Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Ретроспективная оценка радиоэкологической ситуации по результатам изучения годовых колец срезов деревьев

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Ретроспективная оценка радиоэкологической ситуации по результатам изучения годовых колец срезов деревьев"

На правах рукописи

АРХАНГЕЛЬСКАЯ ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

РЕТРОСПЕКТИВНАЯ ОЦЕНКА РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗУЧЕНИЯ ГОДОВЫХ КОЛЕЦ СРЕЗОВ ДЕРЕВЬЕВ

Специальность 25.00.36: Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидат геолого-минералогических наук

ТОМСК 2004

Работа выполнена Томском политехническом унивсрсшсге

Научный руководи! 1ь:

доктор гео-юю-мипсралогических паук, профессор Рихванов Леонид Петрович

Официальные оппо! пты:

докюр 1еодою-ми|{ералогических наук, профессор Мананков Анакыии Васильевич, докюр ]еолою-минералогических наук, профессор Миронов Анатолии I еор! иевпч

Ведущая организация.

Инсгигу! водных И ЭКОЛО!ичсских проблем СО РАН I Барнаул

{ащита состоится 29 декабря 2004 года в 10:00

на >ассдании диссертационного совета Д.212.265.02 при Томском юсударст венном архшектурно-ефоителыюм университете по адресу: 634003, Томск, Солинан пл. 2, корпус № 2 ТГАСУ, студенческий читальный тал

( шееерганиен можно ознакомиться в бпблио1еке Томскою Государственного а рхнтек 1 урно-с гроитслыю1 о университета

Автореферат разослан Р^5~ИС,!>ир Я 2004 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

Недавний О.И.

з

Введение

Актуальность гечы. Мониторинговые исспедоваиия природной среды становятся в последние десятилетия важным средством по оценке ее изменения При этом большое значение приобретает не только опрететение уровня накопления химических элементов в различных природных объектах и выяснение характера их распространения по площади, но и динамика накопления Э!их элементов в течение определенного промежутка времени Для решения этой задачи испо гьзуюгея различные методы и приемы В настоящее время существует необходимость поиска новых индикаторов для радиоэкологической оценки состояния окружающей среды

Особую роль играют стратифицированные образования (торфяники, донные отложения, многолетние льды, годичные кольца деревьев и т д) Последовательно образовавшиеся во времени стой природных материа юв являются индикаторами условий их образования и состояния окружающей среды (А 3 Миклишанский и др , 1980, Миго7игш е1 а1, 1969 и др) Они представляют огромный интерес при решении проблем, связанных с гчобальныч изменением кпимата и химического состава окружающей среды (В М Гавшин и др , 2003 и др )

Нами в качестве индикатора загрязнения окружающей среды, в том числе, специфического - радиоактивного выбраны годичные кольца дерева (Л П Рихванов и др , 2002) Изучение уровня накопления радионуклидов в срезах деревьев позволяет судить о радиоэкологическои оценке территории и о характере воздействия глобальных и локальных выпадений радионуклидов на территорию конкретною региона за определенный промежуток времени Это особенно важно для выявления источника поступления радионуклидов в окружающую среду

Испотьзование технологии ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации с использованием годовых колец деревьев при помощи метода Г-радиографии открывает новые перспективы применения радиографических методов при экологических исследованиях объектов природной среды

Работа частично выполнялась по Программе «Интеграция», грант Е0242, 2001 года, а также являлась составной частью НИР кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета

Цель работы. Целью диссертационной работы является оценка радиоэкологической ситуации по годовым кольцам деревьев с использованием метода осколочной радиографии

Основные задачи исследований • разработать способ ретроспекгивной оценки радиоэкологической ситуации с использованием годовых колец деревьев при по! ' ~~

• изучить уровень накопления и характер распределения делящихся элементов в годичных кольцах деревьев и выявить закономерности их распределения в фоновых районах (вне зон интенсивного техногенного воздействия),

• оценить изменение радиоэкологической обстановки на 1ерриториях, характеризующихся техногенной нагрузкой

Фактический материал и методы исследований. Фактическим материя'юч послужили срезы деревьев, отобранные в 8 регионах России и СНГ, характеризующие территории с различной техногенной нагрузкой (более 30 срезов), исследованные методом осколочной радиографии с использованием исследовательского ятерною реактора НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете

Научная новизна.

На основе метода ^радиографии

1 выявлены закономерности в характере распределения совокупности телящихся радионуклидов (11-235, Ри Ат и др ) в годовых кольцах срезов деревьев, отобранных из районов с различной техногенной нагрузкой

2 определена динамика поступления делящихся элементов в окружающую среду за продолжительный период времени (от 14 до 269 лет),

3 установлен фоновый региональный уровень делящихся радионуклидов (только по изотопу и-235) в годовых кольцах деревьев Сибири до 1945 года

Защищаемые положения.

1 Способ ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации на территориях по уровню накопления делящихся элементов с использованием годовых ко тец деревьев включает в себя сбор срезов деревьев одного вида на одной и той же высоте от поверхности земли, подготовку ровных полированных спилов и покрытие их специальньгм детектором с последующим их облучением потоком тепловых нейфонов в канале ядерного реактора и исследованием плотности треков от осколков деления делящихся радионуклидов на детекторе с построением кривых распределения делящихся элементов по годам

2 Региональный уровень накопления делящихся элементов (только по изотопу и-235) в годичных кольцах деревьев Сибири до 1900 года составляет около 0,06 мг/кг В результате активного антропогенного воздействия в период с 1900 по 1945 года общий среднесибирский уровень урана (по его изогону и235) увеличился в 1,5 раза

3 В результате испытании ядерного оружия в ашосфере (после 1945 года) уровень накопления делящихся этементов Ш235, Ри 4т, Ыр и др ) в древесине юдовых колец увечичигся в 2 раза (в удаченных 01 полигонов районах) и в 5 раз (в районах, находящихся на бочее близких расстояниях) Посчсдовавшее прекращение испытаний в атмосфере привело к стабилизации и ш к уменьшению (до фонового уровня) накопчения количества делящихся ) 1ементов в древесине

4 В юнах влияния предприятий ядерного топливною цикла набчюдается 01чеглив0е чокачьпое хроническое накопление де шщихся элементов в древесине с превышением первоначального доядерпого уровня накопления в 3-5 раз, а характер их распределения характеризуется крайней неравномерное 1ью

Достоверность научных положений н выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена

1- применением одного из самых высокочувствительных ядерно-физических методов анализа - осколочной (п,1) радиот рафии, который позволяет с высокой точностью опредечять уровень накопления радионуклидов в изучаемом образце,

2- значительным объемом стистичсских подсчетов треков путем их оценки по 15 случайно выбранным элементарным площадкам в каждой зоне годичного кольца,

3- высокой сходимостью характеров распределения и уровней накопления радионуклидов, полученных при изучении двух срезов одного и того же дерева, отобранных по разным радиусам спила и полученных при параллельных исследованиях одних и тех же срезов двумя независимыми людьми (расхождения не превышали 20%)

Практическая значимость и реализация результатов работы. Использование разработанного способа обеспечивает возможность осуществлять проведение ретроспективною анализа выпадений радиоактивных элементов и оценивать уровень их накопления в определенные периоды времени Результаты исследований переданы для практической реализации Красноярскому Центру Госсанэпиднадзора (акт о внедрении от 13 10 04), в научно-техническое предприятие «Сосновгеос» (г Иркутск) (акт о внедрении №32 от 12 10 04 ), а также в Алтайский Региональный Инсгигу! Экологических исследований (акт о внедрении №63 от 11 10 04)

Апробация работы. Защищаемые положения и основные результаты исследований докладывались на Международных научных симпозиумах имени академика М А Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г Томск, 1998, 1999, 2000, 2001) Международном симпозиуме «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез» (т Улан-Удэ,

1999), IV съезде по радиационным исследованиям (г Москва, 2001), II Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы -биофилы в окружающей среде» (г Семипалатинск, 2002), па российско-французском семинаре «Страгом - 2002», на Семинаре, проводимом Межведомственным научным советом по радиохимии при Президиуме РАН и Минатоме РФ (г Москва, 2004), а также па научных семинарах кафедры ГЭГХ Т11У

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ (12 из них подгоювлеио без соавторов, 1 статья в соавторстве с научным руководителем в журнале «Геохимия» в остальных пуб тикациях личным вктад составляет не менее 80%) а также подана заявка на патент на технологию ретроспективной оценки радиоэко ioiическои ситуации (регистрационный № 2004114654 с прнори i е том от 13 05 04)

Личный вклад соискателя состоит в рафаботке технолопти, в подготовке исследуемых образцов для облучения, в опредетеиии геометрических размеров срезов, в разработке метода подсчета треков, в статистической обработке и анализе результатов, по ченных при из> чении срезов тсревьев отобранных в разчичпых районах России и СНГ

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 пав и заключения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, иллюстрированных 58 рисунками и 4 таблицами Список литературы содержит 65 наименования

Основное содержание работы

В первой главе «Анализ состояния вопроса о накоплении химических компонентов в годичных кольцах деревьев» проведен обзор представленной в литературе информации об изучении накопления химических эчементов в стратифицированных природных образованиях, таких как высокогорные и полярные льды, ыубоководные океанические осадки, отложения торфа (Muro7umi et al, 1969, АЗ Миклишапский и др , 1980, Boutron, 1982, Rajmujsen е а , 1984, А П Ьояркина и др , 1993 НВ Васильев и др , 1984 и др ) Особое внимание уделено изучению накопления и распределения радиоэлементов в годичных кольцах деревьев Возможность испочыования годичных колец в качестве индикатора загрязнения окружающей среды показаны в работах RE Tout е а , (1977), J -Р Garree и др ,(1995), Н Н Ковалюха и др (1995), М Г Бузыниогои др (1996), С D Garbc-Schonberg и др (1997), Л П Рихванова и др (1997), И Я Часниковаи др (1997), ТА Архангельской и др (1999), и др

Имеется достаточно большое количество опубликованных работ посвященных изучению накопления различных химических элементов в древесных кольцах Тем не менее, в настоящий момент, данных о паконпении урана и других делящихся элементов в деревьях

крайне недостаточно Пуги посту п 1ения метал юв и микрозлементов однозначно не установлены и мш рация зтсментов внутри дерева гпччена очень стабо Прежде всего, ко обусловлено тем, что гкань дерева представляет стожимо биологическую и физико-химическую систем) Исследования в данном направлении проводились А Л Ковалевским, ИГ Берзинои, J llagemeyer, I-Р Garree и дру! ими

Во второй главе «Методика радиографических исследований» представ юна общая методика радиографии, ее физическая сущнос1ь, приведены типы де1екторов и методические ошибки, возникающие при исследованиях, а также дае1ся развернутое обоснование первою защищаемого положения

Для выяснения уровня накоппения и особенностей распредетения урана (по его природному изотопу U2") и других делящихся (i тавным образом техногенных) элементов (Am, Pu, Np и др) в годичных кольцах деревьев нами использовался один из ядерно-физических методов аиа шза - оскоточная радиография (f-радиот рафия) Для данного меюда утверждена методика ПСАМ дтя определения урана в геочогичсских пробах полностью подходящая для исследования деревьев (Протокол №20 ог 30 ноября 1971 г)

Для исследований использовались спи!ы хвойных деревьев отобранные в X различных регионах (рис 1), характернаюгцих как vc'iobho фоновые территории так и районы с разной радиационной нагрузкой (ПЯТЦ, АЭС) Срегы подготавливаюсь для исс 1Сдования методом t-радиографии по стандартной методике после чего подсчитывалось количество треков на детекторах каждого препарата

Для почу чепия достоверных данных учета возможной «розы ветров» исследовались детекторы с двух образцов, отобранных rio разным радиусам среза одного дерева При этом получена высокая сходимость результатов

С целью выявления методических погрешностей и для определения достоверности по |учаемых данных быто проведено сравнение кривых ггакоп гения радионуклидов в одних и тех же срезах деревьев изученных парапельно двумя независимыми тюдьми Полученные кривые имеют близкий между собой характер с отчетливым выделением максимумов накопления

Кривые, полученные при исследовании двух срезов деревьев, произраставших на разном удалении от радиохимическою завода Сибирского химического комбината (5 км и 15 км по главенствующей розе ветров) Данные показывают что накопление радиоэлементов в кольцах деревьев имеет схожий характер Однако по мере ггриб жжения к завот\ СХК (с 15 км до 5 км), уровень метящихся элементов увеличивается в 3 и более раз

♦ 1 #2 f 3

Рис 1. ( хсматическая карга размещения точек опробования ;uih радиографических исследований срезов деревьев на территории СНГ

1 - районы опробования на f-радиографию (1 I омская область 2-Красиоярский край З-Республика Алтай)

2 - районы опроооваиия на альфа-радиографию (Часникоп И Я 1997) 1 - места проведения ядерных испытаний в атмосфере

Первое защищаемое положение: Техноюгия оценки ретроспективной риОчтколигическои ситуации на территориях по уровню накопления делян/ихся лгментов с испочыованием годовых кочец деревьев включает в себя сбор срезов деревьев ооного вида на оонои 1 < тон же высоте от поверхности земпи подготовку ровных котированных спилов и покрытие их спецнапьным детектором с последующим их об ¡учением потоком тепловых нейтронов в канапе ядерного реактора и исследованием пчотности треков от оскочков Лечения деющихся радионуклидов на детекторе с построением кривых распреде ¡ения оечящихся j ie ментов по годам

Образцы представляли собой спиты деревьев толщиной 1-2 см, из которых по двум секторам выпи тивачись на всю толщин) среза две пластины (рис 2)

Перед облучеиием спилы деревьев полировались (для обеспечения плотного прите! апия детектора к образш ) На полированную поверхность подготовленных образцов в двух местах наносится эталон с швестным содержанием урана и его изоюпнои характеристикой После высыхания клеевого эталона лавсановая пленка приготовленная ра!чероч более образца приклеивается к нему с двух сторон Затем препараты покрываются еще трехкратным слоем лавсана для исключения «1рязнения от алюминиевой фольги а так же каждого из препаратов друг от друга Сштбик таких препаратов помещают в специальный контейнер для обтучения в канале реактора Препараты подверглись обучению потоком тепловых нейтронов на исстедоватетьском ядерном реакторе НИИ

ялерной фишки при ТПУ 1Тос1е спада наведенной активности выпочнячись операции по трав пению детекторов Для этою чавсан снимался с образца и протрав швастся в 40% рас1ворс КОК при ¡емпературе 50° в 1ечение 1 часа Посте гравтения тавсановые тепки промывали в хоюдной воде и сушили при комнатной 1емперагурс

Оо|и {ец п ОТОВ1СК1Н ш кои 1\ченик> 1 !онерсчмый р.! <ре 5 ствола дерева к к.ив ге реактор 1

Рис. 2. Схема отбора образцов в срете дерева

На лавсановую пленку до травления выносились контуры годичных колец В качестве реперов для сопоставления детектора и образца использовались контуры кчееного этачона Детектор изучали в проходящем свете при помощи микроскопа при увеличении в 250 раз Некоторые пченки (менее 10% от общею количества; не чоыи быть изучены из-за деформаций, которые они получили при пдавлеиии смо 1ы во время обчучеиия препаратов Это является одним из недостатков применяемых лавсановых детекторов

Для получения статистически достоверных данных треки подсчитывались по 15 случайно выбранным э гементарныч площадкам в каждой зоне годичного кольца По каждому годичному кольцу берется среднее значение треков и производится пересчет количеезва треков на мм2 с учетом неоднородноеги потока нейтронов в канате реактора о чем судили по плотности треков над эталоном Посте чего производился расчет абсолютной и относительной ошибки, составившей 10%

Количество треков пересчитывалось по известным формулам, учитывающим плотность исследуемого вещества и эталона на содержание \рана До 1945 юда в природе зз аналитически значимых концентрациях присутствовал точько один делящийся изотоп элемента (и235) после 1945 года к нему прибавились трансурановые элементы (Ри, Ат Ыр и др ) и, поэтому, в данном случае це чесообразно говорить об эквивалентном уране

Дзя оценки влияния места потожения ерем дерева быт проведен сравиитетытый анатиз накопления деташихся этечентов в годичных кочьцах срезов дерева из района падения Тунгусскою метеорита с отбором на разной высоте ог поверхности зем ш 0 5м 5м, 18м Кривые представпенные на рисунке 3 показывают что с увезичением расстояния от поверхности земли по ствоту дерева увепичивается и содержание лепящихся радионуклидов в кольцах дерева Так минимальное количество делящихся элементов содержится на высоте 50 сч и максима иное на высоте 18 метров

Рис 3 Плотность треков от осколков деления 11-235 и 1ранс\рановых элементов в срезах одного дерева, отобранных на разных высатах

Дня данных образцов отобранных на разных высотах относительно поверхности земли общая закономерность в распределении радионуклидов соблюдается, хотя набчюдаклея оттичия в содержании делящихся элементов по годам

Таким образом, при сравнении уровней накопления делящихся элементов в годовых кольцах разных деревьев необходимо осуществлять отбор срезов деревьев на одной и той же высоте от поверхности земли

При выпопнении данной работы мы не рассматривали рез\льтаты, полученные при исследовании срезов деревьев лиственных пород Известно, что лиственные деревья по звергаются меньшему накоплению микроэлементов, особенно, в период осень - весна так как они в меньшей степени нежели вечнозеленые виды, способны поптощать влагу, а, следовательно, и радиоактивность (Л Дж Апплби, 1993)

Следует отметить, что танная техночогия не позволяет различать, осколками индуцированного деления каких элементов (Лт, Ри или i) и тл) обусловлены треки на поверхности детектора

Так же осгае1ся открытым вопрос о перераспределении микроэлементов внутри дерева, что требует дальнейшего изучения

В третьей паве «Геохимические особенности распределении делящихся элементов в пличных кольцах деревьев "фоновых районов" представлено развернутое обоснование второго защищаемого положения

Второе защищаемое положение: Регионатьный уровень накопления делящихся элементов (тслько по изотопу 11-235) в годичных кочъцах деревьев Сибири до 1900 года составляет окто 0 Об и г/кг В результате активного антропогенного воздействия в период с 1900 по 1945 года общий среднесибирский уровень урана (по его изотопу Ц235) увеличился в 1 5 раза

Плотность и характер распречечения треков от осколков деления изоюпов и235, Ри, Ат, Ир и чр в гочовых копьпах среза дерева из фонового района Сибири показаны на рис 4 В связи с крайне чатой мощностью годовых колец подсчет треков производился по интервалам в 10 зет Наблюдается усюйчивая тенденция увечичения уровня накопления лепящихся эчечентов с конца пронпого века, достигающая максимума в 80* годах XX века Дчя опрсчечспия фонового уровня дечящихся этеченгов в доядерный период в образце из района падения Тунгусского метеорита были вылечены несколько интервачов, в пределах которых были подсчитаны средние содержания урана (Т А Архангечьская, 2000, Т А Архангельская и др, 1998) Установлено, что в период с 1840 по 1899 год среднее содержание делящихся эчечентов, в данном случае урана в древесине составляло 0,06 чг/кг В период с 1900 по 1945 год их содержание уве шчичось до 0 09 мг/кг с 1946 по 1960 год -до 0,1 чг/кг, с 1961 по 1980 год-до 0,2 мг/кг

1840- 1850- I860- 1870- 1880 1890 1910 1930 1950 19701844 1854 1864 1874 1884 1899 1919 1939 1959 1980

Рис. 4 Плотность треков от осколков деления U-235 и трансурановых

элементов в срсзс дерева (лиственница) из фонового района Сибири р Тунгуска, болото ' Бублик"

Принимая во внимание что до 1945 года ютящиеся элементы в природе были представлены только U23' можно принять за фоновое его содержание в районе падения Тунгусского метеорита уровень равный 0 06-0 09 мг/кг урана (Л Г1 Рихванов и др 2002 В Д Несветайло и др , 2002)

Изучение характера распределения греков от осколков деления урана (до появления трансурановых элементов в 1945 году) в срезе сосны из района с Ярского выбранного в качестве фонового д 1я юга Томской области (рис 5) выявило весьма показатетьную картину накопления урана (до 1945 года) и суммы делящихся элементов (после 1945 года) в годовых котьцах исследованного дерева Средняя плотность треков в интервале 1935 - 1945 гг составила 38 треков па мм2 что соответствует солержанию урана 0,05 мг/кг Полученная цифра близка к таковой установленной для района падения Тунгусского метеорита (0,060 09 мг/кг) Временной период с 1946 по 1961 характеризуется резким накоплением де гягцихся элементов (уран + Pu Ат и др) в годовых кольцах деревьев Среднее содержание эквивалентного урана для данного временного интервала составляет 0 26 мг/кг что превышает фоновый (доядерный) уровень более чем в пять раз

С\ Оi

Рис 5 Плотность треков от осколков деления и-235 и трансурановых элементов в среэе дерева (сосна) фонового района Томской области с Ярское

После 1961 года уровень накопления делящихся элементов вновь понижается, в интервале времени с 1962 по 1994 гол среднее содержание эквивалентного урана составляет около 0,07 мг/кг, что близко к фоновому содержанию радиоэлемента На веем этом интервале наблюдается крайне однородное распределение треков ог оскогков деления радиоггуклидов

Подобная картина распределения делящихся цементов наблюдается в срезе дерева из л Аникино (фоновый район Томской обтасги) Максима 1ьное накоп тение радио)чементов в этом районе приходится на середит 50-х юдов после чет уровень накопления де шцихся элеченюв понижается до фоновых значений и вновь увеличивается начиная с 1987 юда

Полученные результаты по изучению годовых срезов деревьев методом оскозочной (f) радиографии из районов явтяющихся фоновыми (р Тмтгуска с Ярское) покатывают как изменялся глобальный уровень накопления делящихся элечентов (\ рана) то 1945 юда а затем урана и трансурановых элечентов (с начала первых испытании я тернию оружия и начала работы ядерных производств) в природной среде

Такич образом первоначальный уровень накопления урана в лоиндуыриа тытый период развития Сибири составлял 0 06 чг/кг Активные промышленные освоения Сибири (строительство и начало эксп туатации транссибирской железной дороги горно юбывающих предприятий и т д ) привели к общему повышению глобального уровня накоп тения урана в районе падения (унгусского метеорита до 0 09 мт/кт те в i 5 paid Уве шчение делящихся эпементов в природной среде в данном случае изотопа U235, мы связываем, прежде всего с интенсивным испо тьзованием каченною утля который постоянно в тех или иных концентрациях содержит уран, в том числе инот да в существенных количествах

Начало испытания ядерного оружия в атмосфере увеличило глобальный фон в удаленном от мест испытания районе к началу 60-х годов до 0,1-0,12 мг/кт В районе с Ярского возрастание фона за счет глобальных выпадений от многочисленных испытаний ядерною оружия на Семипалатинском полигоне, а так же единичном взрыве (1954 г) на Тоцком политоне возросло более чем в пять раз

В четвертой главе «Выявление характера распределения делящихся элементов от проведения ядерных взрывов в атмосфере и под землей» представлено обоснование третьего защищаемого положения

Третье защищаемое положение: В результате испытаний ядерного оружия в атмосфере уровень накоппения делящихся элементов (U235 Pu Am Vp и dp) в древесине годовых копец увеличшея в 2 (в удаленных от полигонов районах) 5 (в районах находящихся на боцее близких расстояниях) pas Поспедовавшее прекращение испытании в атмосфере привет к стабилизации ипи к уменьшению (до фонового \ровня) накоппения количества депящюся эчементов в древесине

Используя срезы деревьев оюбранных на территории Республики Алтай (РА) быта проведена ретроспективная оценка выпадения де.тящихся радионуклидов на этой территории

методом осколочной радиографии юдовых ко 1ец деревьев Всею в период 1995-2000 1Г в республике было отобрано 9 спилов различных хвойных пород

Ранее проведенными исстсдованиячи (II Л Мешков и др , 1995) установлено что в период наземных и воздушных испытаний ядерных \стройс1в на Семипазагинскоч испытательном полигоне (СИП) через территорию РЛ прош ш, по разным оценкам, радиоактивные езеды 22-40 взрывов Основной вк тад в формирование радиоактивного загрязнения территории по данным II Л Мешкова и др (1999), внес ти взрывы на СИП 12 и 23 августа 1953 г 23 октября 1954 г, 24 августа 1954 г 18 авглега 9 и 14 октября 1962 г В период проведения на потигоне подземных ятерных в^ывов (1963-1989 п ) на территории РЛ, отстоящей от СИП на расстоянии 300-650 км, также были зафиксированы следы отдельных взрывов, в частности, в 1965 и 1969 годах В этот же период в южной части РЛ неоднократно выявтятись апочазьпые повышения радиационного ([тона, предгтотожитетыю обуезовтетшые испытаниями ядерных устройств на почигопе Лобнор, находящемся в 1200 км юго-западнее Республики Алтай (Л П Рихванов и др , 2002)

С учетом вышеизтоженного, можно предполагать, что годовые кольца деревьев на территории Республики Алтай несут информацию о времени прохождения многих радиоактивных следов и, в отдельных случаях, об интенсивности их радиационного воздействия на объекты окружающей среды

Анализ полученных кривых распределения птотности треков от осколков деления и-235, Ри, и других техногенных радионуклидов по годовым кольцам деревьев па территории РА, а также диаграмм, показывающих усредненную плотность треков от осколков деления ядер и эквивалентные содержания урана, рассчитанные по временным интервалам для всех делящихся элементов по эталону с известным содержанием урана-235, свидетельствует о возрастании в 2-3 раза количества делящихся элементов в окружающей среде по сравнению с доядерным этапом развития человеческого общества (до 1949 г) и о заметном, нередко аномально высоком, поступлении делящихся элементов в отдельные годы

Так, например, в районе с Коргон, находящемся на минимальном удалении от СИП, значительное поступление делящихся элементов фиксируется в 1949, 1953, 1955, 1959, 1961, 1973, 1976, 1982 и 1986 годах Первые четыре пика достаточно хорошо корреспондируют со временем проведения наземных и воздушных ядерных испытаний на СИП, тогда как экстремумы 1973, 1976, 1982 гг, по-видимому, связаны со следами ядерных взрывов на полигоне Лобнор Пик, приходящийся на 1959 г, когда испытаний на СИП не проводилось, вероятно, отвечает перераспределенным выпадениям на радиоактивном следе взрыва 17 01 1958 г Повышенная плотность треков в кольце 1986 года может свидетельствовать о

I юбальном выпадении чернобычьских радионукчидов Характерно чю максима гмгая п ютность треков 01вечает времени первого 1ермоядерною взрыва (Т953 I ) и проведения серийных ядерных взрывов в 1961 г

На наш вн 1яд весьма покамтечьны резучьтаты подученные при изучении среза дерева из района Горного Алтая (счиянис рек Тшпь и Джазатор) являющеюся кошрочем дчя Ачтайского ре1иопа показывают картин\ накопчения дечяпшхея эчечентов с 1836 по 1995 года (рис 6) Среднее содержание делящихся элементов в период 1926-1963 сочавчяег 0,16-0 18 мг/кг в период с 1964 до 1973 оно увеличивается до 0 26 чг/кг Максичачьное увечиченис концентрации дечящихся эчечентов в этом районе начинается с 1970-х годов до конца 90-х с максимумом накопчения в конце 80-х юдов Высокие фоновые содержания по-видимому отражают радиогеохимические особенности пород этого района Троекратное увеличение делящихся эчечентов в период с 1974 но 1984 юла свякшо, на наш взг |яд с проведением взрывов на ночигоне Лобнор 1ак же следует о I метить что вышеперечисленные вреченные пики повышенных выпадений де 1яши\ся эчечешов в годовых кольцах изученных деревьев в целом удовчетворигечыго совпадают с расчетными радиоактивными следами и архивными данными по аномальным повышениям радиационного фона на территории РА в период 1949-1962 гг (ЮВ Роберчлс и чр 1993) Следовате тыго, метод оскочочной радиографии годовых кочец деревьев может успешно применяться для датировки лока 1ьпых и гтобальных выпадений техногенных радионуклидов, а также в не гях реконструкции следов прохождения радиоактивных облаков на территории РА (Л П Рихванов и др , 2002)

500

Рис 6 Плотность треков от осколков деления Ьт-235 и трансурановых "> 1емснтов в срсзе черева Кош-Хгачско! о района Республики Алтай (с Джазатор)

Исследования годовых колеи проведенные в срезах деревьев Ирк\ тской области находящихся вблизи зоны проведения подземного ядерною взрыва «Рифт - 3» (рис 7), свидетельствует о юм что в доядерный лап (до 1945 года) уровень и характер накопления делящихся элементов в головых кольцах деревьев (в данном случае только итотоп урана -235 который постоянно присутствует в природе) характеризуется минимально низкими значениями и однородным распределением Период активного испытания ядерною оружия в атмосфере (1945-1963 гг) когда в природную срелу поступит новые де 1ящиеся ралионуклиды (плутоний америций, нептуний) и дополните тыгое количество урана-235 практически не нашел отражение в головых котьнах деревьев Это свидетельствует о том, чю на данной территории в этот период не происходи га каких-либо значимых выпадений радиоактивных осадков от испытания ядерною оружия, а некоторое увеличение уровня накопления делящихся элементов связано с обшим 1 [оба тытым изменением фона Совершенно иная картина в распределении делящихся элементов начинает фиксироваться в период 1964-1998 года Уровень накопления делящихся элементов, но сравнению с более ранними временными периодами увеличился в 2-2,5 раза При этом характер распределения характеризуется крайне высокой неоднородностью

Рис 7 Плотность треков от осколков тепення и 235 и тражлрановыч элементов в срс;с дерева (сосна) Иркутской области (РИФТ-3 1 км на Восток, 3 км на Запад)

Полученные данные могут свидетельствовать только о том, что в годовых кольцах периода с 1965 по настоящее время происходит накопление дечягцихся элементов При этом с момента проведения ядерного взрыва произошло перераспределение элементов по годовым кольцам, и это перераспределение продолжает происходить Эти материалы егце раз убедительно подтверждают вьгвод о том. что любой подземный ядерный взрыв (ПЯВ) рано

и ш попно найдет свое отражение па поверхности и о том что места проведения ПЯВ ¡ахоронснии ратиоактивных отхочов паходяг отражение в геохимических потях (JIП Рихванов, 2003 и др )

Можно предпо тагать, чго в данном районе произошчо истечение продукюв ядерного взрыва в прирочную среду Каковы масштабы посту пчения в данном случае оценить не представляется возможным Для ною необходимы систематические рачиоэкототические иссчедования и отбор спилов деревьев на значительном расстоянии

В пятой паве «Проявленность предприятий ядерного топливного цикла (ПЯТЦ) в геохимических особенностях годовых колец деревьев» дается обоснование четверюго защищаемого положения

Че1вертое защищаемое положение: В зонах вчияния предприятии ядерно,'и топчивного цикпа наблюдается отчетливое локачыюе хроническое накопление делящихся тчементов в древесине с превышением первоначачьного доядерного уровня накопчения в 3-5 раз а характер их распределения характеризуется крайней неравномерностью

Особенности распределения фсков от осколков деления радионуклидов в годовых ко 1ьцах деревьев расположенных в северо-восточном секторе втияния Сибирского химического комбината (СХК) показаны на рисунке 8 (5 км от реактора д 1 еоргиевка) Как видно из графиков, характер накопления дечящихся эчечентов в годовых кочьцах деревьев крайне неоднородный по всему С1вочу дерева Отмечается устойчивая тенденция уве шчения пчоiности фсков от годового кочьца соответствующею 1940 году (40 треков/мм2) до 160 треков/мм2 в i оловом кочьце 1995 года что соответструет эквиваченпюму содержанию урана 0,06 и 0 21 mi/кг соответственно, те набчюдается повышение содержания в 3 ч раза Этот высокий уровень накопчения дечящихся элементов сохраняется в годовых кочыих из района с Георгиевка в которых плотность треков от оскочков деления ядер колеблется от 90 до 185 треков/мм2, ч то соответствует эквивалентному содержанию урана 0,11 и 0,28мг/кг

В районах распочожения 1ШТЦ уровень накопления имеет устойчивую тенденцию к увеличению, что свидстечьствуег о постоянном поступчении делящихся элементов в окружающую среду и принципиально отчичает динамику накопления дечящихся эчементов по сравнению с фоновыми районами (рис 9) Об этом свидетельствуют данные по сравнительному анализу уровня накопления дечящихся элементов в годовых кольцах срезов деревьев, расположенных в разных секторах воздействия СХК (рис 8) 1ак, до 1960 юда практически не устанавливаются различия в уровнях накопления делящихся элементов в готовых кольцах хвойных деревьев и, бо тес тою, в интервалах времени 1948-1960 п уровень их накопчения, за счет глобальных выпадений от испытаний ядерного оружия в атмосфере, в секторе вне зоны в шяния СХК более высокий Начиная с 1960-1963 юдов картина пршшипиачыго изменяется Уровень накопчения дс тяшихся о тементов в годовых

срезах геревьев вне сектора в гияпия ОХК остается на среднем глобальном % ровне топа как в секторе посюянпою влияния С'ХК концентрация длящихся элементов судя но лютости треков от оско ikob лечения \всчичитась более чем в 2 раза Ото на наш взгляд, объясняется тем что, начиная с 1961 года на СХК начинают работать на полную мощность все пять промышленных реакторов по прошводству плутония, а также все другие производства ядерно-юлливного цикла, что приводит к хроническому пос!уплению делящихся элементов в природную среду r тех или иных котичествах

Рис 8 Характер распределения треков от осколков летения радиоэлементов в головых кольцах деревьев из разных секторов влияния ГТЯТЦ

Особенности распределения треков от осколков деления радионуклидов в годовых ко 1ы»\ деревьев, расположенных в секторе влияния Ангарскою электролизного химическою комбината (АОХК), показаны на рис 10 Анализ кривых распределения треков от оскопков дс гения в срегах этих деревьев находящихся на раличных расстояниях от АОХК свидететьс1вуст о том что набшозается уверенное нарастание плотности треков начиная с конца 70 годов, тес момеша увеличения проектной мощности в 2 раза При этом достаточно хорошо выделились две группы срезов сосен Первая группа включает в себя срезы деревьев с района пром площадки АОХК и района, находящегося в 4-х км на юго-вое юк тогда как вторая группа образована срезами деревьев, находящихся в 11 км на ЮВ и в 3 км па Запад

Эти группы характерною! как ра;н>ю степень техногенного воздействия, находясь на различных расстояниях и направлениях от источника воздействия, гак и, возможно ра;ный гсо'югический субстрат определяющий первоначальный доядерный уровень концентрации изотопа урагга -235

40

Региональный фон "

5 г

о = а с 5 о

с 3 £

»2 >= „ в х я

I а ё э * § § г з =

Рис. 9. Генерализованная схема изменения vpoвня накопления де 1яшихся элементов в годовых кольиах срезов деревьев России А - в районах гтоба гыюго радиаииошгого загрязнения Б - в районах с локалыгьтми источниками радиационного загрязнения

Рис. 10. Плотность треков ог осколков деления и 235 и трансурановых мемснюв в срезах деревьев в районе АЭХК

Плотность треков от оскопков де пения Ы-235 в тдовых кочьцах сосны из района пром площадки в доядерный период развития человеческой цивилизации составляло около 100 треков/мм2, что соотве гств> ет содержанию урана 0,14 мг/кг Это несколько выше, чем ранее нами установлено дтя деревьев из других районов что, по-видимому, отражает специфику геологического строения данного региона

Временной период с 1979 по 1998 гг характеризуется резким увеличением козичсства треков от оскотков ин i\ цировапного деления ло 160 треков/мм2, что соответствует концентрации jkbhb3лентного урана 0 22 мг/кг

Слел\ст отметить что, начиная с 1992 -1993 п , плотность треков от осколков je тения в головых срезах дерева отобранного из района промышленной площадки, имеет устойчивую динамику к снижению, которая отражает уменьшение производительности комбината относительно его первоначальной мощности Аналогичная тенденция, начиная с 1996-1997 гг , отмечается и по срезу, отобранному в 3-х км западнее предприятия Гогча как в срезах лругих деревьев этою не наблюдается Объясняется это особенностями летучести гексафторида урана

Характер распречелсния греков от осколков деления трансурановых элементов и урана по годовым срезам дерева из района Чернобыльской Атомной электростанции (ЧАЭС) (Народичи 50 км от ЧАЭС) приведен на рис 11 Иссчедованис данного среза показало, что ко тьцо 1986 года не со тержит аномально высоких концентраций делящихся элементов Их максима 1ытыс со тержаиия приходятся на ко 1ьца гкндних периодов, что может быть связано с их перераспре течением во время роста дерева (авария на ЧАЭС нроиюшла в апреле месяце) Аналотичнос биогеохимическое перераспределение в древесине колец деревьев отмечено и для Pu Sr90 (I Р Garree и др , 1995, М Г Бузынный и др , 1996) Этот вопрос требует специального изучения

Рис 11 Плотность треков от осколков деления и-235 и трансурановых элементов в годовых кольцах дерева и, Чернобы ¡я Народичи 50 км от ЧАЭС

На терришрии Красноярского края, в районе воздействия горно-химического

комбината (ГХК) в качестве эксперимента, изучены несколько срезов деревьев разного вида

(береза сосна, ива) В связи с этим, сравнивать потучснннс результаты между собой не корректно, так как для каждого вида дерева характерен свой тин накопчепия микроэлементов (в том чиспе и делящихся) Для почучепия достоверных резучыатов рекомендуется проводить отбор деревьев одною вида (преимущественно, сосна)

Какою-либо ядерного проявления 01 Красноярского 1ХК в годовых кольцах деревьев не проявляется Вероятно, ло может объясняться тем, что на ГХК используется принципиально иная система сброса радиоактивных обраюваний материал из барбатера сбрасывается по системе трубопроводов в р Ьнисеи и только незначительная часть радиоактивных аэрозолей выбрасывается в атмосферу Основные регулыаты и выводы по работе.

1. Разработана и опробована технология оценки радиоэкологической ситуации на территории с использованием годичных колец деревьев исследуемых методом радиографии (осколочной радиографии) Поскольку годичные кочьца деревьев, являясь естественным накопигечем, отражают загрязнение окружающей среды, обусчовленнос поступчснием химических эчемептов от разчичных техногенных источников по [ученные результаты исследований по данному способу являются цредставитечьными и существенно развивают метод оценки радиоэкочогической ситуации

2. Установлена связь между увеличением уровня накопчения де гящихся элементов в гочичньтх кольцах срезов деревьев и взрывами на ядерных почиюнах аварией на Чернобыльской АЭС деятельностью Сибирского химическою комбината и других предприятий ядерного топливного цикла Зафиксированы следы от проведения подземного ядерного взрыва

3. Средний уровень накопления делящихся элементов (и235) до 1900 г в древесине Сибири составляет около 0,06 мг/кг В результате активного антропогенного воздействия общий глобальный уровень и235 увеличился в 1,5 раза

4. В результате испытаний ядерного оружия в атмосфере уровень накопления делящихся элементов (и235, Ри, Ат, Ыр и др ) в древесине увеличился до 5 раз

5. В районах расположения промышленных реакторов, радиохимических и других производств, АЭС наблюдается отчетливое локальное накопление делящихся элементов в древесине с превышением первоначального доядерного уровня накопления в 3-4 раза, что приближает этот показатель по своему уровню к периоду массового выпадения радионуклидов, связанного с испытанием ядерного оружия в ачмосфере Но для районов размещения предприятий ядерною топливного цикла поступление делящихся элементов носило хронический характер

Некоторые смещения границы увеличения концентрации делящихся элементов, относительно сроков начала и окончания ядерных испытаний, могут быть объяснены их биологическим перераспределением в процессе роста деревьев

Для дальнейшей реализации предлагаемой технологии следует рекомендовать

• расширить районы исследований прежде всего в непосредственной бпизосги от предприятий ядерною топливного цикла и мест проведения ядерных взрывов,

• отработать технолог иго исследования с использованием твердотельных детекторов типа «слюда», что позволит автоматизировать подсчет треков,

• разработать методику автоматизированного подсчета треков

• провес г и эксперименты по изучению биологического характера перераспределения делящихся радионуклидов но годовым срезам деревьев что позволит более однозначно интерпретировать временные интервалы поступления радионуклидов

Список опубликованных работ но геме диссертации

1. Архангельская Т.А. Исследования характера распределения делящихся элементов в сре;ах деревьев методом f-радиотрафии // Безопасность биосферы - 97 Тез докл Первого всероссийского научного молодежного симпозиума - Екатеринбург, 1997 С 178

2. Архангельская Т.А., Архагггельскии В В Применение метода f-радиографии для и ¡учения поведения делящихся элементов в годичных кольцах деревьев // Проблемы геологии и освоения нелр Материалы докл Второй Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых им Академика М А Усова - Томск, 1998 42 С 102-103

3 Архангельская ТА. Архапгс гьский В В , Нссвстайто ВД Де тящиеся элементы в годичных кольцах деревьев по данным f-радиографии // Актуальные вопросы геологии и географии Сибири Материалы научной конференции - Томск, 1998 тЗ С 244-246

4. Архангельская Т.А., Несветайло В Д , Рихванов Л П Геохимические особенности годичных колец деревьев из зоны падения Тунгусского метеорита // 90 лет Тунгусской проблемы Тез докл юбилейной науч конф - Красноярск, 1998 С 9

5. Архангельская Т.А. Годичные кольца деревьев как индикатор прошлых загрязнений // Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез Тез докл Международного симпозиума 6-11 сентября 1999 г - Улан-Удэ, 1999 С 282-284

6. Архангельская Т.\. Использование метода f-радиографии для регистрации уровней накопления делящихся элементов в древесине деревьев // Проблемы геологии и освоения недр Труды III Международного научггого симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика МЛ Усова в рамках Российской научно-социальной программы для молодежи и школьников "Шаг в будущее", посвященного 100-летию со дня рождения академика К И Сатпаева - Томск, 1999 С 313

7. Рихванов Л П , Архангельская Т.А., Архангельский В В , Филинова С В Выявление детящихся элементов в природных объектах методами осколочной радиографии // Утилизация плутония проблемы и решения Тез докл IV Междунар радиоэкологической конф - Красноярск, 2000 С 97-99, С 186-187

8. Архангельская Т.А. Особенности распределения делящихся элементов в годичных кольцах деревьев в зоне влияния предприятий ЯТЦ // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде Материалы Международной научно-практической конф 9-11 февраля 2000 г - Семипалатинск, 2000 С 228-229

9. Архангельская Т.А. И ¡учение [ еохичических оеобенносгей годичных колец деревьев из зоны падения Тунгусского метеорита // Проблемы геологии и освоения недр 1руды Четвертого Международного научною симпозиума имени академика МА Усова -Томск, 2000 С 457-458

10. Архангельский В В , Архангельская Т.А. О применении метода f-радиографии в радиоэколог ических исследованиях // IV Съезд по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) lei докл Международною союза радиоэкологов -М,2001 Т2 С 583

11. Архангельская Т.А. Оценка радиоэкологической ситуации по результатам радиографических исследований годовых колец срезов деревьев // Проблемы геоюгии и освоения недр Труды Пятою Меледунар научного симпозиума имени академика М А Усова студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященного 100-летию горно-геоло! ического образования в Сибири - Iomck, 2001 С 487

12. Архаш ельская Т.А., Рихванов Л П Использование метода осколочной радиографии для изучения уровня и динамики накопления делящихся радионуклидов в годовых кольцах деревьев // I орно-геологическое образование в Сибири 100 лет на службе науки и произволе 1ва Материалы Международной научно-технической конференции - Томск, 2001 С 127-131

13. Рихванов Л П , Архангельская Т.А., Робертус Ю В Оценка выпадения делящихся радионуклидов на территории республики Алтай методом осколочной радиографии юдовых колец деревьев // Тяжелые ме галлы, радионуклиды и элемепты-биофилы в окружающей среде Доклады II Международной научно-практической конференции - Семипазатинск, 2002 С 496-501

14. Рихванов Л П , Архангельская Т.А. Медведев В И Проявленность предприятий ядерного топливного цикла (ПЯТЦ) в некоторых геохимических особенностях годовых кочен деревьев // Тяжезьте металзы, радионуклиды и элементы-биофизы в окружающей среде Доклады II Международной научно-практической конференции - Семипалатинск, 2002 С 440-444

Несветайло ВД, Рихванов ЛП Архангельская Т.А. Сравнительная дендрохроношщикания уровня и динамики накопления делящихся радионуклидов в древесине годичных колец деревьев долины р "Гомь, Подкаменнои Тунгуски и района Чернобыльской АЭС // Эколого-биоюохимические исследования в бассейне Оби / Под ред В В Зуева, А В Куровского, С Л Шварцева - Томск, 2002 С 311-327

16. Рихванов Л II, Архангельская Т.А., Несветайло В Д Изучение уровня и динамики накопления де тятцихся радионук 1и юв в юдовых ко тьцах деревьев // Геохимия - 2002 - № 11-С 1238-1245

17. Архангельская Т.А. Радиографическое исследование срезов деревьев для ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека Материалы II Международной конференции - Томск 2004 С 23-27

Автор выражает глубокую признательность профессору, д г-м н Л П Рихванову ij постановку проблемы и научное руководство данной работы на всех этапах ее выполнения Искреннюю благодарность автор приноси г к г -м н СИ Арбузову, кг-мн F I Язикову к г -м н А А Поцелуеву, кг-мн И С Соболеву, канд биол наук Н В Барановской, кг-мн А Ю Шатилову, кг-мн А В Волостнову за ценные советы при написании работы, за предоставление срезов деревьев П В Елпатьевскому (г Владивосток), В В Коваленко (г Красноярск), Ю В Робертусу (г I орно-Алтайск), В И Медведеву (г Иркутск), за большую помощь в отборе и подготовке образцов деревьев из фоновых районов (р Тунгуска) и Томского района ВД Несветайло (сотруднику НИИ биологии и биофизики II У) Автор благодарит сотрудника ядерно-геохимической лаборатории ВМ Левицкого га помощь в исследованиях на базе исследовательскою ядерного реактора ПИИ ядерной физики при Томском политехническом университете

27170

РНБ Русский фонд

2006-4 781

I ираж 120. Заказ 1299. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники пр. Ленина, 40

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Архангельская, Татьяна Александровна

I Введение 3 1 .Анализ состояния вопроса о накоплении химических компонентов в годичных кольцах деревьев 2.Методика радиографических исследований

2.1. Физическая сущность радиографии

2.2. Типы детекторов

2.3. Характерные методические ошибки, возникающие при радиографических исследованиях

2.4. Методика проведения исследований

3. Геохимические особенности распределения делящихся элементов в годичных кольцах деревьев «фоновых районов»

4. Выявление характера распределения делящихся элементов от проведения ядерных взрывов в атмосфере и под землей

V А. - Выпадения техногенных радионуклидов на территории Республики Алтай

Б. - Проявленность подземных ядерных взрывов 63 " 5. Проявленность предприятий ядерного топливного цикла (ПЯТЦ) в геохимических особенностях годовых колец деревьев: а) - район воздействия Сибирского химического комбината (СХК); б) - район воздействия Ангарского электролизного химического комбината (АЭХК); в) - район воздействия Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС); г) - район воздействия Красноярского горно-химического комбината (ГХК)

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Ретроспективная оценка радиоэкологической ситуации по результатам изучения годовых колец срезов деревьев"

Актуальность темы.

Мониторинговые исследования природной среды становятся в последние десятилетия важным средством по оценке ее изменения. При этом большое значение приобретает не только определение уровня накопления химических элементов в различных природных объектах и выяснение характера их распространения по площади, но и динамика накопления этих элементов в течение определенного промежутка времени. Для решения этой задачи используются различные методы и приемы. В настоящее время существует необходимость поиска новых индикаторов для радиоэкологической оценки состояния окружающей среды.

Особую роль играют стратифицированные образования (торфяники, донные отложения, многолетние льды, годичные кольца деревьев и т. д.). Последовательно образовавшиеся во времени слои природных материалов являются индикаторами условий их образования и состояния окружающей среды (А.З. Миклишанский и др., 1980; Murozumi et. al., 1969 и др.). Они представляют огромный интерес при решении проблем, связанных с* глобальным изменением климата и химического состава окружающей среды (В.М. Гавшин и др., 2003 и др.).

Нами в качестве индикатора загрязнения окружающей среды, в том числе, специфического - радиоактивного, выбраны годичные кольца дерева (Л.П. Рихванов и др., 2002). Изучение уровня накопления радионуклидов в срезах деревьев позволяет судить о радиоэкологической оценке территории и о характере воздействия глобальных и локальных выпадений радионуклидов на территорию конкретного региона за определенный промежуток времени. Это особенно важно для выявления источника поступления радионуклидов в окружающую среду.

Использование технологии ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации с использованием годовых колец деревьев при помощи метода f-радиографии открывает новые перспективы применения радиографических методов при экологических исследованиях объектов природной среды.

Работа частично выполнялась по Программе «Интеграция», грант Е0242, 2001 года, а также являлась составной частью научно-исследовательских работ кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является оценка радиоэкологической ситуации по годовым кольцам деревьев с использованием метода осколочной радиографии.

Основные задачи исследований:

• разработать способ ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации с использованием годовых колец деревьев при помощи метода f-радиографии;

• изучить уровень накопления и характер распределения делящихся элементов в годичных кольцах деревьев и выявить закономерности их распределения в фоновых районах (вне зон интенсивного техногенного воздействия);

• оценить изменение радиоэкологической обстановки на территориях, характеризующихся техногенной нагрузкой.

Фактический материал и методы исследований.

Фактическим материалом послужили срезы деревьев, отобранные в 8 регионах России и СНГ, характеризующие территории с различной техногенной нагрузкой (более 30 срезов), исследованные методом осколочной радиографии с использованием ядерного реактора научноисследовательского института ядерной физики при Томском политехническом университете.

Научная новизна.

На основе метода f-радиографии:

1. выявлены закономерности в характере распределения совокупности делящихся радионуклидов (U-235, Pu, Am и др.) в годовых кольцах срезов деревьев, отобранных из районов с различной техногенной нагрузкой;

2. определена динамика поступления делящихся элементов в окружающую среду за продолжительный период времени (от 14 до 269 лет);

3. установлен фоновый региональный уровень делящихся радионуклидов в годовых кольцах деревьев Сибири (только по U-235) до 1945 года.

Защищаемые положения.

1. Способ ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации на территориях по уровню накопления делящихся элементов с использованием годовых колец деревьев включает в себя сбор срезов деревьев одного вида на одной и той же высоте от поверхности земли, подготовку ровных полированных спилов и покрытие их специальным детектором с последующим их облучением потоком тепловых нейтронов в канале ядерного реактора и исследованием плотности треков от осколков деления делящихся радионуклидов на детекторе с построением кривых распределения делящихся элементов по годам.

2. Региональный уровень накопления делящихся элементов (только по изотопу U-235) в годичных кольцах деревьев Сибири до 1900 года) составляет около 0,06 мг/кг. В результате активного антропогенного воздействия в период с 1900 по 1945 года общий среднесибирский уровень урана (по его изотопу U235) увеличился в 1,5 раза.

3. В результате испытаний ядерного оружия в атмосфере (после 1945 года) уровень накопления делящихся элементов (U235, Ри, Am, Np и др.) в древесине годовых колец увеличился в 2 раза (в удаленных от полигонов районах) и в 5 раз (в районах, находящихся на более близких расстояниях). Последовавшее прекращение испытаний в атмосфере привело к стабилизации или к уменьшению (до фонового уровня) накопления количества делящихся элементов в древесине.

4. В зонах влияния предприятий ядерного топливного цикла наблюдается отчетливое локальное хроническое накопление делящихся элементов в древесине с превышением первоначального доядерного уровня накопления в 3-5 раз, а характер их распределения характеризуется , крайней неравномерностью.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена:

1- применением одного из самых высокочувствительных ядерно-физических методов анализа - осколочной (f) радиографии, который позволяет с высокой точностью определять уровень накопления радионуклидов в изучаемом образце;

2- значительным объемом статистических подсчетов треков путем их оценки по 15 случайно выбранным элементарным площадкам в каждой зоне годичного кольца;

3- высокой сходимостью характеров распределения и уровней накопления радионуклидов, полученных при изучении двух срезов одного и того же дерева, отобранных по разным радиусам спила и полученных при параллельных исследованиях одних и тех же срезов двумя независимыми людьми (расхождения не превышали 20%).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Использование разработанного способа обеспечивает возможность осуществлять проведение ретроспективного анализа выпадений радиоактивных элементов и оценивать уровень их накопления в определенные периоды времени. Результаты исследований переданы для практической реализации Красноярскому Центру Госсанэпиднадзора (акт о внедрении от 13.10.04), в научно-техническое предприятие «Сосновгеос» (г. Иркутск) (акт о внедрении №32 от 12.10.04.), а также в Алтайский Региональный Институт Экологических исследований (акт о внедрении №63 от 11.10.04.).

Апробация работы.

Защищаемые положения и основные результаты исследований докладывались на Международных научных симпозиумах имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 1998, 1999, 2000, 2001), Международном симпозиуме «Геохимия ландшафтов, палеоэкология человека и этногенез» (г. Улан-Удэ, 1999), IV съезде по радиационным исследованиям (г. Москва, 2001), II Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы -биофилы в окружающей среде» (г. Семипалатинск, 2002), на российско-французском семинаре «Стратом - 2002», на Семинаре, проводимом Межведомственным научным советом по радиохимии при Президиуме РАН и Минатоме РФ (г. Москва, 2004), на II международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2004), а также на научных семинарах кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 работ (12 из них подготовлено без соавторов, 1 статья в соавторстве с научным руководителем в журнале «Геохимия», в остальных публикациях личный вклад составляет не менее 80%), а также подана заявка на патент на технологию ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации (регистрационный № 2004114654 с приоритетом от 13.05.04).

Личный вклад соискателя состоит в разработке технологии, в подготовке исследуемых образцов для облучения, в определении геометрических размеров срезов, в разработке метода подсчета треков, в статистической обработке и анализе результатов, полученных при изучении срезов деревьев, отобранных в различных регионах России и СНГ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, иллюстрированных 58 рисунками и 4 таблицами. Список литературы содержит 65 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Архангельская, Татьяна Александровна

Основные результаты и выводы по работе.

1. Разработана и опробована технология оценки радиоэкологической ситуации на территории с использованием годичных колец деревьев, исследуемых методом f-радиографии (осколочной радиографии). Поскольку годичные кольца деревьев, являясь естественным накопителем, отражают загрязнение окружающей среды, обусловленное поступлением химических элементов от различных техногенных источников, полученные результаты исследований по данному способу являются представительными и существенно развивают метод оценки радиоэкологической ситуации.

2. Установлена связь между увеличением уровня накопления делящихся элементов в годичных кольцах срезов деревьев и взрывами на ядерных полигонах, аварией на Чернобыльской АЭС, деятельностью СХК и других предприятий ядерного топливного цикла. Зафиксированы следы от проведения подземного ядерного взрыва.

3. Средний уровень накопления делящихся элементов (U235) до 1900 г. в древесине Сибири составляет около 0,06 мг/кг. В результате активного антропогенного воздействия общий глобальный уровень U235 увеличился в 1,5 раза.

4. В результате испытаний ядерного оружия в атмосфере уровень накопления делящихся элементов (U235, Pu, Am, Np и др.) в древесине увеличился до 5 раз.

5. В районах расположения ПЯТЦ (промышленные реакторы, радиохимические и другие производства, АЭС) наблюдается отчетливое локальное накопление делящихся элементов в древесине с превышением первоначального доядерного уровня накопления в 3-4 раза, что приближает этот показатель по своему уровню к периоду массового выпадения радионуклидов, связанного с испытанием ядерного оружия в атмосфере. Но для районов размещения предприятий ЯТЦ поступление делящихся элементов носило хронический характер.

Некоторые смещения границы увеличения концентраций делящихся элементов, относительно сроков начала и окончания ядерных испытаний, могут быть объяснены их биологическим перераспределением в процессе роста деревьев.

Для дальнейшей реализации предлагаемой технологии следует рекомендовать:

• расширить районы исследований, прежде всего в непосредственной близости от предприятий ЯТЦ и мест проведения ядерных взрывов;

• отработать технологию исследования с использованием твердотельных детекторов типа «слюда», что позволит автоматизировать подсчет треков;

• разработать методику автоматизированного подсчета треков;

• провести эксперименты по изучению биологического характера перераспределения делящихся радионуклидов по годовым срезам деревьев, что позволит более однозначно интерпретировать временные интервалы поступления радионуклидов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Архангельская, Татьяна Александровна, Томск

1. Аржанова B.C., Елпатьевский П.В., Кравцов В.М, Толстова Л.М. Геохимическая хронология фоновых импактных эколого-геохимических условий // Мониторинг фоновых загрязнений природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. № 4. С. 327-341.

2. Апплби Л.Дж., Девелл Л., Мишра Ю.К. и др. Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля: Пер. с англ. / Под ред. Ф. Уорнера и Р. Харрисона. -М.: Мир, 1999.-512 с.

3. Архангельская Т.А. Радиографическое исследование срезов деревьев для ретроспективной оценки радиоэкологической ситуации // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитаниячеловека: Материалы II Международной конференции. Томск, 2004. С. 23-27.

4. Архангельская Т.А., Архангельский В.В., Несветайло В.Д. Делящиеся элементы в годичных кольцах деревьев по данным f-радиографии // Актуальные вопросы геологии и географии Сибири: Материалы научной конференции. Томск, 1998. т.З. С. 244-246.

5. Архангельская Т.А., Несветайло В.Д., Рихванов Л.П. Геохимические особенности годичных колец деревьев из зоны падения Тунгусского метеорита // 90 лет Тунгусской проблемы: Тез. докл. юбилейной науч. конф. Красноярск, 1998. С. 9.

6. Аэрозоли в природных планшетах Сибири / А.П. Бояркина, В.В. Байковский, Н.В. Васильев и др. Томск: Изд-во ТГУ, 1993.-157 с.

7. Берзина И.Г., Герцен Г.П., Токаревскнй В.В. Выявление радиоактивного загрязнения окружающей среды методом радиографии // Геохимия. -1993. N 3. - С. 449-456.

8. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИГГМ, 1997. - 237с.

9. Журавлева О.В. Дендроиндикация изменений природной обстановки на верхней границе леса в горах Алтая: Автореф. дис. кандидата биол. наук. Барнаул, 2002. - 23с.

10. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементозы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. - 437с.

11. Ковалевский А.Л. Биогеохимия растений. Новосибирск: Наука, 1991.-290с.

12. Козубов Г.М., Таскаев А.И., Игнатенко Е.Г. и др. Радиационное воздействие на хвойные леса в районе аварии на ЧАЭС. Сыктывкар: Коми научный центр УрО АН СССР, 1990. - 136 с.

13. Комин Г.Е. Применение дендрохронологических методов в экологических мониторинге лесов // Лесоведение. 1990. № 2. - С. 3-11.

14. Миклишанский А.З., Яковлев Ю.В., Савельев Б.В., Зуев А.П. Содержание и химический состав минеральной фазы в кернах ледникового покрова центральных районов Антарктиды // Геохимия. -1980.-№2.-С. 286-293.

15. Миронов А.Г. Авторадиографический метод в геологических исследованиях // Авторадиографический метод в научных исследованиях. М.: Наука, 1990. - С. 63-71.

16. Миронов А.Г., Малясова З.В. О применении метода нейтронно-осколочной радиографии для количественного изучения распределения урана в минералах горных пород // Геология и геофизика. 1973. - № 12.

17. Мясников А.А., Медведев В.И., Коршунов Л.Г. Подземный ядерный взрыв «Рифт-3» // Геохимические процессы и полезные ископаемые. Вестник ГеоИГУ. Вып. 2, -2000.

18. Растения в экстремальных условиях минерального питания. Под ред. Школьника М.Я. и др. Ленинград: Наука. Ленинградское отд-ние,1983. 176с.

19. Рихванов JI.I1. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. -Томск.: Изд-во ТПУ, 1997. 384с.

20. Рихванов Л.П. Использование геохимических методов для изучения проявленности объектов ядерного комплекса // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири: Тез. докл. Томск, 2003. С. 197-199.

21. Рихванов Л.П., Сарнаев С.И., Вертман Е.Г. Повышение эффективности минералого-геохимических исследований на основе использования методов радиографии. // Авторадиографический метод в научных исследованиях: Тез. докл. -М., 1990. С. 88-91.

22. Рихванов Л.П., Сарнаев С.И., Несветайло В.Д. Радиоэкологическая информация в годовых срезах деревьев из районов расположения предприятий ядерного топливного цикла // Радиоэкологическая безопасность России: Материалы конф. Челябинск, 1998. - С. 43.

23. Рихванов Л.П., Архангельская Т.А., Несветайло В.Д. Изучение уровня и динамики накопления делящихся радионуклидов в годовых кольцах деревьев // Геохимия. 2002. -№ 11. - С. 1238-1245.

24. Сарнаев С.И., Рихванов Л.П. Опыт по созданию эталона для определения урана методом f-радиографии // Радиографические исследования в радиогеохимии и смежных областях. Новосибирск, 1991. С. 75-77.

25. Сарнаев С.И., Федорина Л.Э., Каштанов И.Г. К методике определения концентраций урана методом f-радиографии. // Радиографические исследования в радиогеохимии и смежных областях. Новосибирск, 1991.-С. 80-81.

26. Селегей В.В. Радиоактивные загрязнения города Новосибирска ,-прошлое и настоящее. Новосибирск, 1997. - 70 с.

27. Тарабрин А.Д. Как живет дерево. М.: Изд-во «Лесная пром-сть», 1974.

28. Таусон Л.В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. М.: Изд-во АНСССР, 1961.-231 с.

29. Флеров Г.Н., Берзина И.Г. Радиография минералов, горных пород и руд. М.: Атомиздат, 1979. - 223 с.

30. Фляйшер Р.Л., Прайс П.Б., Уокер P.M. Треки заряженных частиц в твердых телах. Принципы и приложения. Часть 1. / Под ред. Ю.А. Щуколюкова. М.: Энергоиздат, 1981. 152 с.

31. Часников И.Я. и др. Изучение накопления и распределения радиоактивных источников и радиационных нарушений в природных объектах и определение года их радиационного заражения //

32. Радиоэкологическая обстановка на территории Республики Казахстан. Алматы, 1997. - С. 61-91.47.1Цуколюков Ю.А. Деление ядер урана в природе. М.: Атомиздат, 1970. - 270 с.

33. Baes Ш C.F., McLaughlin S.B. Trace elements in tree rings: evidence of recent and historical air pollution // Science. 1984. - № 224. - P. 494-497.

34. Barnes D., Hamadah M.A., Ottaway J.M. The lead, copper and zinc content of tree rings and bare. A measurement of local metallic pollution // The Science of the Total Environment. 1976. № 5. - P. 63-67.

35. Boutron C. Atmospheric Trace Metals in the Snow Layers Deposited at the South Pole from 1928 to 1977 // Atmospheric Enviroment. 1982. - Vol.16, №10.-P. 2451-2459.

36. Feng X. Trends in intrinsic water-use efficiency of natural trees for the past 100-200 years: a response to atmospheric CO2 concentration // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999. - Vol. 63, № 13/14. - P. 1891-1903.

37. Feng X., Epstein S. Carbon isotopes of trees from arid environments and implications for reconstructing atmospheric CO2 concentration // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. - Vol. 59, № 12. - P. 25992608.

38. Feng X., Epstein S. Climatic temperature records in 6D data from tree rings // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. - Vol. 59, №. 14. - P. 30293037.

39. Hagemeyer J., Schafer, H., Breckle, S.W. Seasonal variations of nickel concentrations in annual xylem rings of beech trees (Fagus sylvatica L.) // Sci. Total Environ. 1994. -№ 145. - P. 111-118.

40. Radial. Ixat. 1995. - Vol. 46, № 11. - P. 1271-1278.

41. Jagels R. Acid fog, ozone and low elevation spruce decline // LAWA Bulletin n. s. 1986. - Vol. 7, № 4. - P. 299-306.

42. Kohno M., Koizumi Y., Okumura K., Mito I. Distribution of environmental cesium 137 in tree rings // J. Environ. Radioactivity. - 1988. - №8. - P. 15-19.

43. Kort I. Wood structure and growth ring width of vital and non-vital Douglas fir (pseudotsuga menziesii) from a single stand in the Netherlands // LAWA Bulletin n. s. 1986. - Vol. 7, № 4. - P. 309-317.

44. Murozumi M., Chow T.J., Patterson C. Chemical concentrations of pollutant lead aerosols, terrestrial dusts and sea salts in Greenland and Antarctic snow1 strata // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1969. - Vol. 33. - P. 12471294.

45. Ragsdale H.L., Berish C.W. The decline of lead in tree rings of Carya spp. In urban Atlanta, GA, USA // Biogeochemistry. 1988. - Vol 6. - P. 21-29.

46. Tobler L., Bajo S., Wyttenbach A. Deposition of 134,137Cs from Chernobyl Fallout on Norway Spruce and Forest Soil and Incorporation into Spruce Twigs // J. Environ. Radioactivity. 1988. - Vol 6. - P. 225-245.

47. Tout R.E., Gilboy W.B., Spyrou N.M. Neutron activation studies of trace elements in tree rings // Journal of Radioanalytical Chemistry. 1977. Vol. 37. pp. 705-715.

48. Schaumloffel J.C., Filby R.H., Moore B.C. Ponderosa pine tree rings as f historical monitors of zinc and cadmium pollution // J. Environ. Qual.1 1998.-Vol27.-P. 851-859.