土耳其伊兹密尔市Halkap?nar泉水中氡和镭的活性浓度

《Radiation Physics and Chemistry》：Radon and radium activity concentrations in groundwater from the Halkap?nar Springs, ?zmir (Türkiye)

　　

?layda Sapmaz|Mutlu I?hedef

埃杰大学，核科学研究所，博尔诺瓦，伊兹密尔，35100，土耳其

摘要

位于伊兹密尔断层带（IFZ）P?narba??段的Halkap?nar泉水是伊兹密尔市重要的地下水来源。尽管这些泉水具有重要意义，但关于其放射性和水文地球化学特性的研究却十分有限。本研究调查了这些泉水的物理、化学和放射性特性，特别关注了溶解态²²²Rn与²²⁶Ra之间的关系。研究人员测量了地下水样本中的氡（²²²Rn）和镭（²²⁶Ra）的活性浓度，并同时测量了温度、pH值和电导率等参数。通过分析稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）和氚（³H）来推断地下水的来源和相对年龄，并测量了周围土壤的自然放射性水平以评估潜在的氡来源。研究结果表明，溶解态²²⁶Ra的浓度保持在一个狭窄的范围内，而²²²Rn则表现出明显的时间变化。镭和氡之间缺乏相关性，这表明溶解态氡主要不是由水中的镭产生的，而是通过岩石基质释放后通过结构控制的路径传输而来的。应用简化的对流-衰变模型表明，地下水的停留时间较短，大约为几天，这与快速流动的断裂过程一致。稳定同位素特征表明地下水具有大气起源，而氚值则表明其中含有较新的水成分。综合放射性和水文地球化学证据表明，伊兹密尔断层带内的构造结构在控制该地区的地下水循环和氡富集过程中起着主导作用。

引言

地球上所有生物在其生命周期中都会持续暴露于自然和人工辐射源。其中大约81%的辐射来自自然辐射源（?zden等人，2023年）。全球平均年有效辐射剂量为2.4毫希沃特（mSv）。宇宙射线辐射和宇宙成因放射性核素对自然辐射剂量有显著贡献。人类主要受到地表土壤（或其他覆盖物）和地下水中天然放射性的影响（联合国原子能机构，1993年，2000年）。放射性核素在水中的溶解度因化学形态、宿主岩石矿物学和水质而异。有些放射性核素（如铀的铀酰离子、镭）具有较高的流动性，而其他核素（如钍）则主要形成不溶性化合物并吸附在矿物表面。因此，当含有微量放射性核素的土壤和岩石与地表水或地下水相互作用时，这些水中可能会出现可测量的放射性核素浓度。天然存在的放射性核素（如铀、钍、镭和氡等）可以在水中富集。²²²Rn在地表水中的浓度通常约为40贝克勒尔每立方米（Bq m^?3），而在地下水中则介于4到40千贝克勒尔每立方米之间（联合国原子能机构，1982年；Kader等人，2025年）。

多年来，人们已经充分认识到地下水和地下水中存在放射性（Kochowska等人，2004年；Rani等人，2013年）。在这些水中检测到的主要放射性核素是²²⁶Ra和²²²Rn。²²⁶Ra是一种长寿命的α射线发射放射性核素（半衰期：1622年），由铀-238衰变链中的²³⁰Th衰变产生。²²²Rn也是一种α射线发射的稀有气体，作为该衰变系列的中间产物自然产生。氡（²²²Rn）及其母体放射性核素²²⁶Ra属于铀衰变系列，天然存在于环境中。作为稀有气体，氡可以通过多孔介质迁移并溶解在水中（Voltattorni等人，2024年）。氡通过与水接触从岩石和土壤中进入地下水并迅速溶解。地质动力学过程，尤其是地震，会显著影响地下水中氡的迁移模式，使氡成为潜在的应力指示物（D'Alessandro和Vita，2003年）。地震前的区域应力增加可能导致岩石中出现微裂缝，从而导致地下水中氡浓度异常变化（Kuo等人，2010年；Yarar等人，2015年；ülküm等人，2018年）。大量研究表明，监测地下水中的氡水平可以提供有关地震活动的宝贵信息。氡水平的异常变化已被认为是地震的前兆（Noguchi和Wakita，1978年；Teng，1980年；Hauksson，1981年；Igarashi和Wakita，1990年；Kuo等人，2006年；Yal?m等人，2012年）。

详细了解控制地壳中地表水和地下水形成的过程对于理解水系统中放射性的起源至关重要（Khan等人，2024年）。降落到地表的降水在重力作用下向下渗透。当渗透水遇到不透水的地质层时，其向下运动受到阻碍，从而在可渗透的地层中积聚形成地下水储层（含水层）。储存在这些储层中的水是人类使用的重要淡水资源之一（Gebreslassie等人，2025年）。

自古以来，Halkap?nar泉水（在神话中被称为Diana浴场）及其周边地区一直是伊兹密尔最重要的居住区之一（图1a）（?ZSU，2017年）。著名历史学家希罗多德（常被称为“历史之父”）将此地描述为生育女神阿尔忒弥斯（Diana）与宁芙们沐浴的地方。因此，Halkap?nar湖在历史上被称为“Diana浴场”，并在各种神话记载中以此名称出现。自古以来，Halkap?nar泉水一直是伊兹密尔的重要水源。19世纪末，由于城市缺水，一家比利时公司受委托调查新的水资源。1897年，该公司完成了中央蓄水池、泵站、储水容器以及相关管道的建设。Halkap?nar泉水被使用了76年。此后，Halkap?nar湖消失了，该地区安装了新的泵和水处理设施。至今，蓄水池和泵站仍然存在（Kavakdipli，2012年；?ZSU，2017年；Ballar，2019年）。目前，伊兹密尔56%的饮用水来自地下水。位于博尔诺瓦平原的Halkap?nar是主要的地下水来源之一，每年从Halkap?nar井中抽取约3000万立方米的水（Erten，2011年；Ballar，2019年）。

本研究调查了Halkap?nar泉水的放射性和化学特性。根据国家和国际指南，通过放射性和化学参数评估了水质，并探讨了放射性水平与水化学成分之间的关系。

章节摘录

研究区域的地质背景

Halkap?nar地区的水资源对伊兹密尔市的饮用水供应至关重要。伊兹密尔市的主要水源包括地下水和地表水。Halkap?nar水井是伊兹密尔四大主要地下水供应源之一，被用作饮用水。该市约60%的饮用水和用水来自地下水。?ZSU Halkap?nar校区共有25口深水井。

结果与讨论

本研究初步调查了Halkap?nar泉水中²²²Rn和²²⁶Ra的浓度。分析的水样中氡浓度范围为0.3至4.1贝克勒尔每升（Bq/L）。与文献中的数据相比，本研究中的氡浓度值相对较低。Tsunomori和Tanaka（2014年）研究了日本伊豆半岛Nakaizu观测站35年期间的氡浓度变化。研究结果表明

结论

本研究对位于伊兹密尔断层带内的Halkap?nar泉水的物理、化学和放射性特性进行了初步调查。分析了地下水样本中的溶解态²²²Rn和²²⁶Ra活性浓度、主要离子化学成分、稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O）、氚以及周围土壤的自然放射性水平。结果表明，地下水中镭的浓度保持在一个狭窄的范围内，而氡则表现出

参与同意书

不适用。

伦理审批

不适用。

出版同意书

不适用。

资金支持

本研究得到了埃杰大学科学研究项目协调办公室的支持。项目编号：32291。

CRediT作者贡献声明

?layda Sapmaz：研究、方法论、撰写——初稿。Mutlu I?hedef：概念构思、研究、方法论、项目管理、软件开发、可视化、撰写——初稿、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了埃杰大学科学研究项目协调办公室的财政支持。项目编号：32291。埃杰大学核科学研究所与伊兹密尔水务和污水处理管理局（IZSU）签署了协议，使得这项研究得以实施。我们衷心感谢匿名审稿人的宝贵建议，他们的意见使我们的手稿得到了显著改进。