北京西山地區巖溶洞穴氡濃度研究

張曉亮，呂金波，張 磊，張悅澤，白凌燕，劉振華

（北京市地質調查研究院，北京 102206）

北京西山地區巖溶洞穴氡濃度研究

張曉亮，呂金波，張 磊，張悅澤，白凌燕，劉振華

（北京市地質調查研究院，北京 102206）

對北京西山某巖溶洞穴1至4層進行了氡濃度測量，研究洞穴中氡濃度的變化特征，從時間和空間兩個方面探討其變化規律及其對人身體的危害。研究結果表明，天然溶洞在不同深度位置，氡濃度存在明顯差異，隨著深度的增加，氡濃度呈現線性的增長特征；溶洞內氡濃度在7、8、9月相對較高,平均濃度6123Bq/m3，10、11、12月氡濃度較低，平均濃度2784Bq/m3，呈現出季節性的變化特征，即夏季高而冬季低；溶洞內由氡及其子體所產生的年平均內照射劑量約為566 mSv·a-1，超出國家規定公眾年有效劑量的安全范圍。建議對已經對公眾開放的天然溶洞，進行氡濃度檢測，采取有效的防氡降氡措施，減少氡及其子體的輻射，對人身體所產生的危害。

氡；氡子體；巖溶洞穴；北京西山；內照射

0 前言

在人類的生活環境中，氡是唯一能夠接觸到的天然放射性氣體，它是一種無色、無味，化學性質極不活潑的惰性氣體（秦宗會等，2011；廖麗霞等，2010）。世界衛生組織將氡列為19種人類重要的致癌物之一（唐方東等，2010）。人體長時間吸入高劑量的氡氣，會增加罹患肺癌、白血病及其他呼吸系統疾病的幾率（童建，2009）。由于喀斯特洞穴地質環境的特殊性，容易產生氡的富集（屈雅齋等，2009）。

巖溶洞穴氡的研究是一個新的研究領域。國外巖溶洞穴氡濃度的研究始于1967年，直到70年代中期才由Willkening和Watking等人系統研究（Quinn，1978；Gunn et al，1991）。目前國內研究并不多。最早有觀測記錄的就是石花洞（林蓮卿等，1992），1997年呂金波通過對北京石花洞氡濃度的測定，發現石花洞的氡濃度比廣西巖溶洞穴的氡濃度要高，但與其周圍的銀狐洞、云水洞和國外洞穴相比較低；2012年子濤等人對于喀斯特洞穴氡的形成機理、喀斯特洞穴氡測量標準的制定及有效劑量的估算、喀斯特洞穴氡的防治技術及員工的健康管理等方面進行了探討；2013年覃國秀對我國南方多處溶洞進行了氡濃度調查，結果表明，我國許多旅游溶洞中，氡及子體濃度偏高，存在著嚴重的氡及其子體污染問題。2014年張曉亮等在北京西山和北山采集了大量巖石樣品，進行核素測試，為研究氡的母體提供了可靠資料。

隨著喀斯特洞穴旅游開發，與氡接觸的人越來越多，健康風險越來越大。因此，加強天然溶洞內氡的研究，對于保證人們的身體鍵康，促進溶洞旅游事業的發展具有重要的意義（謝潤楠，2015；廉國斌等，2014；盧新衛，2014；孫全富等，2005；田麗霞，2006）。

1 地質概況

北京西山屬太行山脈，東鄰華北平原，北鄰近東西向的燕山山脈。發育髫髻山向斜、九龍山向斜、北嶺向斜、百花山向斜等構造，這四個復合式向斜構造特征，構造類型單一，多發育傾角緩的層面構造和垂直裂隙。此外，在周口店地區，構造類型較為豐富，不但有較深構造層次的多級順層掩臥褶皺和順層韌性剪切帶，也有伸展體制下形成的低角度正斷層—剝離斷層和箕狀正斷層。中生代地質作用過程中造成西山地區構造的多旋回變形，為該區域巖溶的發育創造了有利的地質條件。

西山地區形成多層溶洞的奧陶系馬家溝組，該地層厚度大，巖性較復雜，主要是灰、深灰及灰黑色厚—巨厚層泥晶灰巖，花斑狀、豹斑狀灰巖，泥質條帶灰巖，白云質灰巖和灰質白云巖，夾少量鈣質頁巖，在底部以及中部層位普遍發育角礫狀泥晶白云巖和灰巖或角礫巖，與下伏亮甲山組為平行不整合接觸。馬家溝組巖石中 Ca含量較高，K、Na 含量較低，由于礦物元素含量的變化與其下伏亮甲山組明顯不同，上覆地層為石炭系砂頁巖。因此，馬家溝組與其上下地層對比，更容易受到水體的溶蝕作用，形成溶洞。此外，霧迷山組也是西山溶洞發育的主要地層，在西山地區，約占山區面積的三分之一，為一套富鎂碳酸鹽巖，夾少量碎屑巖和粘土巖，主要由燧石條帶白云巖、疊層石白云巖、瀝青質白云巖及少量含粉砂內碎屑白云巖、硅質巖組成，厚度巨大，巖石類型復雜，韻律明顯，富含有機質，一般可分為四個巖性段。形成石林與巖溶陡壁的組合形態（房山地貌）、巖溶石柱和溶洞的地層主要為四段巖層。

2 觀測儀器與數據采集

測氡儀器采用FD-216環境測氡儀，該儀器由北京市核工業地質研究院儀器開發研究所研制生產。儀器具有高靈敏度，低功耗等特點，且符合GB50325-2001《民用建筑工程室內環境污染控制規范》（2006年版）和GB/T16147-1995“空氣中氡濃度的閃爍瓶測量方法”的測量原理和要求。

FD-216環境測氡儀的工作原理：將待測點的空氣吸入已抽成真空態的閃爍瓶內，待氡及其短壽命子體平衡后測量222Rn、218Po和214Po衰變時放射出的α粒子。它們入射到閃爍瓶的ZnS(Ag)涂層，使ZnS(Ag)發光，經光電倍加管收集并轉變成電脈沖，通過脈沖放大、甄別，被定標計數線路記錄。在確定時間內脈沖數與所收集空氣中氡的濃度是函數相關的，根據刻度源測得的凈計數率-氡濃度刻度曲線，可由所測脈沖計數率，得到待測空氣中氡濃度。

本次對室內環境空氣中氡的測量嚴格按照國標“GB 50325-2001”的有關規定進行，測量步驟如下：

①儀器放在采樣點處，打開儀器電源開關，預熱30min以上。

②檢查參數設置，空氣氡測量參數參考如下：

充氣時間：10min

測量時間：20min

排氣時間：1min

③按“空氣氡”鍵進行測量。

④記錄測量結果。

3 數據分析

數據采集按照每月下旬各采集一次，每次采集時間控制在上午10點左右進洞，從一層開始測量，洞穴共4層，上下高差約120m（圖1）。為了保障數據的可靠性，在洞口處與每層均測量2組數據，每次進洞共測10組數據。工作周期內（2014年3月至2014年12月）共完成測量數據100組。通過對采集的數據分析研究表明，在不同時間和不同深度的洞穴內氡濃度存在一定的變化規律。

3.1 氡濃度隨時間變化特征與影響因素

通過對3月至12月間的不同層位觀測數據進行整理分析，繪制不同層位年度變化曲線圖（圖2）。由圖2可看出，不同層位的5條曲線，變化趨勢基本相同。從3月到5月，氡濃度值逐漸升高，5月份出現一個次高值，平均氡濃度為5307 Bq/m3；5月到10月之間，各層的氡濃度值均處于一個高峰期，9月份達到全年的最高值，平均氡濃度值6123Bq/m3；10月到12月，氡濃度值逐漸減低，11月到12月間，氡濃度值達到年度最低值平均氡濃度值約2784Bq/m3。各層位的具體極大值和極小值見表1。

圖2 不同層位氡濃度變化曲線Fig.2 The curves of radon concentration in different position

表1 不同位置氡濃度極值統計表Tab.1 The extremum statistics of radon concentration in different location

在監測洞穴中氡濃度同時也對其溫度進行監測。洞穴中的溫度受外界環境影響，洞中7、8、9月溫度相對高，平均溫度20℃，而10、11、12月的溫度相對較低，平均溫度在16℃左右。而洞中的氡濃度在7、8、9月觀測值相對較高，10、11、12月氡濃度觀測值較低。在溫度單一因素的影響，兩者正相關吻合度較高，可以初步推斷洞中的溫度對氡濃度有較大影響。此外，洞穴中的濕度和壓力條件對洞穴中的氡濃度可能也存在一定的影響，但缺少監測數據，故不在此討論。

3.2 氡濃度隨深度變化特征與影響因素

通過對洞穴一至四層所觀測的氡濃度數據進行整理分析發現，洞穴內氡濃度與其深度存在一定的關聯性。

圖3 不同深度氡濃度曲線Fig.3 Radon concentration curve in different depth

由圖3可知，洞穴氡濃度值在不同的月份內，均隨深度的增加而呈現線性增大的特點。洞口處在不同月份內的平均氡濃度值最低，約3271Bq/m3。最大值出現在洞穴第四層，平均氡濃度值為5790Bq/m3。

一層洞口處于外界空氣交換條件好，氡濃度值顯示最低，隨著深度不斷增加，洞中的氣體與外界交換的條件變差，氡濃度不易擴散，不斷富集。此外，由于氡易溶于水，洞穴內地下水會溶解巖石和土壤中的氡。地下水沿著斷裂帶將氡載帶到溶洞中，由于溫度升高、壓力降低，溶解度減小，氡從地下水中逸出，從而增加了洞穴內氡和子體的濃度。因此，隨著深度的增加，距離地下潛水面越近，且封閉條件好，空氣流通性差，易于氡濃度的富集。造成洞穴中的氡濃度呈現隨深度增加而增大的的特點。

3.3 氡濃度對人身體的影響

通過對洞中測得的80組氡濃度數據計算，年平均值約為4492 Bq/m3，依據我國地下建筑氡及其子體控制標準（GBZ 116-2002），地下建筑的行動水平為400 Bq/m3（平衡當量氡濃度），洞穴中的氡濃度已經嚴重超標。按UNSCEAR（聯合國輻射效應科學委員會）1993年報告，公眾吸入氡子體所致內照射人均年有效劑量估算公式（1）

式中：HE(Rn)為人均年內照射劑量(mSv)，CRn內為室內平均氡濃度(Bq·m-3)，CRn外為室外平均氡濃度(Bq·m-3)，q為室內停留因子(UNSCEAR 1982年報告中取值0.8)，f1為室內氡及子體平衡因子(UNSCEAR 1993年報告中室內取0.4)，f2為室外氡及子體平衡因子(UNSCEAR 1993年報告中室外取0.8)，9為氡平衡當量濃度暴露量的劑量轉換因子（UNSCEAR 1993年報告中取9 nSv/(Bq·m-3·h)），10-6為照射劑量率單位轉換系數（1 nGy=10-6mGy)。

計算出人均年內照射劑量為566.63 mSv·a-1，按照《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871—2002)規定，洞穴內照射劑量超出了公眾年有效劑量安全范圍。

4 結論

(1)天然洞穴中，不同深度，氡濃度存在明顯差異，隨著洞穴深度的增加，氡濃度呈現線性的增長特征。

(2)洞穴中氡濃度在不同月份，濃度值不同，7、8、9月氡濃度相對較高，10、11、12月氡濃度較低。呈現出季節性的變化特征，即夏季高而冬季低。

(3)洞穴中年平均內照射劑量約為566 mSv·a-1，超出國家規定公眾年有效劑量的安全范圍，對長期工作在此環境中的人身體具有潛在影響。

(4)天然溶洞作為旅游資源開發，建議對旅游溶洞中氡與其子體污染狀況進行長期監測，采取合理有效的防治措施，降低洞穴中氡的濃度，保障游客與工作人員的身體健康。

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Study on the Radon Concentration in Karst Caves in Beijing Western Hills

ZHANG Xiaoliang, Lü Jinbo, ZHANG Lei, ZHANG Yueze, BAI Lingyan, LIU Zhenhua XU Jixiang, ZHENG Guisen, YU Chunlin

(Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 102206)

In order to advanced study the change rules of radon concentration in karst caves in Beijing Western Hills, the author measured the radon concentration from layers 1 to 4 in a karst cave during March to December to discuss respectively its harm to human body in the aspects of time and space. The result shows that the concentration is not same at different depths. The concentration increases with the increase of depth. The concentration is higher in July, August and September, and lower in October, November and December . There is a signif i cant seasonal change rule that the concentration in winter is higher and in summer is lower. The annual average radiation dose of radon and its daughters in the cave is about 566 mSv?a-1, which is beyond the safe range of the annual effective dose prescribed by the state. It is suggested that the radon concentration should be detected in the natural cave which is open to the public, and effective measures should be taken to reduce the harm caused by radiation of radon and its daughters to human body.

Radon; Radon daughter; Karst caves; Beijing Western Hills; Internal irradiation

A

1007-1903（2017）03-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.005

張曉亮（1982- ），男，碩士，高工，主要從事城市物探與城市活動斷裂研究。E-mail：zxlddy@163.com