苏丹红海沿岸沉积物天然放射性核素分布特征与元素地球化学关联及其辐射风险评估

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Natural radioactivity and elemental associations in coastal sediments of the Sudanese Red Sea

　　

专业术语翻译摘要 背景：海岸带及海洋沉积物中的天然放射性是环境辐射暴露评估的重要组成部分，也是判断地质物源、沉积物输运过程及生态辐射安全的重要指示指标。海洋沉积物通过陆地岩石风化、河流输运、大气沉降、生物富集及海洋地球化学再分配等途径累积天然放射性核素。建立区域放射性本底数据对于环境监测、辐射防护规划及海岸带资源可持续管理至关重要。尽管苏丹红海沿岸具有重要的生态与经济价值，但对其海洋沉积物的环境放射性特征进行全面表征的研究仍十分有限。 目的：本研究旨在定量评估沿苏丹红海沿岸采集的沉积物中天然放射性核素（226Ra、232Th和40K）的活度浓度，计算相关辐射危害指数，探讨放射性核素与元素组成之间的地球化学关系，并将研究结果与区域及国际环境放射性数据进行对比。 材料与方法：共从苏丹红海沿岸约750 km范围内的9个代表性采样点采集40份海岸沉积物样品。采用经校准的NaI(Tl)闪烁探测器进行γ射线能谱分析，测定226Ra、232Th和40K的活度浓度。元素表征采用X射线荧光光谱法（XRF）。按照国际公认方法计算标准辐射危害指数，包括镭当量活度（Raeq）、吸收γ剂量率（D）、年有效剂量当量（AEDE）、年性腺剂量当量（AGDE）、外照射危害指数（Hex）、内照射危害指数（Hin）、代表性γ指数（Iγ）及超额终生癌症风险（ELCR）。采用Pearson相关分析检验放射性核素与元素组分之间的相互关系。 结果：226Ra活度浓度为3.95–17.11 Bq kg?1，232Th为6.69–28.31 Bq kg?1，40K为68.45–508.47 Bq kg?1；9个采样点的位置级均值分别为7.47±4.40、11.10±7.07和190.61±181.95 Bq kg?1。这些平均浓度显著低于UNSCEAR陆地物质全球参考值，分别降低约78.7%（226Ra）、63.0%（232Th）和52.3%（40K）。平均吸收剂量率为16.47 nGy h?1，较全球室外平均值低约72.1%。平均镭当量活度为35.0 Bq kg?1，仅为推荐安全阈值的9.5%。外照射和内照射危害指数分别为0.095和0.115，均远低于1。估算的年有效剂量当量为20.2 μSv y?1，显著低于全球平均天然本底辐射暴露水平。226Ra与232Th之间的相关系数为r=0.964（n=9；探索性），表明位置级观测值之间存在协同变化关系；与Fe、Ti、V、Mn和Si的部分正相关关系属于探索性发现，尚不能据此确定物源归属。 结论：在9个采样点中，所测放射性核素活度及计算指数均低于本研究采用的国际参考值或筛选值。空间关联属于探索性结果，不能确定地质物源归属，亦不能排除人为影响。这些结果可为苏丹红海沿岸进一步的环境监测提供位置特异的基线信息。

论文解读

一、研究背景与科学问题

天然环境放射性是背景辐射暴露的主要组成部分，其来源主要为地球形成以来地壳中赋存的原始放射性核素及其衰变子体，以及宇宙射线贡献。其中，铀系同位素、钍系放射性核素和钾-40（⁴⁰K）是陆地γ辐射暴露和环境放射性负荷的主要贡献者。这些放射性核素的环境分布受地质组成、矿物学特征、沉积物输运机制、风化强度、沉积过程及地球化学分配行为等多种因素的综合影响。海洋及海岸带沉积物作为天然放射性物质的重要环境储库，是地质与海洋过程长期作用的集成载体。放射性核素可通过大陆岩石侵蚀、河流排放输运、大气沉降、生物吸收、颗粒物吸附及地球化学再分配、水动力再分配等多条途径在海洋沉积物中累积。由于沉积物基质在较长时间尺度上整合了累积的环境输入，对其放射性特征的表征可为天然本底放射性和潜在人为污染提供有价值的认识。

红海作为全球地质动态最活跃、环境特征最独特的海洋系统之一，具有高盐度、淡水资源有限、构造演化活跃、礁控碳酸盐沉积主导以及沉积环境多样等特点，为放射性核素分布提供了复杂的研究框架。苏丹红海沿岸长约750 km，涵盖以苏丹港为核心的重大海洋基础设施、渔业、生态敏感的珊瑚礁系统、旅游发展廊道、工业区及不断扩展的沿海城市聚落。尽管该区域具有重要战略意义，但相较于邻近红海沿岸系统，该区域的环境放射性调查研究仍相对匮乏。此前苏丹境内开展的环境放射性研究主要集中于陆地土壤、矿化内陆环境、建筑材料或孤立的环境单元，对海洋沉积物系统的综合研究十分有限。将放射性评估与地球化学表征相结合的苏丹海岸沉积物综合研究尤为稀缺。国际上，海洋沉积物放射性存在显著的空间变异性，不同国家和地区的研究均表明放射性核素浓度受地质基底、沉积物物源、矿物富集、水动力分选及工业影响等因素的显著调控。这些显著的全球差异凸显了区域特异性环境放射性本底数据的重要性。

二、研究内容与主要结论

本研究旨在对苏丹红海沿岸海岸沉积物进行全面的环境放射性与地球化学表征。具体目标包括：定量评估代表性海洋沉积物样品中天然放射性核素（²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K）的活度浓度；利用X射线荧光光谱法表征沉积物元素组成；计算国际公认的辐射危害指数并与既定安全基准进行比较；检验放射性核素与元素组分之间的统计关系；并将观测到的放射性特征与区域及国际环境研究进行对比。此外，研究还旨在建立支持苏丹未来环境辐射监测和海岸带管理决策的科学基线数据集。

研究得出以下主要结论：九个采样点所测放射性核素活度及计算指数均低于本研究采用的国际参考值或筛选值；空间关联属于探索性结果，不能确定地质物源归属，亦不能排除人为影响；研究结果为苏丹红海沿岸进一步的环境监测提供了位置特异的基线信息。

三、关键技术方法

研究人员采用横断面环境放射性评估设计，沿苏丹红海沿岸约750 km海岸线，在苏丹港、Trenktat、Abu Imama、Magrasm岛、Rommy礁、Sanganeb、Haroraite、Altaweel礁和Benznet共9个代表性采样点采集40份海岸沉积物样品。采样使用Van Veen和Peterson抓斗式采泥器，各点位多次采集子样品后合并为代表性样品。样品经去除杂物、均质化、0.355 mm筛分、110℃烘干后，约500 g干样密封于Marinelli容器中储存约28天以允许氡子体生长。γ能谱分析采用3×3英寸NaI(Tl)闪烁探测器配合多道分析器，在铅屏蔽条件下测定²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K活度浓度。元素表征采用XRF分析Si、Fe、Ti、Mn、Zn、V、Zr等元素。辐射危害评估按照国际公认方法计算Raeq、D、AEDE、AGDE、H_ex、H_in、Iγ及ELCR等指数。采用Pearson相关分析检验放射性核素与元素组分间的统计关系。

四、研究结果

放射性核素活度浓度。 研究测得²²⁶Ra活度浓度范围为3.95–17.11 Bq kg^?1，²³²Th为6.69–28.31 Bq kg^?1，⁴⁰K为68.45–508.47 Bq kg^?1。9个采样点位置级均值分别为7.47±4.40、11.10±7.07和190.61±181.95 Bq kg^?1。这些均值较UNSCEAR陆地物质全球参考值分别低约78.7%、63.0%和52.3%，表明研究区沉积物放射性水平整体处于较低水平。

辐射危害指数评估。 平均吸收剂量率为16.47 nGy h^?1，较全球室外平均值低约72.1%。平均镭当量活度为35.0 Bq kg^?1，仅为370 Bq kg^?1推荐安全阈值的9.5%。外照射危害指数为0.095，内照射危害指数为0.115，均远低于1的安全上限。估算的年有效剂量当量为20.2 μSv y^?1，显著低于全球平均天然本底辐射暴露水平。各项指数均表明研究区沉积物辐射风险处于安全范围。

相关性分析。 ²²⁶Ra与²³²Th之间的相关系数为r=0.964（n=9），表明两个核素在位置级观测值之间存在较强的协同变化关系。此外，放射性核素与Fe、Ti、V、Mn和Si等元素之间呈现部分正相关关系，提示可能与陆源碎屑矿物（如铁钛氧化物和硅酸盐矿物）的赋存有关，但研究明确指出这些关联属于探索性发现，不能据此确定物源归属。

五、讨论与结论

研究讨论部分指出，苏丹红海沿岸沉积物中放射性核素浓度低于国际参考值，反映了该区域以碳酸盐沉积为主的沉积环境特征，以及有限的陆源碎屑输入对放射性核素富集的制约作用。与全球其他沿海区域相比，苏丹红海沿岸的放射性水平处于较低范围，与沙特阿拉伯、埃及等邻近红海区域的部分研究结果具有可比性，但低于印度和西非部分地区与独居石富集重矿物矿床相关的高本底环境。研究强调，尽管当前辐射水平安全，但考虑到苏丹港周边工业化发展、沿海城市扩张及海洋经济活动增加，持续的环境辐射监测对于早期发现潜在污染至关重要。

研究结论为：在九个采样点中，所测放射性核素活度及计算指数均低于本研究采用的国际参考值或筛选值。空间关联属于探索性结果，不能确定地质物源归属，亦不能排除人为影响。这些结果可为苏丹红海沿岸进一步的环境监测提供位置特异的基线信息。该研究填补了苏丹红海沿岸海洋沉积物环境放射性系统表征的空白，为东北非地区环境辐射科学提供了重要贡献，并为辐射防护规划、海洋生态系统管理、环境监测及海岸带可持续发展奠定了基线证据基础。