Geologia radonu

PCI 2002/2003

Strona główna

Zawartość pierwiastków promieniotwórczych w skałach

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])


Wpływ tektoniki na potencjał radonowy terenu

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:

Na rysunkach 6, 7 przedstawiono wpływ budowy geologicznej na szybkość transportu radonu w kierunku powierzchni.

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.


Szacowanie potencjału radonowego

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.

< 20 Bq/kg
15 - 30 Bq/kg
30 - 45 Bq/kg
> 45 Bq/kg [max 85,9Bq/kg]

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])


Wnikanie radonu do budynków

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])

Wyróżniamy cztery źródła radonu w budynkach:

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.


Wpływ czynników środowiskowych

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).



Referencje

  1. "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)

  2. "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

  3. U. S. Geological Survey, http://energy.cr.usgs.gov/radon/rnus.html

  4. "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

  5. "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

  6. "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

  7. rozmowa z dr Wołkowiczem (Państwowy Instytut Geologiczny)

  8. Radon.com

  9. "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

  10. "Radon - zagrożenie większe niż "Czarnobyl" ", R. Strzelecki, S. Wołkowicz, Przegląd Geologiczny 3/1993.

  11. "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

  12. "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.