Environmental impact of radionuclides and trace elements in the thorium rich Fen area in Norway

Abstract

The Fen Complex which is situated in the south of Norway, represents a magmatic bedrock area enriched in thorium (Th), iron (Fe), niobium (Nb) and rare earth elements (REE), and is well known for the elevated levels of natural ionizing radiation. This area has been of public interest from the 17th century when Fe mining started in the central wooded zone of the Fen Complex. Intensive mining of Fe continued until the 20th century, while mining and the production of ferro-niobium were conducted at the site Søve in the western part of the Complex in 1950s. Recently, intensive focus has been directed to the estimated large quantities of Th and REE ores, their value and possibility for future use, but also to environmental issues linked to the legacy enhanced naturally occurring radioactive materials (NORM) in the area. Many studies investigating different aspects of specific bedrock geology, as well as human health risk related to elevated ionizing radiation levels in the area, have been published. Still, no comprehensive investigation of different environmental compartments and radionuclides impact on biota at both legacy enhanced and undisturbed NORM sites in the Fen Complex has been undertaken. The present work was initiated as an integrated ecological and human impact assessment whose main objectives were to assess the possible radionuclide and trace elements contamination of the Fen Complex environment, impact on biota and radiation doses to humans due to outdoor radiation exposure. The Fen Complex area which is comprised of both legacy NORM and undisturbed 232Th-rich sites served as a natural laboratory where environmental compartments and biota could be investigated in the natural state, under realistic conditions. With respect to the specific Fen area and previously published data, the main focus of this work was on radionuclides such as 232Th and uranium (238U) and their progenies, as well on trace elements such as arsenic (As), chromium (Cr), cadmium (Cd) and lead (Pb). The generated data provided information on the current environmental status at both undisturbed and legacy NORM sites in the area, and could be used in planning of eventual remediation activities or for future monitoring. To assess the impact of radionuclides and trace elements on the ecosystem and humans, information was needed regarding the characterization, mobility and biological uptake of radionuclides and trace elements, as well as their different exposure pathways. These aspects were studied and presented in five scientific papers on which this thesis is based on.

Fensfeltet, lokalisert i Sør Norge, representer et magmatisk berggrunnsområde beriket med thorium (Th), jern (Fe), niob (Nb) og sjeldne jordelementer (REE). Det er velkjent for forhøyet nivå av naturlig ioniserende stråling. Fensfeltet har vært av offentlig interesse siden 1600-tallet da gruvedriften av Fe begynte i sentral skogkledd sone. Det ble drevet intensiv gruvedrift av Fe frem til 1900-tallet, mens gruvedrift og produksjon av ferro-niob ble gjennomført på 1950-tallet i Søve gruver, i den vestlige delen av komplekset. Nylig ble fokus igjen rettet mot Fensfeltet og store estimerte konsentrasjoner av Th og REE, deres verdi og muligheter for fremtidig bruk, samt mot miljøproblematikk knyttet til historiske NORM områder som eksisterer i området. Det har blitt publisert flere studier som forsket på forskjellige aspekter av spesifikk berggrunnsgeologi, samt helserisiko for mennesker relatert til forhøyede nivåer av forhøyet ioniserende stråling i område. Fortsatt har ingen omfattende forskning på forskjellige miljøaspekter og påvirkning av planter i verken tidligere gruveområder eller uforstyrrede NORM områder i Fensfeltet blitt gjennomført. Dette arbeidet ble initiert som en integrert studie for miljøvurdering. Hovedmålet var å få til risikovurdering av av Fensfeltet fra radioaktivitet og metaller blant annet ved å se på påvirkning av biota og stråledoser for mennesker gjennom utendørs eksponering. Fensfeltet, bestående av både tidligere gruveområder med NORM og uforstyrrede områder rike på 232Th, ble brukt som naturlige laboratorier hvor jord, vann, luft og biota kunne undersøkes under realistiske forhold. Basert på tidligere publiserte data og opplysninger om området, ble hovedfokus rettet mot radionuklider som 232Th, uran (238U) og deres døtre samt sporelementer som arsen (As), krom (Cr), kadmium (Cd) og bly (Pb). Genererte data ga opplysninger om nåværende miljøstatus i både uforstyrrede og historiske NORM områder. Disse dataene kan bli brukt til planlegging av eventuelle aktiviteter for utbedring og fremtidig overvåkning. For å vurdere radionukliderelatert påvirkning av økosystemet og mennesker, var det nødvendig å gjøre karakterisering av forskjellige prøver, undersøke mobilitet og biologisk opptak av radionuklider og sporelementer, samt deres eksponeringsvei og påvirkning av biota og mennesker. Disse aspektene ble studert og presentert i fem vitenskapelige artikler som denne doktoravhandlingen er basert på.