The work aims to present the preliminary results of the study of distribution of heavy metals and toxic elements in the profiles of chosen dug holes in the area of Králický Sněžník. We have focused mainly on the changes in the element contents depending on the sampling depth, and on the mutual correlations among the elements. We have also monitored several radioactive elements (including the anthropogenic 137Cs nuclide that contaminated the environment after the Chernobyl disaster) and tried to trace the origin of the contaminants in the rock environment.The work aims to present the preliminary results of the study of distribution of heavy metals and toxic elements in the profiles of chosen dug holes in the area of Králický Sněžník. We have focused mainly on the changes in the element contents depending on the sampling depth, and on the mutual correlations among the elements. We have also monitored several radioactive elements (including the anthropogenic 137Cs nuclide that contaminated the environment after the Chernobyl disaster) and tried to trace the origin of the contaminants in the rock environment

Hanák, Jaromír

Müller, Pavel

Müllerová, Hana

Masaryk University Journals / Časopisy Masarykovy univerzity

Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2006, Brno 2007101Distribuce NĚKterÝcH PrVKŮ A OXiDŮ V PŮDNÍcH  PrOFiLecH V ObLAsti KrÁLicKÉHO sNĚŽNÍKuThe Distribution of some Elements and Oxides in the Soil  Profiles of the Králický Sněžník RegionJaromír Hanák1, Hana Müllerová1, Pavel Müller11 Česká geologická služba, Leitnerova 22, 658 69 Brno;e-mail: hanak@gfb.cz, mullerova@cgu.cz, muller@cgu.cz (14-23 Králíky, 14-24 Bělá p. Pradědem, 14-41 Šumperk, 14-42 Rýmařov)Key words: Lead, Beryllium, Molybdenum, Stibium, Mercury, Uranium, Thorium, Potassium, Distribution, Soil, Czech Republic, Králický Sněžník AbstractThe work aims to present the preliminary results of the study of distribution of heavy metals and toxic elements in the profiles of chosen dug holes in the area of Králický Sněžník. We have focused mainly on the changes in the element contents depending on the sampling depth, and on the mutual correlations among the elements. We have also monitored several radioactive elements (including the anthro-pogenic 137Cs nuclide that contaminated the environment after the Chernobyl disaster) and tried to trace the origin of the contaminants in the rock environment.1. ÚvodV oblasti Králického Sněžníku byly zjištěny zvýšené obsahy Be (až 18,3 ppm) v řečišťních sedimentech v rámci geochemického mapování okresu Šumperk (Žáček – Páša – Veselý 2001). Původ anomálie je sledován a hodnocen v rámci grantového úkolu GAČR „Zákonitosti distribuce beryllia v horninovém prostředí Králického Sněžníku“ č. 205/05/0245. Dále byly v rámci geologického úkolu 6350 GP MŽP s názvem „Průzkum distribuce 137Cs a dalších vybraných radionuklidů a kovových prvků v povrchové vrstvě hornin v oblasti Králický Sněžník – Orlické hory“ sledovány přirozené a umělé radio-nuklidy a jejich vztah k hornino-vému prostředí. Koordinací obou úkolů byla část lokalit zpracována a vyhodnocena společně s cílem pokusit se vymezit tzv. rizikové prvky, které jsou v horninovém prostředí cizí, tedy antropogenního původu. V rámci výzkumných zadání byla hodnocena celá řada prvků v několika půdních profilech, což umožňuje popsat a částečně inter-pretovat distribuci sledovaných chemických prvků a látek ve verti-kálním průřezu půdních horizontů v oblasti Králického Sněžníku a částečně tak porozumět jejich postavení ve vztahu k horninovému a zejména životnímu prostředí. 2. Geologická situaceZájmové území patří z regionálně-geologického hlediska do orlicko-kladského krystalinika a je situováno při hra-nici se staroměstským krystalinikem (obr. 1). Staroměst-ské krystalinikum je reprezentováno hlavně amfibolity a ultrabazickými horninami. Orlicko-kladské krystalini-kum bývá členěno na sněžnickou a stroňskou skupinu. Horninové pásy obou skupin jsou převážně protaženy ve Obr. 1: Zjednodušená geologická mapa s vyznačením odběrových lokalit.Fig. 1: Scheme of geological setting with sample points.Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2006, Brno 2007102směru SSV–JJZ. Pro tektonickou stavbu této oblasti jsou důležité zejména zlomové struktury SSV–JJZ a SZ–JV a podle Opletala (2003) mají tyto jednotky šupinovou stavbu. Sněžnická skupina obsahuje různé typy ortorul a migmatitů. Převažují zde plástevnaté středně až drobně zrnité silně defor-mované dvojslídné ortoruly, které často přechází do páskova-ných středně zrnitých migmatitů. Místy jsou v těchto horni-nách zachovány méně deformované domény hrubozrnných metagranitů s částečně rekrystalovanými porfyroklasty živců. Tyto vápenato-alkalické granitoidy vulkanických oblouků jsou podle Krönera et al. (2001) kambro-ordovického stáří. Podle stejného autora mohou být tyto horniny provázeny hydrotermální pneumatolitickou mineralizací. Stroňská skupina představuje pestrou sekvenci biotitic-kých a dvojslídných rul a svorů s vložkami kvarcitů, grafitic-kých kvarcitů, kvarcitických břidlic, dolomitických mramorů, vápenatosilikátových hornin, amfibolitů a amfibolických rul. Vzácně se při kontaktu se staroměstským krystalinikem objevují drobná tělesa ultrabazických hornin a eklogitů. V celé studované oblasti se jen vzácně vyskytují žíly pegmatitů nebo aplitů. Hydrotermální mineralizace mají na studovaném území jen malý rozsah (Gawlikowska–Opletal 1997, Sattran et al. 1966). Jde hlavně o drobné výskyty antimonových, polymetalických a uranových rud. Mineralogické nálezy fluoritu jsou známy od Stříbrnice a z horní části údolí řeky Moravy. 3. MetodikaV oblasti Králického Sněžníku bylo vykopáno 8 půdních sond do hloubek kolem 1m nad různými typy hornin a byly odebrány vzorky z jednotlivých půdních horizontů až do hloubky rozvolněného skalního podloží. Odběrové sondy (viz obr. 1) byly rozmístěny podle geologické mapy (Gawlikowska – Opletal 1997) nad různými matečnými horninami (1 – erlan; 2 – migmatit; 3, 4, 5, 6 – orthorula; 7 – krystalický vápenec, 8 – pararula). Vzorky navětralé podložní horniny byly odebrány jen v případě lokality 1, 4, 7 a 8. Půdní profil byl na většině lokalit vyvinut směrem do hloubky takto: hrabanka, organický horizont, eluviální horizont (jen u lokality 7 a 8), hnědá zemina, tmavě okrová zemina, světle okro-vá zemina, zvětralina (viz legenda k obr. 3 a 4), přičemž mocnosti jednotlivých horizontů byly různé. Vzorky v laboratořích ČGS prodělaly sušení, kvartování a mle-tí na analytickou jemnost a byly analyzovány metodou ICP-MS v laboratoři ACME v Kanadě na 45 prvků včetně REE a silikáto-vých analýz. Na všech vzorcích fa. GEORADIS s.r.o. v Brně sta-novila obsahy Th, U, K a 137Cs laboratorní spektrometrií gama. Pro hledání souvislostí mezi sledovanými látkami byl zvolen následující postup: Získaná ana-lytická data byla zpracována programem EXCEL a byla zkoumána jejich geochemická korelace s hloubkou odběru, tedy s pozicí vzorků v půdním profilu. Výchozí datový soubor obsahoval 38 vzorků půd. Z výsledků byly vyhotoveny jednoduché grafy koeficientů korelace s hloubkou. Cílem takto pojatého zpracování je pokusit se o jednoduché rozdělení prvků v půdním profilu se snahou o jejich zařazení ke zdroji, který může být antro-pogenní (tedy převážně atmosférický spad) a nebo pod-ložní – matečné horniny. Vycházíme z předpokladu, že záporný koeficient korelace s hloubkou přiřazuje vzorky ke svrchním horizontům, zatímco kladný koeficient pak ke spodním horizontům profilu. Tato statistická metoda však zcela nezohledňuje půdní profil, jeho členění na horizonty a jejich mocnosti přímo, ale bere v úvahu pouze hloubku odběru. Získané korelace je nutno kriticky ověřit grafy závislosti obsahu na jednotlivých půdních horizontech (obr. 3 a 4). 4. Výsledky a diskuzeNa obr. 2 je zobrazen průběh koeficientů korelace jednotli-vých prvků s hloubkami odběru. Je patrné, že se významně odlišuje skupina prvků Pb, Mo, Se, Sb, Hg včetně 137Cs. K této skupině se řadí S a C. Tyto prvky vykazují nejvyšší koeficient korelace s hloubkou (existence závislosti s prav-děpodobností více než 95 %) a jsou vázány převážně na svrchní horizonty půd. Jejich dominantní zdroj můžeme očekávat hlavně v atmosférickém spadu a opadu z rost-lin. To se týká i 137Cs, které je zachyceno jako reziduum po černobylské havárii jaderného reaktoru. Další prvky jako jsou Bi, Cu, As, Cd mají sice nižší korelační vztah, ale přesto jejich obsah může být ovlivněn metalurgickým a uhelným průmyslem na sever a severovýchod od oblasti Králického Sněžníku. Tato skupina prvků má velmi těsnou korelaci mezi sebou a na základě toho lze předpokládat i jejich stejný původ. Podobná asociace prvků byla dokumentována jinou -0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,100,10,20,30,40,50,60,70,8Pb Mo Se Sb137CsHg BiCu AsCd Sn W AgCs Tl V NiRb Be Ta ZrZn AuEu Hf K Co La BaNb Sr Nd PrU(Ra) Sm GaGd Lu TmY Ce Er Yb Ho Dy Tb ThObr. 2: Koeficient korelace prvků a hloubky odběru (černé čtverce – hladina význam-nosti r = ± 0,35).Fig. 2: Correlation coefficient for the elements amount and depth (black squares – sig-nificance level r = ± 0,35).Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2006, Brno 2007103metodikou na sv. straně hřebenu Hrubého Jeseníku na kótě „Sokol 1150 m n. m.“ (asi 1,5 km v. od vrcholu Praděd), kde byl proveden v létech 1998–2002 pracovníky ÚKZÚS sběr atmosférické mokré depozice (Pavlíček–Klimentová 2004). Ti mimo jiné na této lokalitě prokázali biologicky rizikové (toxické) prvky, které seřadili v následujícím kvantitativ-ním pořadí ve vztahu k jednomu hektaru plochy: n.100 g.ha-1.rok-1: Fe, Na, Al, Zn n.10 g.ha-1.rok-1: Mn, Pb, Cu n.1 g.ha-1.rok-1: Ni, Cr, V, As n.0,1 g.ha-1.rok-1: Cd, Co n.0,01 g.ha-1.rok-1: Be Jak uvádějí Pavlíček a Klimentová, jsou tyto látky součástí dálkového přenosu atmosférické depozice ze vzdálených zdrojů (přirozených i antropogenních), které v rozdílném množství více či méně rovnoměrně zatěžují celou širokou oblast. Podobnou asociaci prokazuje ve svrchních vrstvách lesních půd KRNAP i Kapička et al. (2004), který ovšem využívá k identifikaci vybrané skupiny TK magnetické susceptibility a vzta-hy ověřuje chemickou analýzou.Z distribuce Pb (obr. 3) a také Mo, Sb, Hg, 137Cs, S a C v závis-losti na hloubce profilu je patrné, že obsahy těchto prvků směrem k povrchu narůstají s logaritmickou závislostí. Pb musí být přenášeno ze vzdálených zdrojů, neboť sledova-ná oblast není zatížena intenzivní automobilovou dopravou. Zdroj Mo je možné hledat ve výrobě legovaných ocelí (průmyslová oblast Dolního Slezska v Polsku a Ost-ravsko). Z obr. 3 lze usuzovat, že Pb je v půdním profilu vázáno na organickou hmotu a není významně vyluhováváno do spodnějších půd-ních horizontů. Mo bývá obsažen v relativně vyšších koncentracích oproti podloží jak v humusovém horizontu tak v hrabance.O prvcích v nižších horizon-tech s koeficienty korelace a hloubky mezi -0,35 a +0,35 lze jen s obtížemi vyslovit genetické interpretace, neboť procesy v půdě jsou složité a různo-rodé. Pohyb prvků v rámci horizontu je ovlivněn řadou fenomenů, jako např. půdním pH, Eh, obsahem orga-nické hmoty, srážkovým režimem na daném místě a dalšími.Opačnou závislost s hloubkou (tzn. nárůst obsahu směrem do pod-loží) vykazují horninotvorné oxidy SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O. Z grafů provedených pro Be, které bylo hlavním zájmem jednoho z úkolů, je zřejmé, že není vázáno na specifickou složku půd. Nicméně statistické zpracování ukázalo významnou korelaci Be s Fe2O3 a MnO. Sorpci Be na hydratova-né oxidy Fe, Al a Mn uvádí např. Pitter (1999). Také Navrátil et al. (2002) uvádí, že v oblastech se zvýšenou koncentrací Be v horninách je při zvětrávání Be uvol-ňováno a sorbuje se v půdách a zvětralinovém plášti na jílové minerály, amorfní hydroxidy Fe, Mn a Al, nebo na organické látky. Kyselé srážky mohou takto sorbované Be uvolnit a to zejména na místech, kde jsou v podloží kyselé horniny. Zdrojem radioaktivních prvků jsou matečné hor-niny, stabilní Th (obr. 4) je na ně významně fixováno, zatímco U má větší možnost „pohybu“ v závislosti na oxidačně redukčních podmínkách (U+4, U0, UO22+, UO2). Draslík se zúčastňuje přenosu do rozvětralých eluvií ve formě jílovitých minerálů, jejichž zdrojem jsou převážně živce. 137Cs má mimořádný význam pro životní prostředí, neboť, jak se ukazuje, je stále fixováno na svrchní části půdních profilů a je stále součástí rostlinného pokryvu.010203040506070800 50 100 150 200obsah Pb (ppm)hloubka (cm)hrabankaorg. horizonteluviální horizonthnČdá zeminatmavČ okrová zeminasvČtle okrová zeminazvČtralina010203040506070800 5 10 15 20obsah Th (ppm)hloubka (cm)hrabankaorg. horizonteluviální horizonthnČdá zeminatmavČ okrová zeminasvČtle okrová zeminazvČtralinaObr. 3: Distribuce Pb v půdách v závislosti na hloubce odběru.Fig. 3: Pb distribution in soils versus depth. Obr. 4: Distribuce Th v půdách v závislosti na hloubce odběru.Fig. 4: Th distribution in soils versus depth. Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2006, Brno 2007104LiteraturaGawlikowska, E. – Opletal, M. (1997): Králický Sněžník. Geologická mapa pro turisty 1 : 5 0000. – Český geologický ústav – Pan-stwowy Instytut Geologiczny, Praha. Warszawa. Kapička, A. – Petrovský, E. – Fialová, H. – Podrázský, V. (2004): Využití magnetické susceptibility lesních půd pro mapování imisní zátěže v regionu KRNAP. – In: Štursa, J. – Mazurski, K. R. – Palucki, A. – Potocka, J. (2003): Geoekologické problémy Krko-noš. – Sbor. Mez. Věd. Konf., 41, 55–59. Szklarska Poreba. Kröner, A. – Jaeckel, P. – Hegner, E. – Opletal, M. (2001): Single zircon ages and whole rock Nd isotopic systematics of early Palaeozoic granitoid gneisses from the Czech and Polish Sudetes (Jizerske hory, Krkonose Mountains and Orlice–Sneznik Complex). – International Journal of Earth Sciences, 90, 2, 304–324. Navrátil, T. – Skřivan, P. – Minařík, L. – Žigová, A. (2002): Beryllium Geochemistry in the Lesni Potok Catchment (Czech Republic), 7 Years of Systematic Study. – Aquatic Geochemistry, 8, 2, 121–133.Opletal, M. (2003): Tektonická melánž s ultrabaziky od Chrastic u Starého Města pod Sněžníkem. – Sborník z konference Morav-skoslezské paleozoikum 2003, Olomouc.Pavlíček, V. – Klementová, L. (2004): Kvalita atmosférických srážek v lesní oblasti Hrubého Jeseníka 1998–2002. – Bulletin Odboru agrochemie, půdy a výživy rostlin, XII., 2. Brno.Pitter, P. (1999): Hydrogeochemie. – VŠCHT. Praha.Sattran, V. – Absolonová, E. et al. (1966): Problémy metalogeneze Českého masivu. – Sbor. Geol. Věd, řada LG, 8, 7–112. Praha. Žáček, M. – Páša, J. – Veselý, M. (2001): Dynamika sedimentace v řece Moravě při záplavách. Dílčí část: Geochemické mapování okresu Šumperk. – MS, archiv ČGS, Praha. Brno.5. ZávěrHlavním a prakticky jediným rozhodujícím vstupem vybraných rizikových prvků, jako jsou Pb, Mo, 137Cs a pravděpodobně i Sb a Hg, do lesních ekosystémů hodnocené oblasti Králického Sněžníku jsou imise (vzdušný spad a srážky). Podle lokálních podmínek tak atmosférické depozice mohou významnou měrou ovlivňovat dynamiku půdních procesů a vedle možného přímého působení na rostlinná pletiva pak bezpro-středně ovlivňovat i na ně vázaný potravinový řetězec s potenciálními riziky pro kvalitu ekosystémů (včetně zdravotních rizik).Primární zdroj Be se nepodařilo odhalit. Zvýšené koncentrace se vyskytují pouze na některých lokalitách v říčních sedimentech, kde jsou sekundárně vázány na hydratované oxidy Fe, Mn a Al. PoděkováníDěkujeme Grantové agentuře ČR za přidělení grantu č. 205/05/0245, který nám umožnil se problematikou berylliové anomálie v Králickém Sněžníku systematicky zabývat. Dále děkujeme Ministerstvu životního prostředí za přidělení prostředků na řešení regionální distribuce antropogenního 137Cs.

The Distribution of some Elements and Oxides in the Soil Profiles of the Králický Sněžník Region

https://journals.muni.cz/gvms/article/download/4838/3903

The Distribution of some Elements and Oxides in the Soil Profiles of the Králický Sněžník Region

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Masaryk University Journals / Časopisy Masarykovy univerzity