Геохимия и биогеохимия элемента

Радий — чрезвычайно редкий сильно рассеянный в природе химический элемент. Кларк радия земной коры равен 2 • Ю~10%. В верхнем слое земной коры толщиной 1,6 км содержится 1,8 • 107 т 226Яа.

Кларк радия почвы — 8 • 10Ч1%, морской воды — 1 • 10-14, растений — 1 • 10-14, золы растений — 2 • 10-11, животных — 1 • 10-12%; технофильность — 1,6 • 105. Радий и его соединения являются одними из основных источников естественного радиоактивного фона (Виноградов, 1957; Бердоносов, 1975; Перельман, 1989).

Весь природный радий является радиогенным, т.е. возникает в результате постоянного радиоактивного распада урана и тория. Сверхнизкое содержание радия и высокое рассеяние в природе приводит к тому, что радий почти не образует самостоятельных минералов, он широко распространен в виде включений во многих образованиях. Радий встречается во всех урановых минералах и рудах, которые и являются главным источником его получения. При наличии радиоактивного равновесия на 1 т урана приходится всего 0,34 г радия (соотношение Яа/и составляет 3,36 • 10~7).

Как и родоначальники радиоактивных семейств (уран и торий) радий аккумулируется в верхней части земной коры. В кислых породах его содержится больше (1,2 • Ю_10%), чем в основных (2,7 • 10-|1%), и меньше всего в ультраосновных (1 • 10-12%) горных породах.

Особенность геохимии радия связана с тем, что по химическим свойствам он является щелочно-земельным элементом и по поведению близок к ним (особенно к барию), но образование радия связано с ураном. Поэтому в одних случаях основное значение приобретает аналогия с барием, в других — связь с ураном. Чаще всего прослеживается сходство с ураном, и только в некоторых солевых растворах проявляется сходство радия с барием. В последнем случае наблюдается нарушение равновесия между ураном и радием. Иногда сдвиг в сторону радия составляет сотни и даже тысячи процентов: уран в системе практически отсутствует (намного ниже кларка), радий, наоборот, находится в относительно значительных количествах (п ? 10~9% и более). Например, в минеральных водах нефтяных месторождений или глубоководных океанических илах растворенный радий может образовать радиевые минералы, не содержащие уран: радиобарит (Ва,Яа)С03 и радиокальцит (Са,И.а)С03, гокутолит (Ва,РЬ,11а)504, в которых радий находится в виде изоморфной примеси. Содержание радия в таких минералах достигает 10-8—10~9%.

Если бы радий был непосредственным продуктом распада урана, то его самостоятельное существование (независимо от урана) было бы геологически кратковременно — за десятки тысяч лет радий разложился бы полностью. Длительное существование радия независимо от урана возможно в связи с тем, что родителем 226Яа является радиоактивный изотоп тория 230ТЬ. Период его полураспада составляет 8 • 104 лет, в равновесии с ним часто оказывается радий. По химическим свойствам и, следовательно, по миграции в земной коре уран и торий различны: 230ТЪ менее подвижен. Поэтому нередки случаи, когда уран выносится, но малоподвижный торий остается, и в равновесии с ним остается радий. Время существования радия в подобных системах измеряется уже не десятками, а сотнями тысяч лет (Перельман, 1990).

Важнейшее значение для концентрации радия в породах, почвах и илах имеет сорбционный барьер, меньшее — биогеохимический — поглощение живым веществом (морские организмы, гумусовые горизонты почв). На Земле существуют геохимические провинции с повышенным содержанием радия.

4.7.2.1. Радий в гидросфере

Радий сравнительно легко выщелачивается из горных пород, мигрирует и содержится во многих природных водах. Среднее содержание 226Яа в природных водах составляет п • 10“14п • 10-12 г/л. Подземные воды содержат радия 0,15—0,96 Бк/л, источники и ручьи — до

5,2, речные воды — 0,007—0,03, озерные воды — 0,037—0,3, морская вода — 0,003—1,67 Бк/л (Середа, 1975).

Основным источником радия в океане служит радиоактивный распад урана (и-ТЬ-Яа). Однако радиоактивное равновесие и/Яа в воде резко нарушено — наблюдается дефицит радия (около 85%). Причиной этого является высокая способность непосредственного предшественника 226Яа тория (230Т11) сорбироваться минеральными коллоидами и осаждаться на океаническом дне. В результате этого вода обедняется радием, а океанические илы, напротив, обогащаются. Содержание радия в донных отложениях морей и океанов существенно выше, чем в горных породах и находится в пределах 3—400 Бк/кг.

Между торием и радием тоже не везде наблюдается равновесие. Радий может поглощаться из воды планктоном, а также концентрироваться в известковых раковинах морских организмов и в водорослях. В определенных условиях радий сорбируется гидроксидами железа и марганца или соосаждается с карбонатами кальция и бария. Однако главная причина дефицита радия в морской воде (по сравнению с ураном) и избытка его в илах — соосаждение вместе с 230Т11 (Перельман, 1990).

Активность радия в воде открытых водоемов суши обычно невелика и зависит от химического состава пород, а также типа питания рек — поверхностного или грунтового. Как правило, поверхностные воды (дождевые, снеговые, ледниковые) содержат значительно меньше радия, чем подземные, поэтому в период паводка радиоактивность речной воды понижается, а в межень удельная активность воды повышается.

Относительно высокое содержание радия в подземных водах связано с выщелачиванием радия из урансодержащих горных пород и с накоплением его растворимых продуктов. Наименьшая активность радия отмечается в подземных водах осадочных пород (около 0,074 Бк/л), их чаще всего используют для водоснабжения населения. Воды кислых магматических пород, например воды трещиноватых гранитов, могут содержать повышенное количество радия. Так, радиоактивность вод курортов Цхалтубо и Исти-Ссу в Закавказье достигает 3,7 Бк/л 226И.а.

Высокие концентрации радия обнаруживают в межпластовых водах нефтегазовых залежей. Так, при добыче нефти взаимодействие таких вод с сульфат-ионами приводит к тому, что растворенные в воде радий и барий осаждаются в виде радиобарита Ва(11а)804, который выпадает на поверхности труб, арматуры, резервуаров. В отложениях на трубах обнаруживается значительная радиоактивность — до 120 кБк/кг 226Яа и 80 кБк/кг 232Тй, мощность у-излучения от отработанных труб достигает 200—3000 мкР/ч.

Высокие концентрации радия характерны для хлоридно-кальци-ево-натриевых пластовых вод месторождений в Ставропольском и Пермском краях, Оренбургской, Самарской и Саратовской областях. Совершенно уникальные геохимические условия создались в районе радиогеохимической аномалии у пос. Водный в бассейне р. Ухта (Республика Коми). Пластовые воды там содержали необычно высокое количество 226Яа — в среднем 7,6 * 10~9 г/л, что соответствует удельной активности 281 Бк/л (Кичигин, Таскаев, 2009). С 1931 по 1956 г. на этой территории работало одно из крупнейших в мире предприятий по добыче радия.

На Земле немало мест выхода на поверхность вод, обогащенных радием (226Яа), например у г. Рамсер (Иран), на курортах Баден-Баден (Германия), Бад-Гастайн (Австрия), в районе Кавказских минеральных вод — Кисловодске, Железноводске, Пятигорске, Мапесте, Цхалтубо, а также в Исти-Су (Нагорный Карабах) и Белокурихе (Алтайский край). В Иране, в районе городка Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы дозовые нагрузки до 400 мЗв/год. Это самый высокий уровень природной радиации на Земле.

4.7.2.2. Радий в почве

Кларковое содержание 226Яа в почвах составляет 8 • 10-11%. Количество радиоактивных элементов, содержащихся в почве, в значительной мере определяется концентрацией радионуклидов в материнской породе. Почвы, возникшие из продуктов разрушения кислых магматических пород, содержат относительно больше радия, чем почвы, образованные из ультраосновных и основных пород.

Среднее содержание радия в почвах Мира составляет (0,2—2,0) • Ю“|0%. В различных типах почв России и стран ближнего зарубежья содержание этого элемента колеблется в пределах (0,5— 1,1) • Ю_10% (табл. 4.28). Больше обогащены радием суглинистые и глинистые почвы, песчаные почвы, напротив, бедны этим элементом.

Радий содержится в почвах в ультрамалых количествах, поэтому очень важную роль в процессах закрепления и распределения его в компонентах почв играют неизотопные носители — щелочно-земельные элементы кальций, стронций и барий.

Содержание радия в поверхностном горизонте почв России и стран ближнего

зарубежья, %

Почва

Содержание

Почва

Содержание

Подзолистая

о

оо

о

о

о

Чернозем

о

оо

о

о

Серая лесная

о

I

О

о

Серозем

(0,5-0,7) • Ю40

Светло-каштановая

о

Т

о

о

Краснозем

1,1 • ю-10

Основная часть радия в почвах (50—60%) находится в прочносвязанной форме и в составе полуторных окислов. Радий может соосаж-даться с сульфатами щелочно-земельных элементов, карбонатами, гидроксидами железа, марганца и алюминия. Максимальная сорбция элемента отмечена в почвах с высоким содержанием илистой фракции. Радий связывается с органическим веществом почвы, постепенно переходя в необменные формы. По сравнению с другими тяжелыми естественными радионуклидами радий обладает наибольшей миграционной способностью в почвах: его подвижные формы составляют около 40%. По содержанию они могут быть расположены в следующей последовательности: кислоторастворимые— обменные—водорастворимые. Основной механизм сорбции твердой фазой почв — ионный обмен. При увеличении pH подвижность радия в почвах возрастает, при этом снижается роль процессов комп-лексообразования.

В кислых почвах, характерных для гумидной климатической зоны, радий находится в более доступных для растений формах — сорбированным на поверхности твердой фазы почвы или в обменной форме. В черноземах и других почвах аридной климатической зоны радий накапливается на карбонатных и сульфатных испарительных барьерах, связывается с гуматами кальция и становится менее доступным для растений.

4.7.23. Радий в растениях, животных и человеке

Накопление радия в растениях зависит от содержания и доступности его в почвах и от биологических особенностей растений. Чем больше 226И.а в почве, тем больше его накапливается в растениях, и зависимость эта линейная. У растений нет физиологических барьеров, препятствующих поглощению радия. Коэффициенты накопления радия обычно больше 1. Это связано с крайне низкими концентрациями радия, а также с близостью химических свойств радия и биогенного элемента кальция. По сравнению с ураном и торием радий обладает наибольшей биологической подвижностью. Обычно в растениях всегда нарушено радиоактивное равновесие в ряду 238и — 226Яа. Содержание радия превышает содержание урана в несколько десятков и даже сотен раз, определяя естественную радиоактивность наземных растений.

Коэффициенты накопления радия зависят от доступности его в почвах. Например, для районов тундры и тайги коэффициент накопления существенно выше, чем для черноземных лесостепных районов. В первом случае радий преимущественно связан в почвах по механизму ионного обмена, а в последнем — прочно фиксирован в слаборастворимых гуматах и сульфатах кальция и бария.

Наибольший коэффициент накопления радия отмечен у водных растений. При этом растения, потребляющие питательные вещества из воды, отличались большими величинами накопления радия, чем растения, имеющие корни в грунте. Максимальные концентрации радия имеют ряска и одноклеточные водоросли. Наземные растения концентрируют радий из почвенных растворов, причем содержание его в корнях в несколько раз выше, чем в надземной части растения. Как правило, в корнях и листьях травянистых растений радия больше, чем в стеблях и органах размножения; больше всего радия в коре и древесине.

Среднее содержание радия в цветковых растениях — 0,1 — 3,3 Бк/кг, в морских водорослях — 0,7—1 Бк/кг сухой массы. Очень высокие концентрации радия содержат бразильские орехи, около 40—260 Бк/кг радия, что в 1000 раз выше, чем в других продуктах питания. Предполагают, что это связано с большой разветвленностью корневой системы дерева.

Отмечают, что низкие концентрации радия в почвенном растворе стимулируют жизнедеятельность растений, но при его содержании в почве свыше 370—3700 Бк/кг заметно угнетающее воздействие на их рост и развитие (Кальченко и др., 1976).

В организм животных и человека радий поступает с пищей и водой, в которых он постоянно присутствует. В табл. 4.29 представлено содержание радия в пищевых продуктах растительного и животного происхождения.

По данным разных авторов, содержание радия в организме человека колеблется от 0,48 • Ю-10 до 4,8 • Ю-10 г.

Радий, подобно кальцию и другим остеотропным элементам, накапливается преимущественно в костной ткани. Около 80% поступившего в организм человека радия накапливается в костной ткани (у животных — 90—95%). Среднее содержание 226Яа в костной ткани человека составляет около 170 м Бк/кг, а суммарное количество в других тканях — 2,7 мБк/кг. Содержание радия в организме человека зависит от района проживания и характера питания. Биологический период полувыведения 226Яа из костных тканей составляет около 17 лет.

Содержание радия в пищевых продуктах растительного и животного

происхождения

Продукт

Содержание 226Ra, мБк/кг

Пшеница

74-96

Горох

300-900

Картофель

25-50

Морковь

60-256

Мясо (говядина)

20-70

Рыба

15-27

Молоко

0,1-10

Яйца

110-330

Масло сливочное

3,7-110

Суточное поступление в организм человека радия составляет 8,5 • 10-2 Бк, а потери с мочой и калом — 0,29 • 10-2 и 5,9 - 10-2 Бк. Большие концентрации этого элемента в организме вредно действуют на животных и человека, вызывая болезненные изменения в виде остеопороза, самопроизвольных переломов, опухолей.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >