VYUŽITÍ MAGNETICKÉ SUSCEPTIBILITY LESNÍCH PŮD PRO MAPOVÁNÍ IMISNÍ ZÁTĚŽE V REGIONU KRNAP

Transkript

1 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. (eds.), Geoekologické problémy Krkonoš. Sborn. Mez. Věd. Konf., Listopad 2003, Szklarska Poręba. Opera Corcontica, 41: VYUŽITÍ MAGNETICKÉ SUSCEPTIBILITY LESNÍCH PŮD PRO MAPOVÁNÍ IMISNÍ ZÁTĚŽE V REGIONU KRNAP Use of magnetic susceptibility of forest soils for imission mapping in the Krkonoše National Park KAPIČKA ALEŠ, PETROVSKÝ EDUARD, FIALOVÁ HANA & PODRÁZSKÝ VILÉM Geofyzikální ústav AV ČR, Praha, Boční II, Praha 4, e mail: kapicka@ig.cas.cz Česká zemědělská universita, Praha, Kamýcká 129, Praha 6 Hloubkové půdní profily byly magneticky vyšetřovány v oblasti Krkonošského národ ního parku. Magnetická susceptibilita, termomagnetické, magnetizační a hysterezní křiv ky pro jednotlivé půdní horizonty byly měřeny v laboratoři. Ve všech profilech lze spolehlivě identifikovat svrchní vrstvu s výrazně zvýšenou hodnotou susceptibility. Obsahuje dominantně magnetitovou fázi antropogenního původu. Byla zjištěna korelace mezi koncentracemi některých těžkých kovů a magnetickou susceptibilitou ve svrchních půdních vrstvách. Výsledky prokázaly, že magnetická metoda mapování imisní zátěže je využitelná i v oblastech s relativně nižší celkovou úrovní kontaminace. Deep soil profiles were investigated magnetically in the region of the Krkonoše National Park. Magnetic susceptibility, thermomagnetic analysis, acquisition of remanent magnetisation and hysteresis curves were measured in laboratory on samples from individual soil horizons. The uppermost layer, characterized by enhanced value of magnetic susceptibility, can be reliably identified in all the soil profiles. This layer contains dominantly magnetite phase of anthropogenic origin. Correlation between magnetic susceptibility and concentration of some heavy metals was found in the uppermost soil horizons. Our results indicate that magnetic method of imissions mapping can be used also in areas with generally lower pollution level. Klíčová slova: magnetismus životního prostředí, kontaminace půd, magnetická susceptibilita Keywords: environmental magnetism, soil contamination, magnetic susceptibility ÚVOD Magnetické metody jsou vysoce citlivé a umožňují detekovat i malé změny v koncentracích magnetických částic v půdách. Jejich magnetické vlastnosti jsou proto úspěšně využívány při studiu antropogenního znečištění životního prostředí, např. (PETROVSKÝ & ELLWOOD, 1999). Pevný spad antropogenního původu obsahuje nezanedbatelné procento (obvykle 5 9 váh %) silně magnetických (ferrimagnetických) částic. Ty vznikají především jako výsledek spalovacích procesů fosilních paliv obsahujících v různé míře pyrit. Jeho Fe ionty jsou v důsledku disociačně oxidačních procesů v průběhu spalování základem pro vznik finálních ferimagnetických Fe oxidů. Antropogenní magnetit resp. maghemit 55

2 tvoří typické sferule o rozměrech od několika do desitek μm a jejich magnetické vlastnosti se odlišují od ferimagnetik přírodního původu. Vedle spalovacích procesů jsou dalšími zdroji antropogenních ferimagnetik na př. hutní provozy, cementárny a různými procesy vznikají též při automobilovém provozu (např. HOFFMANN & al. 1999). Magnetická susceptibilita v slabém magnetickém poli je jedním z nejdůležitějších parametrů, který indikuje změnu koncentrace ferimagnetik v půdách a sedimentech. Magnetického mapování (měření susceptibility povrchových vrstev půd) se proto využívá jako efektivní, rychlé a relativně levné metody ke stanovení úrovně kontaminace pevným spadem. Významný podíl mezi cizorodými, potenciálně nebezpečnými látkami vstupujícími do půdního prostředí představují těžké kovy. Vzhledem k úzké vazbě těchto antropogenních polutantů na ferimagnetika v imisích, byly v některých regionech zjištěny i významné korelace mezi koncentracemi těžkých kovů a magnetickou susceptibilitou kontaminovaných půd (např. STRZYSZCZ & al. 1996). To umožňuje využít magnetického mapování jako přibližné metody ke stanovení zátěže půd těmito těžkými kovy. Při vlastní interpretaci výsledků mapování je třeba vzít v úvahu i limity této metody. Poněvadž v půdách je obsažena řada magnetických minerálů, je třeba diskriminovat antropogenní příspěvek od minerálů litogenního resp. pedogenního původu. Dále je třeba definovat půdní horizonty s kumulací antropogenních ferimagnetik, příp. posoudit vliv půdního prostředí na jejich časovou stabilitu. Pomocí laboratorních metod jsou však tyto problémy řešitelné. V rámci České Republiky nepatří region KRNAP k silně znečištěným oblastem pevnými imisemi. V bezprostředním okolí nejsou významné zdroje znečištění a kontaminace půd je pouze v důsledku dálkového transportu emisí z tepelných elektráren v jižním Polsku a severovýchodních Čechách, případně z malých lokálních zdrojů na okraji oblasti. V příspěvku jsou shrnuty výsledky studia magnetických vlastností řady hloubkových půdních profilů s cílem využít magnetických parametrů půd pro stanovení imisní zátěže v této oblasti METODIKA Pro detailní magnetický výzkum bylo vybráno třicet stabilních půdních sond rozmístěných rovnoměrně přes celou oblast Krkonošského národního parku. Sondy byly založeny pracovníky VULHM v Opočně a jsou intenzivně využívány pro monitorování zdravotního stavu porostů, pedologických změn a dynamiky půdního chemismu (VACEK & MATĚJKA 1999, VACEK & PODRÁZSKÝ 1999). Hloubka sond byla cm a zasahovala ve většině případů do mateční horniny resp. do půdních vrstev silně ovlivněných mateční horninou (C subhorizont). Byly přístupné pro in situ magnetická měření i pro odběr vzorků z individuálních hlubších půdních vrstev.cílem byla magnetická klasifikace půdních subhorizontů a odpověď na otázku, zda je možné magneticky diskriminovat kontaminovanou svrchní půdní vrstvu, případně identifikovat distribuci antropogenních ferimagnetik s hloubkou. Všechny vyšetřované sondy byly umístěny na lesních půdách, na kterých byly zpravidla velmi dobře vyvinuty organické půdní horizonty. Nejvyšší koncentrace antropogenních ferimagnetik bývá zpravidla identifikována v humusových, resp. fermentačních horizontech, lokalizovaných pod vrstvou padanky, kam se mohou dostat přirozenou filtrací vody (např. STRYZSZCZ 1989). Ve spolupráci s pedology byly identifikovány jednotlivé půdní subhorizonty a odebrány vzorky pro laboratorní vyšetřování (cca 160 vzorků ze všech sond). Úprava vzorků před magnetickými měřeními spočívala pouze ve vysušení na vzduchu a přesítování sítem 2 mm. Magnetická susceptibilita byla v laboratoři měřena pomocí Kappabridge KLY 3 (Agico), frekvenční závislost susceptibility byla získána při dvou frekvencích (klf = 0,47 khz a khf = 4,7 khz) pomocí můstku Bartington MS2B. Hodnota frekvenčně závislé susceptibility k FD, jako indikátoru velikosti feromagnetických zrn, byla počítána podle vztahu k FD (%) = 100*(klf khf)/klf. Pro účely magnetomineralogie byla vy šetřována vysokoteplotní závislost susceptibility pomocí CS 3 aparatury ve spojení s můstkem KLY 3 v teplotním rozsahu o C. Hysteresní křivky byly měřeny vibračním magnetometrem Princeton 56

3 Micromag 2900 a indukované i hysteresní parametry koercitivní síla (Hc), koercitivita remanence (Hcr), magnetizace nasycení (Js) a remanetní magnetizace (Jrs) byly určovány z těchto křivek. Koncentrace těžkých kovů (As, Fe, Zn, Pb, Co, Cd) v půdních horizontech byly stanoveny atomovou absorpční spekrometrií ve výluzích 2M HNO 3 a korelovány s hodnotami magnetické susceptibility. VÝSLEDKY Průběh změn magnetické susceptibility v závislosti na hloubce je souhrnně pro všechny půdní sondy v KRNAP na Obr. 1. Vyneseny jsou výsledky měření magnetické susceptibility vzorků z jednotlivých půdních horizontů. Společným rysem je výrazný nárůst hodnot susceptibility v nej svrchnějších půdních vrstvách. Z pedologického hlediska je zvýšená susceptibilita pozorována v organických horizontech L F, resp. Ah. Přestože jsou v různých sondách jednotlivé subhorizonty různě vyvinuty (a některé mohou chybět), je zvýšená susceptibilita pouze v hloubkách do 4 6 cm pod povrchem. V nižších půdních partiích (hlavně B a C subhorizonty) je susceptibilita výrazně nižší. Změny její velikosti (většinou při přechodech mezi jednotlivými subhorizonty) se pohybují v intervalu, který nepřevyšuje hodnoty na povrchu. Maximální hodnoty hmotnosně specifických susceptibilit v regionu Krkonošského národního parku jsou v rozmezí (10 7 m 3 /kg), zatímco u hlubších půdních sub horizontů jsou typické hodnoty 1 3 (10 7 m 3 /kg). Ve srovnání s hodnotami magnetické susceptibility povrchových půdních vrstev v okolí silných průmyslových zdrojů, např. (KAPIČKA & al. 1999) to svědčí o relativně nízké úrovni kontaminace půd pevným atmosférickým spadem v Krkonošském národním parku. Velmi výrazné a dobře definované maximum susceptibility v povrchových půdních vrstvách spolu s nízkými hodnotami v hlubších půdních horizontech svědčí o zanedbatelném příspěvku ferimagnetik litogenního původu a proto půdní lokality v KRNAP se vesměs jeví jako velmi vhodné pro účely magnetického monitorování kontaminace průmyslovým spadem. Pouze výjimečně (v celém souboru na čtyřech sondách) bylo změřeno nevýrazné maximum v povrchových vrstvách a hodnota susceptibility vzrůstala s hloubkou. Je evidentní, že v těchto případech litogenní efekt hraje nezanedbatelnou roli a pro účely magnetického mapování (bez dalších podrobných magnetických resp. magnetomineralogických analýz) tyto lokality nejsou vhodné. Významným zdrojem sekundárních ferimagnetik v povrchových půdních vrstvách (vedle antro pogenních ferimagnetik v pevném spadu) mohou být však také pedogenní resp. biogenní procesy. Byla proto provedena serie laboratorních experimentů pro bližší charakteristiku resp. identifikaci dominantních ferimagnetik v jednotlivých půdních subhorizontech (KAPIČKA & al. 2003). Termomagnetické křivky (teplotní závislost magnetické susceptibility) pro jednotlivé půdní subhorizonty ukázaly, že ve svrchní půdní vrstvě je dominujícím ferimagnetikem magnetit s Tc ~ 580 o C. Výrazně odlišný, mnohem komplikovanější průběh mají termomagnetické křivky pro spodní půdní vrstvy. Koncentrace primární ferimagnetické fáze je zde nízká a dominují sekundární ferimagnetika. Pravděpodobně v důsledku tepelné alterace Fe obohacených jílových minerálů se vytváří magnetit (maximum susceptibility nad 500 o C). Kromě toho další, dosud neidentifikovaná magnetická fáze se objevuje při teplotách okolo 260 o C. Křivky izotermální remanentní magnetizace pro vzorky jednotlivých půdních horizontů ukázaly na odlišnost svrchních půdních vrstev. Remanence je zde saturována již při poli 200mT, což svědčí o dominantní přítomnosti magneticky měkké, multidoménové (MD) magnetitové fázi. Hlouběji položené půdní subhorizonty naopak obsahují nezanedbatelné množství vysokokoercitivní magnetické fáze, neboť nasycené remanentní magnetizace je dosaženo při vyšších magnetických polích, větších než 400 mt. Velikost ferimagnetických částic obsažených v půdách je rozhodujícím parametrem při vyšetřování jejich původu a odlišení antropogenních a pedogenních ferimagnetik. Jednou z metod pro odhad velikosti částic jsou hodnoty jejich indukovaných a remanentních parametrů (DAY & al. 1977). Poměr těchto parametrů závisí na doménovém stavu (magnetitových) částic a tedy na jejich velikosti. Získané hodnoty Js, Jrs, Hc a Hcr pro jeden hloubkový profil a dvě svrchní půdy z jiných lokalit jsou uvedeny v Tab.1. 57

4

5 Na základě porovnání hloubkových profilů magnetické susceptibility a koncentrací těžkých kovů v půdních sondách lze prvky rozdělit na dvě skupiny. Výrazně zvýšené koncentrace ve svrchních vrstvách jsou charakteristické pro Pb (Obr. 1.), Zn a v menší míře pro Cd. Tyto profily se prakticky shodují s hloubkovými profily magnetické susceptibility a dominantním zdrojem těchto těžkých kovů je bezesporu atmosférický spad. Byla zjištěna relativně dobrá korelace především mezi koncentrací Pb a magnetickou susceptibilitou povrchových půdních vrstev, což umožňuje využít snadno měřitelných magnetických parametrů pro semi kvantitativní stanovení zátěže imisemi Pb v regionu KRNAP. Naopak výrazně rostoucí koncentrace Co, Cr a As s hloubkou jednoznačně indikuje převahu litogenních zdrojů těchto těžkých kovů a korelace s magnetickou susceptibilitou v povrchových půdních vrstvách je nevýznamná. ZÁVĚR Bylo zjištěno, že v celé oblasti Krkonošského národního parku lze spolehlivě identifikovat svrchní půdní vrstvy s výrazně zvýšenou hodnotou magnetické susceptibility. Tato vrstva je omezena na hloubku 4 6 cm od povrchu. Laboratorní vyšetřování hloubkových půdních profilů pak prokázala, že magnetické parametry svrchních půdních vrstev jsou zřetelně odlišné od parametrů v hlubších subhorizontech. Naproti tomu magnetické charakteristiky svrchních půdních vrstev v celém regionu jsou prakticky identické. Svrchní vrstvy dominantně obsahují spíše hrubozrnější (PSD MD) magnetit antropogenního původu, jako důsledek dálkového přenosu pevných emisí. Magnetomineralogie v hlubších částech půdních sond je poměrně komplikovaná, v jednotlivých lokalitách jsou patrné odlišnosti, každopádně však tyto půdní vrstvy obsahují magneticky tvrdší částice pravděpodobně pedogenního původu. Získané výsledky ukazují, že magnetická susceptibilita svrchních půdních vrstev je vhodným semi kvantitativním parametrem pro stanovení úrovně imisní zátěže některými těžkými kovy v regionu KRNAP. LITERATURA DAY R., FULLER M. & SCHMIDT V. A. 1997: Hysteresis properties of titanomagnetites: grain size and compositional dependence. Phys. Earth. Planet. Inter., 13: HOFFMANN V., KNAB M. & APPEL E. 1999: Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution. Journ. of Geochem. Explor., 66, KAPIČKA A., PETROVSKÝ E., USTJAK S. & MACHÁČKOVÁ K. 1999: Proxy mapping of fly ash pollution of soils around a coal burning power plant: a case study in the Czech republic. Journ. of Geochem. Explor., 66, KAPIČKA A., JORDANOVA N., PETROVSKÝ E. & PODRÁZSKÝ V. 2003: Magnetic study of weakly contaminated forest soils Water, Air and Soil Pollution, 148 (1 4), PETROVSKÝ E. & ELLWOOD B. B. 1999: Magnetic monitoring of air land and water pollution. In: Quaternary Climates, Environments and Magnetism (MAHERB. A. & THOMPSON R. eds.), Cambridge Univ. Press. STRZYSZCZ Z. 1989: Ferromagnetic properties of forest soils being under influence of industrial pollution. In: BUCHER J. B. & BUCHER WALLIN I. (eds.), Air pollution and Forest Decline, Birmensdorf, p STRZYSZCZ Z., MAGIERA T. & HELLER F. 1996: The influence of industrial imisions on the magnetic susceptibility of soils in Upper Silesia. Studia Geoph. Geod., 40: VACEK S. & MATĚJKA K. 1999: The state of forest stands on permanent research plots in the Krkonoše Mts. in years Journal of Forest Science, 45: 7: VACEK S. & PODRÁZSKÝ V. 1999: Soil chemistry changes in the Krkonoše Mts. during the last decade. In: VANČURA K. & ŠRAMEK V. (eds.), Effect of global climate change on boreal and temperate forests. Forestry and Game Management Research Institute Jíloviště Strnady, Praha, s THOMPSON R. & OLDFIELD F. 1986: Environmental Magnetism., Allen and Unwin, London. 59