雅库特"Crystal"和平核爆点（1974）的悖论：电阻率层析成像与水流化学揭示的放射性核素低迁移性

　　本文推荐研究人员针对1974年苏联在雅库特地区实施的"Crystal"和平地下核爆炸（PUNE）场址，开展了电阻率层析成像（ERT）、地磁测量、放射性核素活度及水化学组成的综合研究。研究发现，为封存放射性核素而建造的碎石人工覆盖层并未如预期般冻结，反而处于饱水状态，成为水流的通道。尽管存在从爆炸中心区沿放置井上涌的地下卤水（富含SO42-、Cl-、Sr、Li等）与覆盖层溶蚀产生的HCO3--Ca2+-Mg2+水混合，但水流中放射性核素（3H、90Sr、Pu同位素）的活度已处于极低水平，表明当前放射性核素随水迁移的风险不显著，无需立即采取额外加固措施。该研究为高纬度永久冻土区核爆场址的长期环境风险评估提供了关键科学依据。

　　

在冷战时期，出于经济目的，苏联和美国都曾实施过一系列“和平地下核爆炸”（PUNE），用于开矿、建水库等。1974年10月2日，在苏联雅库特共和国（现属俄罗斯）的永久冻土区，一次代号为“Crystal”、当量1.7千吨TNT的核爆炸在地下98米深处被引爆。其初衷是利用核爆的威力抬升岩石，在乌拉克汉-贝西塔赫河左岸构筑一道堤坝，以容纳附近钻石矿的尾矿。然而，爆炸形成的隆起穹丘在中心发生了塌陷，形成了一个碗状洼地，更严重的是，爆炸破坏了放置核装置的井孔（Emplacement Hole）的密封性，导致地表土壤受到放射性核素污染。这个场址在1990年之前一直处于保密状态。

面对这个遗留的放射性污染源，管理部门在1992年采取了封存措施：用来自“成功”金伯利岩管矿山的纯净石灰岩和白云岩碎石，将爆炸形成的隆起穹丘及其周边污染区域覆盖起来，形成了一个块石人工覆盖层。2006年，又对该覆盖层进行了加固，顶部增加了冰土隔热层和更厚的碎石层。这个直径260米、高7-20米的覆盖层，本质上是一个未经设计的近地表放射性废物处置场。在严寒的永久冻土环境下，工程设计者原本期望这个厚实的覆盖层能逐渐冻结，利用低温环境将放射性核素“锁”在下面，实现长期的安全隔离。

但事与愿违，几十年过去了，这个被寄予厚望的“冰封封印”是否真的达到了设计目标？其内部的真实状态如何？放射性物质是否被牢牢禁锢？为了回答这些关乎环境安全的关键问题，俄罗斯科学院西伯利亚分院索博列夫地质与矿物学研究所的Svetlana Yurievna Artamonova及其团队对“Crystal”场址进行了一次前所未有的多学科综合“体检”。

研究人员综合运用了电阻率层析成像（ERT）、陆地地磁测量、放射性核素活度测定以及水溶液主离子化学分析等关键技术方法。研究对象主要来源于场址内从人工覆盖层底部流出的水体（PUNE相关水），并与周边的乌拉克汉-贝西塔赫河、达尔登河（背景值）以及一个已知有地下卤水涌出的X溪的水样进行对比。采样时间跨度从2002年持续到2021年，涵盖了夏季和秋冬季节，以观察不同水文条件下的变化。

4.1. ERT和地磁测量揭示未冻结且饱水的人工覆盖层

电阻率层析成像（ERT）结果清晰地显示，在天然原始景观下，季节融化层（STL）表现为一层薄薄的低电阻率带。然而，在人工覆盖层区域，并未出现预期中代表永久冻土的高电阻率特征。相反，覆盖层整体的电阻率值很低（20-280 Ohm·m），表明其内部充满了水，处于未冻结的饱水状态。即使是在漫长的旱季，覆盖层底部也始终有水流渗出。研究人员推测，覆盖层由块石构成，内部空气可以自由对流，当空气与岩石碎片之间存在温度差时，会导致大气水分在覆盖层内部凝结。这使得人工覆盖层本身成了一个持续的“产水”源头，汇集了大气凝结水、雨水和融雪水。

4.2. 覆盖层底部水流的主离子化学特征揭示多重来源

对从覆盖层底部流出的水（PUNE相关水）的化学分析揭示了一个复杂的水文地球化学故事。这些水是半咸水，总溶解固体（TDS）高达5600 ppm，硬度极高。其阴离子组成多变，包括硫酸盐型、氯化物-硫酸盐型、碳酸氢盐-硫酸盐型等混合类型。

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  碳酸氢盐、钙、镁的来源： 水流在穿过由石灰岩和白云岩碎块组成的覆盖层时，溶解了其中的碳酸盐矿物，从而富含HCO₃^-、Ca²⁺和Mg²⁺。即使是几乎无离子的露水（如样品#19_21），在流经覆盖层后也显著富集了这些成分。
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  氯化物及特征微量元素（Br、Sr、Li、I）的来源： PUNE相关水中Cl^-、Br、Sr、Li、I的含量远高于当地背景河水，其Cl/Br等比值与当地深层地下卤水（如上寒武统UCA、中下寒武统MCA/LCA含水层中的卤水）的特征相似。这表明有地下卤水成分混入。研究人员认为，爆炸很可能将井孔中的水泥塞完全冲出，导致井孔保持开放状态。地下富含气体的卤水可能沿着开放的井孔和周围的损伤带，在气压变化或附近矿山工业爆破等外界因素触发下，缓慢上涌至地表。
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  异常高硫酸盐及钾、锶、锂的来源： 最令人意外的是，PUNE相关水中SO₄^2-的含量异常高，且与Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Sr、Li含量呈强正相关。这无法用天然岩石溶解或地下卤水注入来解释。研究推测，这可能是爆炸前后用于固定设备、填充井孔等技术作业中使用的含石膏（Gypsum）类人造材料（如快干石膏）的分解产物所致。锂（Li）则可能是核爆炸装置本身的组分或爆炸产物。

4.3. 水流中放射性核素活度处于低水平

尽管人工覆盖层未能冻结，且存在水流和可能的深层流体上涌通道，但监测数据显示，当前放射性核素随水迁移的活度很低。

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  氚（³H）： 其活度从2002年的最高221 Bq/dm³显著下降至2018-2021年间的4-12 Bq/dm³。这既与其较短的半衰期（12.3年）有关，也可能得益于其高迁移性已使大部分³H从污染源中迁出。
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  锶-90（⁹⁰Sr）： 活度在2002年后也大幅下降，近年来维持在0.004-0.4 Bq/dm³的较低水平波动，表明覆盖层材料对Sr²⁺有一定的吸附或离子交换作用。
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  钚同位素（^239,240Pu, ²³⁸Pu）： 即使在浓缩了100升水样后，仍低于探测限（<10^-6 Bq/dm³），表明钚基本不被水携带迁移，稳定地固定在覆盖层下的土壤中。
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  γ辐射照射剂量率（EDR）： 场址大部分区域的EDR为6-8 μR/h，与当地天然本底（5-7 μR/h）相当。仅在井口正上方测到11 μR/h的轻微升高，这可能暗示了沿井孔的气体-卤水微量释放。

本研究得出了一个看似矛盾却至关重要的结论：尽管为封存而建造的人工覆盖层并未实现预期的冻结隔离功能，反而成为一个透水的、能自身产水并混合了深层上涌卤水和技术成因盐分的复杂系统，但当前从该系统流出的水中，放射性核素的活度已处于非常低的水平，远低于俄罗斯联邦饮用水干预水平（³H和⁹⁰Sr分别低630-1900倍和12-1200倍）。因此，从水迁移途径来看，“Crystal”PUNE场址目前不存在紧迫的放射性风险，无需立即采取额外工程措施加固或改造现有覆盖层。

这项研究的深刻意义在于，它通过精细的地球物理和地球化学“诊断”，揭示了高寒永久冻土区核爆场址退役后长期演化中的复杂过程。它提醒我们，工程屏障的实际性能可能偏离设计预期，但即使如此，自然衰减和作用也可能将环境风险控制在可接受范围内。这对于评估全球类似场址的长期安全性、制定合理的监测和管理策略提供了宝贵的科学数据和独特案例。该研究也提示，未来可在秋季季节性融化层影响最小时，对井口逸出的气体-卤水-水蒸气进行直接采样，以更深入地了解爆炸中心区与地表之间持续的、微妙的“呼吸”作用。研究成果发表在《Geosystems and Geoenvironment》期刊上。