青岛市地表天然放射性水平及其主控因素特征

代杰瑞，董志成，喻 超，蒋文慧

（山东省地质调查院，山东 济南 250013）

青岛市地表天然放射性水平及其主控因素特征

代杰瑞，董志成，喻 超，蒋文慧

（山东省地质调查院，山东 济南 250013）

通过对青岛市1 500 km2范围内大密度土壤放射性核素（238U、232Th和40K）和地表γ辐射测量，系统深入地研究了其放射性特征、分布规律及其影响因素。结果表明，青岛市土壤中核素232Th和40K的放射性比活度偏高，而238U偏低。地表γ辐射吸收剂量率（平均值91.87 nGy·h-1）略高于全国和世界平均值，研究发现地表93.14%的γ辐射来自地面放射性核素238U、232Th和40K的γ辐射，其中232Th和40K的贡献占81.21%，是主要的贡献者。地质背景是影响地面γ辐射吸收剂量率的主要因素，燕山期各类花岗岩是导致青岛市区—王哥庄一带γ辐射吸收剂量率偏高的主要原因；同时环境因素（路面材料、地貌景观）对地表γ辐射吸收剂量率也存在一定影响。虽然研究区的γ辐射吸收剂量率较高，但其年有效剂量（0.56 mSv）远低于公众照射年剂量当量限值1.0 mSv，人居环境基本不受影响。

天然放射性；土壤放射性核素；γ辐射吸收剂量率；年有效剂量当量；青岛市

安全环境是人类赖以生存的基础，天然放射性辐射环境是人类生存环境的重要组成部分。研究表明，放射性物质广泛存在于自然界各类物质中，包括空气、水和土壤等［1］。人们赖以生存的地表环境中的放射性污染主要来自自然界中天然放射性核素，辐射源主要为衰变型天然放射性核素（238U、232Th和40K）。地表辐射与地质背景、降雨和排水以及其他人类活动和习惯均有关系［2］。但是，一定区域内的天然辐射本底水平是由岩石和土壤中的衰变型天然放射性核素 （如238U、232Th和40K）［3-4］所决定的，地壳中的天然放射性核素浓度决定了该地区天然γ辐射剂量的大小。γ射线穿透能力极强，它可以穿透50～60 cm厚的铝板［5］，人体如接受超剂量的γ照射会导致头昏、失眠、贫血、发热、脱发和流产等，严重可能会诱发人体细胞癌变。目前，国内外研究中天然核辐射对环境的影响往往被人们所忽视，但它可能对环境造成一定的危害。因此，环境研究不仅需要了解重金属和有机污染物，而且也需重视放射性污染［6-7］。

我国许多城市或地区已经或正在开展环境放射性污染水平调查［8-16］。青岛市是中国东部正在向国际化大都市迈进的城市之一，这对青岛地区的环境质量提出更高的要求。区域构造背景上，青岛市属于新华夏系巨型构造的第2隆起带，位于郯城—庐江断裂构造带的东侧，形成一系列NE向构造，该区燕山期岩浆岩活动频繁，形成了以富含天然铀、钍和钾元素的碱性长石花岗岩和二长花岗岩为主的大规模侵入岩体，土壤覆盖层较薄，许多房屋直接坐落在基岩之上。因此在青岛市开展天然放射性环境科学研究及评价具有现实意义。

在青岛市区、崂山区以及胶州市、黄岛等部分地区1 500 km2范围内开展大密度土壤放射性核素（238U、232Th和40K）和地表γ测量的基础上，对其放射性特征和分布规律进行了深入探讨，将不同环境中的γ辐射吸收剂量率进行了比较，并探讨了其与岩性的关系，在放射性评价中通过GIS手段，对青岛市环境放射性质量进行全面评价。这为青岛市未来的规划、建设、长远发展和提高人居环境质量提供了科学依据；并为进一步深入研究放射性核素在生态系统中的迁移、转化等奠定了基础。

1 测量方法和质量保证

1.1 点位布置

青岛市区的测点布置采用网格布点。人口密度大的市区50 m标高（海拔）以下用100 m×100 m网格布点，50 m标高以上用200 m×200 m网格布点，人口密集区适当加密。遇障碍时，根据实际情况适当调整，但在50 m标高以下地区，相邻点的间距控制在50～150 m，50 m标高以上地区，相邻点的间距控制在150～250 m。

在城郊及乡镇，按250 m×250 m网格布点，相邻点的间距控制在300～500 m；人口密度较小的地区适当放宽，按500 m×250 m网格布点，相邻点的间距控制在300～600 m；在地质、环境等影响因素单一的田野、荒郊以及盐滩，按500 m×500 m网格布点。

1.2 仪器及工作质量

实施调查的主要仪器是FD-3022微机四道γ能谱仪和CKL-3120 χ-γ剂量率仪。

野外测点位置选择在周边5 m内无建筑物的平坦地点。按中国地质矿产行业 《地面γ能谱测量技术规程》（DZ/T0205-1999）进行土壤天然放射性核素（238U、232Th和40K）含量测定。测量时，将γ能谱仪探头置于地面，采用手持GPS定位仪确定坐标。每点读数3次，每次读数的测量时间选定120 s，3次读数之间误差控制在：铀含量≤±1.5×10-6；钍含量≤±2.0×10-6； 钾含量≤±0.5%；总含量≤±10%［6］。测量完成后，在同一测点将γ剂量率仪探头置于距地面1 m高处，设置为10 s/次，3次为1个循环，1个测点进行10个循环，10次测量间的变异系数控制在＜15%。测量过程中，严格按国家《环境地表γ辐射吸收剂量率测量规范》（GB/T14583-93）执行，保证测量的可靠性。

全区测量点共计13 948个，累计获得γ能谱和γ剂量率数据55 792个，在测量的同时对测点所处地质背景（地层、构造、岩性、地貌等）和地表环境（路面材料和地貌景观等）属性进行了详细记录。

2 地表γ辐射吸收剂量率分布特征

2.1 地表γ辐射吸收剂量率含量特征

统计表明，测区γ辐射吸收剂量率数值主要集中在50.0～130.0 nGy·h-1之间，占测点总数的90%。其中，位于30.0～50.0 nGy·h-1区间的测点数占总测点数的3%；位于70.0～110.0 nGy·h-1区间的测点数约占总测点数的一半；位于130～150 nGy·h-1区间的测点数占总测点数的 6.5%； ＜30 nGy·h-1和＞150 nGy·h-1的测点数总和小于3%。直方图所显示的测区γ辐射吸收剂量率分布基本符合正态分布（图1），峰度为-0.003；偏度系数为0.381，表明剂量率值较低的数据占多数，这与测区内的地质条件（存在大面积第四系地层）密切相关。但也存在一定数量的＞160 nGy·h-1的高值点，与局部较高的γ辐射区加密测量有关。

测区地表γ辐射吸收剂量率平均值为91.87 nGy·h-1， 变化范围为 5.80～232.71 nGy·h-1，变异系数为28.99%。地表γ辐射吸收剂量率平均 值 略 高 于 全 国 （81.5 nGy·h-1）［17］和世界（80 nGy·h-1）［18］平均值， 远高于整个山东省的天然辐射吸收剂量率平均值（56.5 nGy·h-1）［19］。

2.2 地表γ辐射剂量率区域分布特征

通过对比研究区γ辐射吸收剂量率与地质简图（图2）可见，γ辐射吸收剂量率高值区分布在青岛市区—王哥庄一带，平均值为110.2 nGy·h-1， 测值范围在 96.0～130.0 nGy·h-1，呈NE向断续展布，与区域构造和燕山晚期花岗岩体展布一致。高值点基本上沿着区内几条大断裂带展布，表明高值点的产生与碱性和中、酸性岩浆岩紧密相关。对比还发现，几处γ辐射吸收剂量率值较高（介于120～230 nGy·h-1）的点，均与正长斑岩岩脉相关。海岸带由于砂、泥的覆盖导致的屏蔽作用，辐射水平较低，局部地段γ辐射吸收剂量率在83.6 nGy·h-1左右或略低。

灵山卫北部γ辐射吸收剂量率平均值为100.5 nGy·h-1， 测值范围在 83.0～110.0 nGy·h-1。虽然该地区也广泛发育花岗岩 （特别是正长花岗岩），但多为隐伏花岗岩，区域内80%以上的地区都被较厚的第四纪松散沉积物所覆盖，导致了花岗岩体强γ辐射被屏蔽，因此，γ辐射吸收剂量率值并不高。红岛一带零星分布的γ辐射吸收剂量率高值点，主要是花岗岩和砂石路面所引起的。

研究区西北部大部分地区都属于γ辐射吸收剂量率低值区，其平均值为61.8 nGy·h-1，测值范围一般在 38.0～83.0 nGy·h-1。 γ辐射吸收剂量率偏低与松散沉积物覆盖导致基岩大部分辐射被屏蔽有关。

图1 青岛市地表γ辐射吸收剂量率分布直方图Fig.1 Histogram of ground gamma radiation absorbed dose rate in Qingdao City

图2 研究区地质与γ辐射吸收剂量率水平分布叠加图Fig.2 The horizontal distribution overlay of gamma radiation absorbed dose rate in the study area

3 环境天然放射性核素含量

通过地面γ能谱测量数据来评估环境中的天然放射性水平始于20世纪60年代。一般可以认为在没有受到人工放射性污染的地区，地表γ辐射吸收剂量率主要是由天然放射性核素238U、232Th系列和40K产生的［20-21］。国内、外资料表明，利用地面γ能谱法得到的当量含量计算环境天然辐射水平与直接测量γ辐射吸收计量率差异不大［22-24］。

3.1 核素含量与γ能谱数据转换

采用全国矿产委员会饰面石材地质勘探规定（1990年）将各项单位换算因素进行转换，见表 1。 用 Beck 公式法［25］（公式 1）通过放射性核素（238U、232Th和40K）的比活度来估算1 m高处的空气γ辐射吸收计量率。

表1 γ能谱测量与环境天然放射性评价单位换算表［6］Table 1 The unit conversion table between gamma-ray spectrometry and environmental natural radioactivity assessment［6］

式中：Dγ为离地面1 m高处空气的γ辐射吸收剂 量 率 （nGy·h-1）；ΚU、 ΚTh、 ΚK分别为铀、钍、钾的换算系数，其值分别为0.427、0.662、0.043［26］， aU、 aTh、 aK分别为238U、232Th、40K的放射性比活度（Bq·kg-1）。

3.2 土壤中核素（238U、232Th和40K）比活度

采用表1的换算系数将土壤中238U、232Th和40K的含量换算成比活度，计算地表1 m处空气中γ辐射吸收剂量率，结果见表2，表中同时列出了中国青岛、香港，其他国家，以及世界的平均值。由表2数据可知，土壤中238U比活度远低于全国及世界平均值，低于葡萄牙、保加利亚、美国等多数国家，仅高于希腊、埃及、丹麦平均值；土壤中232Th比活度高于世界平均值，是世界平均值的1.26倍，与全国平均值相当，低于中国香港、印度，高于埃及、丹麦、希腊等多数国家；土壤中40K比活度分别是全国和世界平均值的1.64倍和1.65倍，高于葡萄牙、朝鲜，远高于埃及、美国、日本等多数国家。可见，研究区土壤中232Th、40K含量较高，而238U含量偏低。区内土壤中放射性核素（238U、232Th和40K）在距离地面1 m处产生的γ辐射（85.6 nGy·h-1）略高于全国（81.5 nGy·h-1）和世界平均值（80 nGy·h-1），且明显高于表中所列的多数国家平均值。由此可见，青岛市环境天然放射性具有较高水平。

3.3 土壤核素辐射对地表γ辐射吸收剂量率的贡献

通过Beck公式计算得到研究区的γ辐射吸收剂量率平均值为85.6 nGy·h-1，而实测平均值是 91.9 nGy·h-1， 两者相差 6.3 nGy·h-1。这说明，距地表1 m处空气中93.14%的γ辐射来自地表放射性核素（238U、232Th和40K），经计算3种核素对地表空气γ辐射的贡献率分别为 11.93%（11.0 nGy·h-1）、 36.46%（33.5 nGy·h-1）、44.75%（41.1 nGy·h-1）， 其中232Th 和40K 的累计贡献率达 81.21%（74.6 nGy·h-1）， 是主要贡献者；地表空气γ辐射中仅6.86%（6.3 nGy·h-1）的辐射来源于其他因素，如周围建筑物材料、宇宙射线等。同时也说明所采用的模型适用于本区。另外40K对地面1 m处空气γ辐射的贡献较232Th略大，推测可能是由于正长花岗岩、二长花岗岩里的正长石或钾长石中含有一定数量的40K所致。

表2 研究区及其他国家土壤中放射性核素比活度对比表［27］Fig.2 The comparison of specific activity of soil radionuclides between the study area and other countries［27］

从实测γ辐射吸收剂量率值和土壤中238U、232Th和40K含量的相关关系（表3）可以看出， γ辐射吸收剂量率值与232Th、40K放射性核素的相关系数大致相同 （0.884），且明显大于实测γ辐射吸收剂量率与238U的相关系数（0.528）。说明地表232Th、40K含量是决定本区γ辐射吸收剂量率的主要因素，这也与γ能谱测量结果相一致。

表3 地表γ辐射吸收剂量率实测值和土壤铀、钍、钾含量的相关系数Table 3 The correlation coefficient between ground gamma radiation absorbed dose rate and the content of238U，232Th and40K in soil

4 地表γ辐射吸收剂量率影响因素研究

4.1 地质因素的影响

从研究区不同岩石背景的γ辐射吸收剂量率统计结果（表4）来看，侵入岩的总体γ辐射吸收剂量率要比沉积岩、火山岩和第四纪松散沉积物的平均值明显偏高。

如前所述，研究区γ辐射吸收剂量率高值区分布在青岛市区—王哥庄一带，与燕山期花岗岩体的分布基本一致，岩性主要是中生代侵入的各种类型的花岗岩，如二长花岗岩、正长花岗岩、碱长花岗岩等。但不同种类花岗岩的γ辐射吸收剂量率值也有明显差异，以碱长花岗岩最高（图3）， 平均值120.0 nGy·h-1，测值区间50.2～201.5 nGy·h-1，二长花岗岩最低，平均值 98.1 nGy·h-1， 测值区间 27.2～212.7 nGy·h-1。另外偏高点（带）基本上分布在几条大断裂带上，表明γ辐射吸收剂量率与碱性和中、酸性岩浆岩密切相关。

中生代其他火成岩包括中性岩和基性、超基性岩，其岩石背景的γ辐射吸收剂量率均值范围为71.8（粗面质熔结凝灰岩）～91.3（流纹质熔结凝灰岩）nGy·h-1，均低于花岗岩。分布在黄岛一带元古代的变质岩的剂量率也很低， 平均为 70.1 nGy·h-1。

分布在测区西部和西北部的第四纪松散沉积物和中生代沉积岩（砂岩和砾岩）的γ辐射吸收剂量率值均较低（图3），均值区间为47.4（粗砂岩）～53.5（砂砾岩）nGy·h-1。 第四系γ辐射吸收剂量率变化范围最大，这可能与测量对象的辐射差异较大有关，如第四系农田区γ辐射吸收剂量率平均值（66.8 nGy·h-1）是花岗石路面（123.5 nGy·h-1）的 1.85倍。 各岩性背景γ辐射吸收剂量率分布规律为：碱长花岗岩＞碱长花岗斑岩＞正长花岗岩＞二长花岗岩＞角闪安山岩＞球粒流纹岩＞片麻岩＞橄辉玄武岩＞砂砾岩＞第四纪土壤＞粗砂岩。

4.2 环境因素的影响

研究区地表γ辐射吸收剂量率除受地质因素影响外，还受环境因素的影响。本研究对比了在正长花岗岩、二长花岗岩、碱长花岗岩、砂砾（砂）和第四系 5种地质背景下，地表γ辐射吸收剂量率值随地表环境变化而受到的影响（表 5）。

表4 不同岩性背景上γ辐射吸收剂量率平均值和范围Table4 Thestatisticsofgammaradiationabsorbeddoserateamongvariousgeologicalbackgroundinthestudyarea

图3 测区不同岩性上γ辐射吸收剂量率均值与变化范围图Fig.3 The mean and range of gamma radiation absorbed dose rate among the various geological background

由图4可见，在相同地质背景条件下，由于地表环境不同，其地表γ辐射吸收剂量率有明显差异，但在所有地表环境中，基岩露头的γ辐射吸收剂量率平均值都是最高的，它在一定程度上反映了岩石本身的放射性剂量。如在正长花岗岩地区，由于岩石 （包括未风化、中等风化或强风化露头）的直接出露，地面γ辐射吸收剂量率水平最高；人类活动造成自然环境有较大变化的地段（如水泥路面、砂石路面、人工填土等），其辐射剂量率水平较高，但低于基岩背景值；在人类活动造成自然环境变化较少的地段（如林地、草地和海滩等），剂量率值一般较低。以上分析表明，地面γ辐射吸收剂量率值与地质因素、环境因素都密切相关，但地质因素是影响地面γ辐射吸收剂量率的主要因素。

除此之外，即使同一种岩石类型不同路面材料上的γ辐射吸收剂量率平均值都要比地貌景观略高（图4）。γ辐射吸收剂量率平均值在路面材料上的分布规律为：花岗岩地面＞砂石路面＞水泥路面＞沥青路面＞水泥砖路面；在不同地物景观上的分布规律大致为：人工填土＞海滩＞草地＞林地＞农田。

表5 同种岩性、不同环境下的γ辐射吸收剂量率均值对比表Table 5 The comparison of gamma radiation absorbed dose rate among the same kinds of lithology under different environment 单位： nGy·h-1

图4 同种岩性、不同测量对象的γ辐射吸收剂量率平均值对比图Fig.4 The comparison chart of gamma radiation absorbed dose rate among the same kinds of lithology，under different measurement

5 天然放射性对人居环境的影响

5.1 年有效剂量当量的估算方法

利用环境天然γ辐射吸收剂量率通过公式（2）［27］对当地居民产生的年有效剂量当量进行估算。

式中：He为有效剂量当量，Sv；Dγ为地表γ辐射吸收剂量率，Gy·h-1；K为有效剂量当量率与空气吸收剂量率比值，规范［28］要求采用0.7 Sv/（Gy·h-1）； t为环境停留时间， h。

5.2 人居放射性环境质量评价

按照我国《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）的规定，公众照射剂量当量的限值为每年不超过1 mSv。通过地表γ辐射测量结果计算的年平均有效剂量当量为0.56 mSv，变化范围为 0.036～1.43 mSv；而通过能谱计算的年平均有效剂量为0.52 mSv，变化范围为0.082～2.66 mSv。两种方法计算的平均值都远低于标准所建议的公众照射年剂量限值（1.0 mSv）。综上所述，虽然青岛市地面放射性核素（232Th、40K）浓度和γ辐射吸收剂量率偏高，但辐射水平基本都在标准限值范围之内，仍属于正常辐射水平地区。

由环境γ辐射年有效剂量当量等值线图（图5）可见，测区西北部γ辐射年有效剂量较低，一般低于0.44 mSv；黄岛—柳花坡和流亭—惜福一带γ辐射年有效剂量中等，一般在0.51～0.74 mSv，局部达0.80 mSv；青岛市区及崂山区γ辐射年有效剂量较高，一般在0.74～0.93 mSv。年有效剂量高于1.0 mSv的测量点零星分布在夏庄东部、北宅东部以及沙子口正东的正长、碱长花岗岩背景区当中，应注意防范。

6 结论

（1）青岛市土壤中放射性核素232Th和40K的比活度较高，大于全国和世界的平均水平，而238U偏低。γ辐射吸收剂量率平均值为91.87 nGy·h-1， 高于全国（81.5 nGy·h-1）和山东省（56.5 nGy·h-1）平均值， 本区 93.14%的地表γ辐射来自于地表放射性核素（238U、232Th和40K），其中232Th和40K的贡献占81.21%，是导致本区γ辐射吸收剂量率偏高的直接原因。

（2）地表γ辐射吸收剂量率与地质因素、环境因素密切相关，地质因素是影响地表γ辐射吸收剂量率的主要因素，燕山期各类花岗岩尤其是碱性和中、酸性岩浆岩是导致青岛市区—王哥庄一带γ辐射吸收剂量率偏高的主要原因。路面材料的γ辐射吸收剂量率总体较地貌景观大，在各类路面上的分布规律为：花岗岩地面＞砂石路面＞水泥路面＞沥青路面＞水泥砖路面；在地物景观上的分布规律大致为：人工填土＞海滩＞草地＞林地＞农田。

（3）本区γ辐射所致居民年吸收剂量当量的平均值为 0.56 mSv（0.036～1.43 mSv）， 虽然较高，但辐射水平基本仍在《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）所建议的限值范围（1 mSv）之内，属于正常辐射水平地区。对于夏庄和北宅东部以及沙子口年吸收剂量大于1 mSv的局部地段（占0.61%），建议在进行土地开发和城镇建设时，应考虑环境辐射因素；另外在花岗岩利用中需要进行放射性含量检测。

图5 研究区环境γ辐射年有效剂量当量等值线图Fig.5 Contour of annual effective gamma radiation absorbed dose rate in the study area

致谢：本文是在 “山东省东部地区农业生态地球化学调查”（2006709）和收集 “青岛市地质环境质量评价和生态与经济可持续发展”项目部分放射性数据资料基础上研究而成，在数据收集和论文编写过程中，青岛海洋地质研究所夏宁、鲁静研究员给予了极大帮助，在此表示诚挚谢忱；审稿专家的修改使论文增色颇多，在此一并致谢。

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Characteristics and controlling factors of natural ground radioactivity in Qingdao City

DAI Jie-rui， DONG Zhi-cheng， YU Chao， JIANG Wen-hui
（Shandong Institute of Geological Survey， Ji’nan， Shandong 250013，China）

Based on a large density measurements of soil radionuclides （238U、232Th、40K） and surface gamma radiation within 1 500 km2in Qingdao City，a systematic in-depth study of its radioactive characteristics， distribution and influencing factors are conducted. The results reveal that the radioactive of nuclides232Th and40K in soils of Qingdao City are with high specific activity，while238U is low.Surface gamma radiation absorbed dose rate （mean value： 91.87 nGy/h） is slightly higher than the national and world mean values.The study found that 93.14%of the surface gamma radiation comes from radionuclides238U，232Th and40K， meanwhile232Th and40K are the main radioactive elements which accounted for 81.21%of the contribution. The geological background is the main factor which effect the gamma radiation absorbed dose rate of the surface soil，the high gamma radiation from Qingdao to Wanggezhuang could be mainly resulted from the various types of granite andfault structure of Yanshannian， in the meantime， environmental factors （paving， landscape， etc.）contributed the gamma radiation absorbed dose rate to a certain level as well.Although the gamma radiation absorbed dose rate in the study area is a little higher，the annual effective dose （0.56 mSv）is far below the public exposure dose limits 1.0 mSv，cause no harm to living environment.

natural radioactivity； soil radionuclides； gamma radiation absorbed dose rate； annual effective dose；Qingdao City

X591

A

1672-0636（2012）03-0173-10

10.3969/j.issn.1672-0636.2012.03.009

山东省地质勘查项目 “山东省东部地区农业生态地球化学调查”资助，编号：2006709。

2012-03-14；

2012-04-28

代杰瑞 （1977—），男，黑龙江萝北人，高级工程师，主要从事农业地质和地球化学勘查技术应用研究工作。E-mail：daijierui@sohu.com