核环境监测与评价 第6章 放射性物质在岩石、土壤和地下水中的行为.ppt

第六章放射性物质在岩石、土壤和地下水中的行为6.1岩石、土壤和地下水系统6.1.1岩石1，岩石的起源和分类岩石按起源可分为岩浆岩、变质岩和沉积岩。岩浆岩：由岩浆凝结和凝固形成的岩石。它分为侵入岩、火山岩和浅层成岩作用。根据岩石中硅含量的不同，可分为基性岩、中生岩和酸性岩。变质岩：地壳构造循环中产生的热量、压力和化学活性流体可以改变原岩的矿物组成和结构，从而形成新的变质作用。沉积岩，如页岩、砂岩、砾岩和石灰岩：水迁移和沉积后沉积物的自然胶结、压实和其他成岩机制形成的岩石。如板岩、片岩、大理石等。岩石中放射性核素的来源和分布天然放射性核素：自从地球形成以来，地壳就含有原生放射性核素。他们的半衰期可以和地球的年龄相比。原生放射性核素为40K、232Th、238U，次生放射性核素为87Rb、235U等。由于各种岩石的结构和矿物组成不同，原生放射性核素的含量明显不同。一般来说，酸性岩石中铀和钍的含量相对较高，而碱性岩浆岩中铀和钍的含量相对较低。在同一类型的花岗岩中，成岩时代越近，铀和钍的含量越高。除原生放射性核素外，岩石还含有14C、3H等宇宙源放射性核素和95Zr、137Cs、90Sr、131I等重核裂变产物。6.1.2土壤1、土壤性质和分类土壤一般是指基岩以上有植物生长的松散层，它以不连续状态覆盖地球表面。其基本成分是岩石与水循环系统之间长期风化形成的风化岩石物质。土壤主要由矿物质、水、空气和有机物组成。根据土壤无机矿物成分中砂、粉土和粘土的组成，土壤可分为砂土、壤土和粘土。2。土壤中的放射性核素天然放射性核素：40K、232、238U等。人工放射性核：137铯、134铯、90锶、106钌、240钚等。其中137铯和90锶对土壤长期污染贡献最大(TSr-90=28.8a，TCs-137=30.17a)。6.1.3地下水1。地下水埋藏条件及分类地下水表层下的岩土孔隙被水完全充满的区域为饱和带，地下水表层以上的区域为渗流带，地下水也可据此分为渗流带水和饱和带水。饱和带水中的地下水不受岩土的限制。它能在重力作用下自由流动，并能传递静水压力，也称为重力水。重力地下水根据其埋藏条件可分为上层水、潜水和承压水。地下水运动的基本规律地下水在地层介质孔隙中的流动称为渗流。根据流速、孔隙度和孔隙大小的不同，地下水可能呈现层流或湍流。1)在达西定律一维系统中，地下水流量为：公式中的负号表示地下水从高水压流向低水压；渗透系数K与介质的孔隙度有关，也与地下水的粘度和密度有关。在潜水和承压水的饱和流动条件下，K值是恒定的；在包气带非饱和流条件下，K值随土壤水的吸力而变化。这是水压梯度。当局部放水全过程中的水压梯度在全水流条件下保持不变时，上述公式可改写为：2)地下水渗流速度地下水流的截面积W指含水层的过水面积，包括地层介质和孔隙所占面积之和。地下水流的实际过水面积仅为孔隙所占面积；孔隙中地下水的实际流速为：介质的有效孔隙度；3)水力梯度水力梯度是地下水渗流过程中单位渗流路径长度(过程)的水头损失。(4)当渗透系数的水力梯度不变时，渗透系数越大，渗透水平越大，6.2岩石、土壤和地下水中放射性物质的物理、化学和生物行为6.2.1岩石中放射性物质的行为1。岩石中放射性物质的存在形式原生天然铀和钍元素可以形成独立或共生的矿物并存在于岩石中，有些被其他矿物吸附，有些以溶解状态存在于矿物中所含的水中或晶间和晶体裂隙中。钾是地壳中主要的造壳元素之一。大部分存在于碱性长石中，主要与氧、硅或卤素元素结合。钾长石、白榴石和其他矿物是主要形式。与地下水一起进入岩石裂隙的人造放射性核素通常以离子状态被岩石表面吸收，也可能以氧化物或氢氧化物的形式沉积在岩石表面。(2)岩石中放射性物质的行为1)原生放射性物质在岩石中的迁移由于太阳能的作用，在浅地壳的表生带中存在强烈的元素迁移、分散和富集，导致具有开采价值的矿床的形成和铀元素的强烈迁移。铀在自然界中主要以四价和六价两种价态存在。在氧化剂存在下，四价铀被氧化成六价铀，然后与氧结合形成铀酰络合物阳离子。镭一般不进入矿物的晶格，不形成独立的矿物，并且具有很强的迁移能力。钾很容易从矿物质中释放到水中，具有很强的迁移能力。钍主要是通过表生带中的机械风化运移。(2)放射性物质在岩石裂隙中的吸附和迁移固体放射性废物处置主要采用近地表掩埋和地质处置。因此，研究放射性物质在地质构造中的迁移行为已成为放射性废物安全处置的重要课题之一。影响迁移的因素：水力输送操作和岩土介质对核素的吸附。核素在岩土表面和水流之间的分布特征可用固液分布系数Kd: 6.2.2土壤中放射性物质的物理化学行为1、土壤中放射性物质的物理化学行为1)土壤中粘土矿物、次生矿物和腐殖质的阳离子交换大多以具有大表面能和吸附性能的胶体颗粒形式存在。因此，交换吸附是影响土壤中放射性物质迁移的最重要的物理和化学过程。二次铝硅酸盐是粘土颗粒的主要成分，它是一种片状颗粒，表面带有丰富的负电荷，具有相当大的阳离子交换容量。放射性物质的吸附和交换过程。土壤中的阳离子被吸附在土壤表面并与放射性离子交换：h与相腐殖质也能发生上述反应：2)放射性物质在土壤中的迁移。放射性核素通过交换吸附在土壤颗粒表面，以氧化物或氢氧化物的形式沉淀，并与土壤中的有机物螯合。3)作物吸收的放射性核素以与其稳定核素相同的离子形式被植物吸收。研究表明，土壤中所有阳离子形式的金属元素都能在植物中找到。2.影响土壤中放射性核素物理化学行为的因素1)气候和地形的大气流出物中的放射性核素雨放射性核素进入土壤大量雨加速放射性核素向深层的渗透和迁移。地貌影响雨水的吸收和储存。例如，斜坡比平坦地区受放射性核素污染更少。(2)放射性核素的形式和性质普遍存在。通常情况下，高价离子、半径小或等体积水合离子、极性离子、与土壤颗粒中的离子基团反应强烈的离子、与溶液中带相反电荷的离子形成络合物的可能性低的离子在粘土颗粒表面具有很大的交换和吸附能力。根据离子的价态，粘土矿物的选择性吸附顺序为：四价离子三价离子二价离子一价离子；碱金属和碱土金属的水合离子半径随着原子序数的增加而减小，选择性吸附的顺序为铯铷钾钠锂。Ba2 Sr2 Ca2 Mg2核素的形态对交换吸附也有很大影响。通常，溶解状态的阳离子例如，二氧化钚在土壤中的迁移速度大约是四氧化钚的100倍。固体颗粒形式的放射性物质的粒径和比活度对作物的溶解度和吸收有明显的影响。(3)土壤类型和土壤粒径的性质：粘土的吸附能力大于砂土；颗粒越小，比表面积越大，吸附能力越强。土壤的酸碱度：酸碱度与土壤中的二氧化碳有关，二氧化碳影响土壤中放射性核素的水解以及微生物和细菌的活动。土壤中的配体：土壤是一个复杂的螯合系统，它含有各种天然无机和有机配体，可以与放射性核素络合或螯合。无机配体包括：碳酸氢盐、碳酸氢盐、硫酸氢盐、磷酸氢盐等。有机配体包括腐植酸、腐植酸、黄腐酸、微生物分解合成的有机产品和分泌物等。例如：土壤中的天然载体：土壤中含有多种常量和微量元素，这些元素可以成为放射性核素的天然载体，对它们在土壤表面的吸附有一定的竞争和稀释作用，从而减少它们的吸附量；土壤含水量：含水量影响酸碱度，溶解一些放射性核素，并影响微生物和细菌的活动等。土壤中的氧化还原物质：土壤中的氧化剂是氧气、微量高价金属离子、硝酸盐等。还原剂主要是有机物。土壤的氧化还原状态将改变放射性核素的价态并改变其吸附行为。6.2.3、地下水中放射性物质的物理、化学和生物行为1。地下水中放射性物质的存在形式基本上是溶解态的无机离子、溶解态的有机化合物和胶体。地下水中放射性核素的存在形式与其来源有关。它与地下水的物理和化学性质有关，如氧化还原电位、酸碱度和水化学成分。放射性物质的水迁移放射性物质的水迁移分为两个阶段：第一阶段：放射性物质从岩石进入水中，放射性核素富集在水中；第二阶段，放射性物质在重力水的作用下向地下迁移，其迁移强度与地下水中核素的存在形式以及水的迁移方向和速度有关。地下水中放射性物质的物理化学行为氧化还原反应：放射性核素的电极电位与酸碱度有关；酸碱反应：放射性核素(金属)在土壤中水解生成氢离子，水解反应明显受地下水酸碱度的影响。离子交换和吸附：它们对放射性核素的水迁移率有很大影响，吸附程度与地下水的酸碱度和化学成分、介质的性质和成分密切相关。配位：土壤含有许多有机和无机配体，可以与放射性核素络合或螯合。核素衰变：一般来说，短寿命核素对环境的污染面积较小，长寿命放射性核素的影响较大。一些植物可以富集放射性核素，一些植物、动物和微生物的代谢产物可以与水中的放射性物质相互作用，而微生物可以与放射性物质相互作用。例如：6.3充气区放射性物质和饱和区地下水的迁移6.3.1地下水物质迁移的基本理论1。包气带中的多孔介质土层、潜水层和承压水层都是具有一定孔隙度的多孔介质。多孔介质是一种多相物质，在其占据的空间中，除固相外，至少有一相不是固相(气相或液相)；孔隙B占据的空间在整个多孔介质中几乎均匀分布，并且相对较窄，因此固体骨架的比表面积相对较大。孔隙应该在相当大的程度上相互连通。就水在多孔介质中的流动而言，互连的孔是有效的孔，而互连的孔空间对于水在多孔介质中的流动是无效的。(2)溶质的平流输送当地下水在含水地层介质的孔隙中流动时，水中的污染物以相同的输送速度在孔隙中输送，导致污染物的平流输送。污染物随水流的迁移通量称为污染物的水平通量，它与地下水中污染物的浓度成正比。分散实验：长度为L的砂柱先用纯水饱和，从t=0开始，沿A段连续均匀注入浓度为C0的保守示踪剂溶液，浓度和流量保持不变。当t=t 时，测得的浓度变化曲线为以下类型。该图显示了在一维均匀流场中，在某一点连续注入保守示踪剂溶液后，示踪剂在源点周围地下水中的扩散。地下水的扩散：分子扩散和机械分散1)污染物在分子扩散多孔介质中的分子扩散可用浓度梯度理论来描述：a、b、c、2)机械分散，机械分散引起的污染通量为：地下水在地层介质中流动时，分子扩散和机械分散往往同时存在，统称为流体动力分散，相应的污染物分散通量为：其中k为流体动力分散系数；4)非保守污染物的清除应考虑地下水和介质之间的物理、化学和生物反应引起的清除。吸附、离子交换、沉淀和衰变降解具有清除效应，而其他反应具有增强或减弱清除效应的作用。(1)吸附、保留、吸附和解吸、离子交换、可逆沉淀和其他清除功能统称为吸附。污染物在介质颗粒表面的吸附会阻碍其迁移，因为污染物在介质中的迁移速度低于地下水。单位距离运输时间比地下水运输时间长，污染面积比未清除污染面积小。吸附对污染物迁移的滞留效应可用阻塞因子来描述：(2)衰变放射性衰变引起的地下水核素浓度的变化可用以下公式表示：(6.3.2)地下水中污染的迁移方程1、饱和介质中的迁移方程1)饱和介质中的基本方程，在稳定均匀的流场条件下，如果不考虑迁移过程中地下