放射能のまとめ:土壌の中のセシウム137


竹内雅文

 

土壌の中に入ったセシウム137がどういう状態になっているかを考えるには、まず、土壌というものがどういうものであるかを、見ておく必要があるでしょう。

土壌の主成分は、粘土鉱物と呼ばれる細かい粒子と、岩石の細片、そして有機物と水分です。土の中の無機的な部分を見ていく時には、粒子の大きさに応じて、粗砂、細砂、シルト、粘土というような区分が行なわれるらしいのですが、私たちが「土」と感じているものは、粘土質を中心としたもので、粒子が大きくなると、「砂地」という感じになっていきます。粘土と呼ばれるのは、直径2μm以下の細かい粒子ですが、「粘土鉱物」というのはその粘土の組成をさらに細かく見ていく時に出てくる概念です。

地球の長い歴史の中で、地表近くに岩石として生成されたものが、風化、侵食などを経て、粉々になってできあがったものが、土壌の中の無機質細粒であると考えておくことにします。その主成分としての粘土鉱物は、珪素、アルミニウム、酸素などからできているのですが、その中心となる酸素と珪素との結合の仕方をモデル的に示すと、珪素を中にした四面体構造になっているというように、どんな解説にも必ず書かれていますので、ここでもそういう模式図を載せておくことにします。

ele10この「珪素四面体」と呼ばれるものには、たいへんに強固な結合力があって、土壌の温度として通常、考えられる温度のもとでは、絶対に壊れません。そして、四面体の頂点にある酸素を共有しあうことによって、四面体どうしが無限に結合して、ほぼ平面に近い形状の結晶的な強固な構造物になります。その結合の模式図を載せておきます。

この四面体が多数集まって、珪酸塩鉱物というものの骨格を作っています。その時、四面体と四面体とは、酸素を共有することによって、平面的に幾らでも繋がっていきます。こうした珪酸塩の薄い層と、アルミニウム化合物の薄い層が、粘土では交互になって重なっているものらしいですが、山などにある粘土が層のように剥がれることがあるのも、そうした構造のためです。

さて、この結合の模式図を見ていただくと、酸素が六角形に結合している様子が分るかと思います。ここには3個だけしか描いてありませんが、実際には、幾らでも上下左右に繋がっています。蜜蜂の巣のような形になっているわけではありませんが、それでも、この六角形の中は穴になっていて、つまり、ここに元素が1つ入り込める部屋があるのです。

ele11カリウム、アンモニウムなどの陽イオンがやってくると、ここが空いていれば入り込むのですが、いったん入ったものはなかなか抜け出ることがありません。鉱物側はマイナスに帯電しているので、電気的にガッシリ結合してしまうらしく、単に、穴が空いているから入っているということではないようです。これを粘土鉱物によるイオン固定と言っているようです。セシウムもここに入り込みます。いったん入り込んで固定されたセシウム137は、なかなかこの「珪酸塩鉱物」の外には出ていかないのです。

粘土に入り込むこうした陽イオンをカチオンと呼ぶことになっているようですが、カチオンには順位のようなものがあります。H>Ca>Mg>KNH 4>Na というような順位ですが、セシウムはカリウムと性質の似た元素で、粒子の大きさとしてもほぼ同等ですので、Kと書いてある位置にセシウムを嵌めて考えて差し支えないようです。そこで、Mgイオンなどが作用すれば、僅かながら、固定されたセシウムが溶かし出されることもある、ということになります。

セシウム137が入り込んだ土壌に、雨が繰り返し降れば、土壌の中のセシウムはどんどん下の方に移動していきそうに思えますが、実際にはそうなりません。特に、粘土質の土壌では移行が遅く、チェルノブイリ事故後の観察でも、そうした場所では年に1mm程度しか下っていかないことがあるようです。そういう現象は、粘土の水捌けの悪さなどから説明されるものではなく、こうした「固定」によるところが大きいわけです。