Geologické Faktory a mikroklima speleoterapeutické léčebny v Javoříčských jeskyníCH

Geological FactorS and microclimate of the Speleotherapeutical Sanatorium in the Javoříčko caveS

Jindřich Štelcl ¹, Jiří Zimák ², Oldřich Navrátil ³, Petr Sládek ³, Daniel Sas ³

¹ Katedra mineralogie, petrografie a geochemie, PřF MU, Kotlářská 2, 611 37 Brno

² Katedra geologie PřF UP, tř. Svobody 26, 771 46 Olomouc

³ Katedra speciální chemie, Vysoká vojenská škola PV, 682 03 Vyškov

Předloženo 15.května 1997; k tisku doporučil Jiří Smola, Petr Borek

Key words: Javoříčko caves, Devonian limestones, cave soils, natural radioactivity, radon, atmospheric ions

Abstract

Within the project PHARE EC/HEA/10-cz, the complex investigation of the Javoříčko Caves was realized. The paper presents a brief overlook on geology of the Javoříčko Caves and especially some new data on Devonian limestones and cave earths particularly in the part of the mentioned cave system that seems to be useful for children´s speleotherapy. Description and evaluation of natural radioactivity in this part of the Javoříčko Caves are presented in details; volume and equivalent volume activities of radon, concentrations of atmospheric ions and meteorological data were measured during the period 1995-1996.

Úvod

Tato práce vznikla v rámci komplexního výzkumu Javoříčských jeskyní, prováděného v návaznosti na projekt PHARE EC/HEA/10-cz. Jedním z cílů tohoto projektu bylo zřízení dětské speleoterapeutické léčebny ve studované části jeskynního systému. Předložená práce obsahuje stručnou informaci o geologických poměrech Javoříčského krasu a nové poznatky o devonských vápencích a jeskynních hlínách v prostoru připravované speleoterapeutické léčebny.

Detailně jsou diskutovány otázky týkající se objemové aktivity radonu a jeho rozpadových produktů, koncentrace uranu, draslíku a thoria, koncentrace atmosférických iontů a mikroklimatických podmínek v prostorách Javoříčských jeskyní - teoretické otázky s tím spojené byly diskutovány již práci Sase a kol. (1997).

Emanace radonu z horninového prostředí, ve kterém se nacházela jeho původní mateřská látka - izotop ²²⁶Ra, je komplikovaným procesem, jenž je ovlivňován složením horniny, vlhkostí vzduchu v jeskynní atmosféře, změnami barometrického tlaku, rozdíly teplot uvnitř a vně jeskyní a dále charakterem proudění vzduchu v jeskyních. Koncentrace radonu v jeskynní atmosféře může být obecně ovlivňována i jeho uvolňováním z vody, avšak vzhledem k tomu, že studované jeskyně nejsou protékány aktivním vodním tokem, lze tento vliv prakticky zanedbat.

Dalším faktorem významným z hlediska speleoterapie je ionizace vzduchu. Radioaktivní záření ionizuje interakcemi molekuly vzduchu, takže v  jeskyních lze vzhledem k jejich uzavřenosti a čistotě ovzduší nalézt poměrně vysoké koncentrace atmosférických iontů (Spurný 1985).

Stručná geologická charakteristika prostoru speleoterapeutické léčebny Javoříčko

Připravovaná speleterapeutická léčebna se nachází v systému Javoříčských jeskyní, které jsou součástí Javoříčského krasu, jenž geologicky náleží k severní části konicko-mladečského pruhu. Karbonátová sedimentace zde začíná tmavě šedými lažáneckými vápenci, které vystupují v relativně úzkých pruzích mezi Kadeřínem a Javoříčkem. Lažánecké vápence v této oblasti plynule přecházejí do světle šedých vápenců vilémovických. Vilémovické vápence reprezentují plošně nejrozšířenější typ karbonátových sedimentů devonského stáří v okolí Javoříčka. V prostoru Vojtěchova lze mocnost vilémovických vápenců odhadnout na 300-400m; v bezprostředním okolí Javoříčka je jejich mocnost zřejmě ještě větší (viz např. Fabík 1975). Stratigraficky nejvyšším členem devonu v karbonátovém vývoji jsou ve sledovaném území němčické vápence, jež vystupují v jen úzkém pruhu mezi Vojtěchovem a Javoříčkem. V samotném jeskynním systému se v hojné míře vyskytují mladší jeskynní sedimenty, reprezentované různými formami sintrů (jež jsou tvořeny kalcitem) a jeskynními klastickými sedimenty (hlínami).

V prostoru Javoříčských jeskyní převládají světle šedé vápence, jen místy se vyskytují i vápence tmavší. Mikroskopické studium karbonátových hornin prokázalo, že v souboru vzorků odebraných hlavně ve vstupní štole vedoucí k Soví díře, v samotné Soví díře a také v Síni naděje, Březinské chodbě a Spramecké chodbě silně převažují sparitové (mikrokrystalické) vápence se shluky jemně až středně krystalického sparitového kalcitu.

Ve vzorcích devonských vápenců ze sledované části Javoříčských jeskyní byly stanoveny obsahy CaO v intervalu 54,78-56,02 hmot.%, obsahy MgO v 0,21-0,73 hmot.%, obsahy FeO v 0,01-0,05 hmot.%, obsahy MnO v 0,00-0,02 hmot.%, obsahy nerozpustného podílu v 0,01-0,69 hmot.% (analytik P.Kadlec, PřF MU Brno). Údaje o mikrochemismu studovaných vzorků uvádí Zimák, Štelcl (1997).

Klastické sedimenty jsou ve studované části Javoříčských jeskyní zastoupeny fluviálními a deluviálními hlínami. Tyto hlíny tvoří výplň puklin a krasových dutin, nacházejí se v depresích a nesouvisle pokrývají dno chodeb. Vyznačují se poměrně širokou škálou barev, a to od žlutohnědých, okrově hnědých až po oranžově hnědé odstíny.

Na základě provedených zrnitostních analýz lze jeskynní hlíny klasifikovat ve smyslu u nás používané Kontovy klasifikace (Konta 1973) převážně jako písčitý až štěrkovito-písčitý prach. Zrnitostní analýzy prokázaly, že hlavní, v mnoha případech dominantní složkou jeskynních hlín je prachovito-jílová frakce, na niž připadá 26 až 90 hmot. % z celkového objemu vzorku; na pískovou frakci připadá 10 až 56 hmot. %, na štěrkovou 0-25 hmot.%. Podrobnější údaje o zrnitostním složení studovaných vzorků uvádí Štelcl, Zimák (1997).

Pro stanovení stupně radonového rizika ve zkoumané části Javoříčských jeskyní byl sledován stupeň propustnosti jednotlivých vzorků jeskynních hlín. Výsledky jsou vyjádřeny v trojkomponentním diagramu f-s-g (obr. 1), uváděném v souladu s normou ČSN 73 1001. Většina analyzovaných vzorků odpovídá ve smyslu uvedené normy písčité hlíně až písčitému jílu. Zbývající vzorky lze klasifikovat jako hlinitý písek nebo hlínu (s nízkou až střední plasticitou) nebo jako jíl (s vysokou až extrémně vysokou plasticitou). Jde o sedimenty vyznačující se středním stupněm propustnosti, s výjimkou nevelkého počtu vzorků s vysokým podílem jílové složky, které mají propustnost nízkou.

Obr. 1. Diagram zrnitostního složení a klasifikace vzorků jeskynních hlín podle ČSN 73 1001
Fig. 1. Diagram of granulometric composition and classification of cave earths.

Radon a jeho charakteristika

Radon je nejtěžším homologem skupiny vzácných plynů a všechny tři jeho přirozené izotopy (222Rn, 220Rn a 219Rn) jsou radioaktivní a jsou členy tří přirozených rozpadových řad. Vzhledem k výskytu v přírodě je nejdůležitějším izotopem radonu 222Rn. Například v ovzduší je jeho koncentrace přibližně 10x vyšší ve srovnání s 220Rn , zatímco 219Rn je možné ve vzduchu detekovat obtížně vzhledem k jeho krátkému poločasu přeměny a nízkému výskytu 235U, který je počátečním nuklidem aktiniové řady.

Ve vodě je radon poměrně málo rozpustný, koeficient rozpustnosti při 18°C je 0,29, jeho rozpustnost ve vodě klesá s rostoucí teplotou a koncentrací rozpuštěných solí. Radon má bod varu -61,8°C a bod tání -71°C . Radon se také snadno absorbuje ze vzduchu na aktivní uhlí a silikagel, zvláště při snížené teplotě, což je využíváno při jeho izolaci ze vzduchu (Cothern, Smith 1987).

Radon může být detekován několika způsoby. Přímo může být stanovován zachycením do vhodných uzavřených objemů s následným stanovením Lucasovými komůrkami (Lucas 1964), ionizačními komorami (Spurný 1993), přímo spektrometricky (Tabakovová, Vlček, Roháček 1984) nebo přímou absorpcí probubláním do kapalného scintilátoru (Noguchi 1964). Ve všech případech jsou pro vyhodnocení nutné vhodné elektronické aparatury. Úspěšně jsou v přírodním prostředí využívány i metody integrální, které postihují delší časový interval, neregistrující však fluktuaci aktivity v čase. Jsou založeny na registraci stop záření ve vhodné pevné fázi, nebo na principu vybíjení elektretů (Musílek, Šeda, Trousil 1992).

Nepřímo je radon stanovován záchytem jeho dceřinných produktů na vhodném filtru s následným měřením jejich aktivity (Burian 1988).

Výsledky a diskuse

V komplexu Javoříčských jeskyní, konkrétně v lokalitě “Soví díra” bylo od července.1995 do prosince.1996 provedeno 18 minimálně 24 hodinových měření v měsíčních intervalech. Monitorování navazuje na výsledky, které byly získány v předchozím období na dalších místech Javoříčských jeskyní. Sběr dat probíhal na stacionárním místě (obr. 2).

Obr. 2. Půdorysné schéma Javoříčských jeskyní
Fig. 2. Ground plan of the system of the Javoříčko Caves

Objemová a ekvivalentní objemová aktivita ²²²Rn (OAR,EOAR), rovnovážný faktor F

Objemová aktivita radonu vykazuje změny v rámci roku i v rámci 24 hodin (obr. 3). Hodnoty OAR se pohybovaly od 250 (XII.95) do 7300 Bq.m^-3 (VIII.96). Průměrná hodnota byla kolem 2600 Bq.m^-3 .Ukazuje se jednoznačně, že rozhodujícím faktorem variability koncentrace radonu je hodnota vnější teploty vzduchu, resp. průměrná denní teplota: čím vyšší teplota, tím vyšší aktivita a naopak. Do jeskyně, která leží pod povrchem, v zimním období (tj. při nižších teplotách) vtéká dovnitř okolní vzduch o 1-2 řády méně aktivní a ředěním původní vyšší aktivitu snižuje. V letním období (tj. při vyšších teplotách) se tento proces vtékání omezuje, resp. zastavuje. Tato skutečnost je poněkud ovlivněna změnami barometrického tlaku uvnitř jeskyní, protože ovlivňuje emanaci radonu z hornin vnitřních stěn. Tyto změny ale neruší výše uvedené teplotní závislosti. Komplikovanější bude zřejmě detailní popis, poněvadž celý jeskynní systém není autonomně uzavřen, ale je propojen se sousedními podzemními lokalitami a povrchem, tudíž přesné určení charakteru proudění vzduchu je složité.

Obr. 3. Objemová aktivita radonu v průběhu roku
Fig. 3. Volume activity of radon during the year

Ekvivalentní objemová aktivita radonu vykazovala analogické roční i denní průběhy jako OAR. Hodnoty EOAR se pohybovaly od 100 (XII.95) do 2700 Bq.m^-3 (VIII.96). Průměrná hodnota se pohybovala kolem 900 Bq.m^-3.

Důležitým kritériem pro hodnocení uzavřených prostor je hodnota rovnovážného faktoru F. Rovnovážný faktor F vyjadřuje poměr ekvivalentní objemové aktivity radonu (EOAR) k objemové aktivitě radonu (OAR). Charakterizuje množství rozpadových produktů radonu (²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi a ²¹⁴Po) vázaných na stěny, aerosolové a prachové částice a jejich množství ve volném, nevázaném stavu. Hodnoty F vykazují změny v rámci roku a rovněž v rámci 24 hodinového měření (obr. 4). Na rozdíl od objemové aktivity radonu však vykazuje nejvyšší hodnoty právě v zimním období, tj. v období s nejnižšími venkovními teplotami. Tato skutečnost je zřejmě ovlivňována prouděním vzduchu, poněvadž v uzavřených lokalitách (např. speleoléčebna ve Zlatých Horách) se tento rozdíl mezi ročními obdobími v takové míře neprojevuje. Kromě proudění vzduchu mohou výše uvedenou rovnováhu ovlivňovat i další faktory, a to např. čistota vzduchu, vlhkost vzduchu a geomagnetismus. Lze konstatovat, že hodnoty rovnovážného faktoru F se pohybovaly v rozmezí 0,2 (VII.96) až 0,7 (II.96). Průměrná hodnota rovnovážného faktoru byla 0,46, což odpovídá standardnímu chování produktů přeměny.

Obr. 4. Kolísání faktoru F v průběhu roku
Fig. 4. The variation of factor F during the year

Koncentrace atmosférických iontů

Jedním z  rozhodujících faktorů mikroklimatu ve speleoterapeutických léčebnách je koncentrace lehkých atmosférických iontů a koeficient unipolarity P = n⁺/n^- (poměr koncentrace kladných n⁺ a záporných n^- iontů). Je-li koncentrace iontů dostatečně vysoká (n.10³cm^-3) a koeficient unipolarity P je blízký jedné, je mikroklima považováno za terapeuticky účinné. Koncentrace kladných atmosférických iontů ve sledované části Javoříčských jeskyní se pohybovala od 1500 do 22200 iontů.cm^-3, koncentrace záporných iontů od 2000 do 30000 iontů.cm^-3, koeficient unipolarity je v intervalu od 0,54 do 1,02 (s průměrem 0,8). Měření prokázala, že koncentrace lehkých atmosférických iontů je lineárně závislá na objemové aktivitě radonu (obr. 5). Dále bylo zjištěno, že každá lokalita má svou charakteristickou směrnici přímky závislosti koncentrace iontů na OAR.

Obr. 5. Korelace mezi koncentracemi radonu a atmosferických iontů
Fig. 5. Correlation between radon and atmospheric ions concentration

Koncentrace uranu, draslíku a thoria v horninovém prostředí Javoříčských jeskyní

Vzhledem k tomu, že existuje bezprostřední vztah mezi výskytem radonu v jeskynní atmosféře a koncentrací přirozených radioaktivních prvků v horninovém prostředí, byla v prostoru připravované speleoterapeutické léčebny provedena gamaspektrometrická měření obsahů draslíku, uranu a thoria. K měření byl použit přenosný terénní gamaspektrometr GS-256 se scintilačním detektorem (výrobce Geofyzika Brno). Uskutečnili jsme dvě sady měření ve dvou horninově odlišných prostředích. První soubor měření byl proveden na stěnách jeskynních chodeb a uměle vyražené vstupní štoly, a to v místech, která nebyla pokryta sintry (nebo jen sintry malých mocností, a tedy výrazněji neovlivňujícími výsledky měření), ani ve větší míře kontaminována přítomností jeskynních hlín. Druhý soubor dat byl získán měřeními na depresích a puklinách vyplněných jeskynními hlínami.

Z výsledků terénních gamaspektrometrických analýz devonských vápenců provedených na 14 dokumentačních bodech v prostoru Javoříčských jeskyní (tab. 1) je zřejmé, že obsahy draslíku se pohybují v intervalu 0,2 až 0,7 hmot. % (průměr 0,5 hmot.% K), koncentrace uranu kolísají v rozmezí 1,8 až 11,1 ppm (průměr 5,3 ppm U), obsahy thoria jsou v rozpětí 0,0 až 2,4 ppm (průměr 0,7 ppm Th). Gamaspektrometricky stanovené obsahy U a Th ve vápencích jsou graficky znázorněny na obr. 6.

Obr. 6. Výsledky terénních gamaspektrometrických analýz devonských vápenců Javoříčských jeskyní (1 až 13 - Soví díra-štola; 16,17 - Síň naděje; 18a - Březinská chodba-Síň objevitelů)
Fig. 6. Results of field gamaspectrometric analyses of Devonian limestones of the Javoříčko Caves

Terénní gamaspektrometrické měření obsahu přirozených radioaktivních prvků v jeskynních hlínách (tab. 2) ukázalo, že obsahy draslíku se pohybují v intervalu 0,3 až 1,8 hmot.% (průměr 0,8 hmot.% K), koncentrace uranu kolísají v rozmezí 2,6 až 6,6 ppm (průměr 5,2 ppm U), obsahy thoria jsou v rozpětí 0,9 až 8,9 ppm (průměr 4,5 ppm Th). Gamaspektrometricky stanovené obsahy K, U a Th ve studovaných jeskynních hlínách jsou graficky znázorněny na obr. 7.

Tab. 2. Obsahy přirozených radioaktivních prvků v jeskynních hlínách Javoříčských jeskyní (2, 4 - Soví díra-štola; 18, 20 - Březinská chodba; 21 - Závrtový dóm; 23 - Svěcená díra; 25 - Panenská jeskyně; 26 - Babská jeskyně; 27, 29 Spramecká chodba)
Tab. 2. Concentrations of natural radioactive elements in cave earths of the Javoříčko Caves

Obr. 7. Výsledky terénních gamaspektrometrických analýz jeskynních hlín Javoříčských jeskyní (2, 4 - Soví díra-štola; 18, 20 - Březinská chodba; 21 - Závrtový dóm; 23 - Svěcená díra; 25 - Panenská jeskyně; 26 - Babská jeskyně; 27, 29 - Spramecká chodba)
Fig. 7. Results of field gamaspectrometric analyses of cave earths of the Javoříčko Caves

V souvislosti s přípravou speleoterapeutické léčebny lze konstatovat, že ve vápencích jsou obsahy thoria z hlediska potenciálního ohrožení zdraví v případě dlouhodobějšího pobytu jen nízké (tj. běžné). V případě uranu je za nízké možno považovat pouze jeho koncentrace ve vápencích ve vstupní štole před Soví dírou (zde jsou průměrné koncentrace pod 4 ppm U); v prostoru Soví díry a v dalších sledovaných částech jeskynního systému jsou však koncentrace uranu ve vápencích mírně zvýšené (tj. v rozpětí 4-10 ppm U) a lokálně dokonce až vysoké (tj. nad 10 ppm U). Průměrné obsahy U a Th v jeskynních hlínách v prostoru připravované speleoterapeutické léčebny Javoříčko lze hodnotit jako nízké až mírně zvýšené. Získané výsledky ukazují, že koncentrace přirozených radioaktivních prvků v horninách zkoumané části jeskynního systému nepřevyšují hodnoty, které mohou negativně působit na zdraví při dlouhodobějším pobytu pacientů. Vycházíme přitom z předpokladu, že z hlediska potenciálního rizika lze za nízké (tj. běžné) koncentrace přirozených radioaktivních prvků považovat hodnoty < 4 ppm U a < 9 ppm Th, za mírně zvýšené (střední) 4-10 ppm U a 9-18 ppm Th a za vysoké > 10 ppm U a > 18 ppm Th.

Literatura

Burian I. (1988): Metody zjištění objemových aktivit dceřiných produktů ²²²Rn. - Radioaktivita a životné prostredie, 11, 223-237.

Cothern C.R., Smith J.E. (1987): Enviromental Radon. Plenum Press, New York.

Fabík M. (1975): Výsledky ložiskového průzkumu vápenců konického devonu. - Sbor.GPO, 9, 15-28, Ostrava.

Konta J. (1973): Kvantitativní systém reziduálních hornin, sedimentů a vulkanoklastických usazenin. UK Praha.

Lucas H.F. (1964): The natural radiation environment. University of Chicago Press.

Musílek L., Šeda J., Trousil J. (1992): Dozimetrie ionizujícího záření. ČVUT Praha.

Noguchi M. (1964): Radioisotopes 13, 362.

Sas D., Navrátil O., Sládek P., Surý J., Štelcl J., Zimák J. (1997): Studium mikroklimatu ve speleoterapeutické léčebně ve Zlatých Horách. - Scripta Fac.Sci.Nat.Univ.Masaryk. Brun., (v tisku).

Spurný Z. (1985): Atmosférická ionizace. Academia Praha.

Spurný Z. (1993): Radon. - Chem. Listy, 87, 387-395.

Štelcl J., Zimák J. (1997): Jeskynní hlíny Javoříčských jeskyní. - Geol.výzk.Mor.Slez. v r. 1996, 17-18, Brno.

Tabakovová O., Vlček J., Roháček J. (1984): Radioaktivita a životné prostredie, 7, 193.

Zimák J., Štelcl J. (1997): Geochemie vápenců Javoříčských jeskyní. - Geol.výzk.Mor.Slez. v r. 1996, 95-96, Brno.

ČSN 73 1001 Základová půda pod plošnými základy. Ústav pro normalizaci a měření Praha. (Schváleno 8.6.1987.)