Ponieważ radon powstaje jako produkt rozpadu rodziny uranu 238U i toru 232Th, wielkość jego emisji zależy przede wszystkim od budowy geologicznej, a zwłaszcza od koncentracji uranu i toru w mediach skalnych. Na rysunku 1 przedstawiono trzy główne typy skał.
rys. 1. Trzy główne typy skał (źródło [2])
Głównymi nośnikami uranu i toru w skałach magmowych są minerały akcesoryczne, zwłaszcza monacyt, ksenotym, cyrkon i ortyt. Są to minerały odporne na wietrzenie, stąd też tworzą niekiedy dość bogate nagromadzenia w piaskowcach plażowych i rozsypiskach. W tabeli 1 przedstawiono stężenie radonu w powietrzu glebowym piasków wolnolodowcowych i glin zwałowych.
Parametr statystyczny | Piaski wodnolodowcowe | Gliny zwałowe |
Liczebność zbioru | 18 | 24 |
Średnia arytmetyczna (kBq/m3) | 39,77 | 26,66 |
Mediana (kBq/m3) | 44,31 | 19,36 |
Średnia geom. (kBq/m3) | 32,09 | 3,64 |
Odchylenie std. (kBq/m3) | 20,8 | 33,23 |
Minimum - maksimum (kBq/m3) | 6,17 - 72,14 | 0,1 - 131,47 |
tabela 1. Stężenie radonu w powietrzu glebowym (źródło [9])
Przeważnie ilościowy stosunek Th : U w skałach waha się w granicach 3 - 7 : 1, ale zdarza się, że przewaga toru jest o wiele bardziej zdecydowana. I tak np. prekambryjskie granitoidy platformy wschodnioeurpejskiej, występujące na powierzchni w Szwecji, Finlandii i Karelii mają stosunek toru do uranu wahający się w granicach 50:1 do 100:1. W Polsce skały te występują również (w podłożu krystalicznym NE Polski), z tym, że są pogrążone na znacznej głębokości.
Rozmieszczenie uranu w Polsce przedstawiono na rysunku 2.
rys. 2. Rozmieszczenie uranu w Polsce (źródło Państwowy Instytut Geologiczny)
Najpowszechniejszym mineralem zawierającym uran jest tyamunite, przedstawiony na rysunku 3.
rys.3. Tyamunite - najpowszechniejszy minerał zawierający uran (źródło [2])
Najbardziej uranonośne są kwaśne skały magmowe typu granitoidów, zawierające przeciętnie 3-4 g/t U, ale w świecie znanych jest dziesiątki masywów granitoidowych o zawartościach uranu rzędu kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu g/t U. W Europie przykładami masywów bogatych w uran są masywy granitoidowe Limuzynii (Masyw Centralny) (do 20 g/t U), granitoidy centralnej Szwecji (20 g/t U i 70 g/t Th) i Kornwalii (15 - 20 g/t U). Inne typy skał magmowych, zwłaszcza zasadowe i ultrazasadowe skały magmowe są zdecydowanie uboższe i zawierają poniżej 1 g/t U. Wśród skał osadowych najwyższymi zawartościami uranu wyróżniają się skały ilaste - średnio 3.7 g/t U, a w ich odmianach bogatych w substancję organiczną - łupkach czarnych - zawartości średnie dochodzą do 130 g/t uranu (np. łupki dictyonemowe ordowiku i kambryjskie łupki ałunowe). Zdecydowanie ubogie w uran i tor są skały węglanowe i piaszczyste, aczkolwiek w piaskowcach typu red beds występują złoża uranu zawierające wysokie koncentracje tego metalu, które do niedawna stanowiły najważniejsze źródło uranu pozyskiwanego górniczo (m. in. w USA, Nigrze, Francji, Czechach). W tabeli 2 przedstawiono koncentracje uranu i radu w różnych typach skał.
tabela 2. Koncentracje uranu i radu w skałach (źródło [4])
Na rysunku 3 przedstawiono rozmieszczenie toru w Polsce.
rys. 4. Rozmieszczenie toru w Polsce (źródło Państwowy Instytut Geologiczny)
Tor jest drugim ważnym pierwiastkiem w istotny sposób wpływającym na potencjał radiogeniczny terenu. Pierwiastek ten ma zbliżone właściwości geochemiczne jak uran i ulega nagromadzaniu w podobnych typach skał. Jego koncentracje są przeciętnie kilkakrotnie wyższe od zawartości uranu. W skałach ultrazasadowych i zasadowych tor występuje w ilościach rzędu dziesiątych części g/t, rzadko osiągając 3 -4 g/t. W skałach kwaśnych typu granitoidów, granodiorydów, syenitów występuje w ilościach od 10 do 25 g/t. Średnie zawartości toru w różnych typach litologicznych przedstawiono w tabeli 3.
Turekian i Wadepohl [g/t] | Winogradow [g/t] | |
skały ultrazasadowe (perydotyty, dunity) | 0.004 | 0.004 |
skały zasadowe (bazalty) | 4.0 | 4.0 |
granodioryty | - | 12 |
granitoidy | 8.5 - 17 | 17 |
syenity | 13 | - |
łupki | 12 | 12 |
piaskowce | 1.7 | 1.7 |
węglany | 1.7 | 1.7 |
tabela 3. Średnie zawartości toru w różnych typach litologicznych (źródło [7])
Drugim czynnikiem warunkującym wielkość emisji radonu jest jego możliwość wędrówki i przenikania. Dlatego tektonika jest czynnikiem (uskoki i spękania), który powoduje dalekie wędrówki radonu, jego docieranie do powierzchni terenu, i gromadzenia się w przypadku napotkania pułapek, np. domów.
Ponieważ rad jest produktem rozpadu uranu, więc i rad jest obecny w skałach uranonośnych. Rad rozpadając się emituje radon i cząstkę alfa :
226Ra -> 222Rn + 4alfa
Pozycja atomu radu w ziarnie mineralnym (bliskość
powierzchni ziarna) i kierunek emisji radonu (w kierunku centrum
czy powierzchni ziarna) determinują czy nowopowstały atom radu
dostanie się do przestrzeni porowej pomiędzy ziarnami
mineralnymi. Jeśli atom radu jest położony głęboko wewnątrz
dużego ziarna, wtedy bez względu na kierunek emisji atom radu nie
wydostanie się z ziarna. Nawet jeśli rad znajduje się blisko
powierzchni ziarna, radon może się nie wydostać, jeśli zostanie
wyemitowany w kierunku centrum ziarna. Oczywiście części atomów
radonu udaje się wydostać na zewnątrz ziaren mineralnych.
Siła odrzutu atomu radonu jest dość duża, więc często atom
radonu opuszcza ziarno, przelatuje pustą przestrzeń między
ziarnami i dostaje się do następnego ziarna, gdzie zostaje
uwięziony. Jeśli w przestrzeni porowej znajduje się woda, atom
radonu jest wyhamowywany, więc jego pozostanie w przestrzeni
między ziarnami jest bardziej prawdopodobne. Na rysunku 5
przedstawiono dynamikę produkcji radonu w ziarnie mineralnym.
rys. 5. Rozpadający się rad (żółte koło) emituje radon (czerwony okrąg) (źródło [2])
Dla większości gleb, jedynie 10 do 50 % produkowanego radonu opuszcza ziarna mineralne i dostaje się do przestrzeni porowej między nimi. Większość gleb w USA zawiera 0.33 do 1 pCi radonu na gram i 200 do 2000 pCi radonu na litr powietrza glebowego.
Łatwość i efektywność z jaką radon porusza się w przestrzeni porowej lub uskokach determinują ile radonu dostaje się do budynków. Rodzaj i szybkość ruchu radonu przez gleby zależą od:
rys. 6. Przepuszczalności różnych formacji geologicznych (źródło [2])
rys. 7. Radon przemieszcza się przez uskoki w skałach i przestrzeń porową w glebie (źródło [2])
Radon w wodzie porusza się wolniej niż w powietrzu. Do momentu rozpadu radon przenika (w większości przypadków) nie dalej niż 1 cal (~2.5 cm) w wilgotnych skałach lub glebach i do 6 stóp (~180 cm) w suchych. Poza tym woda porusza się wolniej przez pory w glebie i uskoki w skałach, więc radon zanim się rozpadnie przebywa krótsze dystanse w wilgotnych formacjach geologicznych.
Dlatego budynki położone na wysokoprzepuszczalnych formacjach geologicznych mogą być narażone na wysokie emisje radonu, nawet jeśli zawartość pierwiastków promieniotwórczych w skałach jest niewielka.
Dysponując informacjami na temat:
geolodzy mogą oszacować dla danego terenu geologiczny potencjał radonowy , definiowany jako średnie zagrożenie wysoką emisją radonu do budynków posadowionych na tym terenie. Wykres pozwalający na szacowanie potencjału radonowego przedstawiono na rysunku 8.
rys.8. Geologiczny potencjał radonowy zależny od zawartości uranu oraz przepuszczalności gleby (źródło[1])
Istotne jest stwierdzenie, że potencjał radonowy można jedynie oszacować. Jak widać na rysunkach 9 i 10, nawet na obszarze, gdzie zawartość uranu i toru w skałach jest niewielka mogą wystąpić sprzyjające warunki dla przemieszczania się radonu z głębokich warstw skorupy ziemskiej, co powoduje konieczność sprawdzania wszystkich budynków.
rys.9. Potencjał radonowy może się zmieniać drastycznie nawet na małych odległościach (źródło [2])
rys. 10. Przykład: koncentracja radonu w powietrzu glebowym zmienia się znacznie na obszarze wielkości domu (źródło [8])
Oto przykładowe oszacowanie geologicznego
potencjału radonowego, wykonane przez gelogów z Państwowego
Instytutu Geologicznego: "Wielkość dawki promieniowania gamma
zależy od zawartości radionuklidów naturalnych, w tym przede
wszystkim od zawartości uranu (>4 ppm) i toru (>12 ppm).
Wysoka koncentracja uranu w granicie karkonoskim, brak
słabo przepuszczalnych utworów w nadkładzie, głębokie zwietrzenie
górotworu i obecność licznych stref uskokowych powoduje, że
miasta zlokalizowane w granicach jego wychodni są zagrożone
wysokim ryzykiem radonowym." Źródło [5].
Na rysunku 11 przedstawiono stężenie radu w polskich
glebach, świadczące o uogólnionym potencjale radonowym.
![]() |
|
rys. 11. Stężenie Ra-226 w glebie na obszarze Polski (źródło [7])
Poniżej przedstawiono uogólniony geologiczny potencjał radonowy dla USA.
rys. 12. Uogólniony geologiczny potencjał radonowy dla USA (źródło [3])
Powietrze z radonem obecne w glebach lub skałach wnika do posadowionych na nich budynków przez szczeliny w fundamentach, w ścianach, w spoinach pomiędzy ścianami, poprzez przewody wodociągowe, kanalizacyjne i elektryczne. Na rysunku 13 przedstawiono procentowy udział źródeł radonu wnikającego do budynków.
rys. 13. Radon dostaje się do budynków głownie z powietrzem glebowym (źródło [8])
W tabeli 4 przedstawiono wyniki pomiarów koncentracji radonu w budynkach na Suwalszczyźnie.
Liczba pomiarów | Średnia arytmetyczna (Bq/m3) | Średnia geometryczna (Bq/m3) | Mediana (Bq/m3) | Rozpiętość (Bq/m3) | |
Cały obszar | 97 | 313.2 | 135.1 | 116 | 24 - 7815 |
Piwnice | 43 | 493.9 | 245.5 | 222 | 44 - 7815 |
Parter | 54 | 169.4 | 83.9 | 66 | 24 - 2178 |
Glina (całość) | 68 | 348.9 | 134.6 | 99 | 24 - 7815 |
Piwnica | 29 | 587 | 266.5 | 239 | 44 - 7815 |
Parter | 39 | 171.8 | 81 | 63 | 24 - 2178 |
Żwir (całość) | 29 | 229.6 | 136.2 | 124 | 27 - 1225 |
Piwnice | 14 | 301.1 | 207.1 | 185.5 | 54 - 1225 |
Parter | 15 | 162.9 | 92.1 | 73 | 27 - 1131 |
tabela 4. Stężenia radonu w budynkach na obszarze Suwalszczyzny, z uwzględnieniem podziału ze względu na podłoże glebowe (źródło [9])
Dominującym mechanizmem transportu w większości budynków z podwyższonym poziomem radonu jest wywołany różnicą ciśnień przepływ powietrza z niższego poziomu (rys. 14). Kiedy powietrze ucieka z budynku, pomiędzy wnętrzem, a zewnętrzem budynku jest wywoływana różnica ciśnień. To powoduje wciąganie powietrza do budynku, aby uzupełnić powietrze, które uciekło. Powietrze może być wypychane z budynku przez wentylator lub wskutek unoszenia się cieplejszego powietrza. W przypadku unoszącego się ciepłego powietrza na wyższych piętrach występuje lekkie nadciśnienie, a na niższych piętrach lekkie podciśnienie. W takiej sytuacji powietrze z zewnątrz jest wciągane do niższych partii budynku przez szczeliny w jego konstrukcji. Szacuje się, że 5 do 20 % wciąganego powietrza pochodzi z gleby i zawiera radon.
rys. 14. Różnica ciśnień powoduje, że wnętrze budynku działa jak pompa ssąca (źródło [2])
Nawet jeśli powietrze glebowe nie przepływa do budynku (rzadki przypadek), radon może dostać się do środka wskutek dyfuzji wywołanej gradientem koncentracji (rys. 15). Dyfuzja radonu od wysokich koncentracji w powietrzu glebowym do budynku odbywa się przez:
Dyfuzja z reguły nie jest główną drogą transportu radonu do budynków. Gdyby dyfuzja przez beton i szczeliny i dziury w betonie była jedynym mechanizmem transportu, to typowa płyta betonowa mogłaby zredukować strumień radonu 20 do 50 razy.
rys. 15. Dyfuzja radonu wskutek gradientu jego koncentracji (źródło [8])
Radon rozpuszczony w wodzie źródlanej jest uwalniany, kiedy
woda jest wystawiona na powietrze. W przypadku drążonej studni,
pompowana woda w niewielkim stopniu jest wystawiona na powietrze.
Więc radon pozostanie w wodzie źródlanej do czasu aż się
rozpadnie lub zostanie uwolniony do powietrza. Kiedy mieszkańcy
biorą prysznic lub gotują, radon jest uwalniany (rys. 16). 6000 - 10000 pCi
/ litr radonu w wodzie może dać koncentrację 1 pCi/ litr radonu w
powietrzu. Badania przeprowadzone w Finlandii wykazały, że
średnie stężenia radonu w łazienkach są przeszło 3-krotnie wyższe
niż w kuchniach i 20-krotnie wyższe niż w pokojach
mieszkalnych.
To źródło radonu jest problemem tylko w przypadku korzystania z
niewielkich ujęć wody źródlanej. W przypadku dużych miast i
rozbudowanej sieci wodociągowej, radon rozpuszczony w wodzie ma
wiele okazji do wyparowania, więc woda dostarczana do mieszkań
nie jest w takich przypadkach źródłem zagrożenia radonowego.
rys. 16. Woda źródlana może powodować zagrożenie radonowe (źródło [2])
Niekiedy znaczenie dla obecności radonu ma również rodzaj materiałów używanych do konstrukcji budynków. Przykładowo w Bretanii we Francji używano do konstrukcji domów wiejskich bloków granitowych zawierających podwyższone ilości pierwiastków promieniotwórczych.
Różnice ciśnienia zasysającego radon mogą się zmieniać gwałtownie wskutek:
Z tego powodu pomiary koncentracji radonu powinny trwać minimum 2 dni. Na rysunku 17 przedstawiono wyniki trwających 5 dni pomiarów stężenia radonu.
rys. 17. Zmiany koncentracji radonu w ciągu 5 dni (źródło [8])
Zaobserwowano zmiany poziomu radonu związane z opadami. Gleba nasącza się wodą deszczową, co nie pozwala radonowi dyfundować do atmosfery. Z tego powodu stężenie radonu w glebie wzrasta, a zwiększone ciśnienie wpycha radon do budynków (rys. 18).
rys. 18. Opady powodują zwiększone poziomy radonu (źródło [8])
Wiejący wiatr wytwarza złożony układ ciśnień wokól budynków. Może spowodować nadciśnienie od strony nawietrznej, więc radon będzie wnikać do budynków z tej strony (patrz rys. 19). Dodatkowo, wiatr często wywołuje zasysanie powietrza przez budynki. Dzieje się tak w przypadku, kiedy otwory po zawietrznej budynków i w ich górnej części są większe niż te po nawietrznej. Nawet jeśli otwory są równomiernie rozmieszczone na ścianach, wiatr powoduje globalne podciśnienie w budynkach (więc i zasysanie powietrza glebowego).
rys. 19. Wpływ wiatru na poziom radonu (źródło [8])
Pokrywa śniegowa pokrywająca glebę sprawia, że wpływ podciśnienia rozciąga się na znacznym obszarze wokół budynków i zasysane są znacznie większe ilości powietrza glebowego zawierającego radon (patrz rys. 20).
rys. 20. Wpływ pokrywy śniegowej (źródło [8])
Poniżej przedstawiono zmiany koncentracji radonu w związku z pokrywą śniegową.
rys. 21. Znacznie większe koncentracje radonu w zimie (źródło [8])
Podobny wpływ na stężenia radonu w budynkach mają również inne pokrywy blokujące dyfuzję radonu (np. asfalt przykrywający obszary wokół nich).
"11. Regional Radon Characterizations", by R.
Thomas Peake and R. Randall Schumann, U.S. Geological Survey
Bulletin 1971, str. 173
Dostępne u dr
Wołkowicza (Państwowy Instytut Geologiczny)
"The Geology of Radon", by James K. Otton,
Linda C.S. Gundersen, and R. Randall Schumann, U.S.
Department of the Interior / U.S Geological Survey.
Dostępne na stronie http://sedwww.cr.usgs.gov/radon/georadon.html
U. S. Geological Survey, http://energy.cr.usgs.gov/radon/rnus.html
"Przyczynek do geologii radonu", Andrzej
Pawuła, Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Instytut
Geologii. Materiały konferencyjne Polskiego Towarzystwa Badań
Radiacyjnych im. Marii Skłodowskiej-Curie, Zakopane, 22 - 26
września, 1997.
Dostępne na stronie http://main.amu.edu.pl/%7epawula/PZH1.html
"Pierwiastki promieniotwórcze a problem
zagrożeń radioekologicznych w miastach regionu sudeckiego" -
Ryszard Strzelecki, Stanisław Wołkowicz, Tomasz Nałęcz, str.
1139, Przegląd Geologiczny, grudzień 2002.
Streszczenie dostępne na stronie
http://www.pgi.waw.pl/przeglad_geologiczny/12_2000/str_02.php
"Radiologiczny Atlas Polski 1997" .Biblioteka
Monitoringu Środowiska,J. Jagielak ,
M. Biernacka, J. Henschke, A. Sosińska, Warszawa 1998.
Dostępne na stronie http://www.clor.waw.pl/Z-2/Pol-Mapa.html#Atlas
rozmowa z dr Wołkowiczem (Państwowy Instytut Geologiczny)
"Ocena zagrożenia radonem w wybranych obszarach
Suwalszczyzny", M. Karpińska, S. Wołkowicz, Z. Mnich, M.
Zalewski, K. Mamont-Cieśla, K. Antonowicz.
Dostępne na stronie http://www.ifj.edu.pl/Dept6/lpn/pl/sesjarn/s08.pdf
"Radon - zagrożenie większe niż "Czarnobyl" ", R. Strzelecki, S. Wołkowicz, Przegląd Geologiczny 3/1993.
"How to reduce radon levels in your home...",
United States Environmental Protection Agency.
Dostępne na stronie http://www.epa.gov/docs/iedweb00/radon/pubs/index.html
"Radon measurement Proficiency Course", Midwest
Universities Radon Consortium, Third Edition, 1993
Dostępne u dr
Wołkowicza (Państwowy Instytut Geologiczny)
Podziękowania dla dr Wołkowicza z Państwowego Instytutu Geologicznego za udostępnienie ciekawych pozycji literaturowych, niedostępnych w Internecie.