446

Радиохимия, 2019, т. 61, N 5, c. 446-449

Особенности распределения ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th в поверхностном слое

морских осадков в условиях активной биоседиментации

в зоне арктического фронта

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН, 117997, Москва, Нахимовский пр., д. 36; *e-mail domanov@ocean.ru

Получена 17.10.2018, после доработки 17.10.2018, принята к публикации 25.12.2018

УДК 551.46.0:574.632

Исследовано распределение естественных радионуклидов и органического вещества в донных осад-

ках зоны активной биоседиментации на разрезе через арктический фронт в Северной Атлантике. При

этом выполнена оценка соотношения количеств ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th, как осажденных в поверхностном

слое донных осадков из морской воды, так и поступивших в виде терригенного материала. Показано,

что прямое осаждение радия из воды в морские осадки коррелирует с содержанием в осадке органиче-

ского вещества. Концентрация неравновесного с ураном радия изменяется в пределах 95-99% от обще-

го содержания и увеличивается при увеличении содержания в осадке хлороформного битумоида (ХБА)

(R = 0.95). Осаждение неравновесного ²³⁸U из воды в морские осадки также существенно и составляет

от 42 до 69% от общего содержания ²³⁸U в осадках. Отношение концентраций неравновесного урана и

неравновесного радия в осадках уменьшается с увеличением глубины и увеличивается при увеличении

содержания в осадке ХБА. Наблюдается положительная связь между содержанием тория и урана (R =

0.93) и его неравновесной и терригенной фракциями (R = 0.93 и 0.94 соответственно).

Ключевые слова: осадочное вещество, углеводороды, радионуклиды.

DOI: 10.1134/S0033831119050150

На основе данных о пространственном распреде-

оценка соотношения количеств ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th,

ления ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th в поверхностном слое мор-

как осажденных в поверхностном слое донных

ских осадков [1-6] были предложены различные

осадков из морской воды, так и поступивших в виде

гипотезы об источниках и механизме накопления

терригенного материала.

естественных радионуклидов в осадках [3, 5]. При

этом возможность прямого осаждения ²²⁶Ra из мор-

Район работ и методика

ской воды недооценивалась или вообще отвергалась

[3]. В работах [4, 5], напротив, было показано, что

Широтный разрез по 60° с.ш. пересекает квази-

прямое осаждение радия из воды в морские осадки

стационарный полярный фронт с резко изменяющи-

является существенным фактором его накопления в

мися гидрологическими, гидрохимическими и био-

поверхностном слое донных осадков. Такой меха-

логическими характеристиками среды. В этой высо-

низм осаждения радионуклидов наиболее выражен

копродуктивной зоне океана величина среднегодо-

в зонах активной биоседиментации однако сведения

вой первичной продукции в пределах фронта изме-

об исследовании этого процесса весьма ограничены.

няется от 200 до 500 мг С/м² в день [8]. В рассматри-

Известно также, что существует положительная

ваемом районе ежегодно наблюдается массовое раз-

корреляционная связь содержания

²²⁶Ra,

²³²Th в

витие кокколитофорид, первичная продукция кото-

осадке с ароматическими структурами органическо-

рых часто составляет 5-40% от первичной продук-

го вещества осадка, которые способствуют селек-

ции фитопланктона [8, 9]. Кокколитофориды, имею-

тивному накоплению радионуклидов [7]. При этом

щие кальциевый скелет, извлекают из морской воды

найденные зависимости распределения ²²⁶Ra, ²³²Th в

кальций и вносят основной вклад в формирование

поверхностном слое осадков и их связь с органиче-

седиментационного потока карбоната кальция, по-

ским веществом осадков отражают региональные

ступающего в донные осадки [10, 11]. В этих услови-

особенности формирования донных осадков.

ях биологический фактор становится одним из доми-

нирующих факторов в создании потока седимента-

В настоящей работе с целью изучения условий

ции, распределении органического вещества и фор-

формирования зон повышенной концентрации

мировании элементного состава донных осадках.

²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th в донных осадках с высоким со-

держанием органического вещества исследовано

Материал для исследования отобран дночерпате-

распределение естественных радионуклидов и орга-

лем «Океан-0.25» из поверхностного слоя 0-5 см

нического вещества в донных осадках зоны актив-

донных осадков в северной Атлантике на широтном

ной биоседиментации на разрезе через арктический

разрезе по 60°N в 49-м и 51-м рейсах НИС «Ака-

фронт в Северной Атлантике. При этом выполнена

демик Иоффе» в рамках проекта РНФ «Мировой

Особенности распределения ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th в поверхностном слое морских осадков

447

Таблица 1. Координаты станций в районе работ и характеристика осадков (горизонт 0-5 см)

Номер

Широта

Долгота

Глубина, м

Тип осадка

станции

(с.ш.)

(з.д.)

3348

59°30'

18°

2183

Серый, мелкий алеврит, примесь гравия

3352

59°30.1'

20°38.47'

2821

Коричневый пелит с примесью мелкого алеврита

3545

59°29.91'

20°41.68'

2825

Коричневый песок с примесью пелита, фораминиферовый

3359

59°30'

24°40.56'

2515

Темно-коричневый пелит

3556

59°30.31'

24°42.96'

2517

Темно-серо-коричневый алеврито-пелитовый ил фораминиферовый

3568

59°30'

28°39.97'

1694

Оливково-коричневый песчано-пелитовый ил, фораминиферовый

3378

59°30.12'

32°50.66'

2175

Светло-коричневый мелкий алеврит

3383

59°29'

36°06.15'

3083

Коричневый мелкий алеврит

3414

59°58'

43°04.9'

2985

Светло-коричневый алеврит с песчаной примесью

океан в XXI веке: климат, экосистемы, ресурсы, ка-

Таблица 2. Концентрация радионуклидов ²²⁶Ra, ²³⁸U,

тастрофы» [12, 13]. Положение станций и характери-

²³²Th, а также Al и ХБА в поверхностном слое осадков

стика осадков показаны в табл. 1. Поверхностный

Номер

²²⁶Ra,

²³⁸U,

²³²Th,

Al,

ХБА,

Глубина,

слой осадков в основном представлен известковым

станции

Бк/кг

мг/г

кокколито-фораминиферовым песком различной

3348

75.1

6.9

2.1

0.016

2183

размерности. Распределения полярного вида планк-

3352

43.1

5.8

4.4

2.2

0.013

2821

тонных фораминифер Neogloboquadrina pachyderma

3545

36.3

4.6

4.1

1.9

0.012

2825

3359

67.3

8.5

10.5

3.5

0.019

2515

(s) (Ehrenberg), IRD (терригенные зерна ледового

3556

69.9

5.9

7.2

2.4

0.0185

2517

разноса) и СаСО₃ в осадках свидетельствуют о меж-

3568

67.4

5.8

5.9

2.3

0.0175

1694

ледниковых (голоценовых) условиях осадконакопле-

3378

28.5

4.9

5.2

0.01

2175

ния в данном районе [14].

3383

19.1

7.6

10.7

0.01

3083

Измерения концентрации ²²⁶Ra и ²³²Th в осадке

3414

26.5

8.9

12.2

0.01

2985

выполнены в лаборатории дозиметрии и радиоак-

тивности окружающей среды химического факуль-

трации ²²⁶Ra,

²³²Th и 238U в поверхностном слое

тета МГУ им. М. В. Ломоносова с помощью

осадков были сопоставлены с содержанием в осадке

γ-спектрометра с детектором из сверхчистого герма-

органического вещества (ХБА) (рис. 1).

ния GC-3020 с относительной эффективностью по

линии ⁶⁰Co (1.332 МэВ), равной 30%, и разрешением

Наиболее существенные изменения концентра-

по этой линии 1.8 кэВ. Использоваи программное

ции ²²⁶Ra и содержания органики (ХБА) в осадках

обеспечение GENIE-400 PC. ²²⁶Ra определяли по

наблюдались в восточной части разреза 20-30° з.д.

дочернему продукту ²¹⁴Bi (энергия 609 кэВ), ²³²Th -

(Исландский бассейн). Эта часть разреза находится в

по ²²⁸Ac (энергия 583, 909 кэВ). Перед измерением

области арктического фронта в высокопродуктивной

осадки, упакованные в герметичные контейнеры,

зоне океана. Связь концентрации ²²⁶Ra с содержани-

выдерживали для накопления дочерних продуктов

ем в осадке органического вещества хорошо выра-

распада в течение месяца. Точность определения

жена, коэффициент корреляции R = 0.95, что указы-

²²⁶Ra 4-7%, ²³²Th - 7-12%.

вает на существенный вклад биологического сооб-

Дополнительно методом масс-спектрометрии с

индуктивно связанной плазмой (ИСП МС) измеряли

содержание в осадках Al и U. Для контроля качества

использовали стандартные образцы GSD-2 и СДО-1.

Погрешности измерений составляют для Al 5, для

U - 13%.

Содержание в осадках хлороформного битумои-

да (ХБА) определяли методом холодной экстракции

на ультразвуковой бане. Предварительно высушен-

ные при температуре 60°C пробы трижды экстраги-

ровали хлороформом, затем экстракты объединяли и

выпаривали на роторном испарителе.

Результаты и обсуждение

Результаты определения концентрации

²²⁶Ra,

Рис. 1. Концентрация ²²⁶Ra (1), ²³²Th (2), ²³⁸U (3) и ХБА (4) на

²³⁸U, ²³²Th, Al и ХБА приведены в табл. 2. Концен-

разрезе.

448

М. М. Доманов и др.

где y - ²²⁶Ra_Io/²²⁶Ra_общ, х - скорость осадкообразова-

ния, см/1000 лет.

Скорость осадкообразования в районе станции

3348, согласно данным, приведенным в работе [16],

составляет

1 см /2000 лет. При этом отношение

²²⁶Ra_Io/²²⁶Ra_общ получается равным 0.71. Таким обра-

зом, величина ²²⁶Ra, извлеченного из воды, составит

29%.

С изменением глубины меняются несколько фак-

торов, определяющих как интенсивность поступле-

ния Ra в осадки, так и соотношение форм нахожде-

ния Ra в воде и взвеси. Это связано с уменьшением

Рис. 2. Зависимость концентрация ²²⁶Ra в осадке от содержа-

органического вещества в осадках и выделением Ra

ния хлороформного битумоида.

в водную фазу при разложении органического веще-

ства. Уменьшение общего содержания ²²⁶Ra и экс-

щества в накоплении ²²⁶Ra в донных осадках зоны

цесса радия во взвеси с глубиной было отмечено

повышенной продуктивности (рис. 2).

ранее в пробах взвеси из седиментационных лову-

Содержание ²²⁶Ra в осадке определяется суммой

шек [17]. В диапазоне глубин 389-5086 м концентра-

концентраций радия: ²²⁶Ra, инкорпорированного в

ция ²²⁶Ra во взвеси уменьшилась в 2.2 раза, а вели-

биогенные частицы, такие как карбонаты, опал, ор-

чина потока эксцесса ²²⁶Ra - в 5.2 раза (PARFLUX E

ганическое вещество, равновесного с ураном радия,

site) [17]. Разложение органического вещества про-

поступающего в осадки с терригенным материалом,

должается и в осадке. При этом в самом осадке про-

где он находится в радиоактивном равновесии в ря-

исходит накопление ²²⁶Ra_Io, образованного при рас-

ду ²³⁸U-²³⁰Th-²²⁶Ra, и ²²⁶Ra, образованного при рас-

паде ²³⁰Th. Таким образом, различные по направлен-

паде ²³⁰Th. Вычитая из общей активности радия

ности и интенсивности процессы создают сложную

(²²⁶Ra_общ) концентрацию равновесного с терриген-

систему формирования концентрации радионукли-

ным ураном радия (²²⁶Ra_рав), можно оценить эксцесс

дов на разных глубинах. В исследованном районе с

радия - количество неравновесного радия (²²⁶Ra_экс),

увеличением глубины для большинства проб

непосредственно извлеченного из воды и образован-

(исключая станцию 3378) общее содержание Ra и

ного при распаде ²³⁰Th (²²⁶Ra_Io). Содержание нерав-

его неравновесная часть (эксцесс ²²⁶Ra) в осадках

новесного радия изменяется в пределах 95-99% и

уменьшается (R = -0.82).

увеличивается при увеличении содержания в осадке

Концентрация ²³⁸U в осадке изменяется в преде-

ХБА (R = 0.95). Содержание радия, образованного

лах

4.6-8.9 Бк/кг. Среднее значение

6.3 Бк/кг

при распаде ²³⁰Th, в данной работе не рассчитывали.

(табл. 2, 3). Эта величина близка к кларковому со-

Однако для косвенной оценки величины ²²⁶Ra_Io на

держанию ²³⁸U в базальте (7.5 Бк/кг) [18]. Поскольку

станции 3348 можно использовать данные работы [5],

кларковое соотношение U с Аl хорошо отражает их

где отношение ²²⁶Ra_Io/²²⁶Ra_общ в осадках океана изме-

содержание в терригенных осадках, то можно оце-

нялось в пределах 0.2-0.9 (среднее 0.46) и зависело от

нить терригенную часть ²³⁸U (²³⁸U_тер) в осадке

скорости осадкообразования (R = -0.77). При этом

уравнение регрессии представлено выражением

²³⁸U_тер = (²³⁸U_кл/Аl_кл)·Аl_изм,

y = -0.1539x + 0.7893,

где 238Uкл/Аlкл - соотношение кларкового содержа-

Таблица 3. Концентрация неравновесного ²²⁶Ra (экс-

ния ²³⁸U и Al в базальтах, Аl_изм - концентрация алю-

цесс ²²⁶Ra_экс), терригенной фракции урана (²³⁸U_тер) и экс-

миния в пробе.

цесс урана (²³⁸U_экс) в поверхностном слое осадков

U в осадке составляет 13-

Терригенная часть ²³⁸

Номер

²²⁶Ra_экс,

²³⁸U_тер,

²³⁸U_экс,

²³⁸U/²²⁶Ra,

Глубина,

14%. Эксцесс урана (²³⁸U_экс) (часть ²³⁸U, связанная с

станции

Бк/кг

частицами биогенного генезиса, такими как карбона-

3348

74.4

0.70

4.3

6.7

2183

ты, опал, органическое вещество) получена вычита-

3352

42.4

0.73

5.0

13.3

2821

нием терригенной фракции из общего содержания

3545

35.7

0.62

4.0

12.7

2825

²³⁸U в осадке (табл. 3). Эта часть ²³⁸U, по-видимому,

3359

66.2

1.13

7.4

12.6

2515

извлечена непосредственно из морской воды и не

3556

69.1

0.79

5.1

8.4

2517

связана с дочерними изотопами. Такой вывод ранее

3568

66.7

0.75

5.0

8.5

1694

3378

27.8

0.66

4.2

17.1

2175

был сделан ранее в работе [17]. Эксцесс урана со-

3383

18.1

0.98

6.6

39.9

3083

ставляет 86-87% от общего содержания ²³⁸U в осад-

3414

25.4

1.14

7.7

33.5

2985

ках. Эти результаты подтверждают вывод, сделан-

Особенности распределения ²²⁶Ra, ²³⁸U и ²³²Th в поверхностном слое морских осадков

449

Таблица 4. Корреляционная матрица значений коэффи-

жания Ra. Содержание осажденного из воды нерав-

циентов корреляции

новесного ²³⁸U составляет 86-87% от общего содер-

жания ²³⁸U в осадках. Отношение концентраций U к

Пара-

²²⁶Ra

²³²Th

²³⁸U

²³⁸U_экс

²³⁸U_тер

²²⁶Ra_экс

ХБА

Ra в осадках растет с увеличением глубины и умень-

метр

шается при увеличении содержания в осадке ХБА.

²²⁶Ra

1.00

0.95

²³²Th

1.00

0.93

0.94

Наблюдается положительная связь между содержа-

²³⁸U

0.93

1.00

нием Th и U (R = 0.93), а также с его неравновесной

²³⁸U_экс

0.93

1.00

и терригенной фракциями (R = 0.92 и 0.94 соответст-

²³⁸U_тер

0.94

1.00

венно).

²²⁶Ra^экс

1.00

0.95

Авторы признательны акад. А. П. Лисицыну за

ХБА

0.95

1.00

общее руководство работами, а также участникам

экспедиции за помощь при отборе материала. Рабо-

ный в работе [4] о том, что основная часть урана на

глубоководных станциях происходит из урана мор-

ты проведены при финансовой поддержке гранта

РНФ N 14-50-00095. Обработка материала частично

ской воды.

проведена в рамках Государственного задания, тема

Корреляционная связь ХБА, ²²⁶Ra, ²³²Th, ²³⁸U и их

N 0149-2019-0007.

фракций в осадках представлена в табл. 4.

Концентрация ²³²Тh (Бк/кг) изменяется от 4.1 до

Список литературы

12.2 при среднем значении 6.2. Повышенное содер-

жание ²³²Тh характерно для западной части разреза,

[1] Piggot C. S. // Am. J. Sci. 1933. Vol. 25, N 5. P. 229-338.

[2] Rona E., Urry F. D. // Am. J. Sci. 1952. Vol. 250. P. 241-

где в осадках преобладает алевритовая и песчаная

245.

фракция с примесью гравийно-галечного материала.

[3] Косци Ф. Ядерная геология. М.: Изд-во иностран. литера-

Эти результаты согласуются с выводами работы [5],

туры, 1956. 345 с.

в которой было показано, что содержание Th в осад-

[4] Старик И. Е., Кузнецов Ю. В., Легин В. К. // Радиохимия.

ках определяется поступлением в них терригенного

1959. Т. 1, N 3. С. 321-324.

материала, где Th присутствует в кристаллической

[5] Кузнецов Ю. В., Симоняк З. В., Лисицин А. П., Френк-

лих М. С. // Геохимия. 1968. N 3. С. 323-333.

решетке минералов. Концентрация ²³²Тh коррелиру-

[6] Miyake Y., Saruhashi K., Sugimura Y. // Rec. Oceanogr.

ет с содержанием Al (R = 0.94). Наблюдается поло-

Works Jpn., New Ser. 1968. Vol. 9, N 2. P. 179-187.

жительная связь между содержанием Th и U (R =

[7] Доманов М. М., Верховская З. И., Доманова Е. Г. // Неф-

0.93) и его биогенной и терригенной фракциями (R =

техимия. 2011. T. 51, N 4. С. 267-273.

0.93 и 0.94 соответственно). В области зоны с повы-

[8] Кобленц-Мишке О. И. Биология океана. M.: Наука, 1977.

Т. 1. C. 62-64.

шенной концентрацией битумоида увеличение кон-

[9] Poulton A. J., Adey T. R., Balch W. M., Holligan P. M. //

центрации Th и U в осадке не отмечено. Наблюдает-

Deep Sea Res. Part II. 2007. Vol. 54. P. 538-557.

ся положительная связь между отношением радио-

[10] Poulton A. J., Painter S. C., Young J. R. et al. // Global Bio-

активности ²²⁶Ra/²³²Th и концентрацией ХБА в осад-

geochem. Cycles. 2013. Vol. 27. P. 1023-1033.

ке, что обусловлено увеличением концентрации

[11] Milliman J. D. // Global Biogeochem. Cycles. 1993. Vol. 7,

²²⁶Ra в осадке c повышением содержания ХБА при

N 4. P. 927-957.

[12] Клювиткин А. А., Политова Н. В., Новигатский А. Н. и

снижении содержания ²³²Th.

др. // Океанология. 2016. T. 56, N 5. C. 833-835.

Таким образом, нами подтверждена гипотеза о

[13] Клювиткин А. А., Политова Н. В., Новигатский А. Н. и

том, что прямое осаждение Ra из морской воды яв-

др. // Океанология. 2017. T. 57, N 3. C. 514-516.

[14] Broecker W., Clark E. // Paleoceanogr. Paleoclimatol. 2009. Vol. 24.

ляется существенным фактором в механизме накоп-

Paper PA3205. http://dx.doi.org/10.1029/2009PA001731.

ления Ra в поверхностном слое донных осадков. Ос-

[15] Николаева Д. Ю., Баширова Л. Д., Новичкова Е. А., Кози-

новное количество радия в осадке (95-99%) пред-

на Н. В. // Общество. Среда. Развитие. 2017. N 4. С. 145-

ставлено неравновесным с ураном радием, абсорби-

151.

рованным из воды и поступившим в результате рас-

[16] Клювиткин А. А., Новигатский А. Н., Политова Н. В.

пада материнского ²³⁰Th. Доля терригенного, равно-

Геология морей и океанов: Матер. XXII Междунар. науч.

конф. (Школы) по морской геологии. М.: ИО РАН, 2017.

весного с ураном, радия незначительна. Содержание

Т. III. С. 82-86.

неравновесного Ra в осадках увеличивается с ростом

[17] Brewer P. G., Nozaki Y., Spencer D. W., Fleer A. P. // J. Ma-

содержания в осадке ХБА (R = 0.95). Косвенная

rine Res. 1980. Vol. 38, N 4. P. 703-728.

оценка доли Ra, полученного при распаде 230Th

[18] Taylor S. R. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1964. Vol. 28.

(станция 3348), дает величину 71% от общего содер-

P. 1273-1285.