袁曉婕, 郭占榮, 劉 潔, 馬志勇, 王 博

廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 福建廈門 361105

咸水環(huán)境下沉積物中鐳的解吸特點(diǎn)

袁曉婕, 郭占榮*, 劉 潔, 馬志勇, 王 博

廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 福建廈門 361105

海底沉積物向上覆水體擴(kuò)散的鐳是海洋水體中鐳同位素的重要來(lái)源之一。為了研究沉積物中鐳同位素的解吸和擴(kuò)散特點(diǎn), 進(jìn)行了不同鹽度和不同粒度條件下224Ra和226Ra解吸的模擬實(shí)驗(yàn), 并通過(guò)多個(gè)時(shí)間段的沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)獲取224Ra和226Ra的擴(kuò)散通量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 隨著水體鹽度增大, 沉積物中224Ra、226Ra的解吸量隨之增加, 在鹽度為 25時(shí), 解吸量基本達(dá)到最大值; 在同一咸水環(huán)境條件下, 4個(gè)粒級(jí)(2000～1000 μm、1000～500 μm、500～250 μm、250～125 μm)的沉積物的224Ra、226Ra解吸量比較接近, 粒級(jí)＞2000 μm的224Ra、226Ra解吸量略高于上述4個(gè)粒級(jí), 而粒級(jí)＜125 μm的224Ra、226Ra解吸量遠(yuǎn)大于上述5個(gè)粒級(jí); 膠州灣沉積物中224Ra和226Ra的平均擴(kuò)散通量分別為0.85 Bq · m-2· d-1和0.022 Bq · m-2· d-1。

沉積物; 鐳同位素; 解吸; 擴(kuò)散; 咸水環(huán)境

自然界中存在4種鐳同位素, 即223Ra、224Ra、226Ra和228Ra, 其半衰期分別為 11.4 d、3.6 d、 1600 a和5.7 a。它們分別屬于3個(gè)天然放射系,226Ra 是238U放射系核素,224Ra和228Ra是232Th放射系核素,223Ra是235U放射系核素。鐳同位素可以用來(lái)示蹤海底地下水排泄(SGD)和研究不同時(shí)空尺度的海洋學(xué)過(guò)程, 諸如渦動(dòng)擴(kuò)散、混合速率、滯留時(shí)間, 以及用來(lái)研究N、C、P等生源要素的生物地球化學(xué)界面過(guò)程和通量等(Moore, 2000; Moore et al., 2008; Charette et al., 2001; 郭占榮等, 2008)。在許多大型的國(guó)際合作研究計(jì)劃中, 如海岸帶陸海相互作用(LOICZ)、全球大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)(WOCE)、海洋斷面地球化學(xué)研究(GEOSECS)等計(jì)劃, 同位素示蹤技術(shù)均發(fā)揮了獨(dú)特且重要的作用, 其中鐳同位素是最具有代表性和應(yīng)用非常廣泛的海洋地球化學(xué)示蹤劑。

海洋水體中的鐳同位素來(lái)源主要有: (1)海底沉積物的輸入, 包括海底沉積物中鐳的擴(kuò)散輸入和近海表層沉積物再懸浮解吸釋放的鐳; (2)入海河流輸入的鐳, 包括河流中溶解態(tài)的鐳和河流顆粒物在河口解吸釋出的鐳; (3)海底地下水排泄輸入的鐳(郭占榮等, 2011)。Moore(1981)在研究美國(guó)Chesapeake Bay的鐳同位素時(shí), 發(fā)現(xiàn)灣內(nèi)水體中高含量的226Ra 和228Ra主要來(lái)源于海底表層沉積物的擴(kuò)散及河流輸入到河口的顆粒物的解吸。Beck等(2007)研究發(fā)現(xiàn), 在美國(guó)紐約Jamaica Bay水體中的鐳有4%～11%來(lái)源于海底沉積物的擴(kuò)散輸入。由此可見(jiàn), 海底沉積物中的鐳向上覆水體的擴(kuò)散是海洋水體中鐳同位素的重要來(lái)源之一, 對(duì)沉積物中鐳的解吸和擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行研究能為今后更好的開(kāi)展其它海洋學(xué)過(guò)程的研究提供科學(xué)依據(jù)。

鐳的一個(gè)重要特性是它在水相和固相物質(zhì)之間存在著可逆吸附行為, 在淡水環(huán)境吸附在固相顆粒表面上, 當(dāng)固相顆粒遇到咸水時(shí)解吸到水體中(李開(kāi)培等, 2011)。Gonneea等(2008)在美國(guó)馬薩諸塞州Waquoit Bay進(jìn)行了鐳同位素吸附/解吸機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究, 結(jié)果表明: 沉積物從淡水中吸附鐳的能力都很大; 延長(zhǎng)沉積物與水接觸時(shí)間不能增加鐳的解吸數(shù)量, 證實(shí)了Langmuir等(1985)關(guān)于鐳的吸附/解吸反應(yīng)在幾秒到幾小時(shí)的時(shí)間內(nèi)就完成的結(jié)論;升高水的鹽度, 鐳的解吸量也增加, 但增加的幅度取決于沉積物的化學(xué)特性; 低pH有利于鐳的解吸;沉積物中Fe和Mn氧化物的存在會(huì)抑制鐳的解吸。Beck等(2013)實(shí)驗(yàn)研究表明, 孔隙水的 pH對(duì)鐳的吸附/解吸有重要影響, 其影響可以與鹽度對(duì)鐳的吸附/解吸影響相提并論, 在pH值2～10范圍內(nèi), 鐳的固液分配系數(shù)可以變化1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在眾多控制鐳解吸的因素中, 粒度大小也是一個(gè)不可忽視的因素, Webster等(1995)在數(shù)學(xué)模型中考慮了粒度(＜63 μm和125～500 μm)對(duì)鐳解吸的作用, Beck等(2013)采用美國(guó)弗吉尼亞海灘沙研究鐳的固液分配系數(shù)(Kd), 得出粒度＜63 μm和710 μm的分配系數(shù)分別是20.0 L · kg-1和0.95 L · kg-1, 從側(cè)面反映出粒度小, 吸附力強(qiáng), 被解吸的可能性就小。Gonneea 等(2008)采用沉積物表面束縛的226Ra確定3個(gè)鹽度條件下的固液分配系數(shù), 發(fā)現(xiàn)鹽度為 5時(shí)分配系數(shù)為270～475 L · kg-1, 鹽度為15時(shí)分配系數(shù)為210～445 L · kg-1,鹽度為25時(shí)分配系數(shù)為210～420 L · kg-1, 也從側(cè)面反映當(dāng)鹽度升高時(shí), 鐳的解吸量增大。但是, 目前還沒(méi)有專門針對(duì)不同粒度以及不同鹽度開(kāi)展鐳同位素解吸實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。

鐳解吸到海底沉積物的孔隙水中后, 如果忽略其它海洋驅(qū)動(dòng)力(潮汐泵、波浪等)的存在, 孔隙水中的鐳則主要在密度差(密度梯度)的作用下擴(kuò)散到上覆海水中。Beck等(2007)將Jamaica Bay潮間帶的沉積物取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不同時(shí)間段的鐳擴(kuò)散培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示沉積物中223Ra和224Ra的擴(kuò)散通量分別為0.02 Bq · m-2· d-1和0.47 Bq · m-2· d-1。類似地, Garcia-Solsona等(2008)采集意大利Venice瀉湖北部鹽沼的沉積物在室內(nèi)進(jìn)行不同時(shí)間段的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 獲得沉積物中223Ra、224Ra、226Ra和228Ra的擴(kuò)散通量分別為0.02 Bq · m-2· d-1、0.53 Bq · m-2· d-1、0.28 Bq · m-2· d-1和0.45 Bq · m-2· d-1。郭占榮等(2011)采集福建省九龍江河口沉積物也進(jìn)行了類似的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 獲得沉積物中224Ra和226Ra的擴(kuò)散通量分別為0.38 Bq · m-2· d-1和0.04 Bq · m-2· d-1。以上擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)都是將沉積物取回實(shí)驗(yàn)室后放置一段時(shí)間后再開(kāi)始擴(kuò)散實(shí)驗(yàn), 雖然放置一段時(shí)間可以消除取樣過(guò)程對(duì)沉積物的擾動(dòng), 但是放置時(shí)間較長(zhǎng)可能引起沉積物內(nèi)部 pH、Eh等條件發(fā)生變化, 反過(guò)來(lái)影響鐳的解吸/擴(kuò)散效果。故本文在 Beck等(2007)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 沉積物取回實(shí)驗(yàn)室,緊接著就開(kāi)展擴(kuò)散實(shí)驗(yàn), 無(wú)需靜置一段時(shí)間。

1 研究方法

1.1 取樣

2011年 10月, 于青島膠州灣采集了 3個(gè)沉積物樣, 巖性均為粘土質(zhì)粉砂, 在青島大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了沉積物孔隙水中鐳的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。2011年12月,在廈門白城海灘低潮線附近采集了沉積物樣, 用來(lái)進(jìn)行不同鹽度和不同粒度條件下沉積物顆粒上鐳的解吸實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)前人的研究成果, 沉積物顆粒上鐳的解吸受多個(gè)因素(pH、Eh、鹽度、粒度、巖性、鐵/錳氧化物等)控制, 所以, 本文的實(shí)驗(yàn)只針對(duì)鹽度或粒度單一因素而設(shè)計(jì), 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最大限度地保證其它因素是不變的, 否則, 其它因素疊加進(jìn)來(lái), 就很難分析單一因素的影響機(jī)理。

(1)鐳的富集采用 MnO2纖維吸附水體中的鐳,即利用虹吸方式讓水體以小于 300 mL/min的流速通過(guò)MnO2纖維富集筒來(lái)富集鐳(門武等, 2010)。富集完成后, 擠去錳纖維上的水分, 然后裝入擴(kuò)散管內(nèi), 隨后進(jìn)行224Ra活度測(cè)量。

(2)鐳放射性活度的測(cè)量測(cè)量鐳活度的儀器為中核(北京)核儀器廠生產(chǎn)的FD-125型氡釷儀。224Ra活度的測(cè)量采用220Rn連續(xù)射氣閃爍計(jì)數(shù)法(黃奕普等, 2001)。224Ra測(cè)量完畢, 將裝有MnO2纖維的擴(kuò)散管兩端密封起來(lái), 放置7 d以上, 然后測(cè)量226Ra的活度。226Ra活度的測(cè)量采用222Rn直接射氣閃爍計(jì)數(shù)法(謝永臻等, 1994)。

(3)不同鹽度條件下鐳的解吸實(shí)驗(yàn)沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后放入塑料桶中, 首先將去離子水加入沉積物中攪拌, 靜置 1 d后倒去上覆水, 再加入去離子水浸泡, 反復(fù)洗鹽直到水中的鹽度小于0.5。然后將沉積物等分為 6份, 分裝在 6個(gè)塑料圓桶中,充填直徑約35 cm、高度約20 cm(下同)。取鹽度30左右的海水流過(guò)裝有MnO2纖維的富集筒制成無(wú)鐳海水, 通過(guò)往無(wú)鐳海水中加去離子水配置成鹽度分別為5、10、15、20、25、30的6種水樣。取6個(gè)水樣各15 L, 分別加入到6個(gè)桶中, 放置2 h后, 按照前面的方法用虹吸方式讓沉積物上覆水緩慢流過(guò)MnO2纖維富集筒來(lái)富集鐳, 并測(cè)量鐳的活度。第一組實(shí)驗(yàn)完成后, 為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的效果, 又重復(fù)第一組實(shí)驗(yàn)的方法和步驟進(jìn)行了第二組平行實(shí)驗(yàn)。

(4)不同粒度條件下鐳的解吸實(shí)驗(yàn)沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后, 放入烘箱內(nèi)烘干。烘干后充分將膠結(jié)的顆粒打散, 用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分, 將沉積物劃分成 6個(gè)粒級(jí): ＞2000 μm、2000～1000 μm、1000～500 μm、500～250 μm、250～125 μm以及＜125 μm,然后分別放入6個(gè)塑料桶中, 加入鹽度為28的無(wú)鐳海水15 L, 放置2 h后, 利用前面的方法富集和測(cè)量鐳。第一組實(shí)驗(yàn)完成后, 為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的效果,又重復(fù)第一組實(shí)驗(yàn)的方法和步驟進(jìn)行了第二組平行實(shí)驗(yàn)。

(5)沉積物中鐳的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)3個(gè)沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后, 分別放置于3個(gè)塑料桶中。每個(gè)沉積物樣品進(jìn)行6個(gè)時(shí)間段的培養(yǎng), 分別是24 h、48 h、72 h、120 h、168 h、216 h。每個(gè)時(shí)段的培養(yǎng)過(guò)程是: 首先, 沿著桶壁緩慢加入鹽度為28的無(wú)鐳海水15 L, 盡量不擾動(dòng)沉積物, 放置培養(yǎng)。當(dāng)達(dá)到培養(yǎng)時(shí)間后, 利用前面的方法富集和測(cè)量鐳。接下來(lái), 再加入無(wú)鐳海水按照上述步驟進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間段的擴(kuò)散培養(yǎng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鹽度條件下224Ra和226Ra的解吸特點(diǎn)

同一種沉積物在不同鹽度條件下的224Ra、226Ra的解吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)于224Ra, 不同鹽度(5、10、15、20、25、30)所對(duì)應(yīng)的沉積物鐳解吸活度(平均值)分別為5.17 Bq · m-3、8.23 Bq · m-3、9.93 Bq · m-3、11.08 Bq · m-3、15.48 Bq · m-3、16.28 Bq · m-3; 對(duì)于226Ra, 不同鹽度(5、10、15、20、25、30)所對(duì)應(yīng)的沉積物鐳解吸活度(平均值)分別為1.31 Bq · m-3、1.36 Bq · m-3、1.82 Bq · m-3、1.94 Bq · m-3、3.15 Bq · m-3、3.34 Bq · m-3。224Ra的解吸活度均高于對(duì)應(yīng)的226Ra的解吸活度, 這與廈門沿海地區(qū)沉積物和巖層中富釷貧鈾, 且224Ra再生速率快有關(guān)(224Ra母體228Th的半衰期為1.91 a, 而226Ra母體230Th的半衰期長(zhǎng)達(dá)7.5×104a)。

表1 不同鹽度條件下224Ra和226Ra的解吸活度Table 1 224Ra and226Ra desorption activities in water of different salinities

鐳的解吸活度與鹽度的關(guān)系見(jiàn)圖1。從圖1可以看出, 第一組實(shí)驗(yàn)和第二組實(shí)驗(yàn)的變化規(guī)律相似,隨著鹽度的逐漸增加,224Ra和226Ra解吸活度呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明鹽度越高, 沉積物顆粒上解吸下來(lái)的Ra越多。其原因是隨著鹽度的增加, 水體的離子強(qiáng)度增大, 離子交換作用加強(qiáng), 例如與鐳屬于同族的Ca2+離子可能將鐳從沉積物顆粒表面上置換下來(lái)。圖1還顯示出, 鹽度從5增加到20時(shí),224Ra和26Ra的解吸數(shù)量增加較為緩慢, 每增加 1個(gè)鹽度分別增加0.39 Bq · m-3和0.04 Bq · m-3, 但在鹽度由20增加到 25時(shí),224Ra和226Ra的解吸量增加特別明顯, 每增加 1個(gè)鹽度分別增加 0.88 Bq · m-3和0.24 Bq · m-3, 這與Cable等(2009)認(rèn)為在鹽度18左右鐳的解吸最強(qiáng)烈的觀點(diǎn)基本是一致的, 可是鹽度由 25增加到 30時(shí), 解吸量增幅又明顯緩慢下來(lái),每增加 1個(gè)鹽度分別僅增加 0.16 Bq·m-3和

0.04 Bq·m-3, 似乎鹽度達(dá)到25時(shí), 鐳同位素的解吸量達(dá)到了最大值。從理論上分析, 鐳的解吸量不可能無(wú)限制地增加。從圖1的發(fā)展趨勢(shì)看, 初步可以判斷在鹽度25附近時(shí)224Ra和226Ra的解吸程度達(dá)到了最大。當(dāng)然, 該結(jié)論只是針對(duì)本文的沉積物樣品而言, 如果換成其它地方的沉積物, 那么鐳解吸量隨鹽度的變化可能有所不同, 但是解吸量隨鹽度升高而增加的規(guī)律是確信無(wú)疑的。

如果選取兩組實(shí)驗(yàn)的224Ra、226Ra解吸活度的平均值進(jìn)行鹽度與活度的相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)224Ra、226Ra活度與鹽度之間具有很強(qiáng)的線性關(guān)系(224Ra: r2=0.9553;226Ra: r2=0.8216, 顯著性水平P＜0.01)(圖2), 說(shuō)明沉積物中鐳同位素的解吸確實(shí)與水體的鹽度存在很密切的關(guān)系, 隨著鹽度的增大, 鐳同位素解吸量也隨之增大。

2.2 不同粒度條件下224Ra和226Ra的解吸特點(diǎn)

通過(guò)6個(gè)粒級(jí)的沉積物在同一鹽度(鹽度28)水體中的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn), 測(cè)得224Ra和226Ra的解吸活度結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于224Ra, 不同粒級(jí)(＞2000 μm、2000～ 1000 μm、1000～500 μm、500～250 μm、250～ 125 μm以及＜125 μm)所對(duì)應(yīng)的沉積物顆粒上鐳解吸活度(平均值)分別為 4.31 Bq·m-3、3.50 Bq·m-3、3.84 Bq·m-3、2.97 Bq·m-3、3.62 Bq·m-3、10.77 Bq·m-3;對(duì)于226Ra, 不同粒級(jí)所對(duì)應(yīng)的沉積物顆粒上鐳解吸活度(平均值)分別為0.75 Bq·m-3、0.39 Bq·m-3、0.51 Bq·m-3、0.56 Bq·m-3、0.66 Bq·m-3、1.49 Bq·m-3。

圖3為沉積物解吸到咸水中的224Ra、226Ra活度與顆粒粒徑的關(guān)系圖。由圖3看出,224Ra和226Ra解吸量與粒度的關(guān)系十分相似, 均呈現(xiàn)一定規(guī)律: 4個(gè)粒級(jí)(2000～1000 μm、1000～500 μm、500～250 μm、250～125 μm)的224Ra、226Ra解吸量非常接近; 粒級(jí)＞2000 μm的224Ra、226Ra解吸量略高于上述 4個(gè)粒級(jí), 可能是這個(gè)粒級(jí)的沉積物孔隙較大,孔隙水向上覆水體擴(kuò)散通道比較通暢, 可以使較多的鐳短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到水體中; 粒級(jí)＜125 μm 的224Ra、226Ra解吸活度遠(yuǎn)大于上述5個(gè)粒級(jí), 其原因是沉積物顆粒越小, 其比表面積越大, 吸附的鐳同位素越多, 因而遇到咸水解吸出來(lái)的鐳同位素也越多。Beck等(2013)發(fā)現(xiàn)3種沉積物的比表面積與鐳的固液分配系數(shù)(Kd)存在非常強(qiáng)的正線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.94), 完全支持沉積物比表面積大, 其吸附鐳同位素能力強(qiáng)的觀點(diǎn)。

圖1 224Ra、226Ra解吸活度與鹽度的關(guān)系Fig. 1 Relationship between224Ra,226Ra activities and salinity

圖2 224Ra、226Ra平均解吸活度與鹽度的相關(guān)性Fig. 2 Correlation of224Ra,226Ra mean activities with salinity

表2 不同粒級(jí)沉積物的224Ra和226Ra解吸活度Table 2 Desorption activities of224Ra and226Ra from the sediments of different size fractions

通過(guò)上述分析可知, 沉積物顆粒大小這種內(nèi)因決定了鐳的解吸數(shù)量的多少, 其中粒徑 125 μm是一個(gè)關(guān)鍵的界限, 小于該界限, 沉積物解吸到咸水中的224Ra、226Ra數(shù)量明顯增加(圖 3)。粒級(jí)大于125 μm時(shí), 沉積物解吸到咸水中的224Ra活度小于4.31 Bq · m-3, 解吸到咸水中的226Ra活度小于0.75 Bq · m-3; 但粒級(jí)小于125 μm時(shí), 沉積物解吸到咸水中的224Ra活度可高達(dá)11.77 Bq · m-3, 解吸到咸水中的226Ra活度可達(dá)1.49 Bq · m-3。

圖3 224Ra和226Ra解吸活度與粒徑的關(guān)系Fig. 3 Relationship between224Ra,226Ra activities and particle sizes

根據(jù)沉積物的粒級(jí)劃分, 小于 125 μm的顆粒還包括極細(xì)砂、粉砂(粗粉砂、細(xì)粉砂)、粘土等粒級(jí), 由于篩分條件的限制, 沒(méi)有做更小粒級(jí)沉積物的224Ra和226Ra解吸實(shí)驗(yàn)。在更小粒級(jí)下, 沉積物是否依然表現(xiàn)為粒級(jí)越小,224Ra和226Ra解吸量越大呢？從理論上分析, 粒級(jí)越小, 比表面積越大,但同時(shí)顆粒間空隙就越小, 不利于Ra的釋出, 二者的綜合作用結(jié)果尚不清楚, 有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 沉積物擴(kuò)散到水體中的224Ra、226Ra活度與培養(yǎng)時(shí)段的關(guān)系Fig. 4 224Ra and226Ra diffusive activities of sediments in relation to different incubation periods of time

2.3 沉積物中224Ra和226Ra的擴(kuò)散通量

鐳的吸附/解吸反應(yīng)在幾秒到幾小時(shí)的時(shí)間內(nèi)就完成(Langmuir et al., 1985; Gonneea et al., 2008),所以, 第一時(shí)段加入無(wú)鐳海水進(jìn)行培養(yǎng), 這個(gè)時(shí)段主要表現(xiàn)為沉積物中原有鐳同位素的解吸作用, 擴(kuò)散作用不明顯, 第二時(shí)段開(kāi)始后, 沉積物孔隙水中鐳同位素的擴(kuò)散作用增強(qiáng), 因?yàn)榻?jīng)過(guò)前一個(gè)時(shí)段的積累, 孔隙水中鐳同位素濃度有所增大。沉積物樣品中的鐳同位素通過(guò)其母體(Th)的自然衰變而生成,生成后解吸到沉積物孔隙水中, 然后在密度差的作用下向上覆水體擴(kuò)散。224Ra的再生速率快, 在2～3個(gè)半衰期內(nèi)(170～260 h), 添加到上覆水體中的224Ra與水體中224Ra的衰變損失基本達(dá)到平衡, 散點(diǎn)連線趨近于水平。由于226Ra再生速率很慢, 致使上覆水體中的226Ra的添加十分緩慢, 在圖上的反映就是散點(diǎn)基本上呈下降趨勢(shì)(圖 4), 個(gè)別散點(diǎn)例外, 原因尚不清楚。

表3 沉積物孔隙水中224Ra和226Ra的擴(kuò)散通量Table 3 Diffusive fluxes of224Ra and226Ra from sediment samples

圖5 沉積物粒度頻率直方圖Fig. 5 Grain size distribution of sediment samples

如果只考慮培養(yǎng)樣上覆水體中的鐳同位素的擴(kuò)散添加和鐳同位素的衰變損失, 那么上覆水體中的鐳同位素的活度隨時(shí)間的變化可以表達(dá)成如下公式(Garcia-Solsona et al., 2008):

式中, I0和It是初始時(shí)刻和t時(shí)刻上覆水體中鐳的庫(kù)存量(Bq), Jdiff是鐳的擴(kuò)散通量(Bq · m-2· d-1),λ是鐳的衰變常數(shù)(h-1), Adiff是培養(yǎng)樣品的面積(m2)。

將第一個(gè)培養(yǎng)時(shí)段的鐳解吸活度作為初始時(shí)刻的鐳庫(kù)存I0, 根據(jù)理論公式(1)用擬合法來(lái)確定每個(gè)培養(yǎng)樣的Jdiff值, 3個(gè)沉積物樣品的224Ra和226Ra擴(kuò)散通量見(jiàn)表3。3個(gè)沉積物的224Ra擴(kuò)散通量相差不大, 平均值是0.85 Bq · m-2· d-1,226Ra擴(kuò)散通量幾乎是一樣的, 平均值為0.022 Bq · m-2· d-1,226Ra的擴(kuò)散通量比224Ra小一個(gè)數(shù)量級(jí), 是由于226Ra再生速率很慢, 上覆水體中226Ra的添加十分緩慢而造成的。由此可見(jiàn), 鐳同位素的再生速率大小是影響其擴(kuò)散通量的一個(gè)重要因素。

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Beck等(2007)、Garcia-Solsona 等(2008)和郭占榮等(2011)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較(表3),224Ra 擴(kuò)散通量在一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍, 但是Garcia-Solsona等(2008)的226Ra擴(kuò)散通量明顯偏大, 從226Ra很慢的再生速率分析, 其擴(kuò)散通量不可能和224Ra擴(kuò)散通量在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

根據(jù) 3個(gè)沉積物樣品的粒度分析(Mastersizer 2000型激光粒度分析儀測(cè)量結(jié)果), 粒度均以細(xì)粒組分為主, 定名為粘土質(zhì)粉砂(圖5)。3個(gè)沉積物樣品粒度組成略有差異, 這是導(dǎo)致三者擴(kuò)散通量略有不同的主要原因。

3 結(jié)論

水體鹽度對(duì)沉積物中鐳同位素的解吸有重要影響,224Ra和226Ra的解吸程度與水體鹽度成正相關(guān)關(guān)系。針對(duì)廈門白城海灘的沉積物來(lái)說(shuō), 鹽度從5增加到20,224Ra和226Ra的解吸量增幅較為緩慢,鹽度從20增加到25,224Ra和226Ra的解吸量增幅有所增大, 在鹽度25附近,224Ra和226Ra的解吸量基本達(dá)到最大值。

粒度大小對(duì)沉積物中鐳同位素的解吸也有重要影響, 總體趨勢(shì)是隨著沉積物粒度變小,224Ra和226Ra的解吸量則增加, 但不是線性關(guān)系。以廈門白城海灘的沉積物為例, 在同一水環(huán)境條件下, 4個(gè)粒級(jí)(2000～1000 μm、1000～500 μm、500～250 μm、250～125 μm)的沉積物的224Ra、226Ra解吸活度比較接近; 粒級(jí)＞2000 μm的224Ra、226Ra解吸活度略高于上述4個(gè)粒級(jí), 而粒級(jí)＜125 μm的224Ra、226Ra解吸活度遠(yuǎn)大于上述5個(gè)粒級(jí)。

鐳同位素的再生速率大小是影響其擴(kuò)散通量的一個(gè)主要因素。本文采用的3個(gè)膠州灣海底沉積物, 都屬于粘土質(zhì)粉砂, 粒度組成非常相似, 所以鐳的擴(kuò)散通量也很接近。224Ra和226Ra的擴(kuò)散通量平均值分別是0.85 Bq · m-2· d-1和0.022 Bq · m-2· d-1,224Ra的擴(kuò)散通量比226Ra大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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Characteristics of Radium Desorption from Sediments in the Salt Water Environment

YUAN Xiao-jie, GUO Zhan-rong*, LIU Jie, MA Zhi-yong, WANG Bo
College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen, Fujian 361005

Radium diffusion from sediments to overlying water is one of the important sources of radium isotopes in ocean water. A series of laboratory desorption/diffusion experiments were conducted to help elucidate the characteristics of sediments on224Ra and226Ra desorption and diffusion, which included 1)224Ra and226Ra desorption from sediments in water of different salinities, 2)224Ra and226Ra desorption from sediments of different grain sizes in water of the same salinity, 3)224Ra and226Ra diffusive fluxes by observing Ra enrichment with time in the overlying water of incubated sediments. The experimental results show that there is an increase in the amount of224Ra and226Ra with the increase of salinity from 5 to 30, and Ra desorption is strongest at the salinity of 25. Under the same salt water condition,224Ra and226Ra desorption activities of the four grain sizes (2000～1000 μm, 1000～500 μm, 500～250 μm and 250～125 μm) of sediments are very close to each other. When the grain sizes of sediments are larger than 2000μm, the224Ra and226Ra desorption activities are slightly higher than those of the sediments of the above-mentioned four grain sizes. When the grain sizes of sediments are less than 125 μm, the224Ra and226Ra desorption activities are much larger than those of the above-mentioned five grain sizes. The average diffusive fluxes of224Ra and226Ra of sediments from Jiaozhou Bay are

0.85 Bq·m-2·d-1and 0.022 Bq·m-2·d-1, respectively.

sediments; radium isotopes; desorption; diffusion; salt water

O614.234; O647.3

A

10.3975/cagsb.2014.05.08

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41072174)資助。

2014-01-12; 改回日期: 2014-04-03。責(zé)任編輯: 魏樂(lè)軍。

袁曉婕, 女, 1985年生。博士研究生。研究方向?yàn)殍D同位素示蹤海底地下水排泄。通訊地址: 361102, 廈門大學(xué)翔安校區(qū)希平樓C3-123室。E-mail: jieer17@163.com。

*通訊作者: 郭占榮, 男, 1965年生。教授。主要從事海岸帶水文地質(zhì)學(xué)和海洋地質(zhì)的教學(xué)與研究工作。通訊地址: 361102, 廈門大學(xué)翔安校區(qū)希平樓C3-123室。E-mail: gzr@xmu.edu.cn。