Zimák, J. (2017). Přirozená radioaktivita krystalinika, paleozoických sedimentárních hornin a vybraných kenozoických sedimentů na mapovém listu 24-22 Olomouc. Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku, 24(1-2). doi:http://dx.doi.org/10.5817/GVMS2017-1-2-65
Zimák – Přirozená radioaktivita.html

Přirozená radioaktivita krystalinika, paleozoických sedimentárních hornin a vybraných kenozoických sedimentů na mapovém listu 24-22 Olomouc

Natural radioactivity of crystalline rocks, Palaeozoic sedimentary rocks and selected Cenozoic sediments on the map sheet 24-22 Olomouc

Jiří Zimák

Katedra geologie PřF UP, tř. 17. listopadu 12, 771 46 Olomouc; e-mail: jiri.zimak@upol.cz

(24-22 Olomouc)

Key words: Brunovistulicum, Palaeozoic flysch formations, Tertiary marine sediments, fluvial sediments, loess, gamma-spectrometry

Abstract

The paper deals with natural radioactivity of crystalline rocks, Palaeozoic sedimentary rocks and selected Cenozoic sediments on the map sheet 24-22 Olomouc. Studied rocks belong to following geological units: the Brunovistulicum (Proterozoic granitoids and dioritoids, often mylonitized), the Moravo-Silesian Palaeozoic (mainly carbonate rocks of the Macocha and Líšeň Fms. and flysch sediments of the Andělská Hora, Protivanov, Horní Benešov, Rozstání, Moravice and Myslejovice Fms.), the Carpathian Foredeep (Miocene marine sands and clays) and the Upper Morava Basin (Pliocene–Pleistocene lacustrine and fluvial sediments and loesses). Contents of potassium, uranium and thorium were measured using a laboratory gamma–ray spectrometer in 612 rock samples. Data are tabled and discussed. From calculated values of mass activity of 226Ra equivalent (am) it is evident that natural radioactivity of the studied rocks is predominantly low. Slightly increased am values were found in silty shales, clay shales and siltstones of the Rozstání Fm. (189 Bq.kg-1 on average, 308 Bq.kg-1 in the sample with the highest natural radioactivity).

Úvod

Jedním ze základních fyzikálních parametrů přírodního prostředí je jeho přirozená radioaktivita. Tento článek hodnotí radioaktivitu krystalinika, paleozoických sedimentárních hornin a vybraných kenozoických sedimentů na mapovém listu 24-22 Olomouc. Vychází z obsahů hlavních přirozených radioaktivních prvků (K, U a Th) stanovených laboratorní gamaspektrometrií v reprezentativních souborech hornin.

Geologické jednotky a jejich horninová náplň

Nejstaršími horninami vystupujícími na mapovém listu 24-22 Olomouc jsou kataklázou silně postižené granodiority a diority s žilným doprovodem (pegmatity), řazené k brunovistuliku (např. Břízová et al. 2000). Na brunovistuliku je uloženo moravskoslezské paleozoikum. Jeho zde nejstarším doloženým členem jsou devonská bazální klastika (křemenné pískovce až slepence), stratigraficky výše jsou karbonátové horniny macošského a líšeňského souvrství. Devonská karbonátová sedimentace směrem do nadloží přechází do ukládání siliciklastik (devon až spodní karbon), která mají charakter flyše, tvořeného střídáním psefitů (převažují gravelity), psamitů (droby, arkózové pískovce, křemenné pískovce) a hornin strukturně odpovídajících aleuritům a pelitům (siltovce, siltové břidlice, jílové břidlice, časté jsou laminity). Flyšové sedimenty na sledovaném mapovém listu náleží k šesti různým souvrstvím: andělskohorskému, protivanovskému, hornobenešovskému, rozstáňskému, moravickému a myslejovickému (Růžička et al. 1995).

Krystalinikum a moravskoslezské paleozoikum je na většině plochy listu překryto kenozoickými sedimenty. Jde o miocenní sedimenty karpatské předhlubně (vápnité jíly a písky), pliocenní lakustrinní a fluviální sedimenty (písky, jíly, silty a štěrky – tzv. „pestrý pliocén) a kvarterní uloženiny (hlavně fluviální a fluviolimnické písky, štěrky a jíly a také spraše) – viz Růžička et al. (1995).

Vzorky a metody

Na mapovém listu 24-22 Olomouc bylo na 286 lokalitách odebráno 612 vzorků reprezentujících všechny horninové typy brunovistulika a moravskoslezského paleozoika a vybrané typy kenozoických sedimentů. Determinace hornin byla prováděna jen makroskopicky, což působilo komplikace pouze v případě brunovistulických plutonitů. Nutno však poznamenat, že ani studium těchto hornin ve výbrusech nemusí vést k jednoznačnému stanovení jejich původní povahy (jsou-li mylonitizovány).

V horninových vzorcích byly na PřF UP v Olomouci za použití spektrometru 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.

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 (UNSCEAR 1988; Matolín – Chlupáčová 1997; Ngachin et al. 2007).

V kvarterních fluviálních (příp. fluviolimnických) štěrcích a píscích byla sledována přirozená radioaktivita psefitové, psamitové a aleuritové + pelitové frakce. V souboru 12 studovaných štěrků a písků je zastoupeno 10 sedimentů řeky Moravy, odebraných na k. ú. Lhota nad Moravou (vz. 1 v obr. 1), Mezice (vz. 2 až 4), Březce (vz. 5 až 7), Černovír (vz. 8) a Lazce (vz. 9 a 10), zbývající dva vzorky reprezentují sedimenty řeky Bystřice a pochází z k. ú. Bělidla (vz. 11) a k. ú. Chválkovice (vz. 12). Tři výše uvedené frakce byly získány sítováním za sucha. Psefitová a psamitová frakce byly po ukončení sítování přímo na sítech propláchnuty vodou (podsítný materiál byl odstraněn) a následně vysušeny. Sítovaný vzorek byl vždy získán sdružením několika vzorků písku nebo štěrku odebraných na téže lokalitě. Hmotnost sítovaných vzorků se pohybovala v rozpětí zhruba 5 až 8 kg. I přesto se ve většině případů nepodařilo získat potřebný objem zrnitostní frakce pod 0,063 mm, který by umožnil provedení gamaspektrometrické analýzy standardním způsobem. K analýze byly použity menší objemy aleuritové + pelitové frakce (v jednom případě jen asi 35 ml), přesnost stanovení K, U a Th je výrazně nižší (relativně vysoké hodnoty standardní deviace, špatná reprodukovatelnost analýz).

Výsledky

Výsledky všech laboratorních gamaspektrometrických stanovení obsahů K, U a Th v horninových vzorcích jsou shrnuty v tabulkách 1 a 2. Zjištěné obsahy K, U a Th v jednotlivých zrnitostních frakcích štěrků a písků řeky Moravy a Bystřice byly využity k vytvoření obrázku 1. Významné či zajímavé poznatky jsou komentovány v následující kapitole.

Diskuze

1. S jedinou výjimkou průměrná am studovaných hornin nedosahuje hodnot vypočtených pro průměrnou zemskou kůru (kolem 180 Bq.kg-1). Touto výjimkou jsou aleurity a pelity rozstáňského souvrství, jejichž průměrná am je 189 Bq.kg-1. Do téže skupiny hornin patří i vzorek s nejvyšší am zjištěnou na listu 24-22 Olomouc: siltovec z k. ú. Měrotín s am 308 Bq.kg-1 (D = 146 nGy.h-1).

2. U všech šesti flyšových souvrství lze konstatovat, že nejvyšší průměrné hodnoty am byly zaznamenány ve skupině aleuritů a pelitů, což souvisí s vyššími průměrnými obsahy K, U a Th v této skupině hornin ve srovnání s psamity, případně i psefity (viz data v tab. 1). Na růst am ve flyšových sedimentech moravskoslezského paleozoika v řadě psefit – psamit – aleurit + pelit již upozorňuje např. např. Manová – Matolín (1989), Zimák – Štelcl (2004) a Zimák (2012).

3. Velmi výrazný vztah mezi zrnitostí a am byl zjištěn u nezpevněných tercierních sedimentů. Miocenní jíly karpatské předhlubně vykazují přibližně dvojnásobnou am ve srovnání s písky (tab. 2), soubor studovaných vzorků je však velmi malý. Zcela shodný trend byl zaznamenán u reprezentativního souboru pliocenních lakustrinních a fluviálních sedimentů Hornomoravského úvalu (tab. 2).

4. U kvarterních fluviálních sedimentů Hornomoravského úvalu (tab. 2) se trend popsaný v bodě 3 neprojevuje tak výrazně, což může souviset s často špatným zrnitostním vytříděním těchto sedimentů (běžné jsou např. jílovité štěrky). Z dat v tabulce 2 je zřejmé, že mezi štěrky a písky v podstatě neexistují rozdíly mezi průměrnými obsahy sledovaných prvků, a proto i průměrné hodnoty am jsou víceméně shodné. Přirozená radioaktivita jílů je o něco vyšší, což je dáno v průměru vyššími obsahy U a Th. Aleuritová a pelitová frakce (tj. frakce pod 0,063 mm) štěrků a písků má obvykle vyšší obsahy U a Th než frakce hrubozrnnější, a v některých případech jsou tyto rozdíly velmi výrazné. Obrázek 1 vyjadřuje obsahy K, U a Th v psefitové a aleuritové + pelitové frakci dvanácti vzorků štěrků a písků, a to po normalizaci na obsah těchto prvků v psamitové frakci daného vzorku. Obsahy K, U a Th v psefitové frakci jsou většinou nižší než v psamitové frakci. I když údaje o obsazích K, U a Th v aleuritové + pelitové frakci některých vzorků nejsou z výše uvedených důvodů přesné, je z obrázku 1 zřejmé, že v této frakci jsou s výjimkou vzorku 2 vždy zvýšené obsahy U a Th, zatímco obsahy K jsou zhruba stejné nebo nižší (ve srovnání s obsahy těchto prvků v psamitové frakci).

5. Horniny brunovistulika a devonské sedimenty na listu vystupují na jen velmi malých plochách. Jejich relativně nízkou přirozenou radioaktivitu již dříve prokázali Přichystal et al. (2002), Zimák – Štelcl (2007) a Zimák (2011).

6. Gnojek – Šalanský (2000) hodnotí výsledky aero­radiometrie na listu 24-224 Olomouc takto: „většina území, zakrytá kvartérními (pleistocenními) usazeninami, vykazuje koncentrace draslíku okolo 1,5 %, uranu nejčastěji 3, méně často 2 ppm a thoria většinou 8 ppm s rozpětím 6 až 10 ppm“. V případě tohoto území lze konstatovat velmi dobrou shodu mezi výsledky letecké geo­fyziky a laboratorní gamaspektrometrie (viz data v tab. 2).

Závěr

Průměrná hmotnostní aktivita ekvivalentu 226Ra vypočtená pro horniny brunovistulika, moravskoslezského paleozoika a kenozoické marinní, lakustrinní a fluviální sedimenty a také spraše na listu 24-22 Olomouc většinou nedosahuje hodnot pro průměrnou zemskou kůru, tj. kolem 180 Bq.kg-1. Uvedenou hodnotu překračují pouze siltové a jílové břidlice a siltovce rozstáňského souvrství (rozpětí 142 až 308 Bq.kg-1, průměr 189 Bq.kg-1).

Obr. 1: Obsahy přirozených radioaktivních prvků v zrnitostních frakcích nad 2 mm a pod 0,063 mm kvarterních fluviálních sedimentů, normalizované na obsahy těchto prvků v zrnitostní frakci 0,063 až 2 mm.
Fig. 1: Contents of the natural radioactive elements in grain fractions over 2 mm and below 0.063 mm of the Quaternary fluvial sediments, normalized on contents of the elements in a grain fraction 0.063 to 2 mm.
obr_1.tif
Tab. 1: Obsahy přirozených radioaktivních prvků (K, U, Th) v proterozoických a paleozoických horninách, vypočtené hodnoty hmotnostní aktivity ekvivalentu 226Ra (am); n = počet vzorků, x = průměr.
Tab. 1: Contents of the natural radioactive elements (K, U, Th) in Proterozoic and Palaeozoic rocks, calculated mass activity of 226Ra equivalent (am); n = number of samples, x = average.

geol. jednotka/hornina

n

K (hm. %)

eU (ppm)

eTh (ppm)

am (Bq.kg-1)

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

brunovistulikum

granitoid

4

2,2

3,7

2,8

2,9

< 1,5

2,9

1,8

1,9

5,6

10,7

8,5

8,3

126

155

141

141

dioritoid

7

2,2

3,7

2,8

2,9

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

3,2

15,3

6,2

7,3

84

190

118

124

pegmatit

2

3,5

4,9

4,2

4,2

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

1,9

< 1,5

< 1,5

103

141

122

122

bazální klastika devonu

pískovec, slepenec

5

< 0,5

2,7

< 0,5

0,8

< 1,5

4,2

< 1,5

1,6

< 1,5

11,0

< 1,5

3,2

26

181

26

58

macošské souvrství (MS) a líšeňské souvrství (LS)

vápenec – MS

63

< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 1,5

2,6

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

26

46

26

28

vápenec – LS

2

< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 0,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

26

26

26

26

siliciklastika – LS

2

< 0,5

0,6

< 0,5

< 0,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

2,4

2,8

2,6

2,6

40

43

42

42

andělskohorské souvrství

psamity

21

1,0

2,5

1,9

1,8

1,6

4,9

2,6

2,8

7,0

17,3

10,3

10,9

104

192

141

142

aleurity a pelity

14

1,4

3,0

2,5

2,3

1,7

7,2

2,6

2,9

8,7

15,8

12,0

11,8

115

218

154

158

protivanovské souvrství

psamity

8

1,1

2,2

1,4

1,6

< 1,5

3,4

1,6

1,8

8,7

12,3

10,0

10,1

97

156

113

118

aleurity a pelity

7

2,1

2,5

2,3

2,3

< 1,5

3,1

1,7

2,0

8,6

11,7

11,2

10,9

113

157

145

142

hornobenešovské souvrství

psamity

33

0,9

2,6

1,6

1,7

< 1,5

3,6

2,5

2,4

7,2

15,6

10,4

10,4

88

175

129

132

aleurity a pelity

5

2,0

2,6

2,4

2,3

2,2

4,2

3,3

3,2

10,3

14,2

12,6

12,2

150

192

162

167

rozstáňské souvrství

psefity

11

0,8

2,8

1,8

1,9

< 1,5

5,6

2,0

2,3

3,6

14,4

9,1

9,8

53

218

120

130

psamity

59

0,8

2,8

2,0

1,9

< 1,5

7,2

1,8

2,0

4,2

22,2

10,5

10,6

56

272

129

132

aleurity a pelity

20

2,0

3,4

2,9

2,8

1,6

7,4

2,8

3,5

10,2

24,4

12,5

13,5

142

308

176

189

moravické souvrství

psefity

12

1,6

2,3

1,9

1,9

< 1,5

3,3

2,1

2,1

5,9

10,9

8,2

8,3

95

177

119

120

psamity

19

1,1

3,0

1,8

1,8

< 1,5

2,2

< 1,5

< 1,5

6,8

14,1

9,9

10,2

85

177

121

120

aleurity a pelity

12

1,9

3,6

2,5

2,6

1,5

2,6

2,0

2,0

8,7

15,1

11,0

11,3

115

194

149

153

myslejovické souvrství

psefity

17

1,0

2,3

1,5

1,6

< 1,5

2,4

1,5

1,6

5,8

8,7

7,3

7,3

80

118

101

100

psamity

55

1,0

3,3

1,9

1,9

< 1,5

3,1

1,8

1,9

6,8

13,0

9,6

9,6

85

169

124

125

aleurity a pelity

84

1,3

3,1

2,5

2,4

< 1,5

3,5

2,3

2,3

8,3

14,5

11,4

11,4

92

197

153

153

Tab. 2: Obsahy přirozených radioaktivních prvků (K, U, Th) v kenozoických sedimentech, vypočtené hodnoty hmotnostní aktivity ekvivalentu 226Ra (am); n = počet vzorků, x = průměr.
Tab. 2: Contents of the natural radioactive elements (K, U, Th) in Cenozoic sediments, calculated mass activity of 226Ra equivalent (am); n = number of samples, x = average.

geol. jednotka/hornina

n

K (hm. %)

eU (ppm)

eTh (ppm)

am (Bq.kg-1)

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

min.

max.

med.

x

karpatská předhlubeň – miocenní marinní sedimenty

písek

2

1,2

1,7

1,5

1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

1,8

5,3

3,6

3,6

64

72

68

68

jíl

6

1,9

2,2

2,2

2,1

< 1,5

2,2

1,8

1,8

6,6

11,8

9,6

9,3

99

149

129

125

Hornomoravský úval – pliocenní fluviální a lakustrinní sedimenty

štěrk

3

< 0,5

1,1

< 0,5

0,6

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

3,4

4,0

3,6

3,7

41

62

41

48

písek

13

< 0,5

1,7

0,8

0,9

< 1,5

2,7

< 1,5

< 1,5

1,6

10,7

2,9

4,5

30

124

46

63

silt a jíl

30

< 0,5

2,1

1,7

1,6

< 1,5

3,1

1,8

1,8

5,6

12,2

8,7

8,6

67

143

112

110

Hornomoravský úval – kvarterní fluviální sedimenty a spraše

štěrk

37

1,3

2,1

1,6

1,6

< 1,5

3,0

1,6

1,7

2,2

11,3

5,6

6,3

56

144

87

96

písek

32

1,0

2,3

1,7

1,7

< 1,5

< 1,5

< 1,5

< 1,5

3,4

10,3

4,4

5,5

56

139

82

89

jíl

7

1,5

2,1

1,6

1,7

2,0

3,1

2,6

2,6

8,3

12,0

9,5

9,6

111

145

128

128

spraš

20

1,3

1,8

1,6

1,6

2,4

3,1

3,0

2,9

10,3

11,9

11,0

11,0

121

150

141

139

Literatura

Břízová, E. – Čtyroká, J. – Hanžl, P. – Hladilová, Š. – Hrubeš, M. – Novák, Z. – Švábenická, L. – Zapletal, J. (2000): Geologický vývoj a charakteristika jednotek. – In: Hrubeš, M. (ed.): Vysvětlivky k základní geologické mapě České republiky 1 : 25 000. List 24-224 Olomouc, 8–26. Český geologický ústav, Praha.

Gnojek, I. – Šalanský, K. (2000): Geofyzikální poměry. – In: Hrubeš, M. (ed.): Vysvětlivky k základní geologické mapě České republiky 1 : 25 000. List 24-224 Olomouc, 26–30. Český geologický ústav, Praha.

Manová, M. – Matolín, M. (1989): Radioaktivita hornin ČSSR. – In: Ibrmajer, J. – Suk, M. et al.: Geofyzikální obraz ČSSR, 196–213. ÚÚG – Academia Praha.

Matolín, M. – Chlupáčová, M. (1997): Radioaktivní vlastnosti hornin. – In: Kobr, M. et al.: Petrofyzika, 109–126. Vydavatelství Karolinum, Praha.

Ngachin, M. – Garavaglia, M. – Giovani, C. – Kwato Njock, M. G. – Nourreddine, A. (2007): Assessment of natural radioactivity and associated radiation hazards in some Cameroonian building materials. – Radiation Measurements, 42, 61–67.

Přichystal, A. – Gnojek, I. – Bednaříková, S. (2002): Výsledky gama-spektrometrického studia krystalinika Hornomoravského úvalu. – Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku v roce 2001, 75–78.

Růžička, M. – Hrubeš, M. – Dvořák, J. (1995): Geologická mapa ČR 1 : 50 000. List 24-22 Olomouc. Český geologický ústav.

UNSCEAR, United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (1988): Exposures from natural sources of radiation. Report to the General Assembly. U. N., New York, USA.

Zimák, J. (2011): Přirozená radioaktivita granitoidů a metagranitoidů brunovistulického teránu na území České republiky. – Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku, 18, 2, 201–204.

Zimák, J. (2012): Přirozená radioaktivita kulmských sedimentů na východním okraji Českého masivu. – Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku, 19, 1–2, 130–133.

Zimák, J. – Štelcl, J. (2004): Přirozená radioaktivita hornin moravskoslezského kulmu v oblasti Nízkého Jeseníku a Oderských vrchů: příspěvek k poznání zdrojové oblasti klastického materiálu. – Geologické výzkumy na Moravě a ve Slezsku v roce 2003, 11, 103–106.

Zimák, J. – Štelcl, J. (2007): Přirozená radioaktivita paleozoických karbonátových hornin východního okraje Českého masivu. – Současnost a perspektiva těžby a úpravy nerudních surovin IV, 131–136. VŠB-TU Ostrava.