^-6 г/л. Отклонения от этой величины наблюдаются лишь в прибрежных зонах за счет разбавления речным стоком. Так, в водах Финского залива концентрация урана снижается до 0,8 · 10^-6 г/л (Батурин, 1975). В замкнутых морских бассейнах она возрастает за счет испарения параллельно общей минерализации. В воде океана с рН 7,8 - 8,2 и молярной концентрацией (моль/л): U - 1,43 · 10^-8, НСО

-

3

209

2,3 · 10^-3, СО

2-

3

- 2,2 · 10^-4 наиболее вероятной формой нахождения урана является комплексный ион [UO₂(CO₃)₃]^4- (Евсеева, Перельман, Иванов, 1974).

Максимальное осаждение урана происходит на шельфе в процессе диагенеза на органическом веществе, фосфоритах (см. гл. 5). Так, коэффициент распределения между фосфоритами и морской водой весьма высок: 2 000 - 170 000. В то же время у глубоководных глинистых осадков он невелик: до 340 (Искра, Бахуров, 1981). Наблюдается накопление урана и на гидроксидах Fe и Мn в железомарганцевых конкрециях океана. Органическое вещество выступает как сорбент-восстановитель уже после гибели организма.

Накопление урана гидробионтами связано прежде всего с образованием карбонатного скелета. Согласно Г.Н.Батурину (1975), КН в некоторых кораллах достигает 2800. U концентрируется на внешних частях кораллитов, и при их перекристаллизации наблюдаются потери урана. В водорослях U связан прямой корреляционной зависимостью с Са (r_{U, Ca} = +0,77). С органическим углеродом связь отрицательная. В моллюсках U сконцентрирован преимущественно в двух внешних слоях раковин, в мягких тканях его мало. Таким образом, уран не является биогенным элементом. Накопление его морскими организмами происходит в основном при образовании биогенных карбонатов, преимущественно арагонитовой структуры, куда U попадает при разрушении карбонатных комплексов. В растениях U концентрируется производными целлюлозы. В мягких тканях животных организмов он образует уранил-белковые соединения, для костной ткани характерны уранил-фосфатные и уранил-карбонатные соединения. Известны и другие комплексы и хелаты U с органическим веществом (Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере, 1990).

Торий, как элемент-гидролизат, слабоустойчив в морской воде в растворенном состоянии. Его концентрация примерно на 3 математических порядка ниже концентрации U (10^-9 г/л). Растворимые формы нахождения тория в морской воде не изучены. Предполагают, что те изотопы Th, которые образуются в толще воды в результате радиоактивного распада (²³⁴Th, ²³⁰Th, ²²⁸Th, ²²⁷Th), могут входить в карбонатные комплексы типа Th(CO₃)

6-

5

. Неустойчивость комплексов в морской воде способствует быстрому их гидролизу. Продукты гидролиза сорбируются коллоидными и взвешенными частицами различного состава и соосаждаются вместе с ними, поэтому радиоактивное равновесие между изотопами урана и их продуктами распада ²³⁴Th и ²³⁰Th в морской воде всегда сдвинуто в сторону урана. Подсчитано, что время пребывания в морской воде атомов отдачи ²³⁴Th не превышает нескольких суток. В водах прибрежных зон с опресненной водой практически весь Th, приносимый реками, находится в составе

210

взвеси. Поступившие со взвесью на дно изотопы тория преобладают над материнскими изотопами урана, в результате чего отношение активностей ²³⁰Th/ ²³⁴U часто в несколько десятков раз превышает равновесное значение (см. гл. 5). Одним из важных механизмов извлечения изотопов Th из морской воды является соосаждение с Fe и, в меньшей степени, с Мn. Поэтому глубоководные железомарганцевые конкреции (ЖМК) и корки всегда обогащены изотопами Th. По глубине осадков ²³²Th распределен относительно равномерно, так как он поступает преимущественно с терригенной компонентой. Напротив, ²³⁰Th обогащает верхние слои.

Накопление Th гидробионтами достаточно интенсивно (табл. 8.9). Фитопланктон в морском биогенном круговороте веществ является первым звеном в пищевой цепочке. У фитопланктона КН для изотопов Th составляет около 20 000, а у зоопланктона - от 4000 до 8000. У морских водорослей КН тория также достигает 20 000 (Искра, Бахуров, 1981). КН тория у высших животных в 10 раз превышает КН урана.

Радий в океанической воде менее устойчив, чем уран, но более растворим, чем торий. Иллюстрацией этого может служить отношение ²²⁸Th/ ²²⁸Ra в морской воде, которое много ниже равновесного значения (единицы): 0,2 - 0,002. Концентрация Ra в морской воде довольно стабильна и составляет 10^-15 г/л. Это в 10 - 100 раз ниже равновесной с ураном величины. Ra находится в воде в виде иона Ra²⁺. Однако физико-химические условия морской среды благоприятны для образования радиоколлоидов Ra, поэтому в толще морской воды концентрация Ra увеличивается сверху вниз за счет соосаждения со взвесью (от 0,4 до 2,9 · 10^-15 г/л). Обогащение ²²⁶Ra относительно ²³⁴U отмечено и в ЖМК.

211

Накопление изотопов радия гидробионтами изучено недостаточно. У фитопланктона отмечены величины КН в среднем около 2000, а у зоопланктона - порядка 100. Для водорослей Баренцева моря были определены КН, также близкие к 100 (на сырую массу). Наблюдается некоторая связь с карбонатностью.

Концентрация ²²²Rn в морской воде ниже, чем в континентальных водах, в связи с существенно более низким содержанием материнского ²²⁶Ra. Она равна около 1 Бк/м³ (Тяжелые естественные радионуклиды..., 1990). Так как концентрация радия в толще воды возрастает сверху вниз, то предполагают, что максимум в распределении радона приходится на придонные воды.

²¹⁰Pb, ²¹⁰Po находятся в морской воде в крайне низких концентрациях, соответствующих активности материнского ²²²Rn (см. табл. 8.7). Предполагают, что Ро находится в воде в формах РоО

2-

3

или РоО(ОН)

0

2

, а ²¹⁰Рb - в формах Рb²⁺, РbОН⁺, РbСl⁺ (Тяжелые естественные радионуклиды..., 1990). Однако скорее всего эти радионуклиды находятся в форме радиоколлоидов, так как интенсивно увлекаются на дно взвесью. Помимо образования из ²²⁶Ra, растворенного в морской воде, значительная их часть поступает на поверхность океана из атмосферы в форме аэрозолей. Поэтому в донных осадках максимально высокие концентрации ²¹⁰Ро и ²¹⁰Рb приурочены к самому верхнему слою. С глубиной их активность уменьшается за счет радиоактивного распада "неподкрепленного" радием избытка радионуклидов атмосферного происхождения (см. гл. 5).

Свинец и особенно полоний интенсивно накапливаются морскими организмами. Накопление Ро скорее всего связано с сорбционными процессами и определяется в целом площадью сорбционной поверхности. Так, у планктона величины КН для ²¹⁰Ро достигают 50 000, а для ²¹⁰Рb - 1000. Для красной водоросли КН полония снижается до 1000, а для коричневой водоросли - до 100. КН в мякоти морских рыб для ²¹⁰Ро составляет всего 20 - 500, а в костях - 1000 - 10000. Для ²¹⁰Рb величины КН существенно ниже: 4 - 40 в мякоти и 180 - 2600 в костях (Искра, Бахуров, 1981). Таким образом, Ро накапливается морскими организмами лучше, чем Рb. Об этом можно судить по величинам отношения активностей ²¹⁰Ро/ ²¹⁰Рb, которое в морской воде равно 0,5, а в морских организмах всегда больше 1 и может достигать 10. В организмах рыб основная часть Ро сосредоточена в печени, а Рb и Ra - в костях. ²¹⁰Ро в костях рыб накапливается из ²¹⁰Рb (Тяжелые естественные радионуклиды..., 1990).

Средние значения КН и коэффициентов распределения в морских осадках и гидробионтах для различных радиоактивных элементов представлены в табл. 8.9.

212