236U在北部湾沉积物中的分布特征及滞留机制

《Marine Pollution Bulletin》：Distribution characteristics and retention mechanisms of 236U in sediments of the Beibu Gulf

本研究分析了广西北海湾33个表层沉积物中铀-236的浓度及236U/238U比值，发现其呈现北部高、南部低的空间分布特征，近河口区域浓度较高，远海较低。结合同位素比值分析，推断铀-236主要来源于全球大气核试验 fallout，受陆地输入、红氧化条件及水动力因素综合影响。

　　

作者名单：涂志毅、赵小蕾、刘琳、罗向豪、李玉坤、于国栋、刘曼青、郭凯星、黄春萍、赖建辉、王德宇、王慧娟、关永静

广西大学物理科学与技术学院相对论天体物理学重点实验室，中国南宁市，530004

摘要

²³⁶U是一种具有独特来源识别特性的人工放射性核素，是追踪海洋环境中放射性物质迁移过程的关键工具。为了解决北部湾沉积物中²³⁶U的分布、滞留机制和来源等不明确的问题，本研究分析了该地区的33个表层沉积物样本，旨在阐明上述关键特征，并为区域放射性环境研究提供基础数据支持。结果显示，²³⁶U的原子浓度范围为1.21 × 10⁶至6.80 × 10⁷原子/克（平均值：1.27 × 10⁷原子/克），²³⁶U/²³⁸U的原子比范围为3.30 × 10^?10至3.62 × 10^?8（平均值：0.557 × 10^?8）。从空间分布来看，北部地区的浓度较高，而南部开阔海域的浓度较低；河口附近的浓度较高，而远离河口的区域浓度较低。根据平均²³⁶U/²³⁹Pu比值（0.203），可以推断北部湾沉积物中的²³⁶U主要来源于全球核试验的沉降物，同时受到陆地输入的影响，并受到氧化还原条件和水动力因素的综合影响。

引言

铀是一种典型的放射性元素，其同位素在环境中普遍存在。天然铀主要由两种原始同位素²³⁸U（99.3%）和²³⁵U（0.72%）组成，以及通过²³⁸U²²⁶Ra衰变链产生的²³⁴U（平衡丰度为0.005%）（Bu等人，2017年；Steier等人，2008年）。人工放射性核素²³⁶U主要通过²³⁵U（n, γ）→²³⁶U和²³⁸U（n,3n）→²³⁶U反应产生，其自然丰度极低（Shao等人，2022年；Steier等人，2008年）。在未受核活动影响的地壳物质中，²³⁶U/²³⁸U的原子比约为10^?14（Steier等人，2008年）。在受到宇宙辐射影响的表层岩石中，这一比值上升到约7 × 10^?13（Sakaguchi等人，2009年），而铀矿石中的比值通常在10^?12到10^?10之间（Berkovits等人，2000年；Richter等人，1999年；Wilcken等人，2008年）。总体而言，自然状态下²³⁶U/²³⁸U的比值通常在10^?14到10^?10之间。

地球陆地表面的²³⁶U天然储量估计约为30公斤。然而，环境中的²³⁶U总量远超过这一数量，其中绝大部分来自人为核活动（Bu等人，2017年；Qiao等人，2017年；Steier等人，2008年）。据估计，20世纪大气核武器试验产生的约900至1400公斤²³⁶U通过全球沉降物释放到环境中（Bu等人，2017年；Casacuberta等人，2014年；Sakaguchi等人，2009年）。同时，核反应堆积累了大约10⁶公斤的²³⁶U，其中大部分仍存在于未处理的乏燃料中，只有少量从核再处理设施中释放（Qiao等人，2017年）。例如，塞拉菲尔德（Sellafield）和海牙（La Hague）核再处理厂的累计排放量约为250公斤（Qiao等人，2023年）。一旦释放，²³⁶U可以通过大气传输、河流输送和海洋环流在全球范围内扩散，最终在陆地土壤和海洋沉积物中积累（Bu等人，2017年；Periá?ez等人，2023年；Qiao等人，2022年；Qiao等人，2023年；Qiao等人，2017年）。由于²³⁶U的自然背景浓度极低，人为输入显著提高了环境中的²³⁶U水平，使得²³⁶U/²³⁸U的原子比成为追踪人类核活动的独特指标。例如，切尔诺贝利（Chernobyl）周边受污染土壤中的²³⁶U/²³⁸比范围为10^?6至10^?3，受塞拉菲尔德排放影响的爱尔兰海沉积物中的比值为10^?6至10^?5，美国铀处理设施环境样本中的比值为10^?6至1.4 × 10^?4（Steier等人，2008年）。20世纪的大气核试验也提高了全球²³⁶U/²³⁸U的背景水平，中国北京和张家口的土壤及道路灰尘中的比值为0.627 × 10^?8至3.38 × 10^?8（Shao等人，2021年），长江流域及河口表层沉积物中的比值为1.43 × 10^?8至6.85 × 10^?8（Liu等人，2020年）。受全球沉降物影响的环境样本中，²³⁶U/²³⁸的比值通常在10^?9至10^?8之间。

大气核试验将²³⁶U引入全球地表环境，核电站的常规运行和事故也可能导致区域性的²³⁶U释放（Qiao等人，2023年）。由于²³⁶U的半衰期较长（约2.34 × 10⁷年），它可以在环境中长期存在，并可能对生态系统完整性和人类健康构成潜在的放射性风险。作为地球上最大的水系，海洋在放射性核素的循环和分布中起着关键作用，²³⁶U在海洋环境中的传输和分布受到多种复杂因素的影响（Abril-Hernández等人，2023年；Qiao等人，2023年；Villa-Alfageme等人，2018年）。海洋 currents作为物质传输的主要驱动力，可以将²³⁶U从源区域带到偏远的海洋区域（Wu，2018年）。同时，海洋生物地球化学过程（如浮游生物的吸收和颗粒物的吸附-解吸）影响²³⁶U在不同海洋组分中的分配和转化（Sanchez-Cabeza等人，2003年）。沉积物作为许多放射性核素的最终汇，通过其物理和化学性质（包括氧化还原条件和有机物含量）对²³⁶U的吸附和埋藏过程起着重要控制作用。例如，缺氧沉积物中的还原条件可以增强²³⁶U的吸附，而高有机物含量可以通过络合作用进一步固定²³⁶U。

近年来，人们对海洋环境中放射性污染的关注日益增加，从而推动了跨不同海洋区域的放射性核素研究。作为一种长寿命放射性核素，²³⁶U已成为关键研究对象之一。目前，全球多个实验室已经建立了成熟的²³⁶U检测技术。奥地利维也纳大学的VERA（维也纳环境研究加速器）实验室通过采用氦气剥离技术提高了²³⁶U离子剥离效率和背景抑制效果，显著提高了低丰度²³⁶U的测量精度（Winkler等人，2015年）。意大利的CIRCE（文化和环境遗产同位素研究中心）实验室开发了一种高灵敏度的锕系元素AMS系统，通过优化的检测协议和仪器实现了精确的²³⁶U测量（De Cesare等人，2013年）。澳大利亚国立大学通过改进离子源交叉污染控制和使用6.0米长的飞行时间检测系统，将²³⁶U的检测灵敏度提高到10^?13水平，从而能够准确测定低浓度样本（如海水）中的²³⁶U/²³⁸U比值（Fifield等人，2013年）。瑞士联邦理工学院使用氦气作为剥离气体的紧凑型AMS系统，在低能量条件下实现了²³⁶U的有效分析（Christl等人，2015年）。

迄今为止，已有少数研究在太平洋和大西洋等开阔海域报道了²³⁶U及其他放射性核素的分布特征和来源分析（Buesseler等人，2017年；Casacuberta等人，2014年；Christl等人，2012年；Eigl等人，2017年；Fifield等人，2013年；Lin等人，2025年）。在中国周边海域（包括南海、东海和黄海），也进行了一系列放射性核素的研究。这些海域中的放射性核素主要来源于全球大气沉降物、核试验场的远距离传输以及河流输入（Wang等人，2017a；Wang等人，2017b；Wu等人，2018年；Zhang等人，2022年）。然而，关于南海中²³⁶U的研究仍然有限，现有研究主要集中在其他放射性核素（如钚同位素）的分布特征上（Guan等人，2018年；Guan等人，2024年）。作为南海内的一个重要半封闭海湾，北部湾具有独特的地理和水动力特征。它被中国的广西、广东和海南省份以及越南环绕，接收来自多条河流（包括中国的南流河和秦河以及越南的红河）的淡水排放（Xu等人，2022年）。这些河流将大量陆源物质（包括放射性核素）带入北部湾。此外，北部湾还受到东亚季风的影响，导致其环流模式具有明显的季节性变化。这些水动力条件对海湾内物质的传输和分布有显著影响（Chen和Shi，2019年；Gao等人，2017年）。

北部湾在地理位置、水动力条件和生态系统方面具有许多独特特征。本研究调查了北部湾沉积物中²³⁶U的空间分布和来源。鉴于环境中²³⁶U的浓度极低，采用了AMS技术进行样本分析。同时，通过研究海水循环和沉积物传输等因素，探讨了该地区²³⁶U的滞留机制。本研究旨在建立基础数据，包括北部湾沉积物中的²³⁶U原子浓度，以支持进一步的环境评估。

研究区域

北部湾（北纬17–22°，东经105–110°）位于中国南海的西北部，是一个半封闭的大陆架海域，总面积约为130,000平方公里。该海域的海底地形平坦，从西北向东南方向缓慢倾斜，平均坡度约为3%。北部湾的平均水深约为50米，大部分区域的水深在20至60米之间，最大水深约为100米（Gao等人，2017年；Xiao等人，2016年；Xu等人，2022年）

北部湾表层沉积物中²³⁶U的分布特征

表1总结了从北部湾采集的33个表层沉积物样本中²³⁶U的检测结果。²³⁶U的原子浓度范围为1.21 × 10⁶至6.80 × 10⁷原子/克，平均值为1.27 × 10⁷原子/克。²³⁶U/²³⁸U的原子比范围为3.30 × 10^?10至3.62 × 10^?8，平均值为5.57 × 10^?9。先前的研究表明，受全球核试验沉降物影响的土壤中²³⁶U/²³⁸U的原子比通常在10^?9至10^?8之间（Liu等人，2017年）

结论

北部湾沉积物中²³⁶U的原子浓度范围为1.21 × 10⁶至6.80 × 10⁷原子/克（平均值：1.27 × 10⁷原子/克），²³⁶U/²³⁸U的原子比范围为3.30 × 10^?10至3.62 × 10^?8（平均值：0.557 × 10^?8）。从空间分布来看，北部和河口附近的浓度较高，而南部开阔海域的浓度较低。²³⁶U的滞留受到物理吸附、化学转化等多种因素的综合影响

作者贡献声明

涂志毅：撰写初稿、调查、数据管理。赵小蕾：撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金申请、数据管理、概念构思。刘琳：方法论设计、数据管理。罗向豪：调查、数据管理。李玉坤：软件应用、数据管理。于国栋：数据管理。刘曼青：资源协调。郭凯星：资源协调。黄春萍：方法论设计。赖建辉：软件应用、数据管理。王德宇：数据管理。王慧娟：监督工作、格式审查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12175046）、北京师范大学的人才支持项目（项目编号：28300-312200502501）以及Bagui学者计划（WXG）的资助。