Abstract
This paper deals with the natural radioactivity of Palaeozoic rocks on the map sheets 15-31 Bruntál and 15-33 Moravský Beroun in the NE part of the Bohemian Massif. Studied rocks belong to the Vrbno Group (greenschists and phyllites) and mainly to the Moravo-Silesian Palaeozoic, particulary to the Andělská Hora, Horní Benešov and Moravice Fms. Potassium, uranium and thorium contents were measured in 1 596 rock samples using a laboratory gamma–ray spectrometer, values of mass activity of 226Ra equivalent (am) were calculated. The average am of analysed rock samples is 138 Bq.kg-1. This value is very close to the am value calculated for the average continental crust. Natural radioactivity of flysch sedimentary rocks of the Andělská Hora, Horní Benešov and Moravice Fms. (1 350 analysed samples, avg. am = 150 Bq.kg-1) grows from psefites (conglomerates) to psammites (dominating greywackes) up to the group of aleurites and pelites (siltstones, silty shales, clay shales). The highest uranium and thorium contents, along with other metals (Cs, Ga, Rb, Sn, Zr, La, Ce, Pb, Zn, As) were found in flysch rocks of the Horní Benešov Fm. in the area near Valšov: greywacke shows content up to 13 ppm U and 25 ppm Th (am = 364 Bq.kg-1) and siltstone up to 21 ppm U and 43 ppm Th (am = 624 Bq.kg-1). Low-grade metamorphic mobilization of elements is documented by hydrothermal minerals in syntectonic quartz veins which are e.g. fluorite, sulphides, REE-bearing phases, U-bearing phases.
Úvod
Jednou z významných fyzikálních vlastností přírodního horninového prostředí je přirozená radioaktivita, která při překročení určité úrovně může představovat zdravotní riziko. Studie se zabývá radioaktivitou paleozoických hornin na mapových listech 15-31 Bruntál a 15-33 Moravský Beroun. Vychází z obsahů tří radioaktivních prvků (K, U a Th) stanovených laboratorní gamaspektrometrií v reprezentativních souborech horninových vzorků. Detailnější studium geochemie hornin bylo provedeno v okolí Valšova, kde byla studována i hydrotermální mineralizace.
Geologické jednotky a jejich horniny
Paleozoické horniny na obou mapových listech (15-31 Bruntál, 15-33 Moravský Beroun) náleží ke dvěma hlavním geologickým jednotkám – sileziku a moravskoslezskému paleozoiku (MSP). Silezikum vystupuje na velmi malé ploše v sz. cípu mapového listu 15-31 Bruntál, kde je reprezentováno vrbenskou skupinou, zde tvořenou hlavně zelenými břidlicemi (s tělesy Fe-rud) a fylity. Součástí MSP je stínavsko-chabičovské souvrství (paleobazalty a jejich tufy, keratofyrové horniny, železnorudné akumulace lahn-dillského typu), líšeňské souvrství (jen na listu 15-31 Bruntál, vápence až vápnité břidlice), ponikevské souvrství (silicity), moravskoberounské souvrství (křemenné pískovce a slepence) a typická variská flyšová souvrství (kulm), na obou listech zastoupená andělskohorským (AS), hornobenešovským (HS) a moravickým souvrstvím (MS) viz Dvořák (1995), Dvořák et al. (1991). V AS v hodnoceném území převažují droby a pískovce nad jílovými a siltovými břidlicemi a siltovci (často jde o rytmity) a ojedinělými slepenci. HS je tvořeno drobami (převážně jemnozrnnými, místy přecházejícími do křemenných pískovců), jílovými a siltovými břidlicemi a také siltovci (časté jsou rytmity). Střídání typů flyšových hornin a charakter stavby AS a HS v širším okolí Valšova jsou znázorněny na obrázku 1. V MS dominují droby (hlavně litické) a rytmity, v nichž se střídají siltové nebo jílové břidlice se siltovci a jemnozrnnými drobami; podřízeně jsou v MS přítomny konglomeráty (převážně gravelity) s drobovou matrix.
Materiál a metody
Na 758 lokalitách na území obou mapových listů bylo odebráno a následně analyzováno 1 596 vzorků paleozoických hornin. Determinace hornin byla prováděna jen makroskopicky, a proto nejsou ve skupině psamitů rozlišovány jednotlivé horninové typy (křemenné pískovce, droby apod.). Z téhož důvodu jsou všechna kulmská siliciklastika s aleuritickou nebo pelitickou strukturou zařazena do skupiny aleurity + pelity. V případě siliciklastických sedimentů na rozhraní aleurit/psamit mohlo makroskopické hodnocení vést k chybnému zařazení horninového vzorku podle zrnitosti (droby/siltovce). V případě produktů devonského vulkanismu ve šternbersko-hornobenešovském pruhu nejsou rozlišována efuziva a extruziva (efuziva patrně silně převažují). Všechna bazika (nebo horniny bazika připomínající) jsou označována jako „paleobazalty“, produkty kyselého nebo intermediárního vulkanismu jako „keratofyrové horniny“.
Metodou laboratorní gamaspektrometrie byl v horninových vzorcích stanoven obsah K, U a Th. Analýzy byly provedeny na PřF UP v Olomouci pomocí spektrometru SG – 1000 LAB s NaI(Tl) detektorem o objemu 0,35 dm3 (průměr 76 mm, délka 76 mm), délka analýzy 1 800 s, hmotnost vzorku cca 400 g. Obsah draslíku byl stanoven přímo z koncentrace 40K. V případě uranu a thoria jde o nepřímé stanovení na základě koncentrací dceřiných produktů, a proto jsou takto zjištěné obsahy při uvádění výsledků analýz označovány jako eU a eTh. Meze detekce: K = 0,5 hm. %, U a Th = 1,5 ppm. Při výpočtu hodnot parametrů am (hmotnostní aktivita ekvivalentu 226Ra) a D (dávkový příkon záření gama terestrického původu) a při statistickém zpracování dat byly obsahy K pod mezí detekce nahrazeny hodnotou 0,33 hm. %, obdobně v případě U a Th hodnotou 1 ppm. Oba parametry byly vypočteny z výsledků gamaspektrometrického stanovení K, U a Th s použitím rovnice pro am [Bq.kg-1] = (0,077 × 313K) + 12,35U + (1,43 × 4,06Th), D [nGy.h-1] = (0,043 × 313K) + (0,427 × 12,35U) + (0,662 × 4,06Th), do nichž je obsah K dosazován v hm. %, obsahy U a Th v ppm (Beretka, Mathew 1985; UNSCEAR 1988; Matolín, Chlupáčová 1997; Ngachin et al. 2007; Eštoková, Palaščáková 2013).
V případě 13 vzorků siltovců a drob z lokality Valšov s anomálně vysokými obsahy U a Th byl sledován jejich celkový chemismus pomocí XRF analyzátoru DELTA–PREMIUM v laboratořích firmy URGA, s.r.o. se sídlem v Olomouci (metodika in Zimák et al. 2016). Použity jsou jen stanovení Al2O3 a SiO2.
Na několika lokalitách byly odebrány průměrné vzorky jako více menších úlomků, z různých částí výchozů (lomů), s poměrným zastoupením typů hornin na lokalitě. Pro stanovení obsahu vzácných zemin, kovů a celkového uhlíku (TOT/C) byly homogenizované vzorky o hmotnosti 0,2 a 0,5 g rozkládány metaboritanem/tetraborátem lithným, kyselinou dusičnou a Aqua Regia a aplikovány standardní analytické procesy založené na hmotnostní spektrometrii ICP v laboratořích AcmeLabs (Bureau Veritas), Vancouver, Kanada.
Výsledky
Gamaspektrometrie hornin
Výsledky gamaspektrometrických stanovení obsahů K, U a Th v 1 585 horninových vzorcích jsou prezentovány v tabulkách 1 a 2. V případě psamitů a aleuritů + pelitů HS na listu 15-31 Bruntál byly při zpracování dat pro tabulku 1 vyloučeny výsledky 11 gamaspektrometrických analýz ze zóny s anomálně vysokou přirozenou radioaktivitou v lomu Valšov (viz níže).
Vypočtená průměrná am pro celý soubor 1 596 vzorků paleozoických hornin na mapových listech 15-31 Bruntál a 15-33 Moravský Beroun je 138 Bq.kg-1 (D = 67 nGy.h-1). Pro siliciklastika AS, HS a MS (celkem 1 350 horninových vzorků) byla vypočtena průměrná am 150 Bq.kg-1 (D = 73 nGy.h-1).
Nejvyšší průměrné hodnoty am jsou ve všech třech flyšových souvrstvích ve skupině aleuritů a pelitů což souvisí s vyššími průměrnými obsahy K, U a Th v těchto horninách ve srovnání se siliciklastiky s psamitickou nebo psefitickou strukturou (tab. 1, 2). V případě K a U jsou tyto parametry nejvyšší v sedimentech MS na mapovém listu 15-33 Moravský Beroun (obr. 2). Horniny AS mají o něco nižší obsahy K, U a Th ve srovnání s horninami HS a MS (tab. 1, 2).
Ve studovaných spodnokarbonských sedimentech roste podíl tří sledovaných prvků na přirozené radioaktivitě v pořadí U–K–Th. Vyjdeme-li z vypočtených průměrných obsahů těchto tří prvků, pak je podíl U (a dceřiných izotopů) na hodnotě am ve všech třech zrnitostních kategoriích hornin shodně jen 25 %, vyšší podíl je u K v rozpětí 29 až 35 % a nejvyšší u Th (a dceřiných izotopů) 40 až 46 %.
Relativně vysoká přirozená radioaktivita byla zjištěna u keratofyrových hornin šternbersko-hornobenešovského pruhu na listu 15-31 Bruntál, které mají vyšší obsahy všech tří sledovaných prvků (tab. 1), odpovídající am 250 až 327 Bq.kg-1 (D = 124 až 159 nGy.h-1).
Paleobazalty šternbersko-hornobenešovského pruhu (včetně jejich pyroklastik) vykazují vysokou variabilitu obsahů draslíku v rozpětí < 0,5 až 8,2 hm. % (tab. 1, 2). V paleobazaltech s vyššími obsahy K se objevují vyšší koncentrace uranu (až 7,3 ppm eU), což se projevuje vyššími hodnotami am (obr. 3). Do obr. 3 byly začleněny i údaje o 85 vzorcích paleobazaltů z jižní části šternbersko-hornobenešovského pruhu na mapovém listu 14-44 Šternberk. V těchto vzorcích jsou gamaspektrometricky stanovené obsahy K v rozpětí < 0,5 až 9,0 hm. % (Zimák 2016).
Výrazně zvýšené obsahy U a Th byly zjištěny v sedimentech HS z lomu 300 m z. od železničního nádraží Valšov. Vzhledem ke značnému rozsahu lomu (plocha cca 400 × 300 m) z něj bylo odebráno 10 horninových vzorků (droby, siltovce, siltové břidlice), převážně z haldového materiálu. Ve všech vzorcích siltovců a siltových břidlic byly stanoveny překvapivě vysoké obsahy U a Th, a proto byly ze stěn lomu odebrány další vzorky siltovců, jejichž analýzy zvýšené obsahy obou prvků potvrdily, ale jen v určité části valšovského lomu. Na základě těchto poznatků byl v severní stěně lomu vybrán profil o délce 2,6 m, v němž se střídají droby se siltovci (obr. 4), a odebráno 13 horninových vzorků. Výsledky analýz vzorků z tohoto profilu jsou označeny čísly 1 až 13 (tab. 3, seřazeny zleva doprava ve směru od Z k V na obr. 4). V tomto úseku lomu jsou nejen vysoké obsahy U a Th v siltovcích (max. 21,2 ppm eU a 43,3 ppm eTh), ale i v drobách (max. 13,1 ppm eU a 25,2 ppm eTh) a tomu odpovídají i extrémně vysoké hodnoty am: max. 624 Bq.kg-1 pro siltovec, max. 364 Bq.kg-1 pro drobu (obr. 4, tab. 3).
Do výpočtu průměrných obsahů K, U, Th a hodnot am (tab. 1) byly zahrnuty jen dva vzorky z tohoto profilu, a to siltovce s nejvyššími obsahy U a Th a droby s nejvyššími obsahy obou prvků, aby nedošlo k výraznému ovlivnění statistických hodnot hornin HS na listu 15-31 Bruntál.
Geochemie hornin a mineralizace v okolí Valšova
V okolí Valšova se střídají polohy jílových až siltových břidlic, siltovců a drob, které jsou protínány regionálními zlomy směru SZ–JV (obr. 1). V horninách jsou vyvinuty četné hydrotermální žíly, jejichž minerální asociace obsahuje kromě typických fází křemen±kalcit±chlorit i fluorit (obr. 5) a sulfidy (sfalerit, galenit, pyrit) (obr. 6), blíže nespecifikované uranonosné fáze malých rozměrů (cca 20 μm), v okolních horninách se objevuje novotvořený epidot a allanit-(Ce) (obr. 7). Fyzikálně-chemické podmínky vzniku těchto syntektonických žil byly studovány na fluidních inkluzích v křemenu, v nichž byly zjištěny nízkosalinní (do 6 hm. % NaCl ekv.) vodné roztoky sytému H2O-NaCl. Podmínky vzniku žil této generace byly s použitím teplot homogenizace, izochor a chloritového termometru (Cathelineau, Nieva 1985; Kranidiotis, MacLean 1987) definovány v rozsahu 175–285 °C a 110–340 MPa (Pořádek 2014).
Geochemické analýzy hornin (tab. 4) ukazují na vyšší obsahy některých prvků v břidlicích a siltovcích valšovského lomu ve srovnání s flyšovými sedimenty z jiných lokalit v HS nebo i AS. Zmíněné horniny z Valšova mají výrazně vyšší obsahy U a Th a také dalších stopových prvků jako např. Cs, Ga, Rb, Sn, Zr, REE (kromě Eu), Pb a As.
Diskuze
1. Míru přirozené radioaktivity jednotlivých typů hornin lze dobře posoudit na základě vypočtených hodnot am (tab. 1, 2) a jejich srovnáním s průměrnou am kontinentální zemské kůry. Z klarků zveřejněných Goldschmidtem (1937): 2,59 hm. % K, 4 ppm U a 11 ppm Th (též Bouška et al. 1980) je vypočtena hodnota am 179 Bq.kg-1 (D = 87 nGy.h-1). Rudnick a Gao (2003) pro svrchní část zemské kůry kontinentálního typu uvádí hodnoty 2,80 hm. % K2O (= 2,32 hm. % K), 2,7 ppm U a 10,5 ppm Th; těmto hodnotám odpovídá am 150 Bq.kg-1 (D = 74 nGy.h-1). S výjimkou keratofyrových hornin šternbersko-hornobenešovského pruhu lze proto zjištěnou přirozenou radioaktivitu všech ostatních měřených horninových typů (vyjádřenou průměrnou hodnotou am pro daný typ horniny) hodnotit ve srovnání s „průměrnou horninou svrchní části zemské kůry kontinentálního typu“ jako nižší nebo víceméně shodnou.
2. Draslík je v případě většiny analyzovaných vzorků paleobazaltů hlavním a často zcela dominantním zdrojem jejich přirozené radioaktivity (obr. 3). Vysoké koncentrace draslíku v bazických horninách některých úseků šternbersko-hornobenešovského pruhu byly již dříve známy díky letecké gamaspektrometrii (Gnojek, Přichystal 1984) a byly doloženy i chemickými analýzami (Přichystal 1990; Mixa, Orel 1993). Zvýšené obsahy draslíku v paleobazaltech lze považovat za indikátor hydrotermálních alterací, s nimiž by mohlo souviset formování sulfidické mineralizace typu SEDEX (Zimák 2016).
3. Postupné zvyšování radioaktivity flyšových sedimentů MSP v řadě psefit – psamit – aleurit+pelit již prokázali např. Manová, Matolín (1989), Zimák, Štelcl (2004) a Zimák (2012). Růst obsahů K a Th v této řadě je vysvětlitelný postupným snižováním objemu klastického křemene a současně zvyšováním podílu fylosilikátů v sedimentu. V případě U lze předpokládat vazbu na organickou hmotu, jejíž nejvyšší primární obsahy lze předpokládat při sedimentaci aleuritů a pelitů (redistribuce U v průběhu diageneze a dalších procesů je samozřejmě možná). Modální složení strukturně odlišných klastik a následně i jejich radioaktivita jsou ovlivněny jak procesy probíhajícími během transportu a sedimentace v turbiditních systémech, tak zcela zásadně i petrografickými poměry ve snosové oblasti (Zimák, Štelcl 2004; Zimák 2012).
Obsah K, U a Th v psamitech AS, HS a MS je podobný a pomineme-li anomálně zvýšené obsahy U a Th v některých vzorcích psamitů z HS, pak jsou rozdíly mezi těmito souvrstvími jen nepatrné (obr. 8, 9). Dokládají to i mediánové hodnoty obsahů sledovaných prvků v psamitech, které jsou velmi blízké: 1,5 hm. % K, 1,9 ppm eU a 9,0 ppm eTh (am = 114 Bq.kg-1) v AS, 1,9 hm. % K, 2,4 ppm eU a 10,5 ppm eTh (am = 135 Bq.kg-1) v HS, 1,6 hm. % K, 2,5 ppm eU a 10,1 ppm eTh (am = 129 Bq.kg-1) v MS.
4. V prostoru valšovského lomu s vysokými hodnotami am drob a siltovců, a doloženými obsahy stopových kovů, se specifické geochemické rysy horninového prostředí odrážejí i ve složení variské žilné mineralizace. Tyto syntektonické mineralizace vznikají v souvislosti s deformací a slabou variskou metamorfózou hornin (Slobodník et al. 1997, Halavínová et al. 2005, Slobodník et al. 2008). Během zmíněných procesů dochází i k mobilizaci fluid a některých horninových složek za vzniku hydrotermálních žil.
Závěr
Zjištěné hodnoty am pro paleozoické horniny na mapových listech 15-31 Bruntál a 15-33 Moravský Beroun jsou nižší nebo víceméně shodné s hodnotami am spočítanými z klarků K, U a Th pro „průměrnou horninu svrchní části zemské kůry kontinentálního typu“, a lze tedy přirozenou radioaktivitu paleozoických hornin ve studovaném území hodnotit jako relativně nízkou. Radioaktivita hornin se mírně zvyšuje společně se zvyšováním obsahů radioaktivních prvků a kovů v horninách v pořadí psefit – psamit – aleurit + pelit a odpovídá zvyšování jílové frakce a organické hmoty.
Horniny s anomálně vysokými hodnotami am byly zjištěny na dvou územích: (1) Ve šternbersko-hornobenešovském pruhu na k. ú. Razová a Leskovec nad Moravicí (lokálně zjištěné – fragmenty? – keratofyrové horniny, až 6,9 ppm U a 22,5 ppm Th, am = 327 Bq.kg-1). (2) V siliciklastikách v lomu u Valšova jsou vysoké koncentrace U a Th (až 13,1 ppm U a 25,2 ppm Th, am = 364 Bq.kg-1), ve vzorcích siltovce až 21,2 ppm U a 43,3 ppm Th (am = 624 Bq.kg-1). Zvýšené obsahy uranu i dalších zmíněných prvků by se za určitých okolností mohly projevit nadlimitními koncentracemi uranu v místních vodních zdrojích. Zvýšené obsahy prvků jsou však lokální a s výskytem mimo oblasti s trvalým osídlením.
Zjištěné podmínky vzniku hydrotermálních žil u Valšova jsou typické pro variské žíly v celém MSP, ale jejich minerální asociace je pestřejší než na jiných lokalitách vzhledem k vyššímu zastoupení některých prvků v hostitelských horninách.
Poděkování
Výzkum hydrotermální mineralizace a geochemie hornin byl umožněn s využitím fondů institucionální podpory a specifického výzkumu PřF MU. Autoři děkují recenzentům J. Havířovi a Z. Lososovi za poznámky a připomínky, které vedly ke zkvalitnění článku.