北京西山地区岩溶洞穴氡浓度研究

张晓亮，吕金波，张 磊，张悦泽，白凌燕，刘振华

（北京市地质调查研究院，北京 102206）

北京西山地区岩溶洞穴氡浓度研究

张晓亮，吕金波，张 磊，张悦泽，白凌燕，刘振华

（北京市地质调查研究院，北京 102206）

对北京西山某岩溶洞穴1至4层进行了氡浓度测量，研究洞穴中氡浓度的变化特征，从时间和空间两个方面探讨其变化规律及其对人身体的危害。研究结果表明，天然溶洞在不同深度位置，氡浓度存在明显差异，随着深度的增加，氡浓度呈现线性的增长特征；溶洞内氡浓度在7、8、9月相对较高,平均浓度6123Bq/m3，10、11、12月氡浓度较低，平均浓度2784Bq/m3，呈现出季节性的变化特征，即夏季高而冬季低；溶洞内由氡及其子体所产生的年平均内照射剂量约为566 mSv·a-1，超出国家规定公众年有效剂量的安全范围。建议对已经对公众开放的天然溶洞，进行氡浓度检测，采取有效的防氡降氡措施，减少氡及其子体的辐射，对人身体所产生的危害。

氡；氡子体；岩溶洞穴；北京西山；内照射

0 前言

在人类的生活环境中，氡是唯一能够接触到的天然放射性气体，它是一种无色、无味，化学性质极不活泼的惰性气体（秦宗会等，2011；廖丽霞等，2010）。世界卫生组织将氡列为19种人类重要的致癌物之一（唐方东等，2010）。人体长时间吸入高剂量的氡气，会增加罹患肺癌、白血病及其他呼吸系统疾病的几率（童建，2009）。由于喀斯特洞穴地质环境的特殊性，容易产生氡的富集（屈雅斋等，2009）。

岩溶洞穴氡的研究是一个新的研究领域。国外岩溶洞穴氡浓度的研究始于1967年，直到70年代中期才由Willkening和Watking等人系统研究（Quinn，1978；Gunn et al，1991）。目前国内研究并不多。最早有观测记录的就是石花洞（林莲卿等，1992），1997年吕金波通过对北京石花洞氡浓度的测定，发现石花洞的氡浓度比广西岩溶洞穴的氡浓度要高，但与其周围的银狐洞、云水洞和国外洞穴相比较低；2012年子涛等人对于喀斯特洞穴氡的形成机理、喀斯特洞穴氡测量标准的制定及有效剂量的估算、喀斯特洞穴氡的防治技术及员工的健康管理等方面进行了探讨；2013年覃国秀对我国南方多处溶洞进行了氡浓度调查，结果表明，我国许多旅游溶洞中，氡及子体浓度偏高，存在着严重的氡及其子体污染问题。2014年张晓亮等在北京西山和北山采集了大量岩石样品，进行核素测试，为研究氡的母体提供了可靠资料。

随着喀斯特洞穴旅游开发，与氡接触的人越来越多，健康风险越来越大。因此，加强天然溶洞内氡的研究，对于保证人们的身体键康，促进溶洞旅游事业的发展具有重要的意义（谢润楠，2015；廉国斌等，2014；卢新卫，2014；孙全富等，2005；田丽霞，2006）。

1 地质概况

北京西山属太行山脉，东邻华北平原，北邻近东西向的燕山山脉。发育髫髻山向斜、九龙山向斜、北岭向斜、百花山向斜等构造，这四个复合式向斜构造特征，构造类型单一，多发育倾角缓的层面构造和垂直裂隙。此外，在周口店地区，构造类型较为丰富，不但有较深构造层次的多级顺层掩卧褶皱和顺层韧性剪切带，也有伸展体制下形成的低角度正断层—剥离断层和箕状正断层。中生代地质作用过程中造成西山地区构造的多旋回变形，为该区域岩溶的发育创造了有利的地质条件。

西山地区形成多层溶洞的奥陶系马家沟组，该地层厚度大，岩性较复杂，主要是灰、深灰及灰黑色厚—巨厚层泥晶灰岩，花斑状、豹斑状灰岩，泥质条带灰岩，白云质灰岩和灰质白云岩，夹少量钙质页岩，在底部以及中部层位普遍发育角砾状泥晶白云岩和灰岩或角砾岩，与下伏亮甲山组为平行不整合接触。马家沟组岩石中 Ca含量较高，K、Na 含量较低，由于矿物元素含量的变化与其下伏亮甲山组明显不同，上覆地层为石炭系砂页岩。因此，马家沟组与其上下地层对比，更容易受到水体的溶蚀作用，形成溶洞。此外，雾迷山组也是西山溶洞发育的主要地层，在西山地区，约占山区面积的三分之一，为一套富镁碳酸盐岩，夹少量碎屑岩和粘土岩，主要由燧石条带白云岩、叠层石白云岩、沥青质白云岩及少量含粉砂内碎屑白云岩、硅质岩组成，厚度巨大，岩石类型复杂，韵律明显，富含有机质，一般可分为四个岩性段。形成石林与岩溶陡壁的组合形态（房山地貌）、岩溶石柱和溶洞的地层主要为四段岩层。

2 观测仪器与数据采集

测氡仪器采用FD-216环境测氡仪，该仪器由北京市核工业地质研究院仪器开发研究所研制生产。仪器具有高灵敏度，低功耗等特点，且符合GB50325-2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》（2006年版）和GB/T16147-1995“空气中氡浓度的闪烁瓶测量方法”的测量原理和要求。

FD-216环境测氡仪的工作原理：将待测点的空气吸入已抽成真空态的闪烁瓶内，待氡及其短寿命子体平衡后测量222Rn、218Po和214Po衰变时放射出的α粒子。它们入射到闪烁瓶的ZnS(Ag)涂层，使ZnS(Ag)发光，经光电倍加管收集并转变成电脉冲，通过脉冲放大、甄别，被定标计数线路记录。在确定时间内脉冲数与所收集空气中氡的浓度是函数相关的，根据刻度源测得的净计数率-氡浓度刻度曲线，可由所测脉冲计数率，得到待测空气中氡浓度。

本次对室内环境空气中氡的测量严格按照国标“GB 50325-2001”的有关规定进行，测量步骤如下：

①仪器放在采样点处，打开仪器电源开关，预热30min以上。

②检查参数设置，空气氡测量参数参考如下：

充气时间：10min

测量时间：20min

排气时间：1min

③按“空气氡”键进行测量。

④记录测量结果。

3 数据分析

数据采集按照每月下旬各采集一次，每次采集时间控制在上午10点左右进洞，从一层开始测量，洞穴共4层，上下高差约120m（图1）。为了保障数据的可靠性，在洞口处与每层均测量2组数据，每次进洞共测10组数据。工作周期内（2014年3月至2014年12月）共完成测量数据100组。通过对采集的数据分析研究表明，在不同时间和不同深度的洞穴内氡浓度存在一定的变化规律。

3.1 氡浓度随时间变化特征与影响因素

通过对3月至12月间的不同层位观测数据进行整理分析，绘制不同层位年度变化曲线图（图2）。由图2可看出，不同层位的5条曲线，变化趋势基本相同。从3月到5月，氡浓度值逐渐升高，5月份出现一个次高值，平均氡浓度为5307 Bq/m3；5月到10月之间，各层的氡浓度值均处于一个高峰期，9月份达到全年的最高值，平均氡浓度值6123Bq/m3；10月到12月，氡浓度值逐渐减低，11月到12月间，氡浓度值达到年度最低值平均氡浓度值约2784Bq/m3。各层位的具体极大值和极小值见表1。

图2 不同层位氡浓度变化曲线Fig.2 The curves of radon concentration in different position

表1 不同位置氡浓度极值统计表Tab.1 The extremum statistics of radon concentration in different location

在监测洞穴中氡浓度同时也对其温度进行监测。洞穴中的温度受外界环境影响，洞中7、8、9月温度相对高，平均温度20℃，而10、11、12月的温度相对较低，平均温度在16℃左右。而洞中的氡浓度在7、8、9月观测值相对较高，10、11、12月氡浓度观测值较低。在温度单一因素的影响，两者正相关吻合度较高，可以初步推断洞中的温度对氡浓度有较大影响。此外，洞穴中的湿度和压力条件对洞穴中的氡浓度可能也存在一定的影响，但缺少监测数据，故不在此讨论。

3.2 氡浓度随深度变化特征与影响因素

通过对洞穴一至四层所观测的氡浓度数据进行整理分析发现，洞穴内氡浓度与其深度存在一定的关联性。

图3 不同深度氡浓度曲线Fig.3 Radon concentration curve in different depth

由图3可知，洞穴氡浓度值在不同的月份内，均随深度的增加而呈现线性增大的特点。洞口处在不同月份内的平均氡浓度值最低，约3271Bq/m3。最大值出现在洞穴第四层，平均氡浓度值为5790Bq/m3。

一层洞口处于外界空气交换条件好，氡浓度值显示最低，随着深度不断增加，洞中的气体与外界交换的条件变差，氡浓度不易扩散，不断富集。此外，由于氡易溶于水，洞穴内地下水会溶解岩石和土壤中的氡。地下水沿着断裂带将氡载带到溶洞中，由于温度升高、压力降低，溶解度减小，氡从地下水中逸出，从而增加了洞穴内氡和子体的浓度。因此，随着深度的增加，距离地下潜水面越近，且封闭条件好，空气流通性差，易于氡浓度的富集。造成洞穴中的氡浓度呈现随深度增加而增大的的特点。

3.3 氡浓度对人身体的影响

通过对洞中测得的80组氡浓度数据计算，年平均值约为4492 Bq/m3，依据我国地下建筑氡及其子体控制标准（GBZ 116-2002），地下建筑的行动水平为400 Bq/m3（平衡当量氡浓度），洞穴中的氡浓度已经严重超标。按UNSCEAR（联合国辐射效应科学委员会）1993年报告，公众吸入氡子体所致内照射人均年有效剂量估算公式（1）

式中：HE(Rn)为人均年内照射剂量(mSv)，CRn内为室内平均氡浓度(Bq·m-3)，CRn外为室外平均氡浓度(Bq·m-3)，q为室内停留因子(UNSCEAR 1982年报告中取值0.8)，f1为室内氡及子体平衡因子(UNSCEAR 1993年报告中室内取0.4)，f2为室外氡及子体平衡因子(UNSCEAR 1993年报告中室外取0.8)，9为氡平衡当量浓度暴露量的剂量转换因子（UNSCEAR 1993年报告中取9 nSv/(Bq·m-3·h)），10-6为照射剂量率单位转换系数（1 nGy=10-6mGy)。

计算出人均年内照射剂量为566.63 mSv·a-1，按照《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)规定，洞穴内照射剂量超出了公众年有效剂量安全范围。

4 结论

(1)天然洞穴中，不同深度，氡浓度存在明显差异，随着洞穴深度的增加，氡浓度呈现线性的增长特征。

(2)洞穴中氡浓度在不同月份，浓度值不同，7、8、9月氡浓度相对较高，10、11、12月氡浓度较低。呈现出季节性的变化特征，即夏季高而冬季低。

(3)洞穴中年平均内照射剂量约为566 mSv·a-1，超出国家规定公众年有效剂量的安全范围，对长期工作在此环境中的人身体具有潜在影响。

(4)天然溶洞作为旅游资源开发，建议对旅游溶洞中氡与其子体污染状况进行长期监测，采取合理有效的防治措施，降低洞穴中氡的浓度，保障游客与工作人员的身体健康。

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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

张晓亮（1982- ），男，硕士，高工，主要从事城市物探与城市活动断裂研究。E-mail：zxlddy@163.com