Study and dispersion of radionuclides and heavy metals in coastal areas of Greece, characterized by active and past mining activities

Abstract

In this PhD work the utilization of the NORM - metal association and the application of a radiological model (ERICA) to estimate radionuclide and metal dispersion in the marine sediment, was performed. Thus, the affected area due to the anthropogenic activities was determined. Except for the spatial investigation, the marine area was also studied in a temporal aspect. The combination of the estimated sedimentation rates with the mass flux determination, lead to a well-determined time scale. Therefore, the acquired data was verified by historical records of the area. To conclude, in this work a methodology has been established to study natural radioactivity (NORM) near metal mining areas, to assess the mining activities in the area and to verify their impact on coastal areas, using chronological records. The established methodology was tested in two cases: an ongoing mining area (Stratoni, Ierissos Gulf) and an abandoned one (Oxygono Bay, Lavrio). The first has been for the last decades, a subject of investigation concerning environmental contamination due to the mining activities and waste deposits including mine tailings, flotation tailings, metallurgical slags, waste rock and pyrite concentrate stockpiles. The latter was influenced by the intensive mining and metallurgical activities over the past 100 years, which resulted in the production of huge volumes of wastes (e.g. slags, tailings) and their deposition in piles around Lavrio area, near the coastline or dumped into the sea. For this reason surface seabed sediments, water samples and sediment cores were collected from the marine environment in order to investigate spatially and temporally the impact of the mining activities. A method for assessing the distribution of contamination due to the enrichment of metals and radionuclides in the sediment was introduced. In the spatial study surface sediments were collected for the determination of natural radioactivity, major elements and trace metals. Their measurements were held in the laboratory by means of gamma-ray spectrometry and X-ray spectroscopy, while the results were combined with in situ gamma-ray measurements in the seawater, using the NaI system KATERINA. The trace metals concentrations were used for the assessment of enrichment in the sediments. The radioactivity concentrations were utilized for the enhanced NORM study and the estimation of the sediment-water coefficient Kd, useful for the dose rate assessment in the biota incorporated in the ERICA Assessment Tool. Possible correlations between trace metals, radionuclides and other parameters such as granulometry and mineralogy, were also investigated using a standard statistical software package (SPSS). To complete the spatial investigation, the dispersion of natural radionuclides (226Ra, 235U) was estimated using a simplified generic model incorporated in ERICA and the affected area due to mining was determined. The temporal study was applied in the sediment cores and included not only the statistical analysis and enrichment factor estimation, but also the radiochronology of the core and the excess mass fluxes estimations. The radiochronology was based on natural (210Pb) and artificial (137Cs) radionuclides, while the obtained trace metal profiles were verified by historical data. The estimated sedimentation rate (radiochronology), was utilized in the mass flux determination, which describes the surficial mass deposition per year and supported the unfolding of historical records included in the trace metal and radionuclide profiles. Therefore, the 100-year impact due to the anthropogenic activities was assessed.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε η συσχέτιση της φυσικής ραδιενέργειας με τα μεταλλικές συγκεντρώσεις. Επίσης, εκτιμήθηκε η διάχυση των ραδιονουκλιδίων και των μετάλλων στα θαλάσσια ιζήματα μέσω του ραδιολογικού μοντέλου ERICA και υπολογίστηκε η θαλάσσια περιοχή που επηρεάστηκε από τις ανθρωπογενείς μεταλλευτικές δραστηριότητες. Πέραν της χωρικής διερεύνησης η θαλάσσια περιοχή μελετήθηκε λαμβάνοντας υπόψιν και τον χρόνο, μέσω του συνδυασμού των εκτιμώμενων ρυθμών ιζηματογένεσης και του προσδιορισμού της ροής μάζας. Τα αποκτηθέντα δεδομένα επαληθεύτηκαν από ιστορικά αρχεία της περιοχής. Συμπερασματικά, σε αυτή την εργασία έχει δημιουργηθεί μεθοδολογία για τη μελέτη της φυσικής ραδιενέργειας (NORM) κοντά σε περιοχές εξόρυξης μετάλλων, για την εκτίμηση των δραστηριοτήτων εξόρυξης στην περιοχή και για την επαλήθευση του αντικτύπου τους στις παράκτιες περιοχές, χρησιμοποιώντας χρονολογικά στοιχεία. Η καθιερωμένη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο περιπτώσεις: μια εν ενεργεία περιοχή εξόρυξης (Στρατώνι, Ιερισσός) και μια εγκαταλελειμμένη περιοχή (κόλπος Οξυγόνο, Λαύριο). Η πρώτη περιοχή αποτελεί αντικείμενο έρευνας τις τελευταίες δεκαετίες, όσο αφορά σε θέματα περιβαλλοντικής μόλυνσης λόγω των δραστηριοτήτων εξόρυξης και τις εναποθέσεις αποβλήτων, όπως τα απορρίμματα των ορυχείων, τα απορρίμματα της μεθόδου επίπλευσης, οι μεταλλουργικές σκωρίες, τα απόβλητα και τα πυριτικά αποθέματα. Η δεύτερη περιοχή επηρεάστηκε από τις εκτενείς δραστηριότητες εξόρυξης και μεταλλουργίας των τελευταίων 100 χρόνων, οι οποίες παρήγαγαν τεράστιους όγκου αποβλήτων (π.χ. σκωρίες και απορρίμματα). Τα απόβλητα αυτά εναποτέθηκαν στο χερσαίο μέρος του Λαυρίου και στην παράκτια ζώνη (παραλίες και θαλάσσιος πυθμένας) .Για το λόγο αυτό, συλλέχθηκαν από το θαλάσσιο περιβάλλον επιφανειακά ιζήματα, δείγματα νερού και πυρήνες ιζημάτων, προκειμένου να ερευνηθούν χωρικά και χρονικά οι επιπτώσεις των δραστηριοτήτων εξόρυξης. Χρησιμοποιήθηκε μια μέθοδος για την εκτίμηση του εμπλουτισμού μετάλλων και ραδιονουκλιδίων στο ίζημα. Στην χωρική μελέτη συλλέχθηκαν επιφανειακά ιζήματα για τον προσδιορισμό της φυσικής ραδιενέργειας, των κυρίων στοιχείων και των ιχνοστοιχείων. Οι μετρήσεις τους διεξήχθησαν στο εργαστήριο μέσω φασματοσκοπίας ακτίνων-γ και φθορισιμετρίας ακτίνων Χ, ενώ τα αποτελέσματα συνδυάστηκαν με επιτόπιες μετρήσεις ακτίνων γάμμα στο θαλασσινό νερό χρησιμοποιώντας το σύστημα KATERINA. Με τις συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων εκτιμήθηκε ο εμπλουτισμός στα ιζήματα, ενώ με τις συγκεντρώσεις ραδιενέργειας εκτιμήθηκε ο συντελεστή κατανομής ρόφησης Kd, απαραίτητος για τον υπολογισμό του ρυθμού δόσης στους έμβιους οργανισμούς μέσω του λογισμικού ERICA. Διερευνήθηκαν επίσης πιθανές συσχετίσεις μεταξύ ιχνοστοιχείων, ραδιονουκλεϊδίων και άλλων παραμέτρων όπως η κοκκομετρία και ορυκτολογία, χρησιμοποιώντας ένα τυποποιημένο στατιστικό πακέτο λογισμικού (SPSS). Για να ολοκληρωθεί η χωρική έρευνα, εκτιμήθηκε η διασπορά φυσικών ραδιονουκλεϊδίων (226Ra, 235U) χρησιμοποιώντας ένα απλοποιημένο μοντέλο διάχυσης του ERICA και υπολογίστηκε η επιβαρυμένη θαλάσσια περιοχή λόγω των μεταλλευτικών δραστηριοτήτων. Η χρονική μελέτη εφαρμόστηκε στους πυρήνες των ιζημάτων όπου πραγματοποιήθηκε η στατιστική ανάλυση των δεδομένων, υπολογίστηκε ο παράγοντας εμπλουτισμού των μετάλλων, εκτιμήθηκε ο ρυθμός ιζηματογένεσης, ραδιοχρονολογήθηκε ο πυρήνας και εκτιμήθηκε η ροή της εναποτιθέμενης μάζας. Η ραδιοχρονολόγηση βασίστηκε σε φυσικά (210Pb) και τεχνητά (137Cs) ραδιονουκλίδια, και επιβεβαιώθηκε από τα ιστορικά δεδομένα. Ως εκ τούτου, εκτιμήθηκε το αντίκτυπο των μεταλλευτικών δραστηριοτήτων τα τελευταία 100 χρόνια.