Топырақтың радиоактивтігі

Топырақтың радиоактивтігі топыраққа табиғи немесе антропогендік жолмен келген радиоактивті элементтерден пайда болады. Ол уақыттың бір мөлшерінде бөлінетін ядролық сандарымен белгіленеді. СИ жүйесінде радиоактивтік өлшем беккерельмен өлшенеді (1Бк=1с/ бөлшек) немесе белсенділіктің тағы бір өлшемі - кюри (1 Ки=3,7.10¹⁰ Бк).

Топырақтың радиоактивтігі негізінен табиғи радиоактивті элементтермен байланысты (ТРЭ). Бұл радиоактивтіктің түрі әрқашанда азды-көпті мөлшерде барлық топырақтарда кездеседі. Олар екі топқа бөлінеді: біріншісі - топыраққа аналық жыныстармен немесе геохимиялық ағынмен келетін, екіншісі космогендік (топыраққа атмосферадан келген), яғни космостың сәулелерімен тұрақты элементтердің ядроларының қарым-қатынасынан пайда болатын топ. ТРЭ-нің концентрациясы әлемдік орта мөлшері 1000 Бк/кг (25.10^-9 Ки/кг) белсенділік құрады, бірақ концентрациясының өзі өте үлкен аралықта өзгеріп тұрады (100 еседен кем болмайды), ол ТРЭ-нің топырақ түзуші жыныстардың ішіндегі мөлшеріне байланысты.

Топырақтағы табиғи радиоактивтік изотоптар. Топырақтың табиғи радиоактивтігі көбінесе ауыр металдардың реттік нөмірі Z>>82 радиоизотоптарымен (радионуклеидтермен) байланысты. Бұлар үш туыстық құрады: уранның (баcы ²³⁸U, жартылай бөліну мерзімі Т_1/2=4,5.10⁹ жыл) актинийдің ( басы ²³⁵U, Т_1/2=7,1.10⁸ жыл) және торийдің (басы ²³²Th, Т_1/2=1,4.10¹⁰ жыл). Бұлардың әрқайсысына кезекпен көбінесе альфа-бөлшектер (гелийдің ядросы), кейбіреулері бета- және гамма-бөлшектерін шығаратын 17, 14, 12 радиоактивті изотоптар кіреді.

Бөлінген ең соңғы заттар - қорғасынның тұрақты изотоптары: ²⁰⁶Рв, ²⁰⁷Рв, ²⁰⁸Рв. Бұлардың арасындағы изотоптар аз уақыт қана болады және олардың пайда болуы аналық радиоизотоптарға байланысты.

Бүлінбеген тау жыныстарында әр туынды радиоактивтігінде тепе-теңдік жағдайы байқалады. Ол кезде барлық туынды мүшелерінің саны бірдей болады. Топырақта радиоактивтік тепе-теңдік сақталмайды, өйткені радиоактивтік туыстық құрайтын түрлі элементтердің миграциялық қасиеттері әр түрлі болады. Мысалы, әрбір туыстық арасындағы шығатын газ түріндегі радон және оның көп бөлшегі атмосфераға ұшуы мүмкін.

2-кесте - Топырақ түзуші тау жыныстарының табиғи радиоизотоптарының мөлшері (Ковда В.А., РозановБ.Г. бойынша)

Тау жыныстары	Концентрация, БК/кг
	40К	232Th	238U
Жер астынан атқылаған:
Қышқыл	1100	1000	70
Орта	900	40	30
Ультранегіздер	180	30	5
Шөгінді:
әктастар	110	9	35
Карбонаттар		10	32
Құмтастар	450	14	23
Сланцтар	900	55	55

2-кестеде топырақ түзуші тау жыныстарындағы радиоизотоптардың мөлшерлері көрсетілген.

Уран - табиғи уран ²³⁴U (0,0058%), ²⁰⁶U(0,71%) және ²³⁸U(99,28%) изотоптарынан тұрады. Уран көптеген тау жыныстарының ішінде кездеседі, ал топырақтарда тұрақты болады. Оның мөлшері, әсіресе фосфаттарда көп. Сондықтан да фосфор тыңайтқыштарында және фосфатты тау жыныстарынан түзілген топырақтарда көп кездеседі.

Радий - жоғары атомдық салмағы бар ²²⁶Rd ауыр химиялық элемент. Ол химиялық элементтердің ішінде сілтілі-жер элементтеріне жатады, яғни биофильді кальций, магний элементтердің аналогы. Радийдің ядросы сәулелермен бөлініп, басқа типке айналғанда көп мөлшерде жылу бөліп шығарады. Оны радийлі белсенділік, ал элементтердің өздерін радий белсенділер деп атайды.

Торийдің тау жыныстарындағы мөлшері едәуір. Торий топырақта және топырақ - өсімдік арасында жылжуы жағынан баяу химиялық элементтерге жатады, бірақ та топырақтың жалпы радиоактивтігіне қарағанда бұл элементті де қоса қараған дұрыс.Торий көптеген химиялық қасиеттерімен уранға ұқсас, сондықтан да көбінесе бір минералдарда кездеседі.

Калий-40 және рубидий-87 - топырақтың радиоактивтігіне үлкен (50%- дейін) үлес қосатын және ұзақ уақыт өмір сүретін изотоптар. Топырақтағы жалпы калийдің мөлшері белгілі болса, ⁴⁰К мөлшерін анықтауға болады. (⁴⁰К - жалпы калийдің 0,0118% құрайды). Бұл барлық табиғи радиоактивтің ішінде кең тараған изотоп. Бұл элементке қарағанда рубидий-87-нің рөлі аз, өйткені оның жартылай ыдырау мерзімі ұзақ болады.

Көмір-14 және тритий - космогендік радиоизотоптар. Табиғи радиоизотоптардың ішінде топыраққа маңыздысы көмір-14 және сутегінің өте ауыр изотопы тритий. Бұлар атмосферада ғарыш сәулелері нейрондары мен азот ядросының әрекеттесуінен пайда болатындықтан, топыраққа ауадан түседі, сондықтан да олардың мөлшері тұрақты көлемде болады.

Топырақтағы антропогендік радиоактивтік изотоптар. Антропогендік жағдайдан пайда болған радиоактивтік ядролық жарылыс, атом өндірістерінің қалдықтары т.б. себептермен топыраққа радиоактивтік изотоптарды әкеледі. Атом жарылыстарынан пайда болған радиоактивтік заттар ауамен таралып, жауын-шашынмен жерге түсіп, топырақты және табиғи суларды радиоактивтік заттармен ластайды. Антропогендік радиоактивтік изотоптар туралы айтқанда Қазақстан жерінің басым бөлігінде олардың көп тарағаның ескерткеніміз жөн. Оның басты себебі қазақ жерінде уранның негізгі кендері табылып, Одақ кезіндегі атомдық сынақ жарылыстары да осында жүргізілгені белгілі. Биологиялық айналымға қосылып, жануарлар денесіне, олар арқылы адамның денесіне еніп, жайылып, радиоактивтік сәуле тигізеді.

Ең қауіптісі стронцийдің изотопы (⁹⁰Sr), цезийдің (¹³⁷Cs), өйткені олардың жартылай ыдырау уақыты өте ұзақ (⁹⁰Sr - 28 жыл, ¹³⁷Cs - 33 жыл) және олардың сәуле шығару күші үлкен болғандықтан, биологиялық айналымға белсенді қатысады.

Сондықтан бұл изотоптардың топыраққа сіңіру заңдылықтарын, олардың топырақта жылжу тәртібін жақсы білу керек. Бұл изотоптардың екеуі де топырақтың қатты бөлігіне толық сіңіріледі, сол себептен 80-90% топырақтың жоғарғы қабатына жиналады. Оның ішінде гумустың тұнба фракциясы мен монтмориллонитке, гидрослюдалы балшықты минералдарға бай топырақтарға мол сіңіріледі. Стронцийдің көп қасиеттері кальцийге, ал цезийдің қасиеттері калийге жақын, сондықтан бұл радиоактивтік элементтердің топырақтағы тәртібі осы айтылған элементтердің тәртібіне ұқсас болады.

Радиоактивтік элементтердің топырақта таралуы. Топырақтағы және тау жыныстарындағы радиоактивтік элементтер мөлшерлерінің арасында корреляция бар екені анықталды. Ең көп тараған литосфераның жыныстары гранит пен балшықта - (11-18).10^-6 r/r Тһ, 75.10^-6 r/r ⁸⁷Rb, 3(10-6 r/r ⁴⁰K, (3-4).10^-6 r/r U және 10^-12 r/r Ra бар. Басқа тау жыныстарының таралуы литосферада шамалы, сондықтан осы көрсеткіштерді бүкіл беткі литосферадағы кларк көрсеткіштері деп есептеуге болады.

Топырақтағы радиоактивтік элементтердің мөлшеріне әсер ететін жағдайдың бірі - топырақ түзілу процесінде аналық тау жынысының өзгеру деңгейі. Мысалы, элювиалды карбонатты жыныстардан түзілген топырақтарда ТРЭ мөлшері, топырақ түзуші басқа жыныстарға қарағанда бірнеше есе көп болады, себебі топырақ түзілу процесіндегі карбонаттардың үгілулері ТРЭ-нің көбеюіне әкеледі. Топырақ құрамы өзі түзілген жыныстардан айырмашылығы көп болса, топырақтағы және жыныстардағы радиоактивтік элементтердің мөлшерлері өте алшақ болады, мысалы, шымтезекті топырақтарды алсақ, ТРЭ-нің топырақ қабаттарында тереңдеген сайын өзгеруі топырақ түзілу процесінің ерекшеліктеріне байланысты. Карбонатты топырақтарда жоғарғы гумус қабатында ТРЭ мөлшері жоғары болып, төмендеген сайын азаяды. Күлгіндеу, сортаңдану, балшықтану процестері нәтижесінде ТРЭ эллювиалды қабаттарына немесе глей қабаттарына ауысады, оның мөлшері 1,5-3 есе артады. Орманды-дала, қара топырақ, қара қоңыр, жартылай-шөл, шөл топырақтардың қабаттарында ТРЭ-нің таралу тәртібі анық белгіленбейді. Жалпы табиғи радиоактивтік элементтердің топырақ қабаттарында таралуы балшықты бөлшектердің және бірлі жарым тотықтардың таралуымен байланысты.

Соңғы кезде топырақтағы радий мен уранның арасындағы, торий мен уранның арасындағы қатынасты топырақ түзілу процесінің көрсеткіштері ретінде пайдалану керек деген пікір айтылып жүр. Бұл қатынастарды гидроморфті және жартылай гидроморфті топырақтардағы процестерге пайдалануға болады. Басқа топырақтарда бұл көрсеткіштердің өзгеруі анық байқалмайды, ТРЭ топырақтардағы процестерге қатысып, органикалық молекулаларды полимерлеу құбылысына қатысып, топырақтың құрылымын жақсарта алады деген де ойлар бар. Ыдыраған радиоактивті сәулелердің реакциялық жоғары белсенділігіне байланысты, сондай құбылыстар өтуі мүмкін деп есептелді. Бірақ та мұндай әдіспен топырақтың құрылымын жақсартудың мүмкін еместігі, оған табиғи радиоактивті элементтердің сәулелерінің дозасы бос радикалдарды құруға жетпейтіндігі дәлелденді. Топырақтың табиғи радиоактивтік қасиетін тау жыныстардың және топырақтардың жасын анықтау үшін пайдаланады. Радиоактивті әдістердің ішінен уран-қорғасынды, калий-аргонды, рубидий-стронций, радиокөміртегін пайдаланады. Топырақтың жасын анықтауда радиокөміртекті әдісті қолданады, себебі бұл әдістердің анықтайтын жасы ондаған млн жыл, қай топырақтың болса да жасынан артық.

Қазіргі кездегі топырақтардың жасы бірнеше жүз жылдан (күлгін) бірнеше мың жылдық (қаратопырақ). Яғни көміртегінің айналымы күлгін топырақтарда қаратопыраққа қарағанда тезірек болады.

Бақылау сұрақтары:

1. Топырақ пен топырақ түзуші тау жыныстарының химиялық құрамының ұқсастығы мен айырмашылығы?

2. топырақтағы басым элементтерді атаңыздар.

3. Топырақтың макро- және микроэлементтері, олардың өсімдіктер, жануарлар мен адам тіршілігіндегі ролі?

4. Топырақтың химиялық құрамының топырақ түзілу процесіне әсері,

5. Топырақ радиоактивтилігінің көзін атаңыздар.

Ұсынылған әдебиеттер:

1. Жамалбеков Е.У.; Бильдебаева Р.М., Бигалиев А.Б. Жалпы топырақтану. Алмата 2001

2. Тазабеков Т.Т. Топырақтың құнарлылығы. Алматы, 1999

3. Почвоведение. Под ред. В.А.Ковды, Б.Г.Розанова в 2-х частях М. Высшая школа 1988

4. Почвоведение. Под ред. И.С.Кауричева. М. Агропромиздат изд.4. 1989.

5. Глазовская М.А., Геннадьев А.И. География почв с основами почвоведения МГУ, 1995

6.Белобров.В.П., и др.География почв с основами почвоведения. М. 2004

7.Вальков В.Ф. и др. Почвоведение. Учебный курс. Ростов – на – Дону. 2004.

8.Орлов Д.С. Химия почв. МГУ, М.: 1985.

Дәріс – 4 Тақырыбы: Топырақ және топырақ түзілу процессі.

Дәрістің мақсаты: Топырақтың табиғи дене ретінде түсінік беру. Топырақтану ғылымының даму тарихын көрсету. Топырақтың биосферадағы қызметін анықтау. Оның негізгі бөлімдеріне анықтама беру.

Түйінді сөздер: топырақ, топырақтану, педосфера, биокостық дене, Жердің топырақ жамылғысы, топырақтың глобалдық функциялары, топырақ генетикасы.

Негізгі сұрақтары: . Топырақтану ғылымы, оның мақсаттары мен мідеттері. Топырақтану ғылымының даму тарихы. Топырақтану ғылымының қалыптасуындағы В.В.Докучаевтің рөлі. Топырақ түсінігінің анықтамалары Топырақтың биосфера мен адам өміріндегі орны мен ролі, топырақ ландшафт айнасы. Топырақтың глобалдық экологиялық функциялары. Топырақтанудың басқа ғылымдар мен байланыстары. Топырақтанудың негізгі бөлімдері мен бағыттары.