Distribution and mobility of 137Cs in soil from the cathcment area of Vefsna

Abstract

The primary source of 137Cs in Norway is the Chernobyl accident, and several decades after the accident, there is still a substantial amount in the environment. The area of Hattfjelldal, within the catchment area of the river Vefsna, is situated in the southern parts of the county Nordland, which was especially affected. In the present work, soil samples were taken from two different sites, Nerlifjellet and Groalia in the area of Hattfjelldal, based on knowledge about the relatively high activity of 137Cs in this area and the differences in soil composition. The samples from the two soil types were analysed to investigate any differences in distribution of 137Cs, binding and mobility of 137Cs as well as stable 133Cs, and if any differences could be connected to differences in soil components. The soil was collected using a soil corer and divided based on the top 3 cm and visible layers. For Groalia, the 0-3 cm layer was further divided based on a visible mineral layer (2-3 cm) and an organic layer (0-2cm). The soil layers from Nerlifjellet were characterized with 13- 97% organic material, compared to Groalia with 5-40%. The pH was similar dissimilar. A grain size analysis for the layers with an organic matter content of < 20% show that the mineral soil in Nerlifjellet consist of mainly sand (73%) while the mineral soil from Groalia mainly consisted of silt (39-57%). The activity concentration of 137Cs was identified to be 200-900 Bq/kg dry soil from Nerlifjellet, depending on the soil layer, while for the soil from Groalia it was 36-1300 Bq/kg. The activity density per cm of 137Cs in the soil from Nerlifjellet was identified to be 1.0-1.1 Bq/m2 per cm, depending on the soil layer. For the soil from Groalia, the activity density of 137Cs per cm was 0.19-6 Bq/m2 per cm. For the soil from Nerlifjellet, 137Cs were more evenly distributed through the soil core than for the soil from Groalia, where 137Cs were mainly found in the upper 3 cm of the soil core (86%). Based on this, 137Cs seem to be more mobile in the soil from Nerlifjellet than the soil from Groalia, which was suggested to be connected to the difference in content of organic material. A sequential extraction of several of the layers from both sites indicate that 133Cs was bound stronger in the soil with <40% organic material compared to soil with more organic material. This supported the idea that the 137Cs most likely are leaching in a larger degree from the more organic soil in Nerlifjellet than from the more mineral containing soil in Groalia and thus transported more to underlying layer in the soil. The activity concentration of 137Cs in fractions from the grain size analysis was measured and the result showed a higher activity concentration of 137Cs in the clay fraction than in the other fractions and an activity concentration 9-30 times higher than the bulk sample. In the mineral layers 137Cs was mainly bound to the silt and clay fractions (52-97%) and in minor to sand (<33%). Comparing the two sites, the proportion of 137Cs in the clay fraction for the 7.5-13 cm layer from Nerlifjellet was lower than for the 8-13 cm layer from Groalia. This was suggested to be due to a lower amount of clay in the layer from Nerlifjellet. Although a large fraction of sand and silt can be present in the soil, result indicate that a higher amount of clay decreases the likelihood of 137Cs binding to sand or silt due to the high affinity of 137Cs onto clays. Results highlight that it is essential to identify the content of organic material and clay content in soil to understand the mobility of 137Cs in soils and the probability for remobilisation of 137Cs in runoff.

Hovedkilden til 137Cs i Norge er Tsjernobyl ulykken og selv flere tiår etter finnes det betydelige menger i naturen. Hattfjelldal, som befinner seg i nedbørsfeltet til elven Vefsna, ligger i den sørlige delen av Nordland og ble spesielt berørt. I dette arbeidet ble jordprøver tatt fra to forskjellige lokasjoner, Nerlifjellet og Groalia i Hattfjelldal, basert på kunnskap om relativt høy aktivitet av 137Cs og forskjeller i jord sammensetning. Prøvene fra de to jordtypene ble analysert for å undersøke om det var noen forskjeller i distribusjon av 137Cs, binding og mobilitet av 133Cs i tillegg til 137Cs og om noen forskjeller kunne knyttes til jord sammensetning. Jordprøvene ble tatt ved å bruke en jordbor og delt basert på de øverste 3 cm og ellers basert på to synlige jordlag. For jorden fra Groalia ble 0-3 cm laget delt i to basert på et synlig mineral lag (2-3 cm) og et organisk lag (0-2 cm). Jordlagene fra Nerlifjellet hadde 13-97% organisk material, mens jordlagene fra Groalia hadde 5-40%. Det ble også funnet forskjeller i pH. En kornfordelingsanalyse gjennomført for de jordlagene med <20% organisk materialet viste at mineraljord fra Nerlifjellet først og fremst besto av sand (73%) mens mineraljorden fra Groalia i hovedsak besto av silt (39-57%). Aktivitetskonsentrasjonen til 137Cs i jord fra Nerlifjellet ble identifisert til å være mellom 200 og 900 Bq/kg tørr jord avhengig av jordlaget, mens for jorden fra Groalia var aktivitetskonsentrasjonen mellom 36 og 1300 Bq/kg. Aktivitetstettheten, per cm, til 137Cs i jorden fra Nerlifjellet ble identifisert til å være 1.0-1.1 Bq/m2 per cm, mens for jorden fra Nerlifjellet var dette mellom 0.19 Bq/m2 og 6 Bq/m2 per cm. I jorda fra Nerlifjellet var 137Cs fordelt mer jevnt nedover i jorda enn i jorda fra Groalia, hvor 137Cs i hovedsak ble funnet i de øverste 3 cm (86%). Basert på dette kan det tyde på at 137Cs er mer mobil i jorden fra Nerlifjellet enn i jorden fra Groalia, noe som var foreslått at var knyttet opp mot forskjeller i mengde organisk material. En sekvensiell ekstraksjon av flere av jordlagene fra begge prøvelokasjonene indikerte at 133Cs var bundet sterkere i jord med mer organisk materiale. Dette støttet ideen om at 137Cs lekker i en større grad fra den organiske jorden fra Nerlifjellet enn den mer mineralholdige jorda fra Groalia og derfor blir transportert lenger ned i jorden. Aktivitetskonsentrasjonen til 137Cs i jordfraksjonene fra kornfordelingsanalysen ble målt og resultatet viste en større aktivitetskonsentrasjon av 137Cs i leirefraksjonen enn de andre fraksjonene og en aktivitetskonsentrasjon som var 9-30 ganger høyere enn aktivitetskonsentrasjonen av 137Cs i den ubearbeidede prøven. I minerallagene var 137Cs i hovedsak bundet til silt og leirefraksjonene (53-97%) og i mindre grad bundet til sandfraksjonen (<33%). Sammenligning av prøver fra Groalia og Nerlifjellet viste at andelen av 137Cs i leirefraksjonen var lavere i 7.5-13 cm laget fra Nerlifjellet enn i 8-13 cm laget fra Groalia. Det ble foreslått at dette kunne knyttes til en lavere mengde leire i jorden fra Nerlifjellet. Selv om en det kan være en stor mengde sand og silt i jorda, indikerte resultatene at en større mengde leire påvirker sannsynligheten for binding av 137Cs til sand og silt negativt. Dette kan være på bakgrunn av leirens høye affinitet for 137Cs. Resultatene viser at det er essensielt å identifisere mengden av organisk materiale og leire i jorda for å kunne forstå mobiliteten av 137Cs i jord og sannsynligheten for remobilisering av 137Cs i avrenning.