Основы метода оценки радоноопасности территорий по геолого-физическим свойствам пород

Известно, что радон и его дочерние продукты распада являются наиболее значимой причиной естественного облучения населения. Наличие больших концентраций радона в жилых или производственных помещениях увеличивает риск возникновения онкологических заболеваний. В Российской Федерации при проведении радиационно-экологических исследований измеряют плотность потока радона (ППР) на земной поверхности. Например, территория, предназначенная для жилой застройки, считается радоноопасной, если 20% и более результатов измерений плотности потока радона превышают критическое значение, равное 80 мБк∙м-2∙с-1 [1]. В этом случае при проектировании строительства зданий предусматриваются меры противорадоновой защиты, что удорожает строительство. Однако, данный способ подвергается критике [2], так как не позволяет получить достоверные оценки радоноопасности территорий по двум причинам. Во-первых, геолого-физические характеристики пород на земной поверхности, как правило, существенно отличаются от свойств подстилающих пород, залегающих в основании фундамента на глубинах 1 м … 5 м. Данный недостаток учтен при разработке методики оценки радоноопасности территорий, основанной на расчете ППР с использованием диффузионной модели и данных о коэффициентах диффузии и эманирования радона в грунтах, расположенных в основании фундамента [3]. Однако, в данной методике при расчете плотности потока радона предлагается использовать значения коэффициентов диффузии и эманирования, полученные в лабораторных условиях для ограниченного числа пород. Хорошо известно, что значения этих коэффициентов для пород в естественном залегании значительно отличаются от значений, полученных в лабораторных условиях, когда в процессе пробоподготовки пород к измерениям изменяется их структура и влажность [4-8]. Во-вторых, результаты измерения ППР характеризуются сравнительно высокой вариабельностью, обусловленной влиянием погодных условий [9, 10] и неоднородностью подстилающих пород [11- 14]. Изучению влияния погодных условий посвящено немало работ, однако выводы о зависимости значений ППР от атмосферного давления и температуры
5
неоднозначны [9, 10, 15-17]. Не удалось найти работы, в которых были бы представлены качественные зависимости ППР от количества осадков.
Обзор иностранной литературы показывает, что и за рубежом оценка радоноопасности территорий является до сих пор нерешенной до конца задачей. Из-за сравнительно высоких вариаций результатов измерений плотность потока радона при проведении оценок радоноопасности за рубежом не используют. Обычно измеряют объемную активность радона в почвенном воздухе (далее поровая активность) на глубинах 0,8 м … 1 м [18]. Однако по величине поровой активности на таких глубинах нельзя оценить количество радона, выделяющего с поверхности породы (что и представляет основной интерес). Это количество зависит не только от интенсивности выделения радона из твердых частиц пород, но и от способности радона мигрировать к поверхности. В связи с этим во многих странах наряду с измерениями поровой активности радона стали измерять газопроницаемость поверхностных пород. Затем по измеренным значениям поровой активности и газопроницаемости рассчитывают радоновый потенциал, по которому классифицируют территорию по степени радоноопасности. Однако, газопроницаемость поверхностных пород, как и плотность потока радона, характеризуется высокой вариабельностью. Кроме того, газопроницаемость поверхностных грунтов отличается от газопроницаемости плотных пород ̧ залегающих в основании фундаментов зданий. Следует отметить ̧ что такой способ оценки является трудоемким и дорогостоящим. Для уменьшения объема работ при определении радоноопасности территорий в последние годы за рубежом возникла идея построения карт потенциальной радоноопасности. Предназначение таких карт заключается в классификации территорий по степени радоновых рисков. Предполагается, что на территориях с низкой радоноопасностью измерения можно не проводить, либо существенно уменьшить их объем. Однако, до сих пор не решена проблема выбора используемых для построения карт параметров, которые обеспечили бы высокую вероятность получаемых оценок. Кроме того, измерения большинства параметров также проводят на земной поверхности или в верхних слоях пород.

6
Безусловно, концентрации радона в помещениях зависят не только от его количества, выделяющегося из пород. Существует множество и других факторов, в том числе архитектурные особенности строения, а также образ жизни и привычки населения. Однако, необходимо подчеркнуть, что основным источником радона все-таки является подстилающие фундамент здания породы. К настоящему времени в научной литературе отсутствуют данные о количестве радона, выделяющегося с поверхности пород разных типов. Не обсуждаются вопросы о том, какие физические свойства пород оказывают наиболее сильное влияние на выход радона с их поверхности. Не проведено сравнение результатов измерения ППР разными методами.
Объектом исследования являются плотность потока радона и подстилающие горные породы.
Предметом исследования является выход радона с поверхности подстилающих горных пород при разных природно-климатических условиях.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является разработка основ метода оценки радоноопасности территорий по геолого-физическим свойствам пород, позволяющего получать достоверные результаты при минимальных затратах. В соответствии с общей целью работы в диссертации поставлены следующие основные задачи:
1. Провести анализ существующих подходов к проблеме оценки радоноопасности территорий.
2. Сделать обзор литературы по классификации и геолого-физическим свойствам пород.
3. Организовать экспедиции в районы с разным типом подстилающих горных пород.
4. Провести измерения плотности потока радона на поверхности пород разного типа при разных погодных условиях методами накопительных камер и угольных адсорберов.
5. Отобрать образцы пород и определить их геолого-физические свойства.

7
6. Проанализировать результаты измерения плотности потока радона с точки зрения влияния погодных условий и геолого-физических свойств горных пород.
Научная новизна.
1. Показано, что основным фактором, определяющим количество выделяющегося с поверхности радона, является тип породы.
2. Показано, что на выход радона с поверхности рыхлых осадочных пород наибольшее влияние оказывает их дисперсный и вещественный состав, влагоемкостные свойства и способ упаковки зерен, а также наличие разломов и глубоких трещин в подстилающих коренных породах.
3. Показано, что для условий естественного залегания дисперсных осадочных пород значимая зависимость между плотностью потока радона и влажностью и полной пористостью отсутствует.
4. Показано, что основным параметром состояния атмосферы, влияющим на результаты измерения плотности потока радона на поверхности подстилающих горных пород, является количество осадков, выпавших накануне измерений.
5. Показано, что для измерений плотности потока радона предпочтителен метод угольных адсорберов, так как он обеспечивает более достоверные результаты при однократных измерениях.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. При проектировании зданий вопрос о необходимости осуществления мер о противорадоновой защите решается на основе предпроектной оценки радоноопасности территорий застройки. В Российской Федерации предпроектная оценка радоноопасности территорий застройки проводится на основе измерений плотности потока радона на земной поверхности. Однако данный способ подвергается критике, так как количество радона, выделяющегося на земной поверхности, как правило, существенно отличается для пород, залегающих в основании фундамента зданий.
2. В работе показано, что основными факторами, определяющими количество выделяющегося радона, является тип породы и ее основные

8
геофизические свойства, которые определяются при проведении предпроектных инженерно-изыскательских работ на участке застройки. По итогам проведенных исследований предлагается новый подход к решению задачи радоноопасности территорий застройки, основанный на использовании имеющейся у проектно- строительных организаций базы данных о типах и свойствах горных пород, залегающих в основании фундамента зданий. Предлагаемый подход позволяет снизить финансовые, материальные и трудовые затраты на проведение оценок радоноопасности территорий застройки.
3. При отсутствии разломов и трещин в коренных породах оценку радоноопасности участка застройки для наиболее распространённых рыхлых осадочных пород – суглинков и глин можно не проводить.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Основным фактором, определяющим количество выделяющегося с поверхности радона, является тип породы. Средние значения плотности потока радона на поверхности различных видов распространенных в природе дисперсных осадочных пород – суглинков, супесей, глин, обломочных пород не превышают 200 мБк∙м-2∙с-1; для плотных скальных пород достигают 800 мБк∙м-2∙с-1.
2. На выход радона с поверхности рыхлых осадочных пород наибольшее влияние оказывает их дисперсный и вещественный состав, влагоемкостные свойства и способ упаковки зерен, а также наличие разломов и глубоких трещин в подстилающих коренных породах.
3. Для дисперсных осадочных пород в природном залегании значимого влияния естественной влажности и полной пористости на плотность потока радона не обнаружено.
4. Выход радона с поверхности исследованных пород не коррелирует с содержанием радия-226, что обусловлено влиянием дисперсного и вещественного состава пород, погодных условий, которые оказывают комплексное и разнонаправленное воздействие на процессы эманации и диффузии радона в породах и нивелирующих вклад удельной активности радия в количество выделяющегося радона.

9
5. В работе предлагается новый подход к решению задачи радоноопасности территорий застройки, основанный на использовании имеющейся у проектно-строительных организаций базы данных о типах и свойствах горных пород, залегающих в основании фундамента зданий. Предлагаемый подход позволяет снизить финансовые, материальные и трудовые затраты на проведение оценок радоноопасности территорий застройки.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием статистических методов обработки результатов измерения и современных программных пакетов, а также современной и поверенной в аккредитованной лаборатории аппаратуры для измерения плотности потока радона и удельной активности радия, согласием результатов измерений, полученных разными методами, а также отсутствием противоречий с результатами, представленными в научной литературе.
Апробация.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих научных мероприятиях:
1) 9th International Topical Meeting on Industrial Radiation and Radioisotope Measurement Applications: Book of Abstracts, Valencia, July 6-11, 2014. – Valencia
2) 54-я Международная научная студенческая конференция: материалы, Новосибирск, 16-20 Апреля 2016. – Новосибирск: НГУ, 2016
3) 55-я Международная научная студенческая конференция: материалы, Новосибирск, 16-20 Апреля 2017. – Новосибирск: НГУ, 2017
4) IX Международная научно-практическая конференция, посвященная 50- летию исследовательского ядерного реактора ТПУ, Томск, 21-22 Сентября 2017
5) 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects, Tomsk, September 16-22, 2018

10
6) XIII Международная школа молодых ученых им. А.Г. Колесника, посвященная 140-летию Томского государственного университета, Томск, 9-16 Сентября 2018
7) 10-ая Международная научно-практическая конференция «Физико- технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров», Томск, 9-11 Сентября 2020
8) 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE), Tomsk, September 14-26, 2020
Личный вклад.
Личный вклад автора состоит в выборе методов исследований, проведении экспериментальных исследований, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке научных публикаций по теме исследования. Постановка цели и задач исследования, анализ полученных результатов проведены совместно с научным руководителем. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад соавторов в основные публикации не превышал 50% от общего объема работы.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них публикации в изданиях, индексируемых базами Scopus и Web of Science – 5; публикации, включенные в список ВАК – 2; статьи; патенты – 1. Исследование поддержано грантом РФФИ «Аспиранты 2019».
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 77 библиографических ссылок. Общий объем диссертации составляет 111 страниц и включает 34 рисунка, 12 таблиц и 4 Приложения.