伊拉克基尔库克北部石油公司土壤放射性危害评估：空间分布与蒙特卡洛模拟揭示的环境基线

《Scientific Reports》：Radiological Hazard Assessment of Soil at North Oil Company Using Spatial Distribution and Monte Carlo Simulation in Kirkuk Governorate, Iraq

本研究针对伊拉克基尔库克北部石油公司（NOC）区域，系统评估了土壤中天然放射性核素（238U、232Th、40K）的活度浓度及其辐射风险。研究人员通过伽马能谱法测定活度浓度，并计算了镭当量活度（Raeq）、吸收剂量率（ADR）、年有效剂量当量（AEDE）等多种辐射危害指数。结果表明，该区域平均活度浓度低于全球平均水平，辐射风险总体可控。然而，空间分析和地积累指数（Igeo）揭示了局部热点区域，提示需对石油开采活动可能造成的长期环境影响保持监测。本研究为伊拉克重要产油区的环境放射性本底评估提供了关键数据。

　　

在石油工业蓬勃发展的背后，潜藏着对周边环境可能产生的深远影响，其中自然存在的放射性物质（Naturally Occurring Radioactive Materials, NORMs）的迁移与富集是一个不容忽视的问题。这些源自地壳的放射性核素，如铀-238（²³⁸U）、钍-232（²³²Th）及其衰变子体，以及钾-40（⁴⁰K），在石油开采、加工等工业活动中可能被扰动并重新分布，进而通过土壤-植物-人体等途径潜在影响生态系统和公共健康。伊拉克基尔库克省作为重要的石油产区，其环境放射性本底状况及潜在风险亟需系统评估。为此，研究人员对北石油公司（North Oil Company, NOC）区域的土壤展开了一项详尽的放射性危害评估研究，相关成果发表于《Scientific Reports》。

为了精准评估该区域的放射性状况，研究团队在NOC区域系统采集了50份土壤样品。核心技术手段是采用NaI(Tl)闪烁探测器的伽马能谱法，精确测定了²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的活度浓度。基于测量数据，研究计算了包括镭当量活度（Radium equivalent activity, Raeq）、吸收剂量率（Absorbed dose rate, ADR）、年有效剂量当量（Annual effective dose equivalent, AEDE）、年性腺剂量当量（Annual gonadal dose equivalent, AGDE）、超额终身癌症风险（Excess lifetime cancer risk, ELCR）以及内外照射危害指数（External hazard index, H_ex; Internal hazard index, H_in）在内的多种辐射危害指数。此外，还引入了地积累指数（Geo-accumulation index, I_geo）来量化污染程度，并运用克里金插值（Kriging interpolation）、莫兰指数（Moran‘s I）、最近邻分析（Nearest neighbour analysis）等空间统计技术揭示了核素的空间分布模式。最后，通过蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）对ELCR的不确定性进行了概率评估，并辅以Spearman相关分析和聚类分析（Cluster analysis）等多变量统计方法，深入探索了各参数间的内在联系。

3.1 放射性核素活度浓度

分析结果显示，土壤中²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的平均活度浓度分别为28.51 ± 1.42 Bq kg^-1、20.22 ± 1.01 Bq kg^-1和331.51 ± 16.73 Bq kg^-1。这些数值均低于联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）报告的全球平均值（²³⁸U: 35 Bq kg^-1, ²³²Th: 30 Bq kg^-1, ⁴⁰K: 400 Bq kg^-1）。数据表明存在显著的局部变异，例如样品O26的²³⁸U活度浓度高达70.23 Bq kg^-1，而样品O39则低至1.10 Bq kg^-1，这反映了地质背景和人类活动（如石油开采）对放射性核素分布的共同影响。

3.2 辐射危害评估

计算得到的各项辐射危害指数均值分别为：Raeq为82.96 Bq kg^-1（低于安全限值370 Bq kg^-1），ADR为39.21 nGy h^-1（低于全球平均59 nGy h^-1），户外AEDE为48.09 μSv y^-1（远低于安全标准1000 μSv y^-1），ELCR为168.32 × 10^-6（低于参考水平290 × 10^-6）。H_ex和H_in的平均值分别为0.22和0.30，均小于1的安全阈值。这些结果综合表明，研究区域的整体辐射风险处于可接受的低水平。然而，个别点位（如O26, O48, O49, O50）的AGDE等指数超过了全球平均值，提示存在需要关注的局部热点。

3.3 地积累指数

I_geo分析显示，²³⁸U的I_geo值范围在-5.57到0.45之间（平均-1.13），大部分样品属于无污染到中度污染水平；²³²Th的I_geo值均为负值（-2.93到-0.25，平均-1.30），表明无污染；⁴⁰K的I_geo值也均为显著的负值（-11.99到-8.16，平均-9.26），远低于背景水平。这说明研究区域总体上未受到严重的放射性污染，但²³⁸U在个别点位显示出轻度积累迹象。

3.4 空间分布模式分析

最近邻分析（Nearest Neighbour Ratio ≈ 1.1, p-value = 0.152）表明采样点在空间上呈随机分布。莫兰指数分析显示，²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的Moran‘s I值分别为-0.083, 0.088, 0.012，p值均大于0.05，未表现出显著的全局空间自相关性，即没有形成大范围的聚集区。然而，克里金插值生成的空间分布图清晰地揭示了放射性核素及危害指数的局部高值区（热点），这些热点可能与特定的地质构造或工业活动点位有关。

3.5 多变量统计与不确定性分析

Spearman相关分析表明，各辐射危害指数之间（如Raeq, ADR, AEDE, ELCR）存在强正相关性（相关系数>0.9），而它们与I_geo之间呈中等正相关。聚类分析将采样点分为具有不同污染特征和风险水平的组别。蒙特卡洛模拟得到的ELCR均值约为1.88 × 10^-4，其分布呈右偏态，5%和95百分位数分别为0.77 × 10^-4和3.0 × 10^-4，表明尽管平均风险较低，但仍存在一定的可变性和不确定性。敏感性分析显示，核素活度浓度测量值±10%的波动会导致ELCR产生约±3.4%的变化。

本研究通过对伊拉克基尔库克北石油公司区域土壤的全面调查，得出结论：该区域土壤中天然放射性核素²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的活度浓度及其引发的各项辐射危害指数总体低于全球平均水平，当前对公众造成的辐射风险较低，环境处于安全范围内。地积累指数评估表明大部分区域未受到显著放射性污染。然而，空间分析识别出的局部热点以及蒙特卡洛模拟揭示的风险不确定性提示，不能掉以轻心。特别是考虑到石油工业活动的长期性和复杂性，其对自然环境放射性本底的潜在扰动效应需要持续关注。这项研究首次为该重要产油区建立了详细的环境放射性基线数据库，综合运用了多种先进的空间统计和概率风险评估方法，其研究模式和分析结果对于全球类似工业区的环境放射性监测与风险评估具有重要的借鉴意义。未来有必要扩大监测范围并进行长期跟踪，以更好地平衡工业发展与环境保护之间的关系。