Ретроспективная оценка радиоэкологической ситуации по результатам изучения годовых колец срезов деревьев тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат геолого-минералогических наук Архангельская, Татьяна Александровна

• Архангельская, Татьяна Александровна
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Архангельская, Татьяна Александровна, 2004 год

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.