Физико-химические исследования состава горных почв

ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ 6
1.1 Источники поступления радионуклидов в почву 6
1.2 Содержание радионуклидов в почве 7
1.3 Источники поступления тяжелых металлов в почву 9
1.4 Содержание тяжелых металлов в почве 11
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ 13
2.1Характеристика региона исследования 13
2.2 Методика отбора и подготовки почвенных проб 14
2.3 Гамма-спектрометрия 15
2.4 Рентгенофазовый анализ 18
2.4.1 Принцип рентгеновской дифрактометрии 18
2.4.2 Метод рентгенофазового анализа 21
2.4.3 Первоначальная обработка данных 22
2.5 Рентгеновский флуоресцентный анализ 23
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТИВНАЯ 26
3.1 Содержание кристаллических фаз в выбранных почвах 26
3.1.1 Состав почвы: ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов 26
3.1.2 Состав почвы: бурая лесная ненасыщенная малогумусная легкосуглинистая на элювиальных горных породах 34
3.2 Рентгеновский флуоресцентный анализ. 39
3.3 Радионуклидный состав горных почв 43
ВЫВОД 47
РФА 47
Радионуклидный состав горных почв 47
Рентгенофлуоресцентный анализ 48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 49

1.1 Источники поступления радионуклидов в почву

Почвы и материнские породы характеризуются наличием большого количества радионуклидов (радиоактивных элементов). Они могут быть антропогенного и естественного происхождения, в связи с чем различают искусственную и естественную радиоактивность почв.
Естественную радиоактивность составляют две группы радиоактивных элементов:1) первичные, содержащиеся в первичных породах и входящие в состав почв; 2) космогенные – поступающие в почву из атмосферы и образующиеся в процессе ионизации космического излучения с ядрами стабильных элементов. К первичным радионуклидам относятся: калий (40K), радон (222Rn,220Rn), радий (226Ra), торий (232Th), уран (238U,235U)и пр., космогенные: углерод (14C),бериллий (7Be) и тритий (3H).
Основные свойства естественных радиоактивных элементов: они долгоживущие, испускающие альфа, бета-частицы и гамма-лучи; период их полураспада составляет 108–1016 лет.
...

1.3 Источники поступления тяжелых металлов в почву

Содержание в почве тяжелых металлов, в том числе цинка, кадмия и свинца, возникает не только в результате антропогенной активности, но и часто обусловливается специфическими свойствами генезиса почв, химической структурой тех пород, на которых складывался данный почвенный комплекс. Они относятся к разряду рассеянных химических элементов, содержащихся в горных породах в некоторых количествах. Так, в соответствие со сведениями Виноградова, содержание цинка в земной коре равно 83 мг/кг, свинца – 10-40 мг/кг, кадмия – 0,14 мг/кг [20].
Максимальное количество солей тяжелых металлов содержится в осадочных горных породах – глинах, суглинках, песчаниках и т.п.
...

1.4 Содержание тяжелых металлов в почве

Тяжелые металлы представляют собой одну из приоритетных групп загрязнителей, являющихся факторами деградации окружающей среды. К тяжелым металлам относят наиболее 40 элементов, атомная масса которых превышает 50 а.е.м.
Аномалии тяжелых металлов обычно распространяются на расстояние от 10 км от источника, что связано с предпочтительной приуроченностью тяжелых металлов к пылеватой фракции промышленных выбросов. Однако метеорологические условия и рельеф территории могут внести в данное значение значительные поправки: в направлении господствующих ветров загрязнение почв может распространиться на 15-30 км и даже на 100 км.
К примеру, в слое почвы 0 – 5 см вблизи металлургических предприятий обнаружено содержание цинка до 400 мг/кг, кадмия превышает в 20-50 раз, свинца может достигать значения в 1000 раз выше фона (фоновое содержание – 19 мг/кг).
...

2.1Характеристика региона исследования

Экспедиции проводились на территории республики Адыгея вблизи поселка Никель, где были отобраны пробы. Ниже на рис.2приведена карта: расположение точек отбора.

Рисунок 2 – Карта республики Адыгея

Рисунок 3 – Карта-схема отбора проб почв, вблизи поселка Никель. Республика Адыгея

Ниже приведены основные характеристики контрольных участков (КУ).
КУ «Гранитное ущелье. Ранкер». Координаты: С.Ш. 44,16227. В.Д. 40,14314. Высота: 545 м над уровнем моря. Расположение КУ: Республика Адыгея, Майкопский район, пос. Никель, трасса Майкоп-Гузерипль, от смотровой площадки 100 м на восток, 100 м на юг. Полевое название почвы: ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов.
КУ «Бурая лесная ». Координаты: С.Ш. 44,17452. В.Д. 40,16125. Высота: 510 м над уровнем моря. Расположение КУ: Республика Адыгея, Майкопский район, пос. Никель, 300м на юго-восток от б/п «Белая речка».
...

2.2 Методика отбора и подготовки почвенных проб

Отбор почв проводится для контроля загрязнения почв и оценки качественного состояния различных типов почв. Он осуществляется с помощью механических пробоотборников. Отбор проб идет по установленному плану, в котором учитывается характеристика региона и свойства почв.
Во избежание перемешивания одних проб почв с другой, используют разные инструменты пробоотбора, которые зависят от разных типов и своиств почв. Перед отбором проводится измерение мощности эквивалентной дозы при помощи дозиметрических приборов типа ДРГ [24,25,26]. Расстояние между местами отбора проб должно быть примерно 10-20 м, а взятие проб почв приблизительно 50 см между разными точками [27,28].
После взятия образца почвы, её помещают в полиэтиленовый или бумажный пакет, удаляя из него корни, листья, камушки и др.
...

2.3 Гамма-спектрометрия

Гамма-спектрометр представляет собой стационарную установку со сцинтилляционным блоком детектирования, ПЭВМ с программным обеспечением «Прогресс» для управления всеми режимами работы на всех этапах выполнения измерений, обработки результатов и их протоколирования.

Рисунок 4 – Вид сцинтилляционного гамма-спектрометра «Прогресс - Гамма»

Гамма-спектрометр содержит: сцинтилляционный блок детектирования на основе кристалла йодистого натрия NaI (Tl) различных размеров, блок питания и усиления импульсов, плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП), свинцовую защиту блока детектирования от фонового излучения. Как правило, блоки питания и усиления импульсов, а также АЦП конструктивно расположены в самом блоке детектирования. Для экспонирования счетных образцов применяются различные измерительные кюветы [24].
...

2.4.1 Принцип рентгеновской дифрактометрии

Рентгендифракционные данные получены в лаборатории рентгеноструктурного анализа НИИ физики ЮФУ. Был использован рентгеновский дифрактометр ДРОН 7, отфильтрованное Co-kα излучение. Рентгенограммы регистрировались пошаговым сканированием в диапазоне углов 20-80° с шагом сканирования 0,04 град и временем экспозиции 1 сек.
Рентгеновский дифрактометр ДРОН 7 представляет собой стационарный прибор и выполнен в виде приборного каркаса, в котором располагаются основные блоки: рентгеновская трубка в защитном кожухе, высоковольтный источник питания рентгеновской трубки, дифрактометрическая стойка с гониометром, блок детектирования, блок управления и сбора данных, блок управления приводом, защита от неиспользованного рентгеновского излучения, гониометр. В состав гониометра входит рентгеновская трубка, коллиматор первичного пучка, приставка для плоского образца, коллиматор отраженного пучка, бета-фильтр, детектор[32, 33].
...

2.4.2 Метод рентгенофазового анализа

Метод рентгенофазового анализа основан на том, что дифракционная картина однофазного вещества характеризуется строго определенным набором межплоскосных расстояний d и соответствующих интенсивностей I. Если в исследуемом объеме вещества содержится m фаз, то дифракционная картина складывается из m дифрактограмм компонент [34]. Качественный фазовый анализ состоит в разложении экспериментальных порошковых рентгендифракционных данных на дифрактограммы компонент [35]. Для этой цели используются различные базы данных дифракционных данных однофазных (эталонных) образцов. Наиболее широко известны картотеки Международного центра дифракционных данных (ICDD). Это научная организация, деятельность которой посвящена сбору, редактированию, публикации и распространению данных порошковой дифракции для использования при идентификации кристаллических материалов.
...

2.4.3 Первоначальная обработка данных

Файла порошковых рентгенограмм, полученные на дифрактометра ДРОН-7, первоначально сохраняется в формате *dsc – эти данные можно использовать только для обработки программами пакета PdWin – или в текстовом формате для обработки любыми другими программами. В файле первоначальных данных записывается массив рентгендифракционных данных (2θ, I) по всему просканированному диапазону с выбранным шагом. Порошковые рентгенограммы, полученные с использованием отфильтрованного излучения трубки с металлическим анодом, содержат составляющие, соответствующие kα1 и kα2 компонентам излучения.
Для целей рентгенофазового анализа необходима только информация о положениях и относительных интенсивностях максимумов рентгендифракционных рефлексов, связанных с kα1 компонентов рассеяния.
...

2.5 Рентгеновский флуоресцентный анализ

Рентгенофлуоресцентный спектрометр РФС – 001 представляет собой стационарную установку, состоящую из ПЭВМ с программным обеспечением UniverRS, для управления всеми режимами работы на всех этапах выполнения измерений, обработки результатов и их протоколирования; блок управления электропитанием «ПАРДУС»; спектрометр; кассета (для подачи образца в устройство). Рентгенофлуоресцентный спектрометр РФС – 001 предназначен для проведения качественного, количественного и полуколичественного рентгеновского флуоресцентного анализа.

Рисунок 11 – Рентгеновский флуоресцентный спектрометр с полным внешним отражением РФС – 001
Принцип работы рентгеновского флуоресцентного спектрометра основан на воздействии на образец рентгеновского излучения, после чего облученные атомы переходят в возбужденное состояние, а электроны переходят на более высокие энергетические уровни.
...

3.1.1 Состав почвы: ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов

Элементы в почвах находятся в виде кристаллических фаз. Как известно, один и тот же химический элемент может находиться в составе веществ с различной общей химической формулой, и, соответственно, обладает разными химическими свойствами. Для определения кристаллических фаз химических элементов в наших образцах была сделана работа для определения элементов с помощью рентгенофазового анализа.
На рисунке 12 и на всех последующих изображениях дифракционных данных показаны исходные порошковые рентгенограммы (синяя кривая), аналитические профили найденных отражений (красная кривая) и отмечены положения максимумов рефлексов (вертикальные штрихи). Полученный в результате массив (2θ, d, I) сохранялся в двух форматах – в виде файла smp, который можно использовать для последующего качественного анализа средствами программного комплекса PdWin, либо в текстовом формате (*.
...

3.1.2 Состав почвы: бурая лесная ненасыщенная малогумусная легкосуглинистая на элювиальных горных породах

На рис.18 показана исходная порошковая рентгенограмма (синяя кривая), аналитические профили найденных отражений (красная кривая) и отмечены положения максимумов рефлексов (вертикальные штрихи).

Рисунок 18 – Исходная рентгенограмма, профили обнаруженных рефлексов и их положения для образца почвы бурая лесная ненасыщенная малогумусная легкосуглинистая на элювиальных горных породах

В результате поиска рентгенограмм минералов и пород для определения фазового анализа образца почв в базе данных программного комплекса PdWin, также как и для образца почвы ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов, не было найдено подходящих карточек ренгенограм.

Рисунок 19 – Результат поиска рентгенограмм в подбазе неорганических соединений. Выделены рефлексы, положения которых совпадает по межплоскостным расстояниям и не совпадает по углам.
...

2.5 Рентгеновский флуоресцентный анализ

Рентгенофлуоресцентный спектрометр РФС – 001 представляет собой стационарную установку, состоящую из ПЭВМ с программным обеспечением UniverRS, для управления всеми режимами работы на всех этапах выполнения измерений, обработки результатов и их протоколирования; блок управления электропитанием «ПАРДУС»; спектрометр; кассета (для подачи образца в устройство). Рентгенофлуоресцентный спектрометр РФС – 001 предназначен для проведения качественного, количественного и полуколичественного рентгеновского флуоресцентного анализа.

Рисунок 11 – Рентгеновский флуоресцентный спектрометр с полным внешним отражением РФС – 001
Принцип работы рентгеновского флуоресцентного спектрометра основан на воздействии на образец рентгеновского излучения, после чего облученные атомы переходят в возбужденное состояние, а электроны переходят на более высокие энергетические уровни.
...

3.3 Радионуклидный состав горных почв

Загрязнение горных почв радионуклидом 137Cs обусловлено радиоактивными выпадениями в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере и аварии на Чернобыльской АЭС [43], а содержание естественных радионуклидов 226Ra, 232Th, 40K зависит от материнских пород. Изучения содержания этих радионуклидов нужно для оценки степени загрязнения почв и анализа миграции радионуклидов в условиях сложного рельефа.
Среднее содержание удельной активности радионуклидов в дерновом слое образцах почвы ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов и бурая лесная ненасыщенная малогумусная легкосуглинистая на элювиальных горных породах составляет: (таблица 5 – 6).
Таблица 5 – Среднее значение удельной активности радионуклидов в образце почвы ранкер лесной легкосуглинистый ненасыщенный на делювии гранитов.
...

1. Ефремов, И.В. Математическое моделирование миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах Оренбуржья. / И.В. Ефремов, Н.Н. Рахимова, Е.Г. Ефремов, Е.Э. Савченко, К.Я. Гафарова // Оренбургский государственный университет.
2. Erees，F.S. Assessment of dose rates around Manisa. /Z. F.S. Erees, S. Aközcan, Y. Parlak, S. Çam // Radiation Measurements. –2006. - №41 – p.598-601.
3. Иванов В.И. Курс дозиметрии. Учебник для вузов. 4-е изд. М.:Энергоатомиздат, 1988. 296с.
4. Brahmanandhan, G.M. Natural radionuclide distribution in soil samples around Kudankulam Nuclear Power Plant Site./ G.M. Brahmanandhan, D. Khanna, J. Malathi, S. Selvasekarapandian// International Congress Series. – 2005. – №1276 – p.317-318
5. SHENBER，M. A. Measurement of Natural Radioactivity Levels in Soil in Tripoli. /Z. SHENBER，M. A // Environmental Radiation Measurements. –1996.
6. Szabó K. Z. Cesium-137 concentration of soils in Pest County, Hungary. / B. Udvardi, Á. Horváth, Z. Bakacsi, L. Pásztor, J. Szabó, L. Laczkó, C. Szabó. // Journal of Environmental Radioactivity. 2012. №110. Р. 38 – 45
7. Malain D., Regan P.H., Bradley D.A., Matthews M., Santawamaitre T., Al-Sulaiti H.A. Measurements of NORM in beach sand samples along the Andaman coast of Thailand after the 2004 tsunami.// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. V. 619. I. 1-3. P. 441-445
8. Zytoon, A M. Determination of 40K, 232Th and 238U activity concentrations in ambient PM2.5 aerosols and the associated inhalation effective dose to the public in Jeddah City, Saudi Arabia. / A M. Zytoon, H. M. Aburas, M. I. Abdulsalam. // Journal of Environmental Radioactivity. – 2014. – №129. – P. 148–156.
9. Krmar, M. Correlations of natural radionuclides in soil with those in sediment from the Danube and nearby irrigation channels. / M. Krmar, E. Varga, J. Slivka. // Journal of Environmental Radioactivity. – 2013. – №117. – P. 31–35.
10. Wallova, G. Monitoring of radionuclides in soil and bone samples from Austria. / G. Wallova, N. Kandler, G. Wallner. // Journal of Environmental Radioactivity. – 2012. – №107. – P. 44–50.
11. Strok, M. Soil-to-plant transfer factors for natural radionuclides in grass in the vicinity of a former uranium mine. / M. Strok, B. Smodis. // Nuclear Engineering and Design. – 2013. – №261. – P. 279–284.
12. Nada, A. The effect of uranium migration on radionuclide distributions for soil samples at the El-Gor area, Sinai, Egypt. / A. Nada, H.A.S. Aly. // Applied Radiation and Isotopes. – 2014. – №84. – P. 79–86.
13. Psichoudaki,M.Natural radioactivity measurements. /Z. M. Psichoudaki, H. Papaefthymiou// Journal of Environmental Radioactivity. -2008. - №99 – p.1011-1017.
14. Kurnaz,A.Determination of radioactivity levels and hazards of soil and sediment samples. /Z. A. Kurnaz, B. Kucukomeroglu, R. Keser, N.T. Okumusoglu, F. Korkmaz, G. Karahan, U.Cevik// Applied Radiation and Isotopes. -2007. - №65 – p.1281-1289.
15. Jabbar T., Khan K., Subhani M. S., Akhter1 P.,Jabbar A. Environmental gamma radiation measurement in district Swat, Pakistan.// Radiation Protection Dosimetry. V. 132. N. 1. P. 88–93
16. Celik N., Cevik U., Celik A., Koz B. Natural and artificial radioactivity measurements in Eastern Black Sea region of Turkey.// Food and Chemical Toxicology. V. 47. I. 9. 2009. P. 2351-2355
17. Blanco, F. Vera Tome, Lozano J.C. Fractionation of natural radionuclides in soils from a uranium mineralized area in the south-west of Spain.// Journal of Environmental Radioactivity. V. 79. I. 3. 2005. P. 315-330
18. Fatima I., Zaidi J. H., ArifM., Daud M., Ahmad S. A.,Tahir S. N. A. Measurement of natural radioactivity and dose rate assessment of terrestrial gamma radiation in the soil of southern Punjab, Pakistan.// RadiationProtectionDosimetry. V. 128. N. 2.P. 206–212
19. Abdul Jabbar, Waheed Arshed, Arshad Saleem Bhatti, Syed Salman Ahmad, Perveen Akhter, Saeed-Ur-Rehman, Muhammad Iftikhar Anjum. Measurement of soil radioactivity levels and radiation hazard assessment in southern Rechnainter fluvial region, Pakistan.// EnvironMonitAssess. V. 169. P. 429–438
20. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры. Геохимия, 1962, №7.С.555-571.
21. Хендерсон П. Неорганическая геохимия. М.: Мир, 1985. – 339с.
22. Важенина Е.А. Химические и минералогические исследования почв в окрестностях металлургических предприятий. Бюл. Почв.ин-та им.В.В.Докучаева. 1983, Вып.35. С.32-36.
23. Агроэкологическая характеристика пахотных почв Российской Федерации по содержанию тяжелых металлов, мышьяка и фтора (по состоянию на 01.01.2000 г.). Агроконсалт. Москва 2002. - 50 с.
24. Бураева Е.А., Тимченко А.А. Учебно-методическое пособие к курсу «Радиоэкология» для студентов физического факультета, обучающихся по специальности основного профессионального образования «Радиационная безопасность человека и окружающей среды». Лабораторныйспецпрактикум (Методика отбора проб почвы и растительности для радионуклидного анализа). Ростов-на-Дону: типография ЮФУ, 2012.– 36 с.
25. Правила хранения и применения рабочего эталона II разряда специализированной радиометрической установки РЭУС-II-15. Утвержден ГНМЦ «ВНИИФТРИ» 25.11.1996г. – 58с.
26. ГОСТ 17.4.3.01-83 Почвы. Общие требования к отбору проб // М.:ИПК издательство стандартов. 1998г. 8с.
27. Соболева И. А., Беляева Е. Н. Руководство по методам контроля за радиоактивностью окружающей среды. М.: Медицина, 2002. – 432 с.
28. ГОСТ 28168-89 Почвы. Отбор проб // М.: ИПК издательство стандартов. 1989г. 6с.
29. Barnett C.L., Beresford N.A., Self P.L. [et al.] Radio cesium activity concentration in the fruit bodies of macro fungi in Great Britain and an assessment of dietary intake habits. // Science of the Total Environment. 1999. UK. 21. P. 265 – 290.
30. «Чернобыль. Десять лет спустя. Радиоактивное воздействие и последствия для здоровья населения»: Оценочный доклад Комитета по радиационной защите и здравоохранению Агенства по ядерной энергии. – Ноябрь, 1995 г.
31. Варфоломеева К.В. Особенности формирования радиоактивного загрязнения лесной экосистемы после аварии на ЧАЭС. // Радиационная гигиена, 2008. № 3. Т. 1. С. 49-54.
32. Хейкер Д.М. и Зевин Л.С. Рентгеновская дифрактометрия. М.: Гос. Из - во физ. - мат. Литературы. 1963. ¬– 380с.
33. Книга буниной
34. Дифрактометр рентгеновский ДРОН7. Руководство по эксплуатации. Санкт-Петербург, 2006А
35. Advanced Certificate in Powder Diffraction on the Web. School of Crystallography, Birkbeck College, University of London. -http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/pdindex.htm
36. Официальный сайт Международного центра дифракционных данных (ICDD) http://www.icdd.com/translation/rus/index.htm
37. Новиковский
38. Кристаллографическая и кристаллохимическая База данных для минералов и их структурных аналогов Институт экспериментальной минералогии Российская Академия Наук. - http://database.iem.ac.ru/mincryst/
39. Lauren Idleman, Michael A. Cosca, Matthew T. Heizler, Stuart N. Thomson, Christian Teyssier, Donna L. Whitney. Tectonic burial and exhumation cycles tracked by muscovite and K – feldspar 40Ar/39Ar Arthermochronology in a strike-slip fault zone, central Turkey.// Tectonophysics. – 2014. – P.134 – 146.
40. Olaf Brockamp, Norbert Claner. Hydrothermal and unexpected diagenetic alteration in Permian shales of the Lodève epigenetic U-deposit of southern France, traced by K–Ar illite and K-feldspar dating.// Chemical Geology. – 2013. – P. 18–28
41. Morag L. Farquhar, David J. Vaughan, Colin R. Hughes, John M. Charnock, Katharine E.R. England. Experimental studies of the interaction of aqueous metal cations with mineral substrates: Lead, cadmium, and copper with perthitic feldspar, muscovite, and biotite.// Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1997. – P. 3051–3064
42. H.Albert Gilg, Robert Frei. Chronology of magmatism and mineralization in the Kassandra mining area, Greece: The potentials and limitations of dating hydrothermal illites.// Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1994. – P. 2107-2122
43. Runhild Gjelsvik, Eiliv Steinnes. Geographical trends in 137Cs fallout from the Chernobyl accident and leaching from natural surface soil in Norway.// Journal of Environmental Radioactivity. –2013. – P.99 – 103.
44. El-Arabi A.M. Natural radioactivity in sand used in thermal therapy at the Red Sea Coast.// Journal of Environmental Radioactivity. V. 81. I. 1. 2005. P. 11–19
45. Winkelmann I., Thomas M., Vogl K. Aerial measurements on uranium ore mining, milling and processing areas in Germany.// Journal of Environmental Radioactivity.V. 53. I. 3. 2001. P. 301-311
46. Abdul Jabbar, Waheed Arshed, Arshad Saleem Bhatti, Syed Salman Ahmad, Perveen Akhter, Saeed-Ur-Rehman, Muhammad Iftikhar Anjum. Measurement of soil radioactivity levels and radiation hazard assessment in southern Rechnainter fluvial region, Pakistan.// Environ Monit Assess. V. 169. P. 429–438
47. El-Arabi A. M. Gamma activity in some environmental samples in south Egypt.// Indian Journal of Pure & Applied Physics. V. 43. 2005. P. 422-426