花崗巖氡析出影響因素研究進展

龍淑琴，謝焱石，譚凱旋，張明華，單 健，王 升

(南華大學資源環境與安全工程學院 稀有金屬礦產開發與廢物地質處置技術湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

花崗巖作為地殼中分布最廣泛的巖石，常用作建筑材料和各類地下工程中，因其相對富含鈾釷等放射性元素，氡析出對人類生產生活環境的輻射影響受到廣泛關注，不少學者對其氡析出情況和危害進行了研究[1-7]。關于氡危害的研究一般主要關注鈾系的222Rn，本文中所提及的氡皆指222Rn。

氡的析出一般被認為是α反沖和擴散-滲流共同作用的結果，而氡析出率能很好地反映氡的析出情況，是評價居室和地下工程內部氡濃度水平和控制氡濃度污染的重要參數，但受射氣介質固有性質和外在因素的影響而表現復雜。在花崗巖氡析出中鐳活度被認為是重要的影響因素，但眾多國內外學者研究發現實際情況更為復雜，其他因素也對花崗巖氡析出有重要的影響[8-12]。由于影響因素復雜，而其釋放的氡與人體健康又有著密不可分的聯系。因此，本文結合前人研究進行梳理總結，從巖石自身特性方面對各影響因素進行詳細闡述和討論，更好地了解花崗巖氡析出的影響因素，對進一步掌握氡的析出規律以及人居環境和地下工程的氡防護提供重要的參考。

1 巖石原生特性對氡析出的影響

1.1 巖石化學成分

1.1.1鐳活度

氡為鐳的衰變產物，從其產生的衰變鏈看氡析出應與鐳活度有密切聯系，理論上存在預期的相關性。實際上，大量研究表明它們之間確實存在線性相關關系。如Al-Jarallah等[13]研究沙特阿拉伯地區的205個建筑材料樣品，結果發現氡析出量與鐳活度表現為線性相關，相關系數為0.90。而其他學者對黎巴嫩、塞爾維亞、伊朗、沙特阿拉伯等市場上的花崗巖進行測量分析后得到同樣的結果，氡析出率和鐳活度同樣表現出線性相關，相關系數分別為1、0.886 7、0.9和0.92[4，14-16]。此外，Harb等[17]對花崗巖、大理巖和石灰巖三種巖石類型的鐳活度和氡質量析出率關系進行研究，結果顯示三種巖石都表現出預期的線性關系，相關系數均為1。

從上述文獻可看出，鐳活度和氡析出率的相關系數最低為0.886 7，基本保持在0.9以上，這表明鐳活度和氡析出率之間存在線性相關關系，并證實鐳活度為影響氡析出的一個重要因素，同時也為依據鐳活度來推斷氡析出情況提供了強有力的證據。

1.1.2鈾含量

從氡產生的衰變鏈來看，鈾作為氡產生衰變鏈上的最初母體，其含量多少對氡析出也起著重要的作用。而它們的關系在一些學者的研究中也有所提及，如El-dine等[18]對花崗巖樣品的測量分析結果顯示鈾活度濃度與氡析出率表現出線性相關，相關系數為1。Singh等[19]對從哈里亞納邦的圖沙姆環雜巖采集的花崗巖進行測量分析，結果表明鈾含量和氡析出率為線性相關，相關系數為0.7。此外，不少學者在對室內氡濃度進行測量時也發現，鈾含量較高地區對應的室內氡濃度也表現的更高[20-23]，這種現象也間接說明了氡析出率與鈾含量之間的線性相關，不過較鐳活度而言其相關系數更低。這可能與鈾衰變到氡之間經歷的一系列其他衰變和影響過程有關，文章稍后將進一步闡述。

1.2 巖石礦物成分

礦物成分為花崗巖組成的基本單元，研究發現花崗巖的氡析出可能與之相關[24-25]。比如，有學者發現石英作為花崗巖主要造巖礦物具有較高的氡析出系數，但對整體氡析出的貢獻率表現較低[26-27]，主要原因在于貢獻率不僅取決于氡析出系數，還與礦物含量及鐳活度有關，而石英放射性元素含量相對較少。Akihiro等[26]發現白云母和針鐵礦有較高的氡析出貢獻率，可能與它們的高鐳活度有關。Tkaczyk等[28]在對愛沙尼亞海岸的黑沙樣品進行研究時發現，石英含量與鐳活度為弱負線性相關(R2= -0.12)，但它與氡析出率之間卻表現出強負線性相關(R2= -0.65)；而長石含量與鐳活度為強正線性相關(R2= 0.6)，與氡析出率則表現出很強的正線性相關(R2=0.84)；鋯石含量與鐳活度具有很強的正線性相關(R2=0.8)，與氡析出率只是強線性相關(R2=0.61)。盡管以上研究結論不全來自于花崗巖樣品，但結合關于石英、長石、白云母和針鐵礦的研究結果也可看出，不同礦物對花崗巖氡析出的貢獻率存在差異，并主要取決于放射性元素含量，同時也受礦物其它性質的影響。比如Ball等人[29]提到一些鈾含量高的花崗巖表現出較低的氡析出水平，有些甚至可能在衰變過程中不釋放氡。Gomes等[20]在研究中發現當鈾存在于重副礦物中，而重副礦物被完整的石英包裹時氡析出率較低，因其衰變產生的氡無法釋放到礦物外部成為自由氡，從而減少了氡的析出。Moura等[30]在調查研究中發現結晶巖石中大部分鈾結合到如獨居石、鋯石等副礦物中，致使鈾不容易遷移，但如果賦存于長石等抗風化能力較弱的礦物時，隨著風化過程的演化長石不斷崩解將利于鈾遷移并促進氡析出。因此，當鈾賦存于礦物內時，巖石中氡的釋放很大程度上受鈾鐳所在的礦物成分控制。

目前關于花崗巖礦物對氡析出率的具體影響機制的研究還比較少，主要影響礦物還有待進一步研究，除白云母、針鐵礦和長石外，其他礦物的影響還有待進一步確定。此外，關于這些礦物的影響方式，除放射性元素含量及其賦存形式外，還有哪些礦物性質會產生影響，以及它們對氡析出的影響程度，這都是未來礦物成分對花崗巖氡析出影響研究的方向。

1.3 巖石成因類型

花崗巖按其成因可以分為很多類型，如按照物質來源可分為M型、I型、S型和A型，按照構造背景可分為島弧造山帶、活動大陸邊緣、大陸碰撞帶、陸內造山帶以及大陸裂谷帶等多種類型。不同構造背景或者物質來源的花崗巖具有不同的礦物及化學組成，從而具有不同的氡析出特征。研究發現弗里登堡的I型花崗巖組產生的室內氡濃度相較沙爾丹哈的熔結泥灰巖更高，分析其原因主要在于該地區I型花崗巖鈾濃度較高[22-23]。Singh等[19]發現高溫花崗巖的鈾含量較高，在一定程度上也影響著巖石的氡析出。而對于花崗巖表現出的高水平鈾，普遍認為受到巖石成因的特點以及相關構造環境的影響，與地幔相比地殼來源的巖石放射性核素含量更高。這在一些研究中得到了驗證，如Moura 等[30]在研究巴西火成巖石材的天然放射性時，發現過鋁質地殼等巖石類型氡析出率相對較高，總體上隨著巖漿過程的演化氡析出率有增加的趨勢。不同構造背景或者物質來源的花崗巖很可能因不同放射性核素濃度而影響氡的析出。

2 巖石次生變化對氡析出的影響

由前文可知，巖石原生特性對氡析出起著非常重要的作用，但巖石原生特性會受到后期風化和蝕變過程的影響，Hellmuth 等[31]在研究擾動、蝕變和新鮮等幾種類型巖石的氡析出時發現，受蝕變和風化過程影響的花崗巖氡析出率明顯高于受爆破擾動的巖石和新鮮巖石。此外，Domingos 等[32]針對蝕變過程進行了具體研究，結果也證實了蝕變過程對氡析出影響的重要性。因此，除巖石原生特性外，下面就次生作用對花崗巖特性的改變方面進行探討，闡述巖石次生變化對氡析出的影響。

2.1 放射性核素的分布

2.1.1鈾的賦存形式

一般情況，巖石中的鈾大多賦存于副礦物當中，也有一些以分散形式賦存于造巖礦物或礦物裂隙中。Amaral[33]發現當鈾賦存巖石裂隙時表現出更高的氡析出率，并證實鈾在巖石中的賦存形式是氡析出的一個重要影響因素。巖石中的鈾雖大多分布在礦物內部，但在風化或蝕變過程影響下會發生遷移，甚至發生鈾富集[34-35]。研究發現風化過程使得鈾更容易富集在裂隙、顆粒邊界以及其他孔隙中[31]。Morawska等[36]在利用放射自顯影圖研究二云母花崗巖中鈾原子的位置時發現，大多數鈾存在于微裂隙和蝕變部位的晶界上。Pereira等[37]對花崗巖放射性進行測量時觀察到一些裂隙中出現輕微鈾富集，分析顯示受風化或蝕變過程影響鈾會遷移到裂隙中，并使得花崗巖的氡析出有所增加。研究巖石和礦物氣體泄漏機制的學者發現，巖石中的高氡析出主要是因為鈾和鐳這些放射性母體沿晶界和微裂隙分布，這更有利于氡的快速逃逸[38]。風化和蝕變過程會致使鈾遷移而影響氡析出，一些研究中熱液蝕變甚至表現為氡析出顯著增加的主要原因，但鈾的遷移過程復雜，最終還取決于它在巖石中的賦存形式[32]。

2.1.2鐳的賦存形式

鐳的賦存形式與鈾有著較強的聯系，一部分存在于鈾礦物中，而不同于鈾的是受到風化影響時鐳在氧化條件下活動性較低，放射性核素被釋放出來之后，鈾表現為高活性可自由遷移，而鐳仍留在原地，相比之下鐳比鈾更容易被吸附在礦物表面[39-40]。如Ek等[41]研究瑞士的兩個冰河沙堆，由放射性花崗巖碎屑形成的冰河沙堆，其226Ra和238U表現出高度放射性不平衡，因為風化過程使得226Ra從原生礦物中被釋放出來并吸附在礦物顆粒表面，238U在風化過程中容易被氧化成六價態，并以可溶性鈾酰離子或可溶性復合物的形式被過濾水浸出。有學者對孔隙系統中鐳的賦存形式對氡析出的影響進行了模擬實驗，用混凝土制備了兩種人工基質，一種是把鐳添加到水中溶解，另一種是將破碎的鈾礦石添加到水泥中，結果表明，第一種基質中的氡析出率更高，因為在鐳分布均勻的情況下，鐳元素固定在孔隙表面，而鈾礦石顆粒被不含放射性核素的水泥包裹從而阻礙了氡的析出[31]。這種浸染在水泥基質中的鐳分布模式被認為與強風化結晶巖石的情況是類似的，通過對比兩種浸染方式可以得到風化程度的強弱會對氡析出效果的影響。

2.2 礦物顆粒大小

風化過程會使巖石或者礦物顆粒逐漸變小，比表面積增大，研究發現顆粒比表面積增大會導致氡析出增加[24,26,42]。一方面巖石或礦物顆粒變小能夠更好地幫助內部的氡釋放，從而提高氡的析出。此外，隨著比表面積的增大，離子交換容量越大，吸附能力增強，更多的鐳在顆粒表面富集從而增加了巖石的氡析出。如Megumi等[43]實驗發現風化使花崗巖中的鐳從原生礦物中去除而吸附在礦物表面，主要分布在較細的粒徑部分。Efstathiou等[44]和Harb等[17]就顆粒粒度與花崗巖樣品氡析出的關系進行研究，實驗結果顯示花崗巖氡析出與粒徑之間呈反比關系，并且在Harb等的實驗中花崗巖氡析出和粒徑之間的反比關系表現的比大理巖和石灰巖都強。

但氡析出也并非簡單地隨著粒度變小而增加，Funtua等[45]研究發現當富含放射性核素的礦物集中在粗顆粒中時，氡的相對活度會隨粒度增大而增加。此外，有研究發現氡析出與比表面積不呈反比關系的現象，主要出現在混合化合物(如巖石和土壤)制成的測量樣品中，因礦物抗風化能力不同，細粒級的土壤礦物組成可能與粗粒級有很大不同，不同礦物的氡射氣分數也存在差異，對于這類樣品將其分為不同粒度進行研究不具參考作用[26,46-47]。關于粒度對氡析出的影響，有學者認為在巖石樣品中并不適用，因為土壤受風化作用后顆粒比表面積會增大，導致鐳原子在表面富集，而在巖石樣品中鐳在顆粒表面和內部均有分布，因此認為裂隙和顆粒形狀等因素可能更為重要[40]。

2.3 巖石微裂隙

與其他射氣材料相比，巖石自身孔隙率更低，這會影響氡原子從礦物內逃離，以及自由氡從介質內擴散到環境中，使得氡析出受到阻礙。而風化過程使巖石成巖時形成的微裂隙繼續發展成新裂隙，最后相互連通成為裂隙網絡，巖石孔隙率提高。巖石裂隙對氡析出的影響主要表現在兩方面：一方面裂隙產生增加巖石內表面積，巖石或礦物內氡的逃逸機率提高[48]；另一方面氡的壽命和擴散距離有限，當晶粒表面產生的原子被困在孔隙空間內或被微裂隙的自由內表面吸附時，才能從巖石釋放到周圍的介質中，裂隙的產生能為氡析出提供所需的通道和貯存空間。研究發現巖石或礦物內部開放、連通的微裂隙網絡使得巖石孔隙率和滲透性都有所提高，導致氡析出能力增大，氡釋放增加[31,39,44,49-52]。值得注意的是Pereira等[53]在研究中發現巖石孔隙率提高會使得氡析出率增加，而其中孔隙率的影響作用比鐳活度表現的更為顯著。從Nicolas等[54]的實驗結果看，裂隙的產生能提高氡析出率的原因主要為第二方面，即裂隙通過作為析出通道影響氡析出。

3 總結和討論

本文從巖石的原生特性和次生變化兩方面對花崗巖的氡析出進行綜述，發現花崗巖的氡析出與巖石化學成分、礦物成分和成因類型等原生特性以及次生風化和蝕變導致的放射性核素分布、礦物顆粒大小以及微裂隙等因素密切相關。

巖石原生特性方面，作為氡產生衰變鏈上的母體，鈾、鐳活度與花崗巖氡析出之間表現出線性相關，尤其是鐳活度可做為預測氡析出的一個重要指標。此外，學者發現花崗巖礦物成分對氡析出也有影響，除了與放射性元素含量有關之外，其他具體影響機制還需進一步研究，可能與鈾、鐳等放射性元素在巖石中的賦存形式密切相關。巖石原生特性的影響除巖石的化學和礦物成分外，巖石構造背景或物質來源同樣與氡析出有關，如殼源成因的花崗巖具有較高的氡析出率。

花崗巖自身特性對氡析出雖有影響，但會在風化和蝕變等后期作用中發生變化，花崗巖的次生特性對氡析出具有不可忽視的作用，主要包括放射性核素的分布、礦物顆粒的大小以及巖石微裂隙等幾個方面。從放射性核素的分布來說，風化和蝕變過程容易使鈾和鐳從礦物內部釋放出來，并被顆粒表面吸附或遷移到巖石裂隙中，從而提高花崗巖的氡析出率。鈾鐳在表生環境下的地球化學行為表現不同，最終導致鈾含量與氡析出的關系比鐳更為復雜。此外風化過程中顆粒逐漸變小有利于氡的析出。一方面巖石或者礦物顆粒逐漸變小，使得鈾鐳更易從巖石或礦物內部逃逸，另一方面比表面積增大，顆粒對鐳鈾的吸附能力增強，最終導致巖石氡析出率提高。最后，裂隙的擴展與發育是風化作用下巖石較顯著的變化特征，同樣是氡析出的有利條件。對氡析出的影響主要表現在兩個方面：一方面裂隙的產生導致巖石內表面積增加，巖石或礦物內氡的逃逸機率隨著提高，另一方面巖石的孔隙率增加，為氡的析出提供通道，兩方面均有助于巖石中氡的析出。但目前關于裂隙的研究多注重于宏觀層面和定性方面，微裂隙對氡析出的影響以及它們之間的定量研究相對較少，還需進一步研究。

綜上所述，從影響花崗巖氡析出的各種內在因素看，巖石原生特性對氡析出有重要影響，后期的風化和蝕變過程對氡析出的影響更值得關注，這種次生變化將從諸多方面改變巖石化學、礦物成分和結構構造，使得巖石中的氡析出變得更為復雜。因此，未來需要系統研究并定量描述巖石化學、礦物成分和次生變化對氡析出的影響，并據此建立合理有效的巖石氡析出模型，幫助全面地了解巖石中氡析出規律，為地下工程及人居環境的氡防護提供理論依據。