挪威海“共青团员号”核潜艇沉船遗址底部沉积物中的放射性核素：通量与辐射生态学

《Chemosphere》：Radionuclides in the bottom sediments at the Komsomolets nuclear submarine wreck site (Norwegian Sea): fluxes and radioecology

　　

研究了挪威海深处两个沉积物岩芯中239+240Pu、238Pu、210Pbex、226Ra、232Th、40K的垂直分布。共青团员号沉船遗址的放射性核素水平与区域背景值相当。利用210Pbex和Pu测年得出的沉积速率分别为0.09 ± 0.02和0.08 ± 0.02 cm/年。重建了过去60年间放射性核素的沉积通量。放射生态学评估表明：不会对海洋生物产生潜在的不利影响。

引言

北极海洋环境受到了多种人为放射性核素的来源影响，包括大气层核武器试验产生的全球性沉降、核燃料后处理设施的排放，以及涉及核动力船舶的区域性事故（Vakulovskij等，1985年；Sarkisov等，2015年；Matishov等，2019年）。在挪威海中，最具潜在意义的点源之一是苏联核潜艇K-278"共青团员号"的沉船，该潜艇于1989年4月7日在熊岛西南方约1680米深处因灾难性火灾后沉没（Gladkov等，1994年；H?ibr?ten等，1997年；Gwynn等，2018年）。沉没时，该潜艇搭载一台190兆瓦核反应堆和两枚钚鱼雷，估计反应堆内的放射性核素总量为29拍贝克勒尔（PBq），弹头内还含有16太贝克勒尔（TBq）的239+240Pu（Gladkov等，1994年；H?ibr?ten等，1997年）。

自1990年以来，通过一系列专项研究远征对共青团员号沉船遗址进行了环境监测，但调查并非每年定期执行。这些调查包括对海水中、底部沉积物和海洋生物中放射性核素的测量，旨在评估沉船可能的泄漏及其对周围海洋环境的影响。系列远征已记录到外压舱和内压舱均存在严重的结构损伤，尤其是在鱼雷舱上方，该部位在1994年远征中用钛板密封以减少海水涌入（Yablokov，2001年）。1994年在反应堆舱的通风管内，使用配备伽马能谱仪的深海载人潜水器MIR进行的原位测量记录到137Cs活度浓度约为1 MBq·m?3（Gladkov等，1994年；Gwynn等，2018年）。估计的137Cs释放量从1994年的约500 GBq·年?1降至2007年的约0.1 GBq·年?1，表明源项随时间呈下降趋势（Kazennov，2010年）。以往监测远征期间也对沉船附近的海水进行了检测。对底层水中137Cs和239+240Pu的测量表明，放射性核素活度浓度通常保持在挪威海的典型范围内：137Cs为0.6-3 Bq·m?3，239+240Pu为9-47 mBq·m?3（Kuznetsov等，1993年；Gr?ttheim，1999年；Gwynn等，2018年）。

1993年和1994年在潜艇附近底部沉积物表层（0-2 cm）中检测到了134Cs（0.5-2.2 Bq·kg?1），此外还检测到了137Cs（5.1-22.2 Bq·kg?1），这也提供了反应堆泄漏放射性核素的证据。然而，截至2013年进行的后续测量并未在海水中、沉积物或生物体中发现超过挪威海典型背景水平的放射性核素浓度（Gwynn等，2018年）。

底部沉积物表层（0-2 cm或0-5 cm）中钚同位素含量也得到了测定。在1991-1995年期间，238Pu和239+240Pu的活度浓度变化范围相对较大，分别为43-133和130-1650 mBq·kg?1（Kuznetsov等，1993年；Gr?ttheim，1999年）。根据2013年开展的最新评估（Gwynn等，2018年），潜艇附近底部沉积物上覆0-2 cm层中238Pu的活度浓度范围为7至51 mBq·kg?1，而239+240Pu的范围为20至941 mBq·kg?1。值得注意的是，2013年在距潜艇船体约20米处采集的沉积物中，238Pu/239+240Pu活度比和240Pu/239Pu原子比与全球性沉降和欧洲后处理设施远距运输排放的混合一致（Gwynn等，2018年）。海水测量主要反映采样时的放射性核素水平，而底部沉积物可作为钚等颗粒反应型放射性核素的长期汇，因此可能保存其随时间推移的累积记录。

虽然共青团员号的放射性核素泄漏已被记录在案，但其观察到的环境影响仍然局限于局部和有限范围。1994年在沉船附近采集的部分底栖动物样本中报道了90Sr和137Cs的活度浓度超过背景值，1993年采集的若干棘皮动物样本中检测到了60Co（Kuznetsov等，1996年、1999年；Gwynn等，2018年）。基于模型的评估进一步表明，沉船的巨大深度和泄漏放射性核素的广泛稀释极大地限制了其更广泛的环境后果。H?ibr?ten等（1997年）使用保守的释放和暴露假设得出结论，认为共青团员号的放射性核素泄漏不构成重大放射学危害；随后的模型显示，即使在假设的泄漏情景下，东北大西洋鳕鱼和玉筋鱼的137Cs污染也可忽略不计（Heldal等，2013年）。最近的水动力模型同样表明，沉船泄漏的137Cs迅速被稀释，远离源区的预测浓度接近区域背景水平（Diansky等，2021年）。

海洋沉积物是放射性核素沉降的重要档案，可用于重建历史通量和评估沉积动力学（Tadjiki和Erten，1994年；Gurov等，2025年；Proskurnin等，2025年）。在共青团员号核潜艇沉船区域的挪威海深处，基于210Pb分布的沉积速率估计值差异较大：0.08-0.26 cm/年（Gr?ttheim，1999年；Heldal等，2002年；Gwynn等，2018年）。然而，作者未提供沉积速率时间变异性的数据，地质年代测定仅针对沉积岩芯上覆0-3 cm的部分进行了报告，在该范围内137Cs的活度浓度可被可靠检测到。

尽管已有众多研究，核潜艇共青团员号沉船遗址仍需定期开展放射生态监测，尤其是为明确深海沉积过程在放射性核素归宿中的作用。此外，除了放射性核素研究背景中人为137Cs、238Pu和239+240Pu含量的数据外，还需要评估40K、226Ra和232Th等天然长寿命放射性核素的含量（Isinkaye和Emelue，2015年；Baltas等，2018年；Yakovlev和Puchkov，2020年；Yakovlev等，2023年）。沉积速率的定量估计对于将放射性核素活度剖面转换为质量积累速率以及重建时间分辨的放射性核素海底通量至关重要。潜艇周围的放射性核素含量野外数据对于参数化和验证模型预测未来泄漏事件中海水环境中有毒物质输运同样不可或缺（Diansky等，2021年）。应特别关注钚同位素238Pu和239+240Pu，既因它们是潜艇上载有的有害物质，也因它们可作为沉积过程示踪剂的应用。我们假设，区域放射性输入和沉积过程，而非共青团员号沉船可检测的局部贡献，是控制所研究沉积物中放射性核素累积的主要因素。相应地，沉船贡献的钚预计会在沉船遗址站相对于参考站产生独特的垂直或同位素特征。为验证此假设并评估所研究沉积物的放射学状况，本研究旨在表征底部沉积物中天然和人为放射性核素的垂直分布，重建沉积速率、质量积累速率和放射性核素通量，评估钚同位素的潜在来源，并对所研究的挪威海深海沉积物进行筛查级别的放射学评估。

分节摘要

采样

采样工作于2017年7月在挪威海开展，利用"米斯里夫·凯尔迪什院士号"（R/V Akademik Mstislav Keldysh）第68次航次完成。沉积物岩芯使用配备内径100毫米采样管的"Mini Muc K/MT 410"多管沉积物采样器（德国制造）采集，每管对应的沉积物表面积为78.5 cm2。岩芯分别在共青团员号沉没核潜艇遗址（站位1，水深1678米）和参考站位（站位2，水深1681米）采集（图1）。

站位2位于共青团员号沉船遗址以北约60公里处，该站位远离沉船，用于作为背景参考。

共青团员号沉船遗址和参考站位沉积物中放射性核素的垂直分布

底部沉积物样本的元数据及所研究各同位素在每个沉积层中的活度浓度见表S1。站位1和站位2沉积物岩芯中放射性核素的垂直分布见图2。137Cs活度浓度仅在站位2的0-0.5 cm层中被可靠检测到，达到3 ± 1 Bq·kg?1。在所有其他样本中，137Cs含量低于检测限（< 1 Bq·kg?1）。

沉积物中钚的垂直分布

结论

所研究的深海沉积物中人为和天然放射性核素的垂直分布呈现明显的模式差异。239+240Pu和238Pu的活度浓度在表层最高，随深度增加而降低，而天然放射性核素226Ra、232Th和40K在整个岩芯中分布相对均匀，仅随深度有轻微变化。人为和天然放射性核素的活度浓度在站位1处总体上较高

CRediT作者贡献声明
Artem Paraskiv：撰写——原稿，可视化，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念构思。Vladislav Proskurnin：撰写——审阅与编辑，调查，数据整理。Nataliya Tereshchenko：撰写——审阅与编辑，概念构思。Maksim Vakhrushev：撰写——审阅与编辑，调查。Dmitrii Kremenchutskii：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，数据整理。

资助
本研究由俄罗斯科学基金会资助，基金编号为25-27-00116"巴伦支海和挪威海沉积物中钚同位素表面和垂直分布规律"，https://rscf.ru/project/25-27-00116/

利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
我们对"米斯里夫·凯尔迪什院士号"第68次航次期间船员提供的卓越支持表示感谢。我们衷心感谢P.P. Shirshov海洋研究所的Marina Kravchishina和Alexander Navigatskii提供的参与远征的机会以及野外工作中对样本采集的协助。伽马发射放射性核素活度测量工作由"海洋研究"共用中心完成。

Artem Paraskiv | Vladislav Proskurnin | Nataliya Tereshchenko | Maksim Vakhrushev | Dmitrii Kremenchutskii