北部灣沉積物中放射性核素的分布特征與控制因素

林武輝，馮禹，余克服*，藍(lán)文陸，莫珍妮，寧秋云，馮亮亮，何賢文

( 1. 廣西大學(xué) 海洋學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學(xué) 廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3. 廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西 北海 536000；4. 廣西壯族自治區(qū)海洋研究院，廣西 南寧 530022；5. 廣西壯族自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督管理站，廣西 南寧 530222)

1 引言

北部灣是我國廣西壯族自治區(qū)、廣東雷州半島、海南島及越南之間的海灣，三面被陸地環(huán)抱，通過瓊州海峽和南部海域與南海相連，擁有海口港、洋浦港、湛江港、防城港、欽州港、北海港等多個(gè)港口，是我國大西南地區(qū)重要的海上通道[1]。北部灣沿岸淺海和灘涂廣闊無垠，同時(shí)擁有紅樹林、海草床、珊瑚礁多種典型海洋生態(tài)系統(tǒng)[2]，蘊(yùn)藏豐富的石油、天然氣、海洋生物等資源，盛產(chǎn)金線魚、沙丁魚、金槍魚等50 余種魚類，是我國重要的漁場(chǎng)[3]。

近年來我國進(jìn)入濱海核電快速發(fā)展的新時(shí)期，北部灣海域已經(jīng)運(yùn)行廣西防城港和海南昌江2 座濱海核電站。這些濱海核電站在正常工況下將會(huì)向海洋環(huán)境釋放一定量的放射性物質(zhì)[4]。此外，北部灣多個(gè)海上石油鉆井平臺(tái)的開發(fā)所引入的生產(chǎn)廢水[5]，也會(huì)將人類活動(dòng)引起的天然放射性核素（比如，228Ra、226Ra）釋放到海洋環(huán)境中[6]。這些放射性核素將經(jīng)歷一系列生物地球化學(xué)過程，最終進(jìn)入海洋沉積物中[7]，也可以通過食物鏈傳遞威脅海洋生態(tài)環(huán)境安全和人類的健康[8–9]。

目前我國學(xué)者已經(jīng)從物理、化學(xué)、生物多角度開展北部灣沉積物中粒徑[10]、礦物組成[11]、重金屬[12–13]、稀土元素[14]、有機(jī)污染物[15–16]、孢粉[17]等研究。然而，放射性核素作為一類人類關(guān)注的危險(xiǎn)物質(zhì)，濱海核電快速發(fā)展背景下的北部灣海洋沉積物中放射性核素未見系統(tǒng)報(bào)道。本研究利用高純鍺（HPGe）γ 譜儀首次系統(tǒng)報(bào)道北部灣表層和柱狀沉積物中4 種最主要的天然放射性核素（238U、226Ra、228Ra、40K）含量和分布特征，探討沉積物有機(jī)碳（TOC）、粒徑、氧化還原狀態(tài)、物理/生物擾動(dòng)對(duì)核素分布特征的調(diào)控機(jī)制，同時(shí)與我國其他海區(qū)沉積物的放射性核素水平進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)，為北部灣放射性核素的生物地球化學(xué)行為研究和海洋沉積過程示蹤應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

2 材料和方法

2018 年3?4 月期間，本研究在北部灣海域共采集30 個(gè)站位的表層沉積物樣品，以及在近岸的三娘灣和離岸的潿洲島西南海域采集2 個(gè)沉積物柱狀樣品（圖1），所有樣品用冰箱冷凍保存并帶回實(shí)驗(yàn)室。

測(cè)量前取出表層沉積物，解凍并剔除貝殼、砂礫等雜物后，在60℃的烘箱內(nèi)烘至恒重。烘干后的沉積物研磨過篩（100～150 目），取20 g 沉積物粉末, 裝盒密封后放置30 d, 使226Ra 及其子體核素達(dá)到平衡狀態(tài), 進(jìn)一步利用HPGe-γ 譜儀（Canberra BE6530）測(cè)量放射性核素。沉積物柱狀樣采用每層1cm 的切割方式分樣，之后的前處理與表層沉積物一樣。

238U 和228Ra 分別選擇其子體234Th（63.3 keV）和228Ac（911.1 keV）的γ 全能峰進(jìn)行計(jì)算，226Ra 采用其子體214Pb（351.9 keV）和214Bi（609.3 keV）能量峰進(jìn)行分析，40K 選擇1 460.8 keV 的能量峰計(jì)算[19]。本研究采用相對(duì)測(cè)量法，沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來自國際原子能機(jī)構(gòu)的愛爾蘭海沉積物（IAEA-385）和中國計(jì)量科學(xué)研究院的河流沉積物（GBW08304a）[20]。根據(jù)公式（1）～（2）分別計(jì)算核素比活度（A）和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落引入的不確定度（δA）。

式中，nT和 n0分別代表核素對(duì)應(yīng)的γ 全能峰處的樣品凈計(jì)數(shù)率和儀器本底凈計(jì)數(shù)率；nGT和nG0分別代表核素γ 全能峰處的樣品總計(jì)數(shù)率和儀器本底總計(jì)數(shù)率（包含環(huán)境本底和電子學(xué)噪聲等）；ε 和m 代表相對(duì)探測(cè)效率和樣品重量；λ 代表衰變常數(shù)；t1和t0分別代表儀器測(cè)量時(shí)刻和樣品采樣時(shí)刻；T 代表儀器的測(cè)量時(shí)間。由于鈾系和釷系存在衰變鏈平衡，且具有很長(zhǎng)的半衰期（幾億年），原生核素40K 的半衰期也很長(zhǎng)（幾億年），采樣時(shí)間至測(cè)量時(shí)間（1～2 a）過程中的衰變校正可以忽略不計(jì)。以下所有核素比活度（Bq/kg）都是在干重狀態(tài)下度量。

質(zhì)量控制方面，實(shí)驗(yàn)室定期測(cè)量?jī)x器本底和探測(cè)效率，制作質(zhì)量控制圖以保證儀器的穩(wěn)定性；同時(shí)本研究采用國際原子能機(jī)構(gòu)提供的愛爾蘭海沉積物（IAEA-385）和中國計(jì)量科學(xué)研究院提供的河流沉積物（GBW08304a）標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行交叉驗(yàn)證[20]，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。此外，實(shí)驗(yàn)室多次參加并順利通過2018年國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和中廣核蘇州熱工院組織的全國性海洋沉積物/土壤中放射性核素比對(duì)活動(dòng)[21]。

沉積物TOC 和粒徑是沉積物兩個(gè)重要的理化參數(shù)，用于探索核素水平分布特征的調(diào)控機(jī)制，其分析方法依據(jù)海洋調(diào)查規(guī)范（GB/T 12763.8–2007），在廣西海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站完成測(cè)量。取0.5 g 沉積物，用1 mol/L 的鹽酸溶液浸泡、超聲震蕩，去除無機(jī)碳，取出沉積物干燥，用元素分析儀（Elementary Various Cube）測(cè)量TOC 的含量。沉積物粒徑采用篩析法和沉析法結(jié)合，取約3 g 粒徑小于2 mm 的沉積物樣品放入燒杯中，加入0.5%六偏磷酸鈉溶液浸泡24 h，進(jìn)行粒度分析。將粒徑大于2 mm 的沉積物樣品烘干稱重，然后用1.4 mm 孔徑的篩子濕篩。對(duì)于粒徑小于1.4 mm 的沉積物樣品采用激光粒度儀（Mastersizer2000）進(jìn)行分析，大于1.4 mm 的沉積物樣品采用傳統(tǒng)篩法分析，把兩部分?jǐn)?shù)據(jù)合并得到完整的粒徑分布[11]。

圖 1 采樣站位Fig. 1 Sampling stations

沉積物中的氧化還原敏感型元素Mn 和210Pb 用于探索核素垂直分布特征的調(diào)控機(jī)制。沉積物中Mn采用美國EPA Method 3051A 的微波消解提取方法，用ICP-MS（Aglient 7800）儀器測(cè)量，由香港科技大學(xué)深圳研究院海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)量。210Pb 比活度的定量利用HPGe-γ 譜儀中46.5 keV 的能量峰，采用公式（1）～（2）計(jì)算獲得。

3 結(jié)果

3.1 表層沉積物中放射性核素

北部灣表層海洋沉積物中238U、226Ra、228Ra、40K 核素比活度范圍分別為5.07～43.2 Bq/kg、4.33～42.2 Bq/kg、7.76～88.8 Bq/kg、0.16～588 Bq/kg，比活度均值依次為40K[（253±192） Bq/kg]＞228Ra[（34.4±18.7） Bq/kg]＞238U[（24.7±11.6） Bq/kg]＞226Ra[（22.2±10.7） Bq/kg]。本研究海域的沉積物中放射性核素總體呈現(xiàn)“蝴蝶”狀的空間分布特征，具體分布如圖2 所示。廣西防城港、欽州灣和廣東雷州半島西部海域的東西兩側(cè)沉積物中放射性核素（238U、226Ra、228Ra、40K）比活度偏高，而中間位置的廣西北海廉州灣周邊海域的沉積物中放射性核素比活度偏低。胡昊等[22]測(cè)量的北部灣沉積物中稀土元素含量，也存在類似的“蝴蝶”狀分布特征，即東、西部海域稀土元素含量高而中間北海海域低的分布。

3.2 沉積物柱狀樣中放射性核素

本研究測(cè)量的近岸三娘灣和離岸的潿洲島西南海域2 個(gè)沉積物柱狀樣中放射性核素如圖3 所示。潿洲島沉積物柱狀樣中放射性核素238U、226Ra、228Ra、40K 比活度范圍分別為21.0～41.4 Bq/kg、11.0～25.4 Bq/kg、31.3～40.5 Bq/kg、264～348 Bq/kg；比活度均值分別為（32.9±7.08） Bq/kg、（16.2±1.07） Bq/kg、（36.9±0.88） Bq/kg、（317±22.8） Bq/kg；潿洲島沉積物柱樣的核素比活度與潿洲島附近的表層沉積物的核素水平一致。三娘灣沉積物柱狀樣中放射性核素238U、226Ra、228Ra、40K 比活度范圍分別為33.5～41.8 Bq/kg、25.1～39.7 Bq/kg、50.0～63.9 Bq/kg、427～549 Bq/kg；比活度均值分別為（37.0±4.42） Bq/kg、（29.3±0.91） Bq/kg、（57.0±3.84） Bq/kg、（470±35.0）Bq/kg；三娘灣沉積物柱樣的核素比活度與三娘灣周邊站位的表層沉積物中核素水平接近。

整體而言，近岸的三娘灣沉積物中4 種放射性核素（238U、226Ra、228Ra、40K）平均比活度都大于離岸的潿洲島沉積物中對(duì)應(yīng)的放射性核素比活度；除了潿洲島柱狀沉積物中238U 外，2 個(gè)沉積物柱樣中垂向上的核素比活度都圍繞各自平均值波動(dòng)，沒有顯著的增加或者減少的趨勢(shì)，說明在40 cm 以淺的4 種核素（238U、226Ra、228Ra、40K）的垂直分布較為均勻。

圖 2 北部灣表層沉積物中放射性核素238U（a）、226Ra（b）、228Ra（c）、40K（d）比活度的“蝴蝶”狀分布特征Fig. 2 “Butterfly pattern” of specific activities of 238U(a), 226Ra(b), 228Ra(c), and 40K(d) in surface marine sediments collected from the Beibu Gulf

3.3 表層沉積物的粒徑和TOC

北部灣表層海洋沉積物中的粒徑和TOC 含量范圍分別為0.01～0.42 mm 和0.10～1.56%，粒徑和TOC 含量均值為（0.10±0.11）mm 和（0.58±0.41）%，二者的空間分布如圖4。廣西防城港、欽州灣和廣東雷州半島西部海域的東西兩側(cè)沉積物粒徑較細(xì)，而中間位置的廣東北海廉州灣附近海域的沉積物粒徑較粗，粒徑與核素比活度的空間分布特征相似，都具有“蝴蝶”狀的分布特征，說明二者很可能存在一定的聯(lián)系。

沉積物中TOC 含量分布更加復(fù)雜，低值區(qū)位于廣東雷州半島西部近岸海域和廣西北海廉州灣周邊海域，高值區(qū)位于廣西欽州灣和防城港周邊海域。在北海和雷州半島中間的鐵山港附近海域，沉積物TOC含量也較高，該現(xiàn)象與其他研究報(bào)道的海水中顆粒有機(jī)碳（POC）分布相似[23]，可能與北部灣底層水沿著潿洲島和雷州半島西部之間的深水槽，向鐵山港外圍附近水域的爬升而引起的上升流有關(guān)[18]。

4 討論

4.1 不同海域核素含量的比較與評(píng)價(jià)

海洋沉積物作為放射性核素的最終歸宿，我國東部海區(qū)沉積物中放射性核素研究已有較多報(bào)道，比如：自北向南依次為大連灣[24]、萊州灣[25]、膠州灣[26]、長(zhǎng)江口[27]、廈門海域[28]、大亞灣[29]、黃茅海?廣海灣[30]、陽江海域[31]、白龍半島[32]、海南島東部海域[33]、南海東北部[34]、南沙海域[35]等。本文將北部灣和中國其他海域的表層沉積物中放射性核素水平進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1。

我國大部分海域的海洋沉積物放射性核素水平，都與中國土壤的放射性核素水平接近[36]，該現(xiàn)象因?yàn)橹袊５某练e物主要來自于河流所攜帶的中國土壤，二者擁有源匯上的內(nèi)在聯(lián)系[37]。通過不同海區(qū)的對(duì)比，本文發(fā)現(xiàn)北部灣表層海洋沉積物的放射性核素比活度整體上都低于我國大部分海域的沉積物結(jié)果，高于南海珊瑚礁區(qū)極低的放射性核素比活度。

圖 3 潿洲島（WZ）與三娘灣（SN）沉積物柱狀樣中放射性核素238U（a）、226Ra（b）、228Ra（c）、40K（d）比活度剖面圖Fig. 3 Vertical profiles of specific activities of 238U(a), 226Ra(b), 228Ra(c), and 40K(d) in sediment cores from the stations of WZ and SN

海洋沉積物作為一種潛在的建筑材料，通過人類加工后應(yīng)用于建筑行業(yè)中可以對(duì)人類產(chǎn)生一定的電離輻射。不同種類的放射性核素對(duì)海洋生物和人體輻射危害不同，因此在電離輻射環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)過程中，不同核素被賦予不同權(quán)重因子[20–21]。本文采用等當(dāng)量鐳指數(shù)（Raeq），內(nèi)照射和外照射指數(shù)（Hex和Hin），吸收劑量率（DR）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體計(jì)算如公式（3）～（6），計(jì)算結(jié)果如表2 所示。通過對(duì)比可以看出，我國海域的表層沉積物的電離輻射評(píng)價(jià)指數(shù)都小于國際推薦值。特別指出的是，北部灣表層沉積物的電離輻射評(píng)價(jià)指數(shù)低于我國大部分海域的結(jié)果，僅高于南海珊瑚礁區(qū)的結(jié)果。因此，北部灣表層沉積物中放射性核素不會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成顯著的電離輻射威脅。

式中，Hex和Hin無量綱；ARa、ATh、AK分別代表226Ra、228Ra、40K 的比活度，單位為Bq/kg。

表 1 不同海域的表層沉積物中238U、226Ra、228Ra、40K 含量（單位：Bq/kg）Table 1 Activities of 238U、226Ra、228Ra、40K in surface sediments from distinct sea regions (unit： Bq/kg)

圖 4 北部灣表層沉積物的粒徑（a）和TOC 含量（b）的空間分布特征Fig. 4 Spatial distribution of grain size (a) and organic carbon (b) in surface sediments of the Beibu Gulf

4.2 核素之間的內(nèi)在聯(lián)系

北部灣表層沉積物中4 種放射性核素（238U、226Ra、228Ra、40K）的空間分布特征存在一定的相似性，都在不同程度上存在“蝴蝶”狀的分布特征（圖2）。這4 種核素之間可能存在一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

首先，226Ra 和238U 處于同一衰變系列中，兩個(gè)核素比活度之間的關(guān)系與衰變平衡程度（物理過程）密切相關(guān)。在238U-230Th-226Ra 的衰變體系中，如果238U 衰變系列處于封閉狀態(tài)且平衡時(shí)間足夠長(zhǎng)（一般大于5 倍230Th 半衰期，大約40 萬年以上），226Ra 和238U 將達(dá)到平衡狀態(tài)，226Ra/238U 活度比值為1。然而，地表過程中存在活躍且復(fù)雜的物理?生物地球化學(xué)過程，226Ra 和238U 往往處于不平衡狀態(tài)，比如：海上油田鉆井平臺(tái)或者磷肥加工廠通常會(huì)向環(huán)境釋放226Ra，進(jìn)而導(dǎo)致海洋沉積物中226Ra 比活度增加[6;38]，使得226Ra/238U活度比值大于1；大部分情況下海洋沉積物中226Ra/238U活度比值一般在0.5～1.0 之間[20]。因此，海洋沉積物中226Ra 和238U 的關(guān)系較為復(fù)雜且多變，受到物理過程和生物地球化學(xué)過程影響。

232Th、238U、40K 分別屬于3 個(gè)獨(dú)立的衰變系和元素，半衰期都超過1 億年，地殼中含量較為穩(wěn)定。目前地殼中232Th、238U、40K 的平均含量分別為12×10?6、3×10?6、2.35%[39]，換算后的比活度依次為48.7 Bq/kg、37.2 Bq/kg、729 Bq/kg，地殼中232Th/238U 和40K/238U 的平均活度比值為1.3 和19.5。本文著重探討北部灣海洋沉積物中232Th/238U 和40K/238U 之間的關(guān)系（圖5）。

如圖5a 所示，232Th 與238U 和40K 與238U 之間總體上存在一定的正相關(guān)。地殼中232Th 和238U 的平均比活度（圖5a中紅色圓點(diǎn)）基本落在北部灣海洋沉積物中232Th/238U的線性回歸擬合的虛線上，說明北部灣的海洋沉積物總體上來源于地殼的物質(zhì)經(jīng)過風(fēng)化和河流搬運(yùn)等一系列地質(zhì)過程，且較好地保存了地殼232Th 和238U 的原始信號(hào)，北部灣海洋沉積物和地殼（土壤）具有一定的同源性。

北部灣沉積物中40K 與238U 之間關(guān)系的分布（圖5b）相對(duì)232Th 與238U 之間關(guān)系的分布（圖5a）更加分散一些，且地殼中40K 和238U 平均比活度（圖5b 中紅色圓點(diǎn)）顯著偏離40K/238U之間線性回歸擬合的虛線。斜長(zhǎng)石是陸地地殼中的最主要礦物之一，在所有陸地地殼礦物中占比達(dá)到34.9%[40]，而鉀元素又是斜長(zhǎng)石（K/NaAlSi3O8）重要的組成元素之一。在礦物的風(fēng)化和搬運(yùn)過程中，礦物中鉀元素易溶于水中[如化學(xué)方程式（7）]，且最終在海水中積累。鉀元素的易溶解特點(diǎn)導(dǎo)致在海水的所有放射性核素中鉀元素中40K 同位素?fù)碛凶罡弑然疃龋?2 000 Bq/m3）[4]，與此同時(shí)沉積物中的40K 相對(duì)于地殼中40K 含量就會(huì)有所降低，并導(dǎo)致沉積物中40K/238U活度比值下降，地殼中40K 和238U 平均比活度落在北部灣大部分沉積物中40K 與238U 之間線性回歸擬合的虛線之上（圖5b）。

表 2 不同海域表層沉積物的輻射環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)Table 2 Assessment of environmental radiation quality for sediments from other sea regions

圖 5 北部灣沉積物中232Th 和238U（a）、40K 和238U（b）的關(guān)系Fig. 5 Relationship of 232Th vs.238U(a) and 40K vs.238U(b) in marine sediments collected from the Beibu Gulf

最近一些研究利用穩(wěn)定同位素41K 的手段發(fā)現(xiàn)海洋沉積物中存在“反向風(fēng)化”過程[ 如化學(xué)方程式（8）]，該過程將使得海水中的K 元素再進(jìn)入沉積物中，并增加海水中δ41K[41]，該過程同時(shí)有可能使得沉積物中K 濃度上升，并可能進(jìn)一步導(dǎo)致沉積物中40K/238U 活度比值上升。雖然圖5b 中大部分站位的沉積物中40K/238U 活度比值低于地殼40K/238U 活度比值（19.5），但是2 個(gè)站位的沉積物中40K/238U 活度比值高于地殼40K/238U 活度比值（19.5），該過程可能與沉積物“反向風(fēng)化”過程有一定關(guān)聯(lián)。綜上，沉積物中232Th/238U 相對(duì)于40K/238U 的分布更加集中，總體上更好地保留地殼原始信號(hào)，反映陸源特征。

4.3 核素與TOC、粒徑的外部關(guān)聯(lián)

粒徑和TOC 是沉積物的兩個(gè)重要理化參數(shù)，影響很多化學(xué)物質(zhì)的濃度。本研究在分析4 種核素之前，測(cè)量沉積物中粒徑和TOC 濃度。由于4 種核素之間存在一定的關(guān)聯(lián)性（圖2），因此本文選擇238U，著重探討沉積物中238U 與TOC、粒徑的關(guān)系（圖6）。

本研究發(fā)現(xiàn)北部灣沉積物中238U 和TOC 存在一定的正相關(guān)。其他研究也在南海[42]、渤海[43]、東太平洋[44]、地中海[45]、大西洋和南大洋[46]等不同海區(qū)發(fā)現(xiàn)沉積物中238U 和TOC 存在正相關(guān)，該現(xiàn)象可能是因?yàn)轭w粒物表面的有機(jī)物絡(luò)合海水中238U，并埋藏進(jìn)入沉積物中，有機(jī)物濃度越高，則對(duì)應(yīng)的238U 比活度也越高[44]。此外，高TOC 濃度的沉積物可以創(chuàng)造亞氧或者無氧環(huán)境，有利于+6 價(jià)的溶解態(tài)鈾轉(zhuǎn)變?yōu)?4 價(jià)的顆粒態(tài)鈾，實(shí)現(xiàn)從海水到沉積物的遷出過程[47]。該過程是全球海洋鈾收支平衡中重要過程，占海洋鈾所有遷出途徑的60%以上[47]。

如圖6b 所示，本文發(fā)現(xiàn)北部灣沉積物中238U 比活度與粒徑存在反比例函數(shù)的非線性關(guān)系，隨著粒徑增加，沉積物中238U 比活度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其他研究也在渤海沉積物中發(fā)現(xiàn)238U 比活度隨著粒徑增加而下降[43]。但是其他研究由于數(shù)據(jù)量有限，沒有擬合給出238U 比活度和粒徑之間具體的線性或者非線性的關(guān)系。

本文通過數(shù)據(jù)擬合后發(fā)現(xiàn)238U 比活度和粒徑之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是反比例函數(shù)的非線性關(guān)系。本文認(rèn)為238U 比活度可能受控于顆粒物的比表面積，即粒徑越小比表面積越大，顆粒物表面提供的TOC 和鈾絡(luò)合的位點(diǎn)越多，導(dǎo)致238U 比活度越高。如公式（9）所示，238U 比活度正比于單位質(zhì)量的表面積，進(jìn)一步推導(dǎo)得到238U 比活度反比于密度和直徑。圖6b擬合獲得一個(gè)238U 比活度和粒徑的反比例函數(shù)，印證基于理論推斷的公式（9）的結(jié)果。

式中，A 代表238U 比活度，r 代表半徑，ρ 代表密度。

從圖6 可以看出，粒徑和TOC 都對(duì)238U 的含量分別產(chǎn)生非線性和線性的調(diào)控。從回歸擬合的R 值的角度看，238U 含量與粒徑的相關(guān)性更強(qiáng)，而與TOC 的相關(guān)性稍差。通過主成分法求解因子模型得到粒徑和TOC 與238U 含量的相關(guān)系數(shù)分別為?1.03 和0.76，粒徑相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值較大，因此粒徑因素對(duì)于238U活度調(diào)控的貢獻(xiàn)也大于TOC 因素的貢獻(xiàn)。TOC 的來源較為復(fù)雜且多樣，而發(fā)揮與鈾元素的絡(luò)合作用的有機(jī)物很可能只占TOC 很小的一部分，可能導(dǎo)致二者相關(guān)性較弱。粒徑所產(chǎn)生的比表面積作用，屬于物理過程，對(duì)于核素含量的調(diào)控機(jī)制更加明確且具有普遍性，非線性的特征關(guān)系也更加顯著。

圖 6 北部灣表層沉積物中238U 比活度與TOC、粒徑的關(guān)系Fig. 6 Relationship of 238U specific activity, TOC, and grain size in surface sediments from the Beibu Gulf

密度與礦物組成（重礦物、輕礦物等）密切相關(guān)，一般重礦物越多，密度越大，核素比活度也越高[26]。圖6b 也存在一個(gè)紅色異常點(diǎn)，238U 比活度顯著高于回歸擬合曲線的結(jié)果，該異常點(diǎn)可能與沉積物中礦物組成有關(guān)。該站位的沉積物中其他3 種核素（226Ra、228Ra、40K）也同時(shí)存在異常升高的狀況，然而TOC 并沒有出現(xiàn)異常升高。所以，該異常點(diǎn)可能與礦物組成有關(guān)，而與TOC 關(guān)系不大。

4.4 氧化還原敏感型核素238U 與沉積擾動(dòng)

在2 個(gè)柱狀沉積物的所有核素中，大部分的核素比活度在垂向上沒有觀察到顯著增高/降低的變化趨勢(shì)。但是，值得注意的是，潿洲島沉積物中238U 比活度隨著深度增加具有升高趨勢(shì)（圖7a），這與其他研究者在大西洋、太平洋、印度洋的柱狀沉積物中238U結(jié)果一致[48–49]。238U 屬于氧化還原敏感型元素，隨著沉積柱樣深度增高，沉積物中溶解氧含量下降，+6 價(jià)溶解態(tài)U 轉(zhuǎn)變成+4 價(jià)的自生礦物U 而在沉積物中積累，進(jìn)而導(dǎo)致238U 比活度隨著深度而增加[48]。本研究同時(shí)測(cè)量潿洲島柱樣沉積物中另一種氧化還原敏感型元素Mn，發(fā)現(xiàn)從表層到次表層的沉積物中Mn 含量隨著深度增加而下降（圖7c 中陰影部分）。在次表層沉積物中溶解氧含量相對(duì)于表層沉積物有所下降，Mn 從+4 價(jià)顆粒態(tài)形式向+2 價(jià)的溶解態(tài)形式轉(zhuǎn)化，Mn2+進(jìn)入間隙水，導(dǎo)致沉積物固相中的Mn 元素含量下降。因此，柱樣沉積物中Mn 和238U 存在反相關(guān)系（圖7c 中陰影部分），該現(xiàn)象與其他海區(qū)的研究結(jié)果類似[48–49]。

然而，三娘灣柱狀沉積物中238U 比活度沒有顯著增加/減少的變化趨勢(shì)（圖7a），這可能與沉積物的（物理、生物等過程）擾動(dòng)有關(guān)。結(jié)合柱狀沉積物中210Pb 比活度的分布情況，從圖7b 陰影部分可以看出，潿洲島柱狀沉積物中210Pb 比活度隨著深度增加而逐漸降低，符合沉積物210Pb 年代學(xué)的分布模式，說明該柱樣沒有受到物理/生物擾動(dòng)；然而三娘灣柱狀沉積物中210Pb 隨著深度增加沒有降低的趨勢(shì)，說明三娘灣柱狀20 cm 以淺的沉積物很可能受到擾動(dòng)，導(dǎo)致20 cm 以淺的表層210Pb 被混合均勻。如果沉積物受到擾動(dòng)，則238U 的分布也將因?yàn)閿_動(dòng)而被混合均勻，導(dǎo)致無法觀察到三娘灣柱樣中238U 比活度隨深度的增加而增大趨勢(shì)的現(xiàn)象。

4.5 226Ra/238U 活度比值的潛在應(yīng)用

物源識(shí)別是海洋沉積學(xué)中重要研究?jī)?nèi)容，一般要求物源識(shí)別的指示劑盡可能的保留原始信號(hào)，便于溯源。顆?；钚缘暮怂兀菀纂S著遷移輸運(yùn)過程，而發(fā)生較強(qiáng)的吸附過程，進(jìn)而改變?cè)夹盘?hào)（比活度或者活度比值），這類過程和變化是不利于溯源的。除了鹽度梯度較大的河口地區(qū)和氧化還原變化劇烈的界面等較為極端的環(huán)境中，226Ra 和238U 在富氧且高鹽的大部分海洋環(huán)境中，二者行為較為保守，且都具有很長(zhǎng)的海水停留時(shí)間（特別是238U 停留時(shí)間達(dá)到2.8×106a），226Ra/238U 活度比值也較為保守，可以反映物質(zhì)來源。

圖 7 潿洲島（WZ）與三娘灣（SN）沉積物柱狀樣中放射性核素238U（a）和210Pb（b）比活度剖面圖，以及WZ 柱樣中鈾（238U）和錳（Mn）兩種氧化還原敏感型元素的垂直分布圖（c）Fig. 7 Vertical profiles of activities of 238U (a) and 210Pb (b) in sediment cores from the stations of WZ and SN. Vertical profile of redox sensitive element of 238U and Mn in WZ sediment core (c)

圖8 展示北部灣和我國其他海域沉積物中226Ra和238U 比活度關(guān)系。北部灣沉積物的226Ra/238U 活度比值大部分在0.5～1.0 之間，少部分結(jié)果在1.0～2.0 之間，與廣西紅樹林的表層沉積物的226Ra/238U 活度比值接近[50]，總體上也與我國其他海區(qū)的結(jié)果一致。經(jīng)過漫長(zhǎng)的風(fēng)化、河流搬運(yùn)、大氣輸運(yùn)沉降等地質(zhì)過程（大于40 萬年），226Ra/238U 接近準(zhǔn)平衡狀態(tài)（活度比值為1），較高的226Ra/238U 活度比值指示北部灣海洋沉積物來源于巖石等地幔物質(zhì)。值得注意的是，南海珊瑚礁區(qū)的生源沉積物（碳酸鈣為主）中226Ra/238U 活度比值大部分都小于0.1，顯著低于北部灣以及我國其他海區(qū)的結(jié)果。珊瑚礁區(qū)的沉積物主要來自于生物鈣化骨骼的殘留物，屬于生物成因，機(jī)制上不同于其他海區(qū)的地質(zhì)成因的陸源沉積物[19–20]。

232Th、238U、40K 擁有很長(zhǎng)的半衰期（億年量級(jí)），地殼中含量較為穩(wěn)定，232Th/238U 和40K/238U 活度比值也較為穩(wěn)定。沉積物中226Ra、238U 比活度和活度比值受到生物地球化學(xué)過程的影響，同時(shí)與物理衰變時(shí)間有關(guān)，活度比值復(fù)雜且多變，不同來源、不同過程影響下的226Ra/238U 活度比值存在一定差別，記錄更豐富的過程信息，可以作為示蹤劑，應(yīng)用于沉積物的物質(zhì)來源判別和過程示蹤[7,20;51]。比如，本文發(fā)現(xiàn)226Ra/238U 活度比值可以顯著反映珊瑚礁區(qū)中的生源沉積物和礁外陸源沉積物之間的差異，很可能可以應(yīng)用于指示人類活動(dòng)引起的陸源物質(zhì)輸入增加（比如，河流輸入、島礁或者近岸的工程建設(shè)）對(duì)近岸珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的影響。

此外，沉積物中226Ra/238U 活度比值，采用HPGeγ 譜儀進(jìn)行測(cè)量，具有無需化學(xué)處理的特點(diǎn)，測(cè)量簡(jiǎn)單。樣品經(jīng)過HPGe-γ 譜測(cè)量后，還可以用于其他化學(xué)成分（常量元素、稀土元素、傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素等）的分析。因此，226Ra/238U 活度比值可能可以作為其他傳統(tǒng)地球化學(xué)指標(biāo)（Al、Ti、稀土元素等）的一種有益的補(bǔ)充手段。

圖 8 北部灣和我國其他海域沉積物中226Ra 和238U 比活度關(guān)系，k 代表226Ra/238U 活度比值，所有數(shù)據(jù)來自表1 和本研究Fig. 8 Relationship between 226Ra and 238U in surface marine sediments from the Beibu Gulf and other China seas. k is denoted as activity ratio of 226Ra to 238U. All data was obtained from Table 1 and this study

5 結(jié)論

本研究利用HPGe-γ 譜儀首次測(cè)定并系統(tǒng)報(bào)道北部灣海洋沉積物的4 種最主要天然放射性核素的“蝴蝶”狀分布特征，核素比活度均值次序?yàn)?0K [（253±192）Bq/kg]＞228Ra[（34.4±18.7）Bq/kg]＞238U[（24.7±11.6）Bq/kg]＞226Ra[（22.2±10.7）Bq/kg]。北部灣沉積物的多個(gè)電離輻射評(píng)價(jià)指數(shù)都低于我國大部分海區(qū)的結(jié)果和國際推薦值，高于南海珊瑚礁區(qū)的極低放射性水平的結(jié)果。

本研究發(fā)現(xiàn)北部灣沉積物中放射性核素的“蝴蝶”狀分布特征與沉積物粒徑相關(guān)，核素比活度與粒徑存在反比例函數(shù)的非線性關(guān)系。同時(shí)，核素比活度與沉積物TOC 也存在一定的正相關(guān)。此外，礦物組成的差異也可能導(dǎo)致核素比活度的變化，氧化還原條件的改變和物理/生物擾動(dòng)過程也都可能影響氧化還原敏感型核素（比如，238U）含量的改變。

北部灣沉積物中232Th/238U、40K/238U、226Ra/238U 活度比值結(jié)果顯示北部灣沉積物來自地殼風(fēng)化和河流輸運(yùn)，具有典型的陸源沉積物特征，且顯著不同于南海珊瑚礁的生源沉積物特征?；诜派湫院怂氐牡厍蚧瘜W(xué)新指標(biāo)可能可以應(yīng)用于今后的海洋沉積過程研究與示蹤應(yīng)用。