Představte si, že chcete zjistit, z čeho se skládá kámen, aniž byste jej museli rozbít. Přesně to nám umožňuje rentgenová fluorescenční spektrometrie (XRF). Je to jedna z nejrozšířenějších a nejefektivnějších technik pro elementární analýzu hornin, používaná jak přímo v terénu s ručními přístroji, tak v našich špičkových laboratořích.
Jak ale XRF funguje? Je to jednodušší, než se zdá:
- Ozáření rentgenovým paprskem: Spektrometr vyšle silný rentgenový paprsek na vzorek horniny.
- Uvolněné elektrony: Když tyto primární rentgenové paprsky narazí do atomů ve vzorku, mohou z nich "vykopnout" elektrony z jejich vnitřních oběžných drah.
- Záblesk energie: Vzniklá "díra" v elektronovém obalu je nestabilní. Atom se snaží díru okamžitě zaplnit, a tak do ní přesune elektron z vyšší energetické hladiny. Při tomto "pádu" se uvolní záblesk energie ve formě charakteristického rentgenového záření.
- Unikátní otisk prstu: Každý prvek – ať už je to železo, křemík, nebo třeba uran – vyzařuje rentgenové záření s naprosto jedinečnou energií (vlnovou délkou). Je to jako jeho specifický "otisk prstu".
- Čtení spektra: Detektor spektrometru toto záření zachytí, změří jeho energii a intenzitu. Podle těchto parametrů pak přesně určí, které prvky jsou ve vzorku přítomny (kvalitativní analýza) a v jakém množství (kvantitativní analýza).
Pro geologický výzkum jsou výhody XRF zásadní. Jedná se totiž o nedestruktivní metodu – během měření vzorek tedy zůstává neporušený. Poskytuje rychlé výsledky a často nevyžaduje složitou přípravu vzorku. Navíc dokáže detekovat širokou škálu prvků, od hořčíku až po uran. Nevýhodou pak může být vyšší chybovost (v řádech do desetin procenta) při porovnání s laboratorními spektrometry.
V RINGENu využíváme spektrometrickou metodu pro určení prvkového složení sedimentárních hornin. Měřením tzv. proxy parametrů, jako je například poměr křemíku a hliníku (Si/Al), dokážeme určit změny v zrnitosti sedimentárních hornin. Tato analýza zpřesňuje dosavadní litologický popis hornin na úroveň, která není pouhým okem rozeznatelná, a umožňuje nám rozpoznat změny v přínosu sedimentů. Tyto změny mohou být například způsobeny klesáním či zvyšováním hladiny tehdejšího moře, která byla často ovlivněna dávnými klimatickými cykly. Poměr draslíku a hliníku (K/Al) zase pomáhá kvantifikovat intenzitu zvětrávání hornin ve zdrojových oblastech a její změny v čase, které jsou většinou přímo vázané na vývoj klimatických podmínek (celkový úhrn srážek a charakter jejich sezónní distribuce, teplota).
Milankovičovy cykly: Kosmický tanec ovlivňující zemské klima
Někdy se stane, že za klimatickými změnami nestojí jen dění na Zemi, ale i vesmír. A právě tady přichází na scénu srbský geofyzik Milutin Milanković (1879–1958) a jeho Milankovičovy cykly. Jde o dlouhodobé, cyklické změny oběžné dráhy Země okolo Slunce, které ovlivňují rozložení slunečního záření dopadajícího na Zemi, které přesahují roční kolísání. Tyto cykly zásadně ovlivnily vznik dob ledových a meziledových během čtvrtohor. Milanković identifikoval tři základní cykly, které se berou v úvahu při určování těchto klimatických změn:
- Precese: Jde o orientaci zemské osy, která se pomalu kývá jako káča. Cyklus trvá přibližně 25 800 let.
- Excentricita: Definuje tvar oběžné dráhy Země kolem Slunce. Ta není dokonale kruhová, ale eliptická, a její "výstřednost" se v průběhu deseti tisíců let mění. Cykly trvají přibližně 100 000 a 405 000 let.
- Obliquita: Definuje sklon zemské osy vůči rovině oběžné dráhy. Tento sklon se mění v cyklech trvajících zhruba 40 000 let.
Milankovičova základní myšlenka spočívala v tom, že astronomicky podmíněná proměnlivost slunečního záření měla zásadní vliv na růst a tání velkých ledových příkrovů. Jeho teorie tak poprvé poskytla obecně přijímaný model pro pochopení příčin pleistocenního zalednění. Dnes nám spektrometrie umožňuje zkoumat chemické složení sedimentů, a tak sledovat tyto pradávné klimatické cykly v horninovém záznamu.
Příběhy z hlubin Litoměřicka: Křída, Karbon a Perm
V RINGENu nyní probíhá studium geologických období na vzorcích jádra, získaných z nového 516 m hlubokého vrtu, který byl dokončen na jaře 2025. Sedimentolog Jan Bohadlo zkoumá především druhohorní období svrchní křídy. Tyto vrstvy se v Litoměřických podmínkách nacházejí v hloubce až do 180 metrů. Rychlost sedimentace se v období křídy na Litoměřicku měnila. V případě výrazného zpomalení sedimentace, která mohlo trvat desítky až stovky tisíc let, se na mořském dně vytváří glaukonit – zelený minerál srážející se z mořské vody – který funguje jako velmi dobrý indikátor takového zpomalení.
Jemnozrnné sedimenty jsou bohaté na zkameněliny. Nacházíme zde hojně schránky mlžů (např. Pecten sp., Rhynchostreon sp.) a serpulidních červů, což jsou živočichové, kteří žili v chodbičkách na mořském dně, ať už osamoceně, nebo v koloniích. Výskyt různých zkamenělin pak může být indikátorem dávných klimatických změn – například druh serpulidních červů Pyrgopolon sp. svědčí o ochlazení ve svrchním cenomanu. Původní moře, které pokrývalo českou křídovou pánev, bylo teplé, propojené s oceánem Tethys. Ten se nacházel přibližně v oblasti dnešního Středozemního moře – v této době teprve vznikaly Alpy a Karpaty. Serpulidní červi rodu Pyrgopolon však pocházejí z chladnějšího boreálního moře, ležícího na severu, přibližně v oblasti dnešního Baltského moře a Německa. Jejich přítomnost v našich sedimentech naznačuje, že v cenomanu došlo k propojení teplého mělkého moře nacházejícího se na území Čech se studeným boreálním mořem v oblasti labského průlivu, což umožnilo pronikání chladné vody na naše území. Kromě zkamenělých těl živočichů nacházíme i tzv. ichnofosilie – zkamenělé stopy po činnosti organismů, jako jsou například rozvětvené chodbičky Chondrites isp. Jejich velká akumulace v jádru může být dalším důkazem zpomalené sedimentace.
V podloží sedimentů křídy leží ještě mnohem starší usazeniny z období karbonu a permu, které se ukládaly v kontinentálním prostředí řek, říčních niv, jezer a uhlotvorných močálů kladensko-rakovnické pánve. Těmi se zabývá sedimentolog Richard Lojka, další z našich výzkumníků. Nový hluboký vrt v Litoměřicích, situovaný při severním okraji pánve, zastihl sedimenty dvou nejmladších jednotek pánevní výplně - líňského a slánského souvrství.
Karbon (před 350 – 300 miliony let) byl dobou obojživelníků, neprostupných pralesů, rozlehlých bažin a humidního tropického klimatu. Po počáteční fázi vyplňování pánve sedimenty říčních toků a niv s uhlotvornými močály byla celá pralesní pánev na relativně krátkou dobu (100 až 500 tis. let) zaplavena rozsáhlým sladkovodním jezerem o rozloze 10 000 km2 a hloubce do 100 metrů, sahající od Plzně až po Trutnov. Jeho existenci dokládá dvacetimetrová vrstva sedimentů mšeckých vrstev ve spodní části slánského souvrství. Tento interval šedých organickou hmotou velmi bohatých (5-10 %) jílovitých kalů představuje unikátní vysoce rozlišený záznam s kontinuální sedimentací, který nese množství informací o vývoji prostředí a klimatu v karbonu. Analýza společenstev fosilních pylů a spór umožnily rekonstruovat vývoj a dynamiku rostlinných společenstev z širšího okolí jezera, zatímco složení drobných zbytků organické hmoty pomohlo identifikovat krátké epizody sucha doprovázené lesními požáry. Bílé laminy vulkanického popela s obsahem zirkonu poskytly cenné a velmi přesné údaje o stáří této jednotky. Jezero bylo postupně vyplněno sedimenty a nahrazeno rozsáhlými pláněmi říčních niv a mělkých jezer, na kterých se postupně začal projevovat úbytek srážek v nejmladším karbonu.
Perm (před 299 - 252 miliony let) byl pak charakterizován vysycháním a rozpadem uhlotvorných pralesů, který urychlil evoluci plazů ještě před začátkem éry dinosaurů v druhohorách. V tomto období se na okrajích pánve nacházela sopečná pohoří. Důkazem je geologický útvar s názvem Teplicko-Altenberská kaldera. Jde vlastně o zhroucený vulkán, po kterém zbyly v podloží nesmazatelné stopy v podobě žilných těles a přívodních drah. Sopečná činnost produkovala minerály zirkony, které obsahují radioaktivní prvky, zejména uran. Díky známému poločasu rozpadu těchto prvků můžeme datovat vrstvy vulkanického popela stovky milionů let staré s úžasnou přesností na 200 tisíc let. Zirkon je velmi odolný minerál díky čemuž dochází často k jeho recyklaci v magmatických krbech a může nám tak dokonce vyprávět o několika geologických epochách. Při vystavení vysokým tlakům a teplotám nedochází k jeho tavení, na jeho povrchu se naopak vytvoří další – mladší vrstva. Výjimkou nejsou zirkony, které mají v jádru 2 miliardy let starý materiál a postupně směrem k okrajům podstatně mladší zóny.
Od průzkumu vrtného jádra k praktickým aplikacím: Projekt SYNERGYS
„Abychom získali informace o jednotlivých geologických jednotkách, konkrétně třeba o české křídové pánvi, často srovnáváme data z několika vrtů. Většinou nemáme k dispozici jádra těchto vrtů, ale pouze karotážní data (záznamy geofyzikálních charakteristik hornin). Spektrometrická analýza jádra nově získaného v Litoměřicích nám umožňuje lépe porozumět těmto karotážním datům i z vrtů vzdálených desítky kilometrů“ vysvětluje Jan Bohadlo.
V rámci projektu SYNERGYS například metoda spektrometrie pomáhá určit, proč je v některých částech pilotního vrtu v Litoměřicích vysoká porozita, která způsobuje ztrátu výplachu a cementace, a tím zvyšuje náklady na vrtné práce. Pomáhá nám také identifikovat vrstvy, které jsou nejvhodnější pro ukládání tepla. Důležitá je například vrstva tzv. izolátoru na spodu turonského sledu. Jde o horninu, která nepropouští vodu a ohraničuje tak zvrchu cenomanskou zvodeň. V mnohem větších hloubkách se pod jílovcovou vrstvou jezerních sedimentů mšeckých vrstev, která je významným regionálním izolantem, nachází podzemní voda karbonského stáří.
Závěr
Výzkumné centrum RINGEN je na špici geologického průzkumu, a to i díky pokročilým spektrometrickým metodám. Odhaluje nejen chemické složení hornin, ale i dávné klimatické cykly, které formovaly naši planetu. Výzkum místního geologického podloží přispívá k pochopení zemských procesů a má konkrétní dopady na praktické projekty, jako je ukládání tepla v rámci projektu SYNERGYS. Tímto způsobem nejen rozšiřujeme naše vědecké poznání, ale také přispíváme k udržitelnému využívání podzemních zdrojů pro budoucí generace.
