林武輝,余克服*,鄧芳芳,王英輝,馮 禹,劉昕明,莫珍妮,馬 豪

南?，F(xiàn)代珊瑚骨骼中放射性核素特征指紋

林武輝1,2,余克服1,2*,鄧芳芳3,王英輝1,2,馮 禹2,劉昕明4,莫珍妮4,馬 豪5

(1.廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)海洋學(xué)院,廣西 南寧 530004；3.自然資源部第三海洋研究所,福建 廈門 361005；4.廣西海洋研究院,廣西 南寧 530022；5.清華大學(xué)工程物理系,北京 100084 )

利用地表實(shí)驗(yàn)室高純鍺γ譜儀、中國錦屏極深地下實(shí)驗(yàn)室高純鍺γ譜儀、低本底β計(jì)數(shù)器系統(tǒng)測定我國南海1500km空間跨度上10個(gè)不同站位、5種不同種類和形狀的現(xiàn)代珊瑚骨骼中6種最主要的天然放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K)和人工放射性核素(137Cs和90Sr)的含量,獲得現(xiàn)代珊瑚骨骼中放射性核素平均活度排序?yàn)?38U(29.94Bq/kg)>40K(11.72Bq/kg)>228Ra(6.37Bq/kg)>226Ra(3.16Bq/kg)>90Sr(1.21Bq/kg)>137Cs(<0.06Bq/kg).除了岸礁的珊瑚骨骼中228Ra活度高于環(huán)礁的珊瑚骨骼中228Ra活度的現(xiàn)象外,不同種類、不同離岸距離的珊瑚骨骼之間的同種放射性核素活度沒有顯著差異.本研究進(jìn)一步對比珊瑚骨骼、珊瑚礁區(qū)沉積物、非珊瑚礁區(qū)的海洋沉積物、全球土壤的放射性核素活度含量,闡明珊瑚礁區(qū)是地表罕見的極低放射性水平區(qū)域,并指出現(xiàn)代珊瑚骨骼具有極低的226Ra/238U活度比值(~0.1)和極高的90Sr/137Cs活度比值(1000)的指紋特征.

珊瑚礁；放射性核素；漂浮型核電站；地下實(shí)驗(yàn)室；地球化學(xué)

放射性核素是人類關(guān)心的一類危險(xiǎn)物質(zhì)[1-2],同時(shí)也是海洋學(xué)研究中重要示蹤工具[3-6].放射性核素示蹤技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種不同類型的海洋生態(tài)系統(tǒng)中,如近岸河口生態(tài)系統(tǒng)[7],“地下河口”系統(tǒng)[8],紅樹林生態(tài)系統(tǒng)[9],上升流生態(tài)系統(tǒng)[10],極地海冰系統(tǒng)[11],深海熱液口生態(tài)系統(tǒng)[12],巖石圈的洋中脊系統(tǒng)[13]等.珊瑚礁系統(tǒng)作為一種重要的海洋生態(tài)系統(tǒng),是過去氣候變化和環(huán)境污染歷史的優(yōu)良檔案館[14].近年來,珊瑚礁面臨全球變暖和海洋酸化的威脅而受到廣泛關(guān)注[15-16].放射性核素示蹤技術(shù)在珊瑚礁系統(tǒng)中的應(yīng)用可以為氣候變化和環(huán)境污染研究提供基礎(chǔ)的年代框架和人類活動的指示劑,具有重要的研究意義.同時(shí),珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是許多生物的棲息地,被稱為海洋中“熱帶雨林”[17],為人類提供豐富的海洋生物資源.我國廣東大亞灣、海南昌江、臺灣恒春的濱海核電站周邊,都有造礁珊瑚的分布.放射性核素可以通過食物鏈傳遞對人類健康構(gòu)成潛在的電離輻射威脅[18].珊瑚礁系統(tǒng)中放射性核素研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

我國南海珊瑚礁總面積達(dá)到7974km2,與澳大利亞大堡礁相當(dāng)[19].珊瑚島礁也是我國南海唯一的陸地國土類型,近年來島礁供電問題極大限制島礁的建設(shè)和開發(fā),為此多個(gè)國家正研發(fā)海洋漂浮型核電站[20-21],擬解決島礁能源問題.未來漂浮型核電站的建設(shè)對珊瑚礁區(qū)生態(tài)環(huán)境安全和島礁居民的電離輻射影響是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作[22-23].造礁珊瑚作為珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的生物,南海造礁珊瑚骨骼中天然放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K)和人工放射性核素(137Cs和90Sr)數(shù)據(jù)的缺乏將限制珊瑚礁區(qū)放射性核素的水平、分布特征、調(diào)控機(jī)制、電離輻射影響等方面的認(rèn)知[23-28].

本研究利用地表實(shí)驗(yàn)室高純鍺γ譜儀、中國錦屏極深地下實(shí)驗(yàn)室高純鍺γ譜儀、低本底β計(jì)數(shù)器系統(tǒng)測定我國南海1500km空間跨度上10個(gè)不同站位、5種不同種類和形狀的現(xiàn)代珊瑚骨骼中6種最主要的天然和人工放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K、137Cs、90Sr)的含量,并與之前報(bào)道的珊瑚礁區(qū)沉積物、非礁區(qū)海洋沉積物、全球土壤的放射性核素活度對比,探索珊瑚礁區(qū)兩種常見的放射性核素指紋特征(226Ra/238U和90Sr/137Cs活度比值)和控制因素.本研究嘗試探索珊瑚礁系統(tǒng)中放射性核素的生物地球化學(xué)行為特征,將有利于掌握核素在珊瑚礁系統(tǒng)中的歸宿,為今后預(yù)測和評價(jià)漂浮型核電站來源的人工放射性核素對珊瑚島礁的影響提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集和預(yù)處理

在2015~2016年期間采用水肺潛水法,采集淺水(深度<4m)造礁珊瑚骨骼樣品.這些活體珊瑚骨骼樣品采自大亞灣(DYW)、領(lǐng)奧(LA)、徐聞(XW)、潿洲島(WZ)、鹿回頭(LHT)、永興島(YX)、七連嶼(QLY)、黃巖島(HY)、三角礁(SJ)、仙娥礁(XE)共10個(gè)地區(qū),總計(jì)17個(gè)現(xiàn)代珊瑚樣品,站位空間分布如圖1.采集的5種珊瑚種類包含常見且典型的塊狀濱珊瑚、枝狀鹿角珊瑚、枝狀杯形珊瑚、柱狀角孔珊瑚、孤立狀石芝珊瑚,具體信息如表1.所有珊瑚尺寸為2~4cm,均為現(xiàn)代的活珊瑚骨骼,年齡為1~2a左右.采集后的樣品放置于密封袋內(nèi),-20℃冰箱中冷凍帶回實(shí)驗(yàn)室.

珊瑚骨骼樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后解凍,用去離子水沖洗,去掉珊瑚骨骼表面的珊瑚蟲組織.配置10%雙氧水,浸泡珊瑚骨骼1d后用去離子水沖洗,60℃烘箱內(nèi)烘干.珊瑚骨骼進(jìn)一步研磨過篩(100~150目),取20g珊瑚骨骼粉末,裝盒密封后放置30d,使226Ra及其子體核素達(dá)到平衡狀態(tài)后,再利用高純鍺γ譜測量珊瑚骨骼中放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K、137Cs)[24,26].

圖1 南?，F(xiàn)代珊瑚骨骼采樣站位

表1 南海珊瑚骨骼站位信息

1.2 高純鍺g譜儀測量

研磨裝樣后的珊瑚骨骼樣品采用高純鍺γ譜儀(Canberra Be 6530)進(jìn)行測量,相對探測效率為63.4%,在1332keV的能量分辨率為1.57keV.鉛室型號為777A,重量為1633kg,從外到內(nèi)的屏蔽材料為低碳不銹鋼(9.5mm)+低本底鉛(15cm)+老鉛(2.5cm,210Pb活度小于25Bq/kg)+低本底錫(1mm)+高純銅(1.6mm).數(shù)據(jù)處理采用Genie 2000軟件.沉積物標(biāo)準(zhǔn)來自國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)提供的愛爾蘭海沉積物標(biāo)準(zhǔn)(IAEA-385)和中國計(jì)量科學(xué)研究院提供的沉積物標(biāo)準(zhǔn)(GBW08304a),沉積物標(biāo)準(zhǔn)中的目標(biāo)核素包含:238U、232Th、228Ra、226Ra、137Cs、40K.

本研究中珊瑚骨骼從采樣時(shí)刻到測量時(shí)刻的時(shí)間間隔(1~2a)大于120d,238U與其子體234Th已經(jīng)達(dá)到衰變平衡的狀態(tài).因此,珊瑚骨骼中238U活度()和不確定度(δ)的測量根據(jù)其子體234Th在γ譜中63.3keV的全能峰,并利用式(1)~(2)定量計(jì)算獲得.

式中:T和0分別代表目標(biāo)核素對應(yīng)的γ射線的樣品和本底的凈計(jì)數(shù)率;T和0分別代表目標(biāo)核素對應(yīng)的γ射線的樣品和本底的總計(jì)數(shù)率;和代表相對探測效率和樣品重量;代表儀器的測量時(shí)間.不確定度主要來自于特征峰內(nèi)γ光子計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落.

珊瑚骨骼裝樣放置30d后,226Ra和子體核素達(dá)到衰變平衡狀態(tài).226Ra的活度和不確定度計(jì)算基于其子體214Pb(351.9keV)和214Bi(609.3keV)的全能峰;40K的測量通過該核素自身發(fā)射的γ射線(1460.8keV)進(jìn)行定量.226Ra和40K活度計(jì)算如式(1)~ (2).

珊瑚骨骼中228Ra可以通過其子體228Ac發(fā)射的γ射線911.1keV進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)?28Ac半衰期(6.13h)較短,228Ra和228Ac很快達(dá)到平衡狀態(tài).我們之前測量也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代珊瑚骨骼中存在228Th/228Ra不平衡[27].因此,珊瑚骨骼中228Th及其子體的γ射線不能用來計(jì)算228Ra活度,這點(diǎn)與其它介質(zhì)(土壤、沉積物、生物)中228Ra的測量有所不同.珊瑚骨骼中232Th的含量很低(10-3Bq/kg)[29-30],且228Ra的半衰期為5.75a,因此我們把實(shí)驗(yàn)室測量的結(jié)果校正到采樣時(shí)刻的228Ra活度和不確定度,如式(3)~(4)[24].

式中:1和0分別代表儀器測量時(shí)刻和樣品采樣時(shí)刻,其余參數(shù)的定義與式(1)~(2)一致.值得注意的是,采樣時(shí)刻的珊瑚骨骼中228Ra活度和不確定度的計(jì)算,必須進(jìn)行衰變校正.

基于安裝于地表實(shí)驗(yàn)室的高純鍺γ譜儀測量的珊瑚骨骼中238U、226Ra、228Ra、40K核素在γ譜中的峰型較為明顯,可以被識別和定量,但是所有珊瑚骨骼中137Cs在661.7keV未觀察到顯著峰型,根據(jù)式(5)計(jì)算獲得這些珊瑚骨骼樣品中137Cs最低檢測限(Minimum Detection Activity, MDA)為0.72Bq/kg(測量時(shí)間為2d).為此,進(jìn)一步把部分珊瑚骨骼樣品送到中國四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(2400m巖石厚度,是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室)的高純鍺γ譜儀進(jìn)行測量[31-32],該譜儀具有極低的儀器本底,本底全譜計(jì)數(shù)率(0.027cps)為地表實(shí)驗(yàn)室的譜儀本底全譜計(jì)數(shù)率(1.27cps)的2%,珊瑚骨骼樣品經(jīng)過16d的連續(xù)測量,仍然未觀測到顯著的137Cs核素峰型.通過式(5)的計(jì)算,我們獲得珊瑚骨骼中137Cs活度低于最低檢測限(0.06Bq/kg),可以看出南海現(xiàn)代珊瑚骨骼中人工放射性核素137Cs活度極低.

式中:0代表珊瑚骨骼樣品譜在661.7keV的總計(jì)數(shù)率;為樣品的測量時(shí)間.

在高純鍺γ譜儀測量的質(zhì)量控制方面,實(shí)驗(yàn)室定期開展儀器本底和標(biāo)準(zhǔn)源的測量工作,繪制質(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)(IAEA-385)和中國計(jì)量科學(xué)研究院提供的沉積物標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行交叉驗(yàn)證,以保證數(shù)據(jù)的可靠性.此外,實(shí)驗(yàn)室參加并順利通過2017年度國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心和2018年度國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)中心舉辦的高純鍺γ譜儀測量比對活動中所有放射性核素項(xiàng)目(210Pb,238U,226Ra,228Ra,228Th,137Cs,40K,60Co).

1.3 珊瑚骨骼90Sr測量

珊瑚骨骼主要成分是碳酸鈣,珊瑚生物鈣化過程同時(shí)吸收海水中與Ca同主族的90Sr進(jìn)入珊瑚骨骼中.海水中90Sr的測量,需要進(jìn)行碳酸鈣共沉淀的前處理[33].因此,珊瑚吸收海水中90Sr的過程,相當(dāng)于天然的碳酸鈣共沉淀過程.我們采用海水測量90Sr方法的改動后流程(具體流程見圖2),進(jìn)行珊瑚骨骼中90Sr的測定,基本測量原理為分離測量90Sr衰變平衡后的子體90Y所發(fā)射的高能β射線[33].本研究所采用海水90Sr測量方法于2016年和2017年參加IAEA組織的國際比對,并獲得良好的結(jié)果[33].此外,我們將最終分離獲得的草酸釔,進(jìn)行時(shí)間系列下的90Y多次β計(jì)數(shù)率測量,繪制90Y的衰變曲線(圖3),擬合計(jì)算獲得的半衰期[1/2=0.693/0.011=(63.0±1.3)h]與90Y的理論半衰期(64.1h)十分接近,說明本方法獲得純度較高的90Y.因此,本實(shí)驗(yàn)流程中較高的元素Y回收率(80%以上)和較好的90Y純度證明珊瑚骨骼90Sr分析方法的可靠性.珊瑚骨骼中90Sr活度和不確定度的計(jì)算如式(6)~(7).

式中:0和δ0代表采樣時(shí)刻90Sr的活度和不確定度;是草酸釔樣品測量時(shí)間;2、1、0分別代表90Y開始測量時(shí)刻、90Sr-90Y分離時(shí)刻、90Sr采樣時(shí)刻;1和0代表90Y和90Sr的衰變常數(shù);1和0分別代表樣品計(jì)數(shù)率和本底計(jì)數(shù)率;、、分別代表90Y探測效率(采用90Sr液體標(biāo)準(zhǔn)源,而獲得β計(jì)數(shù)器的探測效率)、90Y回收率(通過定量回收所加入的元素Y而獲得)、珊瑚骨骼質(zhì)量;δ代表90Y探測效率的不確定度.

圖2 現(xiàn)代珊瑚骨骼中90Sr的分析流程

圖3 珊瑚骨骼中90Sr測量分離后的草酸釔沉淀中90Y的半衰期擬合曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 南海珊瑚骨骼中天然放射性核素

表2列出了南海的濱珊瑚、鹿角珊瑚、柱狀角孔珊瑚、石芝珊瑚、杯形珊瑚骨骼中最主要的4種天然放射性核素238U、226Ra、228Ra、40K的含量.南?，F(xiàn)代珊瑚骨骼中238U活度范圍22.99~ 38.81Bq/kg、226Ra活度為1.03~6.46Bq/kg、228Ra活度為0.23~18.67Bq/kg、40K活度為3.60~27.45Bq/kg.珊瑚骨骼中的天然放射性核素平均活度順序?yàn)?38U [(29.74±4.75)Bq/kg]>40K[(11.72±7.13)Bq/kg]>228Ra [(6.37±4.67)Bq/kg]>226Ra[(3.16±1.75)Bq/kg],其中238U活度高于其它3種核素活度.

由于230Th/238U定年法在珊瑚年代學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用[34],珊瑚骨骼中的238U活度被廣泛報(bào)道[35],這些大量的238U數(shù)據(jù)主要是基于質(zhì)譜儀器測量獲得的.本研究基于高純鍺γ譜儀獲得的珊瑚骨骼中238U活度范圍(22.99~38.81Bq/kg)與基于質(zhì)譜儀器獲得的珊瑚骨骼中238U結(jié)果(2~4μg/g對應(yīng)活度范圍為24.9 ~49.8Bq/kg)較為一致[35].

世界范圍內(nèi)的珊瑚骨骼中Ra同位素(226Ra和228Ra)的報(bào)道很少.部分因素源于226Ra和228Ra半衰期(1600a和5.75a)遠(yuǎn)低于238U半衰期(4.468×109a),相同活度條件下Ra同位素的原子數(shù)低于238U的原子數(shù),基于質(zhì)譜法測量Ra同位素的難度更大[24].20世紀(jì)80年代以前,部分學(xué)者利用放射化學(xué)法測量大西洋珊瑚骨骼中228Ra活度范圍為0.3~3Bq/kg[36-38],本研究利用高純鍺γ譜儀測量南海珊瑚骨骼中228Ra活度范圍為0.23~18.67Bq/kg,228Ra活度普遍大于大西洋的結(jié)果.Cai等[39]研究顯示南海海水中228Ra高于大西洋海水中228Ra.全球范圍內(nèi)的海水中228Ra活度變化較大,與河流輸入、地下水輸入、沉積物向上覆水體的輸入、離岸距離等因素密切相關(guān)[40].南海是典型的邊緣海,周邊島嶼眾多,河流物質(zhì)入海通量較大[41],這些因素引起的南海海水較高的228Ra活度,可能進(jìn)一步導(dǎo)致南海珊瑚骨骼中較高活度的228Ra.

世界范圍內(nèi)的淺水造礁珊瑚骨骼中226Ra活度報(bào)道極少,只有部分學(xué)者從210Pb/226Ra年代學(xué)的角度報(bào)道太平洋和大西洋深海珊瑚(非造礁珊瑚)骨骼中226Ra的活度為1.2~6.7Bq/kg[42-44],國內(nèi)學(xué)者通過間接測量210Pb報(bào)道南海非造礁黑角珊瑚骨骼中226Ra活度為1.50~5.35Bq/kg[45].本研究的南海造礁珊瑚骨骼中226Ra活度為1.03~6.46Bq/kg,該結(jié)果與深海珊瑚骨骼和非造礁珊瑚骨骼中226Ra活度較為接近.

表2 南海珊瑚骨骼中天然放射性核素活度(Bq/kg)

注:不確定度采用1倍標(biāo)準(zhǔn)不確定度,置信度為68%.

世界范圍內(nèi)的造礁珊瑚骨骼中40K的報(bào)道也很少.本研究的淺水造礁珊瑚骨骼中40K含量(3.60~27.45Bq/kg)比Sabatier等[42]報(bào)道的深海珊瑚骨骼中40K活度(0.13~0.48Bq/kg)高1個(gè)量級左右,但是與林武輝等[24-26]報(bào)道珊瑚礁區(qū)沉積物和碳酸鹽巖中40K活度(0.4~10.8Bq/kg)接近,也與國外學(xué)者在馬紹爾群島(太平洋珊瑚島礁)報(bào)道的珊瑚砂中40K的平均活度[(10.7±0.5)Bq/kg]接近[46],這些遠(yuǎn)離大陸的珊瑚砂主要源自于珊瑚骨骼的破碎風(fēng)化過程.

2.2 南海珊瑚骨骼中人工放射性核素

137Cs和90Sr是環(huán)境放射性測量中兩種最常見的人工放射性核素,IAEA匯總并評估全球不同海洋中137Cs和90Sr的分布特征及其調(diào)控因素[47].然而,世界范圍內(nèi)關(guān)于珊瑚礁區(qū)人工放射性核素137Cs和90Sr的數(shù)據(jù)極少.

本研究利用安裝于地表實(shí)驗(yàn)室的高純鍺γ譜儀測量珊瑚骨骼中137Cs活度,發(fā)現(xiàn)所有南海現(xiàn)代珊瑚骨骼樣品中都沒有觀測到137Cs在γ能譜中的全能峰(661.7keV),進(jìn)一步計(jì)算獲得珊瑚骨骼中137Cs活度低于最低檢測限(0.72Bq/kg).選擇潿洲島的濱珊瑚骨骼(WZ-P01)樣品,送到中國四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的極低本底高純鍺γ譜儀測量,樣品連續(xù)測量16d,獲得的γ譜中仍然未觀測到137Cs在γ能譜中的全能峰(661.7keV),此時(shí)計(jì)算的最低檢測限為0.06Bq/kg.因此,本研究基于極低本底地下實(shí)驗(yàn)室的測量,將珊瑚骨骼中137Cs活度約束至0.06Bq/kg以下,這為未來珊瑚骨骼中137Cs及其相關(guān)同位素(135Cs)的分析方法開發(fā)及其準(zhǔn)確測量提供一定的參考和啟發(fā).

根據(jù)IAEA對生物濃集因子(CF)的定義[48],結(jié)合本實(shí)驗(yàn)獲得的珊瑚骨骼40K活度[(11.72± 7.13)Bq/kg]和公開報(bào)道的海水中40K活度(11~ 12Bq/L)[2],利用式(8)計(jì)算獲得珊瑚骨骼對40K的CF大約為1L/kg,該CF與珊瑚骨骼對Na的CF(~ 1L/kg)一致[49].前人研究也表明,珊瑚骨骼中同主族的多個(gè)堿土金屬(Ca、Sr、Ba)也擁有相同的CF[50].因此,假設(shè)珊瑚骨骼中137Cs的CF(1L/kg)與同主族的Na和K的CF一致,結(jié)合2011~2014年南海海水中137Cs的活度(1~2Bq/m3)報(bào)道[51-52],可以計(jì)算獲得珊瑚骨骼中137Cs活度大約為10-3Bq/kg,低于中國四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的極低本底高純鍺γ譜儀的最低檢測限(0.06Bq/kg),也從理論上驗(yàn)證本研究關(guān)于珊瑚骨骼137Cs未檢出的現(xiàn)象.因此,珊瑚骨骼中具有極低活度的人工放射性核素137Cs(10-3Bq/kg),該核素不適合用于珊瑚骨骼中的大氣核爆歷史的反演,進(jìn)一步限制137Cs年代學(xué)在珊瑚骨骼和珊瑚砂中的應(yīng)用.

相對于137Cs的測量,90Sr的測量需要更加復(fù)雜的放射化學(xué)分離過程,測量難度更大,日本福島核事故后的環(huán)境中90Sr數(shù)據(jù)量也遠(yuǎn)少于137Cs數(shù)據(jù)量[53].本研究利用低本底β計(jì)數(shù)器測量近岸的岸礁(大亞灣和潿洲島)和南海環(huán)礁(黃巖島)的珊瑚骨骼中90Sr活度如表3.現(xiàn)代珊瑚骨骼中90Sr活度范圍為0.97~1.58Bq/kg,平均活度為(1.21±0.23)Bq/kg,該結(jié)果略低于20世紀(jì)80年代的太平洋斐濟(jì)的珊瑚骨骼90Sr (~2Bq/kg)[54],這可能與海水中90Sr活度隨著時(shí)間推移而下降有關(guān).雖然近年來(特別是日本福島核事故后)我國在南海已開展海水中多種人工放射性核素(137Cs、90Sr、239+240Pu)的測量[51,55],但是仍然未見南海現(xiàn)代珊瑚骨骼中90Sr和137Cs的公開報(bào)道.

表3 現(xiàn)代珊瑚骨骼中90Sr活度(Bq/kg)

注:不確定度采用1倍標(biāo)準(zhǔn)不確定度,置信度為68%.

根據(jù)Zhou等[51]報(bào)道的2011~2014年南海表層海水90Sr活度(~1Bq/m3),我們可以進(jìn)一步計(jì)算獲得珊瑚骨骼對90Sr的CF大約為1000L/kg,該值與珊瑚骨骼對Sr元素和同主族的Ca和Ba元素的CF(1000L/kg)一致[50],同時(shí)也遠(yuǎn)高于珊瑚骨骼對堿金屬和137Cs的CF(1L/kg).

239+240Pu是一種毒性極高的人工放射性核素,但是環(huán)境中其活度較低,比如南海海水中239+240Pu活度(10-3~10-2Bq/m3)比海水中90Sr和137Cs活度(1~ 10Bq/m3)少2~3個(gè)量級[51,55].目前未見南海珊瑚骨骼中239+240Pu的報(bào)道,但是根據(jù)其他學(xué)者在西北太平洋臨近海域的珊瑚骨骼中239+240Pu的活度(10-3~ 10-2Bq/kg)報(bào)道,比本研究的珊瑚骨骼中90Sr活度[(1.21±0.23)Bq/kg]少2~3個(gè)量級.部分學(xué)者利用加速器質(zhì)譜測量南海珊瑚骨骼中129I/127I的比值(10-11)[56-57],換算后獲得南海珊瑚骨骼中129I活度大約為10-5Bq/kg,比本研究的珊瑚骨骼中90Sr活度[(1.21±0.23)Bq/kg]少5個(gè)量級.綜上,南?，F(xiàn)代珊瑚骨骼中人工放射性核素的平均活度排序?yàn)?90Sr(1Bq/kg)>239+240Pu(10-3~10-2Bq/kg)>137Cs(10-3Bq/kg)>129I(10-5Bq/kg).

2.3 不同種類珊瑚中放射性核素對比

由于所有現(xiàn)代珊瑚骨骼樣品中137Cs都低于最低檢測限(0.06Bq/kg),此處暫不考慮137Cs.將珊瑚骨骼按照不同種類劃分,相同種類的珊瑚骨骼取核素活度平均值,不同珊瑚種類的放射性核素對比結(jié)果如圖4.在考慮不確定度的情況下,不同珊瑚種類之間的天然放射性核素活度沒有顯著的差異.根據(jù)表3,不同種類之間的珊瑚骨骼中90Sr活度也沒有顯著差別.本研究測量的不同種類的淺水造礁珊瑚主要成分都是文石結(jié)構(gòu)的碳酸鈣,具有相同的鈣化機(jī)制,這可能是不同種類珊瑚具有相似放射性核素活度的主要原因.

2.4 近岸和大洋珊瑚骨骼中放射性核素對比

根據(jù)站位離岸距離的遠(yuǎn)近,可將珊瑚骨骼分為兩組:近岸的岸礁區(qū)和大洋的環(huán)礁區(qū).近岸站位有潿洲島、鹿回頭、領(lǐng)奧、大亞灣、徐聞;大洋站位為仙娥礁、黃巖島、七連嶼、三角礁、永興.近岸和大洋珊瑚骨骼活度平均值如表4所示.在考慮不確定度的情況下,近岸和大洋區(qū)的238U、226Ra、40K活度接近,但是近岸的228Ra活度[(10.36±4.54)Bq/kg]明顯高于大洋的228Ra活度[(3.58±2.02)Bq/kg].

表4 近海的岸礁和大洋的環(huán)礁珊瑚骨骼中放射性核素活度對比(Bq/kg)

海洋中228Ra主要來自于河流、地下水、沉積物等陸源的貢獻(xiàn),因此近岸海水相對于大洋海水往往擁有更高活度的228Ra,如已報(bào)道的南海近岸海水228Ra活度(30Bq/m3)也高于南海大洋海水的228Ra活度(2~3Bq/m3)[58-59].由于近岸海水向大洋輸運(yùn)過程所需的時(shí)間往往大于228Ra的半衰期(5.75a),海水228Ra活度將因衰變而降低.造礁珊瑚鈣化過程中,海水中Ra同位素將與同主族的Ca、Sr、Ba一同進(jìn)入珊瑚骨骼中,進(jìn)而導(dǎo)致近岸珊瑚骨骼擁有更高活度的228Ra.然而,238U、226Ra、40K半衰期(千年至億年)和相應(yīng)的海水停留時(shí)間均較長,近岸和大洋海水中這些核素活度差異不大,珊瑚骨骼中這些核素活度差異也不顯著.

2.5 不同介質(zhì)中放射性核素比較

表5對比現(xiàn)代珊瑚骨骼、珊瑚礁區(qū)沉積物[24]、全球土壤中放射性核素平均水平[60].珊瑚骨骼中4種放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K)和全球土壤的結(jié)果差別較大,但是與珊瑚礁區(qū)沉積物的結(jié)果很接近,從天然放射性核素的角度證明珊瑚骨骼的破碎和風(fēng)化是珊瑚礁區(qū)沉積物的主要物質(zhì)來源,特別是對于遠(yuǎn)離大陸的環(huán)礁.除了238U,珊瑚骨骼中226Ra、228Ra、40K活度均比全球土壤中的226Ra、228Ra、40K活度小1~2個(gè)數(shù)量級,再次證明以珊瑚骨骼和珊瑚砂為主的珊瑚島礁是地表罕見的低輻射水平區(qū)域[23].

表5 珊瑚骨骼與礁區(qū)沉積物放射性核素對比(Bq/kg)

2.6 珊瑚骨骼中放射性核素特征指紋

表6根據(jù)核素活度的高低順序,系統(tǒng)給出現(xiàn)代珊瑚骨骼中主要的放射性核素,并與表層海水、海洋沉積物中的主要放射性核素進(jìn)行對比[2-3].在海水和海洋沉積物的所有核素中,40K活度最高.雖然珊瑚骨骼中90%以上的主要成分是碳酸鈣,但是放射性核素活度最高的卻是238U,該現(xiàn)象有利于230Th/238U定年法在珊瑚年代學(xué)中的應(yīng)用.

核素比值常被作為指紋,追蹤放射性物質(zhì)的不同來源[24,61].226Ra/238U活度比值是常見的天然放射性核素指紋,被應(yīng)用于物質(zhì)來源識別[4,24,28].本研究獲得的珊瑚骨骼中226Ra/238U活度比值與本實(shí)驗(yàn)室測量且已發(fā)表的珊瑚礁區(qū)沉積物和廣西沿岸沉積物,以及其他學(xué)者報(bào)道的非礁區(qū)的海洋沉積物結(jié)果對比如圖5,結(jié)果顯示珊瑚骨骼和礁區(qū)沉積物中226Ra/238U活度比值(0.1左右)很一致,但是與廣西沿岸沉積物和其它非礁區(qū)的海洋沉積物中226Ra/238U活度比值(0.5~1.0)差異較大.

造礁珊瑚吸收海水的226Ra(1~5Bq/m3)和238U(40Bq/m3)進(jìn)入骨骼[2],大洋海水的226Ra/238U比值為0.1左右,同時(shí)造礁珊瑚對海水226Ra和238U的CF都為~1000L/kg[50, 62],根據(jù)式(9)以計(jì)算獲得珊瑚骨骼中226Ra/238U活度比值大約為0.1左右.因此,珊瑚礁區(qū)的物質(zhì)(生源碳酸鈣)具有典型的低226Ra/238U活度比值的特征,該特征源于造礁珊瑚在生物鈣化過程中根據(jù)特定的CF主動吸收海水中226Ra和238U進(jìn)入珊瑚骨骼[24].其它非礁區(qū)的海洋沉積物來源于地幔物質(zhì)形成的巖石,經(jīng)過風(fēng)化過程、河流搬運(yùn)、大氣輸運(yùn)沉降等過程,最終進(jìn)入海洋沉積物,該漫長的地質(zhì)過程中226Ra/238U接近準(zhǔn)平衡狀態(tài),擁有較高的226Ra/238U活度比值.有趣的是,我們在南海西沙珊瑚礁區(qū)鉆取的一根928米的巖心分析中,在巖心14m處測量的226Ra/238U活度比值為0.82,從表層到20m左右隨著巖心深度的增加226Ra/238U比值接近1.0[26],說明隨著時(shí)間的增加造礁珊瑚產(chǎn)生的生源碳酸鈣中226Ra/238U比值也會增加并接近1.0,這也是本研究強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)代”珊瑚骨骼(活珊瑚尺寸為2~4cm)的原因.

表6 表層海水、海洋沉積物、現(xiàn)代珊瑚骨骼中主要放射性核素對比

圖5 珊瑚骨骼、礁區(qū)沉積物、其它非礁區(qū)的海洋沉積物的226Ra和238U關(guān)系

式中:238Uc和238Us代表珊瑚骨骼和海水238U活度, CF238U代表珊瑚骨骼對238U的生物濃集因子.226Ra的相關(guān)參數(shù)定義與238U一致.

90Sr/137Cs活度比值是一組重要的人工放射性核素指紋,用于判斷人工放射性核素的來源[61],比如全球大氣核爆落下灰中90Sr/137Cs比值大約為0.63,與海水中90Sr/137Cs比值接近[63],海洋沉積物中90Sr/137Cs比值大約為0.1~1[63],日本福島核事故和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故的90Sr/137Cs比值分別為0.001和0.08[61,64].根據(jù)本研究報(bào)道的珊瑚骨骼中90Sr活度(~1Bq/kg)和137Cs活度(10-3Bq/kg),現(xiàn)代珊瑚骨骼中90Sr/137Cs活度比值1000,與其它環(huán)境介質(zhì)中的90Sr/137Cs活度比值都有顯著的差異,該現(xiàn)象是由于珊瑚骨骼對137Cs和90Sr的不同CF所致.

因此,現(xiàn)代珊瑚骨骼具有十分獨(dú)特的放射性核素指紋特征,比如極低的226Ra/238U活度比值(~0.1)和極高的90Sr/137Cs活度比值(1000),珊瑚骨骼中活度最高的放射性核素為238U而非40K.這些特征取決于造礁珊瑚的生物鈣化過程對海水中放射性核素的主動吸收機(jī)制,根據(jù)式(9)可知決定性的因素包含海水放射性核素活度和造礁珊瑚的CF.這些珊瑚骨骼中放射性核素的指紋特征(226Ra/238U和90Sr/137Cs),可能作為新的地球化學(xué)指標(biāo),對傳統(tǒng)元素(Al和Ti)、稀土元素、礦物組成等手段進(jìn)行有益的補(bǔ)充[24],指示珊瑚礁區(qū)水體懸浮物/沉積物中不同物質(zhì)來源的貢獻(xiàn).

3 結(jié)論

3.1 南海現(xiàn)代珊瑚骨骼中6種最主要的天然放射性核素(238U、226Ra、228Ra、40K)和人工放射性核素(137Cs和90Sr)的平均活度排序?yàn)?38U(29.94Bq/kg)>40K(11.72Bq/kg)>228Ra(6.37Bq/kg)>226Ra(3.16Bq/kg)>90Sr(1.21Bq/kg)>137Cs(<0.06Bq/kg).

3.2 5種不同種類的珊瑚骨骼之間的同種放射性核素活度沒有顯著差異.空間上,岸礁的珊瑚骨骼中228Ra活度高于環(huán)礁的珊瑚骨骼的228Ra活度,而40K、238U、226Ra活度在岸礁和環(huán)礁的珊瑚骨骼中沒有明顯差異.同時(shí)結(jié)合其它研究成果,本文根據(jù)核素活度高低順序系統(tǒng)給出珊瑚骨骼中完整的放射性核素排序,238U活度最高.

3.3 進(jìn)一步對比珊瑚骨骼、珊瑚礁區(qū)沉積物、非珊瑚礁區(qū)的海洋沉積物、全球土壤的放射性核素活度含量,再次表明珊瑚礁區(qū)是地表罕見的低放射性水平區(qū)域,并指出珊瑚骨骼具有極低的226Ra/238U活度比值(~0.1)和極高的90Sr/137Cs活度比值(1000)的特征指紋.這些特征是由海水放射性核素活度和造礁珊瑚的生物濃集因子兩大因素所決定.

[1] Lin W, Chen L, Yu W, et al. Radioactivity impacts of the Fukushima Nuclear Accident on the atmosphere [J]. Atmospheric Environment, 2015,102:311-322.

[2] 林武輝,陳立奇,何建華,等.日本福島核事故后的海洋放射性監(jiān)測進(jìn)展 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):269-276. Lin W H, Chen L Q, He J H, et al. Review on monitoring marine radioactivity since the Fukushima Nuclear Accident [J]. China Environmental Science, 2015,35(1):269-276.

[3] Lin W, Chen L, Zeng S, et al. Residual β activity of particulate 234Th as a novel proxy for tracking sediment resuspension in the ocean [J]. Scientific reports, 2016,6:27069.

[4] 林武輝,余克服,王英輝,等.海洋沉積過程的鈾系放射性核素示蹤技術(shù):物源識別、沉積、再懸浮 [J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2019, In Press. Lin W H, Yu K F, Wang Y H, et al. Uranium-series radionuclides as tools for tracking marine sedimentary processes: source identification, sedimentation rate, and sediment resuspension [J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2019, In Press.

[5] 畢倩倩,杜金洲.海洋環(huán)境中放射性分析及其應(yīng)用 [J]. 核化學(xué)與放射化學(xué), 2015,37(4):193-206. Bi Q Q, Du J Z. Radio-analysis and its application in the marine environment [J]. Journal of Nuclear and Radiochemistry, 2015,37(4): 193-206.

[6] 黃奕普,陳 敏.海洋同位素示蹤技術(shù)研究進(jìn)展 [J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,40(2):512-523. Huang Y P, Chen M. Progress in the isotope tracer technique for marine science [J]. Journal of Xiamen University, 2001,40(2):512- 523.

[7] McKee B A, U- and Th-series nuclides in estuarine environments [M]//Krishnaswami S, Cochran J K, Editors, U-Th series nuclides in aquatic systems. Elsevier., 2008:193-225.

[8] Charette M A, Moore W S, Burnett W C. Uranium- and thorium- series nuclides as tracers of submarine groundwater discharge [M]//U-Th series nuclides in aquatic systems, Krishnaswami S, Cochran J K, Editors, Elsevier., 2018:155-191.

[9] Smoak J M, Patchineelam S R. Sediment mixing and accumulation in a mangrove ecosystem: evidence from 210Pb, 234Th and 7Be [J]. Mangroves and Salt Marshes, 1999,3(1):17-27.

[10] Kadko D, Johns W. Inferring upwelling rates in the equatorial Atlantic using 7Be measurements in the upper ocean [J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2011,58(6):647-657.

[11] Masqué P, Cochran J K, Hirschberg D J, et al. Radionuclides in Arctic sea ice: Tracers of sources, fates and ice transit time scales [J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2007,54(8): 1289-1310.

[12] Kadko D. Radioisotopic studies of submarine hydrothermal vents [J]. Reviews of Geophysics, 1996,34(3):349-366.

[13] Lundstrom C C. Uranium-series disequilibria in mid-ocean ridge basalts: Observations and models of basalt genesis [J]. Reviews in Mineralogy and geochemistry, 2003,52(1):175-214.

[14] Yu K F. Coral reefs in the South China Sea: Their response to and records on past environmental changes [J]. Science China Earth Sciences, 2012,55(8):1217-1229.

[15] Hughes T P, Kerry J T, Baird A H, et al. Global warming transforms coral reef assemblages [J]. Nature, 2018,556(7702):492-496.

[16] Albright R, Takeshita Y, Koweek D A, et al. Carbon dioxide addition to coral reef waters suppresses net community calcification [J]. Nature, 2018,555:516-519.

[17] Moberg F, Folke C. Ecological goods and services of coral reef ecosystems [J]. Ecological Economics, 1999,29(2):215-233.

[18] Carvalho F P. Radionuclide concentration processes in marine organisms: A comprehensive review [J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2017,186:124-130.

[19] Yu K, Zhao J, Coral reefs [M]//The South China Sea: paleoceanography and sedimentology, Wang P and Li Q, Editors, Springer, 2019:186-209.

[20] 羅 琦.盡快開展南海核動力能源平臺建設(shè) [J]. 中國核工業(yè), 2014,(3):43-43. Luo Q. Construction of nuclear power energy platform in the south China sea should be carried out as soon as possible [J]. China Nuclear Industry, 2014,(3):43-43.

[21] 李華成,劉 聰,勞業(yè)程,等.ACPR50S小型堆核電站海上平臺形式論證 [J]. 廣東造船, 2015,34(6):33-35. Li H C, Liu C, Lao Y C, et al. Floating platform type design for ACPR50S small offshore nuclear power plant [J].Guangdong Shipbuilding, 2015,34(6):33-35.

[22] 呂松澤,劉洪君,蔡 琦,等.海洋核動力平臺核安全監(jiān)督初探 [J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2016,13(34):46-48. Lv S Z, Liu H J, Cai Q, et al. Preliminary study on nuclear safety supervision of marine nuclear power platforms [J].Science and Technology Innovation Herald, 2016,13(34):46-48.

[23] 林武輝,余克服,王英輝,等.罕見的地表低輻射水平區(qū)域:珊瑚礁區(qū) [J]. 輻射防護(hù), 2018,38(4):287-292. Lin W H, Yu K F, Wang Y H, et al. Unusual low radiation area on the surface of the earth: coral reefs [J]. Radiation Protection, 2018,38(4): 287-292.

[24] 林武輝,余克服,王英輝,等.珊瑚礁區(qū)沉積物的極低放射性水平特征與成因 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2018,63(21):2173-2183. Lin W H, Yu K F, Wang Y H, et al. Extremely low radioactivity in marine sediment of coral reefs and its mechanism [J]. Chinese Science Bulletin, 2018,63(21):2173-2183.

[25] Lin W, Yu K, Wang Y, et al. Radioactive level of coral reefs in the South China Sea [J]. Marine Pollution Bulletin, 2019,142:43-53.

[26] Lin W, Yu K, Wang Y, et al. Combination of field-based natural gamma radiation and laboratory-based HPGe gamma spectrometry to investigate the natural radionuclides of a long coral core (928m) in the South China Sea [J]. Acta Geologica Sinica (English Edition), 2018, 92(Supp,2):80-83.

[27] 林武輝,余克服,王英輝,等.南海珊瑚骨骼中228Th/228Ra不平衡及其年代學(xué)應(yīng)用初探, [C]//中國海洋學(xué)會2017年學(xué)術(shù)年會,青島:海洋出版社, 119-124. Lin W H, Yu K F, Wang Y H, et al. Prelimary study of228Th/228Ra disequilibrium in coral skeletons and its application in coral chronology. [C]//2017Annual Conference of the Chinese Ocean Society. Qingdao: Ocean Press, 2017:119-124.

[28] Liu X, Lin W. Natural radioactivity in the beach sand and soil along the coastline of Guangxi Province, China [J]. Marine Pollution Bulletin, 2018,135:446-450.

[29] Cobb K M, Charles C D, Cheng H, et al. U/Th-dating living and young fossil corals from the central tropical Pacific [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003,210(1):91-103.

[30] Clark T R, Roff G, Zhao J X, et al. U-Th dating reveals regional-scale decline of branching Acropora corals on the Great Barrier Reef over the past century [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017,114(39):10350-10355.

[31] Cheng J P, Kang K J, Li J M, et al. The China Jinping underground laboratory and its early science [J]. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 2017,67(1):231-251.

[32] Zeng Z, Mi Y, Ma H, et al. The characteristics of a low background germanium gamma ray spectrometer at China Jinping underground laboratory [J]. Applied Radiation & Isotopes, 2014,91(11):165-170.

[33] 鄧芳芳,林武輝,林 靜,等.海水中90Sr測量的國際比對研究 [J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2018,37(3):448-451. Deng F F, Lin W H, Lin J, et al. International comparison of 90Sr analysis in seawater [J]. Marine Environmental Science, 2018,37(3): 448-451.

[34] Zhao J, Yu K, Feng Y. High-precision 238U-234U-230Th disequilibrium dating of the recent past: A review [J]. Quaternary Geochronology, 2009,4(5):423-433.

[35] Wang L, Ma Z, Sun Z, et al. U concentration and 234U/238U of seawater from the Okinawa Trough and Indian Ocean using MC-ICPMS with SEM protocols [J]. Marine Chemistry, 2017,196 (Supplement C):71-80.

[36] Benninger L K, Dodge R E. Fallout plutonium and natural radionuclides in annual bands of the coral Montastrea annularis, St. Croix, US Virgin Islands [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1986,50(12):2785-2797.

[37] Dodge R E, Thomson J. The natural radiochemical and growth records in contemporary hermatypic corals from the Atlantic and Caribbean [J]. Earth & Planetary Science Letters, 1974,23(3):313-322.

[38] Moore W S, Krishnaswami S. Coral growth rates using 228Ra and 210Pb [J]. Earth and Planetary Science Letters, 1972,15(2):187-190.

[39] Cai P, Huang Y, Chen M, et al. New production based on 228Ra- derived nutrient budgets and thorium-estimated POC export at the intercalibration station in the South China Sea [J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2002,49(1):53-66.

[40] Kwon E Y, Kim G, Primeau F, et al. Global estimate of submarine groundwater discharge based on an observationally constrained radium isotope model [J]. Geophysical Research Letters, 2014,41(23):8438- 8444.

[41] Liu Z, Zhao Y, Colin C, et al. Source-to-sink transport processes of fluvial sediments in the South China Sea [J]. Earth-Science Reviews, 2016,153:238-273.

[42] Sabatier P, Reyss J L, Hall-Spencer J M, et al. 210Pb-226Ra chronology reveals rapid growth rate of Madrepora oculata and Lophelia pertusa on world’s largest cold-water coral reef [J]. Biogeosciences, 2012,9(3):1253-1265.

[43] Adkins J F, Henderson G M, Wang S L, et al. Growth rates of the deep-sea scleractinia Desmophyllum cristagalli and Enallopsammia rostrata [J]. Earth & Planetary Science Letters, 2004,227(3/4):481- 490.

[44] Andrews A H, Stone R P, Lundstrom C C, et al. Growth rate and age determination of bamboo corals from the northeastern Pacific Ocean using refined 210Pb dating [J]. Mar. Ecol. Prog. Ser., 2009,397:173- 185.

[45] 張曉笛,畢倩倩,蔡煒穎,等.應(yīng)用210Pb的南海黑角珊瑚定年 [J]. 核化學(xué)與放射化學(xué), 2015,37(2):120-128. Zhang X D, Bi Q Q, Cai W Y, et al. Application of Radionuclide 210Pb in Dating of Black Coral [J]. Journal of Nuclear and Radiochemistry, 2015,37(2):120-128.

[46] Simon S, Graham J, Terp S. Uptake of 40K and 137Cs in native plants of the Marshall Islands [J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2002,59(2):223-243.

[47] IAEA, Worldwide Marine Radioactivity Studies (WOMARS): Radionuclide Levels in Oceans and Seas [M]. Vienna: IAEA, 2005.

[48] IAEA, Sediment Distribution Coefficients and Concentration Factors for Biota in the Marine Environment. 2004, IAEA: Vienna.

[49] Xiao Y, Liu W, Ma Y, et al. Correlation between δ18O, Sr/Ca and Mg/Ca of coral Acropora and seawater temperature from coral culture experiments [J]. Science China Earth Sciences, 2014,57(5):1048- 1060.

[50] Saha N, Webb G E, Zhao J X. Coral skeletal geochemistry as a monitor of inshore water quality [J]. Science of the Total Environment, 2016,566:652-684.

[51] Zhou P, Li D, Zhao L, et al. Radioactive status of seawater and its assessment in the northeast South China Sea and the Luzon Strait and its adjacent areas from 2011 to 2014 [J]. Marine Pollution Bulletin, 2018,131,Part A:163-173.

[52] Wu J. Impacts of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident on the Western North Pacific and the China Seas: Evaluation based on field observation of 137Cs [J]. Marine Pollution Bulletin, 2018,127: 45-53.

[53] Merz S, Shozugawa K, Steinhauser G. Analysis of Japanese radionuclide monitoring data of food before and after the Fukushima nuclear accident [J]. Environmental Science & Technology, 2015,49(5):2875-2885.

[54] Toggweiler J, Trumbore S. Bomb-test 90Sr in Pacific and Indian Ocean surface water as recorded by banded corals [J]. Earth and Planetary Science Letters, 1985,74(4):306-314.

[55] Wu J, Dai M, Xu Y, et al. Sources and accumulation of plutonium in a large Western Pacific marginal sea: The South China Sea [J]. Science of the total environment, 2018,610-611(Supplement C):200-211.

[56] Bautista A T, Matsuzaki H, Siringan F P. Historical record of nuclear activities from 129I in corals from the northern hemisphere (Philippines) [J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2016,164: 174-181.

[57] Chang C C, Burr G S, Jull A J T, et al. Reconstructing surface ocean circulation with 129I time series records from corals [J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2016,165(Supplement C):144-150.

[58] Nozaki Y, Yamamoto Y. Radium-228 based nitrate fluxes in the eastern Indian Ocean and the South China Sea and a silicon-induced “alkalinity pump” hypothesis [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2001, 15(3):555-567.

[59] Wang X, Du J. Submarine groundwater discharge into typical tropical lagoons: A case study in eastern Hainan Island, China [J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2016,17(11):4366-4382.

[60] UNSCEAR, Sources, effects of ionizing radiation [M]//Report to the general assembly with annex B, UNSCEAR, Editor, United Nations: New York, 2000.

[61] Lin W, Chen L, Yu W, et al. Radioactive source-term of the Fukushima Nuclear Accident [J]. Science China: Earth Sciences, 2016,59(1):214-222.

[62] Baskaran M. Dating of biogenic and inorganic carbonates using 210Pb-226Ra disequilibrium method: A review [M]//Handbook of environmental isotope geochemistry: Vol I, Baskaran M, Editor, Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 789-809:2012.

[63] Ikeuchi Y. Temporal variations of 90Sr and 137Cs concentrations in Japanese coastal surface seawater and sediments from 1974 to 1998 [J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2003, 50(17):2713-2726.

[64] Nakamura S, Kajimoto T, Tanaka K, et al. Measurement of 90Sr radioactivity in cesium hot particles originating from the Fukushima Nuclear Power Plant Accident [J]. Journal of Radiation Research, 2018:1-8.

致謝：感謝廣西大學(xué)黃學(xué)勇、覃禎俊、莫敏婷、陳肖霞等南?？茖W(xué)考察隊(duì)員在樣品采集和前處理方面的幫助.

Fingerprints of radionuclides in modern coral skeletons in the South China Sea.

LIN Wu-hui1,2, YU Ke-fu1,2*, DENG Fang-fang3, WANG Ying-hui1,2, FENG Yu2, LIU Xin-ming4, MO Zhen-ni4, MA Hao5

(1.Guangxi Laboratory on the Study of Coral Reefs in the South China Sea, Nanning 530004, China；2.School of Marine Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, China；3.Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, China；4.Guangxi Academy of Oceanography, Nanning 530022, China；5.Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2019,39(10)：4279~4289

Naturally occurring radionuclides (238U,226Ra,228Ra, and40K) and artificial radionuclides (137Cs and90Sr) were measured using low background β counter system and High Purity Germanium (HPGe) γ spectrometry in 5 genera of coral skeletons collected from 10 locations in the SCS with a spatial coverage of 1500km. Mean activities in modern coral skeletons decreased from238U (29.94Bq/kg),40K (11.72Bq/kg),228Ra (6.37Bq/kg),226Ra (3.16Bq/kg),90Sr (1.21Bq/kg) to137Cs (<0.06Bq/kg). There were no significant trends of activity in relation to coral genera or distance to the land, with an exception of higher228Ra activity in the fringing reefs than in the atoll reefs. Cross-system comparisons of radioactivity in coral skeletons, sediments nearby or outside coral reefs, and global soil revealed coral reefs as extremely low radiation area on the Earth's surface. It was also found that modern coral skeletons were characterized by two common fingerprints of radionuclides (226Ra/238U and90Sr/137Cs), including extremely low activity ratio of226Ra/238U (~0.1) and extremely high activity ratio of90Sr/137Cs (1000).

coral reefs；radionuclide；floating nuclear power plant；underground laboratory；geochemistry

X55

A

1000-6923(2019)10-4279-11

林武輝(1987-),男,福建泉州人,博士,主要從事海洋放射性核素測量、評價(jià)、示蹤應(yīng)用研究.發(fā)表論文20余篇.

2019-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91428203);廣西“珊瑚礁資源與環(huán)境”八桂學(xué)者項(xiàng)目(2014BGXZGX03);廣西自然科學(xué)基金(2017GXNSFBA198096);國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(GCMAC1606)

* 責(zé)任作者, 教授, kefuyu@scsio.ac.cn