Спосіб датування морських донних відкладень за допомогою 137cs та 40k

Реферат: Винахід належить до галузі морської радіаційної екології, біогеохімії та геоекології. Спосіб 137 40 датування морських донних відкладень за допомогою Cs та K полягає в датуванні донних 137 відкладень за профілем вертикального розподілу активності Cs, розрахованої відносно до маси не всього осаду, а лише його літогенної фракції. Для кількісного визначення частки цієї фракції пропонується використовувати дані щодо вмісту у донних відкладеннях природного 40 радіонукліду K. Винахід дозволяє істотно усунути ефект розведення біогенної речовини 137 відносно до активності Cs в донних опадах та значно поліпшити роздільну здатність профілів його вертикального розподілу в товщі морських відкладень і, тим самим, дає можливість визначити їх вік для подальшої геохронологічної реконструкції радіоактивного забруднення морського середовища. UA 107216 C2 (12) UA 107216 C2 UA 107216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі морської радіаційної екології, біогеохімії та геоекології і призначений для використання в фундаментальних і прикладних дослідженнях для кількісної оцінки швидкості опадонакопичення в водоймах і процесів самоочищення морського середовища від радіоактивних забруднень. Накопичення зваженої речовини на дні морів і океанів є найважливішим фактором самоочищення їх водної товщі від радіоактивних і хімічних забруднень [1, 2]. Пошарове датування донних відкладень дозволяє реконструювати динаміку забруднення морського середовища за весь період антропогенного впливу [3, 4]. Це створює історичну основу для прогнозу екологічної ситуації у водоймах, що особливо актуально для акваторій, в яких моніторинг забруднення не був регулярним або взагалі не проводився. Для датування морських донних відкладень найчастіше використовуються радіоізотопні методи, засновані на визначенні вмісту та розподілу природних і техногенних радіонуклідів з урахуванням швидкості їх розпаду, рівноваги з дочірніми продуктами, а також джерел і хронології надходження в довкілля [3]. В останні роки для цієї мети все активніше 137 використовують антропогенний радіонуклід Сs з періодом напіврозпаду близько 30 років, який був відсутній у навколишньому середовищі до початку ядерної ери і потрапив до неї в результаті радіоактивних випадінь після випробувань ядерної зброї в атмосфері, що досягли максимуму в 1962 році, а також внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС в квітні 1986 р. [3-5]. 137 Така хронологія обумовлює наявність двох максимумів активності Сs на профілі його вертикального розподілу у товщі донних відкладень, більш глибокий з яких відповідає 1962 року, а підповерхневий - 1986 року. За глибиною залягання цих максимумів визначають швидкість опадонакопичення з подальшим розрахунком віку окремих шарів донних відкладень і геохронологічною реконструкцією історії надходження в них забруднюючих речовин ядерної та неядерної природи [3, 5]. 137 Проте відомо, що Сs накопичується і осідає на морське дно, головним чином, у складі літогенної зваженої речовини, особливо на частинках глинистих мінералів [6, 7]. Це приводить до того, що в акваторіях з високою швидкістю біогенної седиментації органічна і мінеральна 137 суспензія рослинного і тваринного походження проявляє своєрідний ефект розбавлення Сs у 137 донних опадах. В результаті цього профілі вертикального розподілу Сs часто не мають виражених максимумів в таких відкладеннях, що робить неможливим застосування даного методу для їх датування. 137 40 В основу винаходу Спосіб датування морських донних відкладень за допомогою Сs та K поставлено задачу шляхом усунення ефекту розведення біогенної речовини відносно до 137 активності Сs в товщі донних опадів, досягти можливості визначення їх віку в умовах високої швидкості седиментації зваженої речовини біологічного походження. З цією метою, пропонується проводити датування донних відкладень за профілем 137 вертикального розподілу активності Сs, розрахованої відносно до маси не всього осаду, а лише його літогенної фракції. Для кількісного визначення частки цієї фракції пропонується використовувати дані щодо вмісту у донних відкладеннях природного довгоживучого 40 9 радіонукліду K (період напіврозпаду близько 1.3·10 років), який є хімічним аналогом цезію і надходить у морське середовище переважно в складі літогенної речовини. Відомо, наприклад, що вміст калію в донних відкладеннях Чорного моря біля гирла річок Дунай та Дніпро становить -1 -1 близько 20 гК·кг в розрахунку на суху вагу опадів, а в глибоководної зоні - близько 4 гК·кг , тоді -1 яккларк калію в літогенному та біогенному матеріалі складає 25 і 3 гК·кг , відповідно [8, 9]. На підставі цього в даному винаході пропонується наступне рівняння розрахунку масової частки літогенної фракції в морських донних відкладеннях за результатами вимірювань вмісту в них 40 K: гK   Clk LK    кг   100 LF (%)  1   Clk LK  Clk BK      50 55 (1) де LF - процентний вміст літогенної фракції; Clk LK та Clk BK - значення кларків калію в літогенній і біогенній речовині, відповідно; гK - фактичний вміст калію в досліджуваній пробі, 40 40 визначений за результатами радіометричних вимірювань активності K (1 гK = 30.65 Бк K [8, 9]). 137 Тоді активність Сs у донних відкладеннях в перерахунку на масову частку літогенної фракції складе: 1 UA 107216 C2 137 5 Cs LF  137 Cs загальний  100 LF (2) 137 Cs загальний і 137 Cs LF - вміст цезію-137 (Бк·кг-1) відносно до маси всього осаду і його де літогенної фракції, відповідно. Визначення швидкості опадонакопичення здійснюється за глибиною залягання максимумів 137 Cs LF , відповідних до аварії на Чорнобильській АЕС (1986 р.) або періоду активності найбільш активних випробувань ядерної зброї в атмосфері (1962 p.): SR  Dmax T  Tmax -1 де SR - швидкість накопичення опадів, см·рік ; Dmax - глибина залягання максимумів 10 20 137 Cs LF , відповідних до 1986 або 1962 року, см; T - календарний рік відбору 137 колонки донних відкладень; Tmax - календарні роки найбільшого надходження Сs в навколишнє середовище в результаті випробувань ядерної зброї в атмосфері або аварії на Чорнобильській АЕС. У ряді випадків можна використовувати середню величину швидкості опадонакопичення, визначену за формулою (3) при значеннях Tmax , рівних 1962 і 1986 р. Проте необхідно активності 15 (3) враховувати ступінь гравітаційного стиснення донних відкладень, яке збільшується з глибиною опаду, а також можливу зміну швидкості опадонакопичення в період з початку 1960-х до середини 1980-х років, наприклад, через будівництво гідротехнічних споруд, що впливають на седиментаційні процеси в досліджуваних акваторіях [3, 4, 9]. У таких випадках доцільніше використовувати значення SR , розраховане при Tmax  1986 , для опадів, накопичених після аварії на ЧАЕС, а при Tmax  1962 - для більш глибоких шарів донних відкладень. Отримані значення швидкості опадонакопичення дозволяють визначити вік окремих шарів донних відкладень за формулою: 25 TX  T  DX SR (4) де TX - календарний рік накопичення даного шару відкладень; D X - глибина його залягання, см. Винахід пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 - Схема датування донних відкладень за 30 35 40 137 Cs та 40 K ; на Фіг. 2 - Вертикальний розподіл активності 137 Cs у донних допомогою відкладеннях на зовнішньому рейді Севастополя, розрахованої на вагу всього осаду (о) і його літогенної фракції (-). Загальна схема пропонованого Способу датування морських донних відкладень за 137 40 допомогою Сs та K (див. Фіг. 1) включає такі основні стадії: 137 40 1. Радіометричне визначення вмісту Сs та K в окремих шарах донних відкладень відносно до маси всього опаду. 40 -1 2. Перерахунок величин радіоактивності K в донних відкладеннях (Бк·кг ) і подання їх в -1 одиницях виміру хімічної концентрації калію (гК·кг ). 3. Розрахунок масової частки літогенної фракції донних відкладень (LF, %) за формулою (1) з використанням величин хімічної концентрації калію в цих опадах. 137 4. Визначення вмісту Сs відносно до масової частки літогенної фракції донних відкладень ( 137 Cs LF , Бк·кг-1) - формула (2). 137 Cs LF в товщі донних відкладень і визначення глибини залягання максимумів його активності Dmax  , відповідних до періодів 5. Побудова профілю вертикального розподілу 2 UA 107216 C2 5 найбільш інтенсивних випробувань ядерної зброї в атмосфері (1962 р.) і аварії на Чорнобильській АЕС в 1986 р. -1 6. Визначення швидкості опадонакопичення ( SR , см·рік ) за величиною Dmax і формулою (3). 7. Датування верхніх шарів донних відкладень за формулою (4) з використанням величини швидкості опадонакопичення, розрахованої для максимуму активності чорнобильського Tmax  1986  . 8. Датування більш глибоких шарів опаду за формулою (4) з використанням величини швидкості опадонакопичення, визначеної за глибиною залягання максимуму активності 137 10 Cs LF 137 Cs LF , приуроченого до 1962 року. Випробування пропонованого способу датування морських донних відкладень за допомогою 40 Сs та K були проведені у Відділі радіаційної та хімічної біології Інституту біології південних морів НАН України (м. Севастополь). Для цього в 2010 р. за допомогою вакуумної ґрунтової трубки з внутрішнім діаметром 58 мм була відібрана колонка донних відкладень на зовнішньому рейді Севастополя (координати: 44°36.9' північноїшироти, 33°30.2' східної довготи, глибина дна 22 м). У лабораторних умовах ця колонка була розрізана на горизонтальні шари товщиною 1 см з використанням поршневого екструдера. Отримані проби донних відкладень були висушені до постійної ваги при температурі 40-50 °C, подрібнені в агатовій ступці і поміщені в пластикові 137 40 чашки Петрі з внутрішнім діаметром 53 мм для визначення активності Сs та K за допомогою напівпровідникового гамма-спектрометра ORTEC GMX-10 (США), виконаного на основі кристала надчистого германію. Активність радіонуклідів розраховувалася на суху вагу донних відкладень, з урахуванням вмісту морської солі в поровій воді, концентрація якої визначалася за допомогою гідрологічного зонду згідно з методикою, описаною в роботі [10]. Далі проводилося 137 визначення масової частки літогенної фракції донних відкладень, розрахунок активності Сs відносно до цієї фракції і датування донних відкладень у відповідності зі схемою, показаної на Фіг. 1. Результати цих досліджень представлені в Таблиці 1 і на Фіг. 2. 137 15 20 25 Таблиця 1 137 Cs та 40 K в донних Вертикальний розподіл відкладеннях на зовнішньому рейді Севастополя в 2010 р. Шар, см 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 137 Cs , Бк·кг-1 64.9 52.2 52.0 71.6 87.5 81.8 87.6 62.3 49.9 38.3 18.0 31.4 43.5 37.1 38.5 48.5 36.7 34.4 44.5 38.7 42.9 1 1.0 1.1 1.2 1.1 1.0 1.2 2.1 1.3 1.0 1.1 2.6 1.9 1.4 1.1 1.1 1.4 2.0 2.1 2.5 2.1 2.5 40 K , Бк·кг-1 1 гК·кг Літогенна фракція, % 276.6 313.1 336.5 331.2 250.4 230.4 287.6 263.3 267.2 234.0 192.6 390.8 469.7 433.4 510.0 242.0 367.1 258.9 374.1 387.0 387.5 6.6 6.6 7.4 6.6 4.5 4.8 7.2 5.5 5.3 7.0 6.0 11.7 15.0 13.4 14.3 7.0 9.9 7.5 12.3 10.8 13.9 9.0 10.2 11.0 10.8 8.2 7.5 9.4 8.6 8.7 7.6 6.3 12.8 15.3 14.1 16.6 7.9 12.0 8.4 12.2 12.6 12.6 27.4 32.8 36.3 35.5 23.5 20.5 29.0 25.4 26.0 21.1 14.9 44.3 56.0 50.6 62.0 22.2 40.8 24.8 41.8 43.8 43.8 3 -1 137 Cs LF , -1 Бк·кг 236.9 159.2 143.3 201.9 372.2 398.1 301.9 245.2 192.1 181.9 120.6 70.9 77.6 73.2 62.1 218.0 89.9 138.9 106.4 88.4 97.9 UA 107216 C2 Продовження таблиці 1 21-22 22-23 23-24 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 38.8 39.9 39.0 2.4 2.6 2.6 283.2 334.2 426.6 9.9 13.0 17.1 9.2 10.9 13.9 28.4 35.9 49.6 136.9 111.1 78.5 Видно, що частка літогенної фракції в досліджених опадах становила в середньому близько 35 % від загальної маси донних відкладень (Табл. 1). Тобто в них переважав біогенний осадовий матеріал, який, як вказано вище, може грати роль своєрідного розріджувача відносно 137 137 до вмісту Сs. Це істотно знижує роздільну здатність профілів вертикального розподілу Сs і можливість визначення глибини залягання максимумів його активності в товщі донних 137 відкладень, що добре видно на Фіг. 1. Якщо ж розрахувати вміст Сs відносно до масової частки літогенної фракції опаду (Табл. 1), то максимуми активності цього радіонукліду, відповідні до періодів найбільш інтенсивних випробувань ядерної зброї в атмосфері і аварії на Чорнобильській АЕС, стають добре помітними (Фіг. 2). Це дає можливість визначення швидкості -1 опадонакопичення, що склала для поверхневих шарів опадів 0.23 см·рік , а для більш глибоких -1 шарів - 0.33 см·рік . Така відмінність отриманих величин може бути обумовлена будівництвом у 1970-1980-х роках захисного молу на вході в Севастопольську бухту, після чого надходження з неї зважених речовин в акваторію зовнішнього рейду Севастополя суттєво зменшилось [11]. Таким чином, лабораторні дослідження показали, що запропонований спосіб датування 137 40 морських донних відкладень за допомогою Сs та K дозволяє істотно усунути ефект 137 Cs в донних опадах та значно розведення біогенної речовини відносно до активності 137 поліпшити роздільну здатність профілів його вертикального розподілу Сs в товщі морських відкладень і, тим самим, дає можливість визначити їх вік для подальшої геохронологічної реконструкції радіоактивного забруднення морського середовища. Джерела інформації: 1. Поликарпов Г.Г., Зесенко А.Я., Егоров В.Н., Назаров А.Б. Применение радиоизотопных методов в исследовании продукционных процессов и динамики органического вещества в океане // Морские гидрофизические исследования. - 1976. - Т. 74, №3. - С. 116-124. 2. U.S. GOFS. Sediment trap technology and sampling // U.S. Global Ocean Flux Study. Planning Report №10 °F the Working Group on Sediment Trap Technology and Sampling / Eds. G. Knauer, V. Asper. - Woods Hole (USA): WHOI, 1989. - 94 p. 3. Anderson R.F., Schiff S.L., Hesslein R.H. Determining sediment accumulation and mixing rates 210 137 using Pb, Cs, and other tracers: problems due to postdepositional mobility and coring artefacts // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Science. - 1987. - № 44. - P. 231-250. 4. Гулин С.Б. Радиоизотопная геохронологическая реконструкция загрязнения и эвтрофикации Черного моря // В кн.: Радиоэкологический отклик Черного моря на чернобыльскую аварию / Под ред. Г.Г. Поликарпова и В.Н. Егорова. - Севастополь: ЭКОСИГидрофизика, 2008. - С. 519-547. 137 5. Gulin S.B., Aarkrog A., Polikarpov G.G., Nielsen S.P., Egorov V.N. Chronological study of Cs input to the Black Sea deep and shelf sediments // Radioprotection. - 1997. - № 32 (C2). - P. 257-262. 6. Comans R.N., Haller M., Preter P.D. Sorption of cesium on illite: Nonequilibrium behavior and reversibility // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 1991. No. 55. - P. 433-440. 7. Sawhney B.L. Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: A review // Clay Minerals. - 1972. - No. 20. - P. 93-100. 8. Гавшин В.М., Лапухов С…В., Сараев СВ. Геохимия литогенеза в условиях сероводородного заражения (Черное море). - Новосибирск: Наука, 1988. - 194 с. 9. Gulin S.B., Polikarpov G.G., Egorov V.N., Martin J.-M, Korotkov A.A., Stokozov N.A. Radioactive contamination of the north-western Black Sea sediments // Estuarine, Coastal and Shelf Science. - 2001. - Vol. 54, № 3. - P. 541-549. 10. Buesseler K.O., Benitez C.R. Determination of mass accumulation rates and sediment radionuclide inventories in the deep Black Sea // Deep-Sea Research. - 1994. - Vol. 11, № 12. - P. 1605-1615. 11. Павлова Е.В., Овсяный Е.И., Гордина А.Д., Романов А.С., Кемп Р.Б. Современное состояние и тенденции изменения экосистемы Севастопольской бухты // Акватория и берега Севастополя: экосистемные процессы и услуги обществу / Под ред. Е.В. Павловой, Н.В. Шадрина. - Севастополь: ИнБЮМ НАНУ - Аквавита, 1999. - С. 70-94. 55 4 UA 107216 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 137 40 Спосіб датування морських донних відкладень за допомогою Cs та K радіоізотопним 137 40 методом, який відрізняється тим, що проводять радіометричне вимірювання вмісту Cs та K в окремих шарах донних відкладень та визначають вік донних опадів за профілем 137 вертикального розподілу активності Cs, розрахованої відносно до маси літогенної фракції 40 осадового матеріалу, яку визначають за вмістом в ньому K, і проводять розрахунок активності 137 Cs до маси його літогенної фракції за формулою: 137 137 Cs LF  137 Cs загальний  100 LF (1) 137 Cs LF - вміст цезію-137, Бк∙кг-1, відносно до маси всього опаду і його літогенної фракції, відповідно, LF - процентний вміст літогенної речовини, розрахований за де Cs загальний і рівнянням: гK   Clk L K    кг   100 LF (%)  1   Clk L K  Clk B K      (2) де Clk L K і Clk B K - значення кларків калію в літогенній і біогенній речовині, відповідно, гK фактичний вміст калію в досліджуваній пробі, визначений за результатами радіометричних 40 40 вимірювань активності K, (1 гK=30,65 Бк K), потім виконують побудову профілю 137 Cs LF в товщі донних відкладень, визначають глибини залягання вертикального розподілу максимумів його активності, відповідних до періодів найбільш інтенсивних випробувань ядерної зброї в атмосфері в 1962 р. і аварії на Чорнобильській АЕС в 1986 р., обчислюють швидкість опадонакопичення за формулою: SR  де Dmax T  Tmax (3) SR - швидкість накопичення опадів, см·рік-1, Dmax - глибина залягання максимумів активності 137 Cs LF , відповідних до 1986 або 1962 року, см, T - календарний рік відбору колонки 137 донних відкладень, Tmax - календарні роки найбільшого надходження Cs в навколишнє середовище в результаті випробувань ядерної зброї в атмосфері або аварії на Чорнобильській АЕС, розраховують вік окремих шарів донних відкладень за рівнянням: TX  T  DX SR (4) де TX - календарний рік накопичення даного шару відкладень, D X - глибина його залягання, см. 5 UA 107216 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6