Přirozená radioaktivita paleozoických sedimentů a chemismus karbonátových hornin na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice

Natural radioactivity of Palaeozoic sediments and chemistry of carbonate rocks in the map sheets 25-11 Hlubočky and 25-12 Hranice

Jiří Zimák 

Katedra geologie PřF UP, tř. 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc

 jiri.zimak@upol.cz
DOI: https://doi.org/10.5817/GVMS2018-1-2-128

Úvod

K základním fyzikálním parametrům přírodního prostředí patří jeho přirozená radioaktivita. Na ní se podílí i horninové prostředí. Tento článek hodnotí radioaktivitu paleozoických sedimentárních hornin na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice. Vychází z obsahů hlavních přirozených radioaktivních prvků (K, U a Th) stanovených laboratorní gamaspektrometrií v reprezentativních souborech horninových vzorků.

Paleozoické jednotky na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice a jejich horninová náplň

Paleozoické horniny vystupující na obou mapových listech jsou součástí moravskoslezského paleozoika. Na listu 25-11 Hlubočky je reprezentováno moravickým souvrstvím, v sv. cípu listu i hornobenešovským souvrstvím (Maštera et al. 1991). Moravické souvrství z listu 25-11 Hlubočky přechází na sousední list 25-11 Hranice, na němž je dále k východu vystřídáno hradecko-kyjovickým souvrstvím (Pálenský et al. 1996). Ve východním okolí města Hranice vystupují na relativně malém území paleozoické karbonátové horniny macošského a líšeňského souvrství (Pálenský et al. 1996; Pálenský 2002).

Hornobenešovské, moravické a hradecko-kyjovické souvrství jsou součástí spodnokarbonského flyšového komplexu (kulm), jenž je produktem sedimentace siliciklastického materiálu transportovaného turbiditními proudy (např. Dvořák 1994; Hartley a Otava 2001). Hornobenešovské souvrství je na hodnoceném území tvořeno drobami (převážně jemnozrnnými), jílovými a siltovými břidlicemi a také siltovci (časté jsou rytmity). Moravické souvrství je budováno hlavně drobami (dominantně litickými) a rytmity, v nichž se střídají siltové nebo jílové břidlice se siltovci a jemnozrnnými drobami. Podřízeně jsou v moravickém souvrství přítomny konglomeráty (převážně gravelity). V hradecko-kyjovickém souvrství na listu 25-11 Hranice převažují psamity (litické droby, někdy arkózy) nad konglomeráty (petromiktní slepence s drobovou matrix) a siliciklastiky s aleuritickou nebo pelitickou strukturou (siltové a jílové břidlice, siltovce – často jde o rytmity).

Macošské souvrství je na listu 25-12 Hranice zastoupeno jen vilémovickými vápenci. Líšeňské souvrství v jejich stratigrafickém nadloží zde vystupuje jako „litologicky nesmírně pestrý komplex“ (Pálenský 2002), v němž jsou v následujícím textu rozlišovány tři litologické typy: a) mikritické hlíznaté vápence (typické křtinské vápence), b) střídání deskovitých vápenců s břidlicemi (kalciturbidity stratigraficky příslušející k hádsko-říčským vápencům), c) lavicovité biodetritické vápence a vápencové brekcie (hádsko-říčské vápence).

Materiál a metody

Na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice bylo na 614 lokalitách odebráno 1 337 vzorků paleozoických sedimentů. Determinace hornin byla prováděna jen makroskopicky. Proto ve skupině psamitů nejsou rozlišovány jednotlivé horninové typy (křemenné pískovce, droby apod.), z téhož důvodu jsou všechna siliciklastika s aleuritickou nebo pelitickou strukturou zařazena do skupiny aleurity + pelity. Makroskopické hodnocení hornin působilo komplikace v případě sedimentů na rozhraní aleurit/psamit, kdy například některé jemnozrnné droby mohly být považovány za siltovce a naopak.

V horninových vzorcích byly na PřF UP v Olomouci za použití gamaspektrometru SG – 1000 LAB s NaI(Tl) detektorem o objemu 0,35 dm3 (průměr 76 mm, délka 76 mm) stanoveny obsahy K (přímo na základě koncentrace 40K), U a Th (na základě dceřiných produktů, a proto jsou jejich 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 am a D (viz níže) 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. Před měřením byly horninové vzorky rozdrceny a uzavřeny do krabiček o objemu 250 ml, v nichž byly následně měřeny. Hmotnost takto připravených vzorků se pohybovala kolem 400 gramů. V případě vápenců líšeňského souvrství gamaspektrometrické analýzy doložily existenci rozdílů v obsazích U a Th mezi litologicky rozdílnými typy hornin, a to i přesto, že obsahy obou prvků byly převážně pod výše uvedenou mezí detekce (1,5 ppm). Proto byly provedeny další gamaspektrometrické analýzy vzorků vápenců líšeňského souvrství na témže přístroji, avšak za nestandardních podmínek (hmotnost v rozpětí 700–1 000 g, neideální geometrie), umožňujících pro tento účel dostatečně přesné stanovení obsahů U a Th v intervalu 0,3 až 1,5 ppm.

Přirozená radioaktivita hornin je hodnocena na základě hmotnostní aktivity ekvivalentu 226Ra (am) a též dávkového příkonu záření gama terestrického původu (D). Tyto parametry byly z výsledků gamaspektrometrických analýz vypočteny pomocí vztahů 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 a Matthew 1985; UNSCEAR 1988; Matolín a Chlupáčová 1997; Ngachin et al. 2007; Eštoková a Palaščáková 2013).

Údaje o chemismu vybraných vzorků karbonátových hornin byly získány pomocí energiově disperzního rentgenfluorescenčního (ED-XRF) analyzátoru DELTA-PREMIUM v laboratořích firmy URGA, s.r.o. se sídlem v Olomouci (použitou metodiku popisuje Zimák et al. 2016).

Výsledky

Výsledky všech gamaspektrometrických stanovení obsahů K, U a Th v horninových vzorcích jsou sumarizovány v tabulce 1. Významné či zajímavé poznatky jsou komentovány v následující kapitole.

Diskuze

1. Údaje v tabulce 1 umožňují porovnat hodnoty am jednotlivých horninových typů. Kdy však lze považovat konkrétní hodnotu am za relativně vysokou nebo naopak nízkou? Možným kritériem je srovnání s am vypočtenou z klarků K, U a Th. Problémem je, že hodnota klarku publikovaná různými autory pro konkrétní chemický prvek se často výrazně liší jak v závislosti na kvantitě a kvalitě dat, tak i na způsobu jejich zpracování. Z klarků zveřejněných Goldschmidtem v roce 1937 (viz např. Bouška et al. 1980), kdy jde o 2,59 hm. % K, 4 ppm U a 11,5 ppm Th, je za použití vztahů v kapitole „Vzorky a metody“ vypočtená am 179 Bq.kg-1 (vypočtená D = 87 nGy.h-1). Rudnick a Gao (2005) pro svrchní část zemské kůry kontinentálního typu uvádí 2,80 hm. % K2O (= 2,32 hm. % K), 2,7 ppm U a 10,5 ppm Th. Těmto klarkovým hodnotám odpovídá am 150 Bq.kg-1 (D = 74 nGy.h-1). Z klarků publikovaných jinými autory (viz např. Rudnick a Gao 2005) lze samozřejmě odvodit jiné hodnoty am a D. Pro posouzení míry radioaktivity hornin na listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice byla zvolena hodnota am kalkulovaná z klarků Goldschmidta (po zaokrouhlení 180 Bq.kg-1). Nutno doplnit, že průměrná hodnota globálního D je odhadována na 55 nGy.h-1 (UNSCEAR 1988; Manová a Matolín 1995), střední hodnota D pro území ČR je 65,6 ± 19,0 nGy.h-1 (Manová a Matolín 1995).

Úroveň radioaktivity kulmských sedimentů na listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice je velmi blízká průměrné radioaktivitě zemské kůry kontinentálního typu. Vypočtená průměrná am pro celý soubor 1 227 vzorků kulmských siliciklastik je 160 Bq.kg-1 (D = 77 nGy.h-1). Karbonátové horniny macošského a líšeňského souvrství (celkem 110 vzorků) mají průměrnou am jen 49 Bq.kg-1 (D = 23 nGy.h-1).

2. Nejvyšší průměrné hodnoty am ve všech třech flyšových souvrstvích byly zjištěny vždy ve skupině aleuritů a pelitů. To souvisí s vyššími průměrnými obsahy K, U a Th v této skupině hornin ve srovnání se siliciklastiky s psamitickou nebo psefitickou strukturou – viz tabulka 1, v případě K a Th v sedimentech moravického souvrství též obrázek 1. Postupné zvyšování radioaktivity flyšových sedimentů moravskoslezského paleozoika v řadě psefit – psamit – aleurit + pelit již doložili např. Manová a Matolín (1989), Zimák a Štelcl (2004) a Zimák (2012). Růst am v této řadě souvisí se snižováním obsahu klastického křemene a současně zvyšováním podílu fylosilikátů (takto lze vysvětlit růst obsahů K a Th) a též s často značným obsahem organické hmoty v čerstvě uložených sedimentech zrnitostně odpovídajících aleuritům a pelitům (lze předpokládat vazbu U na neoxidovanou organickou hmotu, redistribuce U v průběhu diageneze a dalších procesech je však 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 snosné oblasti (v případě jesenického bloku moravskoslezského kulmu na tuto skutečnost upozorňují již Zimák a Štelcl 2004; Zimák 2012).

3. Vysoké hodnoty am byly zjištěny ve dvou vzorcích siltovců moravického souvrství z k. ú. Padesát Lánů s 4,2 hm. % K, 20,2 ppm eU a 58,2 ppm eTh (am = 689 Bq.kg-1) a 3,5 hm. % K, 17,7 ppm eU a 48,0 ppm eTh (am = 582 Bq.kg-1). Oba vzorky pochází z bloků šedočerného siltovce v deluviálních sedimentech. Na svahu v jejich okolí jsou hojné fragmenty i výchozy siltovců, vizuálně shodných, avšak v odebraných vzorcích bez anomálně vysokých obsahů U a Th. Nutno poznamenat, že siltovce a siltové (příp. jílovo-siltové) břidlice s vysokými obsahy U a Th byly autorem zjištěny i v jiných úsecích moravického souvrství: na k. ú. Budišov nad Budišovkou a Guntramovice (mapový list 15-33 Moravský Beroun) a na k. ú. Klokočov u Vítkova (15-34 Vítkov). Vazbu U a Th v těchto horninách nelze objasnit bez provedení geochemického a mineralogického studia.

4. V souboru studovaných vzorků dominují psamity moravického a hradecko-kyjovického souvrství. V obou souvrstvích jde hlavně o droby, méně hojné jsou arkózy a křemenné pískovce. Psamity obou souvrství mají podobné intervaly obsahů K, U a Th, a velmi blízké jsou i průměry – viz tabulka 1 a též obrázek 2 (do obrázku nebyl začleněn vzorek droby z moravického souvrství s anomálním obsahem 21,2 ppm eU). Proto i průměrné hodnoty am jsou podobné: 152 Bq.kg-1 pro psamity moravického souvrství, 147 Bq.kg-1 pro psamity hradecko-kyjovického souvrství. Z hlediska obsahu K, U a Th lze psamity obou souvrství považovat za identické.

5. Karbonátové horniny macošského a líšeňského souvrství vykazují jen velmi nízkou přirozenou radioaktivitu (tab. 1). V případě kalciturbiditů líšeňského souvrství mají siliciklastické desky vyšší am (v tab. 1 „si“) než karbonátové desky („ca“), a to díky výrazně vyšším obsahům K a Th vázaným na nekarbonátovou složku. V souboru 73 vzorků v tabulce 1 s označením „vápenec – LS“ jsou zastoupeny hlíznaté vápence (křtinské vápence) a tmavé biodetritické vápence a vápencové brekcie (hádsko-říčské vápence). Zřetelné rozdíly v chemismu obou skupin hornin dokumentují údaje v tabulce 2, ukazující na značný podíl nekarbonátové složky v obou skupinách hornin, výrazně však vyšší v křtinských vápencích. Míru zastoupení nekarbonátové složky v analyzovaném souboru hornin lze vyjádřit pomocí obsahu zirkonia (obrázek 3 ukazuje pozitivní korelaci mezi Zr a SiO2, R2 = 0,96). Z obrázku 4 je zřejmý vztah mezi podílem nekarbonátové složky (vyjádřený pomocí Zr) a obsahy U a Th v obou litologických typech vápenců: obsah Th roste se zvyšujícím se obsahem Zr (tj. siliciklastického materiálu), obsah U na něm patrně nezávisí. Oba srovnávané litologické typy vápenců se liší poměrem Th versus U (obr. 5, obsahy eTh pod 0,3 ppm jsou vyjádřeny hodnotou 0,2 ppm). V křtinských vápencích bylo stanoveno 1,0 až 3,6 ppm eTh a 0,4 až 1,6 ppm eU, v hádsko-říčských vápencích < 0,3 až 1,2 ppm eTh a 0,9 až 9,8 ppm eU. Je velmi pravděpodobné, že v hádsko-říčských vápencích jsou zvýšené obsahy U vázány na grafitickou substanci (obdobně jako v karbonátových horninách velkolomu Mokrá v jižní části Moravského krasu – např. Hladil 1999). Vazbu U na fosfáty lze na základě údajů o obsazích fosforu spíše vyloučit. Neexistuje ani náznak pozitivní korelace mezi eU a P2O5, i když obsahy fosforu jsou v hádsko-říčských vápencích někdy poměrně vysoké (viz tab. 2). Analogická situace je v případě lavicovitých nebo deskovitých biodetritických hádsko-říčských vápenců ve velkolomu Mokrá: nekarbonátová složka vápence (tvořící 2 až 16 hm. % horniny) obsahuje v průměru 0,35 hm. % P2O5, max. 1,40 hm. % P2O5 (Štelcl a Zimák 2014), tedy obsah fosforu v celé hornině je relativně nízký, koncentrace uranu jsou však v obdobném intervalu jako v biodetritických hádsko-říčských vápencích na listu 25-12 Hranice, ani zde neexistuje závislost mezi obsahem uranu a fosforu.

Závěr

Flyšové sedimenty hornobenešovského, moravického a hradecko-kyjovického souvrství na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice vykazují průměrnou hmotnostní aktivitu ekvivalentu 226Ra (am) na úrovni 160 Bq.kg-1. Jde o hodnotu velmi blízkou am vypočtené pro průměrnou zemskou kůru kontinentálního typu. Ve všech třech flyšových souvrstvích byly nejvyšší obsahy K, U a Th a následně nejvyšší hodnoty am zjištěny vždy ve skupině aleuritů a pelitů (siltovce, siltové a jílové břidlice). Karbonátové horniny macošského a líšeňského souvrství přítomné na listu 25-12 Hranice mají průměrnou am jen 49 Bq.kg-1. V tmavých biodetritických hádsko-říčských vápencích líšeňského souvrství byly zaznamenány zvýšené obsahy uranu (běžně do 6 ppm), pravděpodobně vázané na grafitickou hmotu.

Přirozené radionuklidy v paleozoických sedimentech na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice jsou jedním ze zdrojů radiační zátěže obyvatelstva v této oblasti. Vzhledem k převážně relativně nízkým obsahům přirozených radioaktivních prvků by však ionizující záření pocházející z hodnocených hornin nemělo představovat žádné zdravotní riziko. Výjimkou jsou siltovce moravického souvrství s anomálně vysokými obsahy uranu (až 20 ppm) a thoria (až 58 ppm), které byly zjištěny jen na k. ú. Padesát Lánů. I na tomto území se siltovce s vysokou radioaktivitou vyskytují jen zcela lokálně, a to navíc v místech, kde není žádné trvalé osídlení.

Poděkování

Autor děkuje panu Mgr. Milanu Geršlovi, Ph.D. za poznámky a připomínky, které vedly ke zkvalitnění článku.

Editor: Milan Geršl

Doporučená citace článku: Zimák, J. (2018). Přirozená radioaktivita paleozoických sedimentů a chemismus karbonátových hornin na mapových listech 25-11 Hlubočky a 25-12 Hranice. – Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku, 25, 1–2, 128–133.