海洋中放射性核素

研究海洋学中的问题

海洋中放射性核素既可以污染海域、危害人类和海洋生态，又可能用来研究海洋学中的许多问题。

介绍

海洋中存在着天然的和人工的放射性核素，前者包括铀系、锕－铀系和钍系等天然三大放射系的元素在核反应过程中产生的放射性核素，和与地球同时形成并独立存在的长寿命放射性核素；后者是20世纪以来由于人类利用原子能而产生的放射性核素。这两类放射性核素，大都可用作海洋研究的示踪剂（见核素在海洋学中的应用）。

研究简史　1939年，E.弗因等测定了海水中的铀和钍的含量；40～60年代，弗因、H.彼得松、И.Е.斯塔里克、E.罗纳等用荧光法、同位素稀释法和质谱法测定了世界大洋海水中的铀和钍的含量；60～70年代，三宅泰雄等人研究了铀、钍、镭和(即钍-230)在海洋中的含量分布，还研究了海洋中某些元素的同位素的比值，如234U/238U，230Th/232Th ,228Th/232Th等的分布;70～80年代,美国李远辉和顾德隆等对天然核素的含量、逗留时间、年代学等问题进行了一系列的研究。

40年代以后，陆续出现了原子反应堆，原子弹、氢弹和核动力舰艇等，使海洋环境中出现了人工放射性污染（见海洋放射性污染），促使同位素测试技术迅速发展。

从40年代以来，海洋放射化学的研究有了很大的发展，已从放射性核素的含量分布的调查，发展到对其存在形态、转移规律和机制的研究。　海洋中的天然放射性核素　由三部分组成：

① 天然放射系──铀系、锕-铀系和钍系(表1)它们分别起始于铀-238、铀-235和钍-232,终止于铅-206、铅-207和铅-208。海洋中这 3个放射系的核素，主要来源于大陆。海水中铀的 3种天然同位素铀-238、铀-235和铀-234,主要以UO2(OH)婣和UO2(CO3)娆-两种络合阴离子形式存在，故分布比较均匀,平均含量约为 3微克/升，而且234U/238U一般为1.14。在海洋沉积物中，铀的分布从近岸向外洋递减,近岸处的含量大约3.0微克/克,陆架区约2.5微克/克，外洋约1.4微克/克。在富有磷酸盐和有机物的缺氧沉积物中，含铀量通常较高。

钍在海水中多以颗粒状态存在，分布不均匀，极易与悬浮物质结合而沉积到海底。镭-226与其母体钍-230恰恰相反，容易从沉积物中溶解出来。因此，深层水中的镭含量，通常比表层高1倍。由于铀和钍的存在状态的差异，海水中的Th/U值大约为岩石圈的1/300。

中国沿海的海水中,铀和钍的含量分别为 3微克/升和0.001～0.015微克/升。　② 宇宙射线与空间物质作用而生成的核素(表2)。在这类核素中,以氚和碳-14的全球储量最大。大气中形成的氚，通过降水和在大气中的沉降进入海水，它在表层水中的含量比底层高两个数量级。

由于核武器试验能产生氚和碳-14,所以这两种核素在海洋中的含量是两种来源的总和。

③ 长久以来独立存在于海洋中的其他天然放射性核素。这类核素是在地球形成时产生的，它们的显著特点是半衰期都很长，其中最为重要的是钾-40和铷-87。在盐度为35的海水中，钾的平均含量为 0.387克/千克，钾-40为天然钾量的 0.0118%，其放射性活度为11.8贝可/升，占海水总放射性的90%以上；铷-87在天然铷中占27.85%，放射性活度为0.11贝可/升。此外，在这类核素中,还有钒-50、铟-115、镧-138、钕-144、钐-147、钆-152、镥-176、铪-174、铼-187、铂-190、铂-192等。它们的半衰期为1010～1015年。　海洋中的人工放射性核素　海洋中不但存在人工裂变核素，而且还有感生放射性核素（表3）。这些人工放射性污染物，主要来源于核试验。自从1945年美国第一次原子弹试验以来，世界各国进行了 400多次大气层和海上核试验。根据1945年至1963年（此时期约占整个核试验期间的95%）的18年中核试验的裂变产物计算，约有 2.8×1028个铀或钚的原子裂变。其中，进入海洋的锶-90为3.1×1013贝可，铯-137为 4.4×1013贝可。以锶-90在海洋中的分布为例（见图），最高浓度在西北太平洋，北半球大约比南半球高1～4倍，太平洋高于大西洋和印度洋。　除以上放射性核素之外，还有氚和碳-14,这两者既来源于宇宙射线与大气物质的作用，也来源于核试验。　海洋中人工放射性核素的放射性活度总量，估计可达1019贝可的数量级。

核素在海洋中的存在形态和运动规律　海洋中的核素以三种形态存在：离子态、胶态和颗粒态（表4）。它们在海水中的运动受水文因素（海流、扩散）、物理化学因素（吸附、沉淀等）和生物因素（吞食、吸收等）的影响而分布不同。离子态的核素如磷-32、铬-51、锶-89、锶-90、锑－125、铯-137等，主要受水文因素影响，其分布比较均匀。稀土元素和性质相似的核素多以胶态或颗粒态存在，如锰－54、铁－55、铁－59、钴－60、钴-57、钴-58、钇-90、锆-95、铌-95、钼-99、钌-103、钌-106、铈-141、铈-144、钷-147、钚-239、铋-207等，这些核素的运动主要受物理化学因素和水文因素的影响，分布不均匀。还有一些核素与生物有密切的关系，容易被吸收和浓缩，如钴-60、磷-32、碘-131等，它们的运动过程受生物因素的影响较大，其分布也不均匀。上述的核素中，有的在海洋中可能以多种形态存在，运动也受多种因素的影响。

在氧化性的沉积物中，核素的分配系数（沉积物中含量与水相中含量之比）的大小依下列次序排列：

147Pm＞106Ru＞54Mn，

95Zr+95Nb＞59Fe＞65Zn＞137Cs＞90Sr

它与核素在沉积物中的分布，存在状态、沉积类型、水合氧化物覆盖层的存在、氧化还原状态等因素有关。在还原性沉积物中，锰-54、铁-59、锆-95与铌-95混合物、钌-106、钷-147很少被吸附，而锶－90、钴-60、锌-65却很容易被吸附。

展望　海洋中的放射性核素的研究，应着重用来探索与地球和海洋的形成和发展有关的理论和实际问题，如核素的分馏理论、地质年龄、沉积速率、沉积环境和沉积机制等；还着重探讨人工核素对生物及环境的影响和危害，如研究在海洋中处理放射性废物的可能性和现实性；制订海水和海洋生物对核素最大允许浓度的标准，研究生物浓缩和稀释扩散的规律等。此外，研究人工放射性核素的形态和物理化学特性，改进和提高现有的分离纯化方法，并以人工放射性核素作示踪剂，研究海洋学的宏观问题和微观问题等。

参考书目

J.P.Riley,G.Skirrow,eds,ChemicalOceanography，2nd ed.，Vol.3，Academic Press，London，1975.

NAS，radioactivityin the Marine Environment，Washington，D.C.，1971.

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