Geologie 5. Přednáška Geobariéy ohrožující život a dílo člověka vulkanismus zemětřesení sesuvy povodně toxické a radiační působení geologického prostředí cíl : získat základní informace o přirozených přírodních procesech, které ohrožují životní prostředí člověka První čtyři geobaiéry mohou způsobit přírodní katastrofy, neboť většinou udeří neočekávaně, zpustoší území, způsobí ekonomické škody, smrt lidí a následně ovlivní socioekonomickou sféru. Jestliže bude výše škod a počet obětí jediným kritériem pro počet významných přírodních katastrof, pak se bude jejich počet zvyšovat s ohledem na urbanizaci území. A pokud bychom chtěli snižovat počet obětí, materiální škody a socioekonomické dopady, pak je nutné klást větší důraz na preventivní opatření, na zdokonalování předpovědních a varovných systémů, na integraci záchranných činností a na informovanost lidí o možnosti snížení dopadů katastrof (u nás zvláště u povodní). Vulkanická činnost a zemětřesení ( tektonická i vulkanická) jsou spjaty s endogenními pochody v zemské kůře a svrchním plášti a nelze jim zabránit. Oblasti jejich výskytu jsou téměř identické, neboť souvisejí s tektonickou stavbou, takže lze místa jejich projevů předpokládat. Předpovědět dobu a intenzitu jejich projevů je stále velmi obtížné, de facto nemožné. U činných sopky (sopky, jejichž činnost byla v průběhu lidské historie zaznamenána) lze na připravovanou aktivitu usuzovat zvyšováním teploty v kráteru (letecké snímkování v infračerveném spektru), změnou chemismu unikajících plynů (převaha HCl, FH, CH4, radonu), vyklenování svahu, změnou chování živočichů, přesto je nemožné určit přesný termín začátku činnosti. Především vulkanická exploze má katastrofální účinky, neboť do ovzduší se dostává velké množství horkých plynů, které svojí teplotou, toxicitou a vysokým obsahem sopečného popela zamoří velmi rychle velké území. Dostávají se do vyšších vrstev atmosféry a tak mohou ovlivnit i až dlouhodobě klima celé planety. Větší vyvrhované úlomky lávy tefra (lapilly, sopečné pumy)= pyroklastický materiál se podle síly exploze dostávají do bezprostředního okolí vulkánu, ale jsou známy i dopady několikametrových kusů do vzdálenosti 40 km (sopka Tambora na ostrově Sumbawa). Katastrofální dopad mají vzniklé bahnotoky ( voda, sopečný materiál), které svojí rychlostí v desítkách km/hod. zdevastují území jako při povodni. Vznik povodňové vlny doprovází exploze sopek přikrytých ledovcem či sněhem, nebo při existenci kráterového jezera. Lávové výlevy jsou oproti explozím méně nebezpečné, neboť rychlost lávového proudu ( řádově ve stovkách metrů až v prvních jednotkách km /hod.) je výrazně nižší a to v závislosti na viskozitě lávy a sklonitosti terénu. Je tedy možná evakuace obyvatel. U nás byla poslední vulkanická činnost zaznamenána jen ojediněle v pleistocénu. Většina zemětřesení je spjata s pohyby v zemské kůře zvláště na konvergentních okrajích litosférických desek, a proto mají tektonický původ ( na rozdíl od vulkanických zemětřeseních). Napětí na okrajích desek vzniká při jejich vzájemném pohybu, pomalu se zvyšuje, až dojde k posunu, při kterém se uvolní nahromaděná energie a způsobí vznik seismických vln šířících se z hypocentra (ohniska zemětřesení). Jako podélné seismické vlny (P) jsou označeny vlny šířící se v horninových tělesech největší rychlostí v prvních J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 1
jednotkách km/s (způsobují stlačení a roztažení hmoty ve směru pohybu vlny), vlny příčné (S) kmitají kolmo ke směru pohyb vlny a jsou cca1,5 x pomalejší. Vzniklé povrchové vlny šířící se od epicentra způsobují škody na povrchu. Hloubka hypocentra bývá nejčastěji u nejničivějších zemětřesení v první desítce km, nejhlubší jsou známy z oblastí subdukčních zón, kde z lokalizace hypocenter zemětřesení lze průběh subdukční zóny určit. Intenzita zemětřesení je hodnocena podle jeho účinků na povrchu. Stupnice MCS užívaná v Evropě má 12 stupňů. Měření intenzity zemětřesení empirické podle vnímání lidí a poruch staveb (MCS) MSK- 64 (ČSN 73 0036) Projevy makroseismické intenzity podle stupnice MSK-64 1. stupeň Zaznamenávají pouze přístroje 2. stupeň - Pocítí pouze vnímavé osoby, pokud jsou v klidu 3. stupeň - Chvění či otřes jako při rychlém přejetí vozu, nezvyklý pocit změny rovnováhy 4. stupeň - Pociťováno uvnitř domů chvění až lehce kolísavé pohyby předmětů,drnčení oken, nádobí. Stojící auta se houpou. 5. stupeň - Pociťuje je mnoho lidí vně i uvnitř budov, nestabilní předměty se kácí 6. stupeň - Posunují se i větší předměty, poškození omítek, komínů, jemné trhliny ve zdivu,je těžké udržet rovnováhu 7. stupeň - Padání komínů, trhliny ve zdivu slabé, otevřené v příčkách, vlnění hladiny v povrchových recipientech i studnách, objevují se trhliny v zemi na svazích, v jedoucích autech je zemětřesení zaznamenáno 8. stupeň - Poškození i dobře postavených budov, trhliny v zemi, sesuvy 9. stupeň - Zřícení chatrných budov 10. stupeň - Poškození i speciálně konstruovaných budov, mostů a vozovek, potrubí 11. stupeň Zohýbání kolejnic 12. stupeň - Změní se tvářnost krajiny Síla zemětřesení v ohnisku magnitudo =logaritmus amplitudy seismických vln je používána v Richterově stupnici. (stupeň 6 je 10 x větší než stupeň 5 a 100 x větší než stupeň 4atd.) Lokalizaci ohniska zemětřesení je možné určit z časového záznamu příchodu seismických vln zaznamenaných minimálně na 3 cejchovaných seismografech. Předpověď zemětřesení zatím nelze).. KDE okraje litosférických desek, hlubinné zlomy (KDY- JAK - Následné projevy zemětřesení : trhliny, posuny, poklesy = deformace horninových těles, změny říční sítě, sesuvy, záplavy, laviny, tsunami, vulkanické erupce, poruchy staveb, potrubí, výbuchy plynů požáry Vzhledem k tomu, že zemětřesení se nedá zabránit a ani předpovídat, je třeba v seismicky aktivních územích dbát na preventivní ochranu. Potenciálnímu ohrožení staveb lze předcházet vhodnými konstrukčními prvky ( viz ČSN 73 0036 Seismické zatížení staveb) s ohledem na základové (inženýrsko-geologické ) poměry viz obr. v prezentaci V předpokládaných seismicky aktivních územích představují vždy zvýšené nebezpečí svažité terény, tektonicky porušená území a vysoká hladina podzemní vody v nezpevněných sedimentech, nestejná hloubka založení stavby, nestejnorodá základová půda. J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 2
Nepředvídatelnost vzniku zemětřesení, které je doprovázeno následnými projevy, je největším rizikem. To platí obzvláště pro tsunami u podmořského zemětřesení, vlny, které nejsou na volné hladině patrné a jsou schopné velkou rychlostí až 950 km/hod. udeřit na vzdálených pobřeží. Jejich vlnová délka 100 200 km pak u pobřeží může mít nepravidelnou periodicitu.výrazný odliv mořské hladiny před úderem vlny na pobřeží umožní nepřehlédnutelné vyzdvižení vlny (přístavní vlna), ale to je již na plochých pobřeží na evakuaci pozdě. Sesuvy spadající do kategorie přírodních katastrof jsou především ty, které dosáhnou velkých rychlostí (desítky km/hod.) Jsou to především bahnité, nebo vodou nasycené kamenité proudy vznikající často po explozi sopek nebo zemětřesení. Patří sem i kamenité proudy v horských oblastech (mury), jejichž pohyb může být vyvolán vibrací - otřesy na železnici a dále skalní řícení. Příčinou vzniku těchto rychlých sesuvů většinou bývají abnormální srážky nebo jakákoliv změna obsahu vody v horninovém tělese, která změní mechanické vlastnosti zeminy nebo horniny a sníží smykovou pevnost. Nestabilita svahu může být pozvolna a dlouhodobě snižována dalšími vlivy jako je zvětrávání hornin, promrzání, erozní činností, nebo lidskými zásahy (odlesnění svahů, výkopy v dolní části svahu, přitížení svahu, změnou hladiny podzemní vody při napouštění vodních nádrží,.) Rychlost svahových deformacích může být zpočátku i malá s málo nápadnými projevy jako je třeba poškození drnové pokrývky, nebo nepatrným posunem bloků skalních hornin. K zrychlení pohybu pak dojde při zvýšené srážkové činnosti. Klasifikace svahových deformací může být založena na rychlosti pohybu, stejně tak i podle typu horninového složení svahu, nebo podle průběhu smykové plochy. Povodně u nás způsobují řeky, na přímořském pobřeží to mohou být tsunami nebo vysoké přílivy. Říční povodně mohou vznikat po přívalových deštích, nebo po dlouhodobých srážkách, sezónní povodně souvisejí u nás s táním sněhu, nebo s ucpáním řečiště ledovými krami. Kromě těchto přírodních povodní může vzniknout povodeň činností člověka ( narušením hráze vodního díla - VD, poruchou bezpečnostních a výpustných zařízení VD, mimořádné vypouštění vody z VD). Poslední velké povodně : červenec 1997, srpen 2002, jaro 2006). Extrémní srážky mohou způsobit katastrofickou povodeň právě proto, že není možné se na ní dostatečně připravit. Nejvyšší zaznamenaná 1-denní srážka 645,1 mm je z 29.7.1897 (srážkoměrná stanice Nová Louka v Jizerských horách. Nejvyšší zaznamenaná 2-denní srážka 380 mm je z 11.8.2002 (Cínovec), nejvyšší zaznamenaná 3-denní srážka 536,7mm je z 6.7.1997 (Šance v Moravskoslezské Beskydy). Pro představu je třeba uvést, že nečastěji se pohybuje průměrný roční srážkový úhrn v ČR cca 600-700 mm. Ochrana před povodněmi je v zákonu o vodách č. 254/2001 Sb. (vodní zákon) tvořena opatřeními jednak směřující k předcházení škod ( prevence) a dále opatřeními při povodni. Záplavová území jsou administrativně určená území, která mohou být při výskytu přirozené povodně zaplavena vodou. Jejich rozsah je povinen stanovit na návrh správce vodního toku vodoprávní úřad, v zastavěných územích obce vymezí aktivní zónu záplavového území. J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 3
Snížení následků povodně lze docílit opatřeními využívajícími retenční schopnosti krajiny, kterou lze vhodným využíváním zvýšit např. změnou hospodaření v lesích změna druhové skladby, minimalizací holosečí, agrotechnickým hospodařením zvyšováním vodní kapacity půd vhodnými plodinami, používáním lehkých mechanizačních prostředků, nebo mělkými terénními depresemi Retenční schopnost krajiny lze zvýšit i vodohospodářskými stavbami jako jsou stavby retenčních nádrží, ochranných hrázích podél břehů soustředění velké vody do koryta nebo vzdálenější hráze od břehů možnost rozlití, dále stavby záchytných kanálů ( zachycení přítoků vnějších vod), stavby odlehčovacích kanálů snížení průtoku odvedením mimo záplavovou oblast. Ochranné hráze podél toku se budují na zvodněných sedimentech údolní niv, jejichž heterogenita a rozdílná propustnost jednotlivých vrstev bývá častou příčinou porušení těchto hrází při povodni vztlakem podzemní vody, nebo erozí povrchové vody. Snížení následků povodně lze eliminovat již vhodnými organizačními opatřeními jako je : vyloučení výstavby v inundačním území, údržba vodohospodářských zařízení, zpracování manipulačních a provozních řádů, zpracování plánu protipovodňového plánu, informovanosti obyvatel. Toxické a radiační působení geologického prostředí Radioaktivita hornin se určuje měřením gama zářením. V ČR je radioaktivita hornin dokumentována v radiometrické mapě ČR měř. 1 : 200 000. Vysokou radioaktivitu mají variské magmatity - žuly granodiority, migmatity krystalinika a tercierní vulkanity, nebo sedimenty s organickými látkami, na které může být vázán uran. Nejméně radioaktivní jsou ultrabazické magmatity, amfibolity, krystalické vápence, ze sedimentů např. vápence a pískovce. Radonové riziko je rovněž spjato s obsahem radioaktivních minerálů v horninách, a proto na mapě radonového rizika se zvýšená objemová aktivita radonu vyskytuje na jmenovaných horninách hlavně tam, kde se v nich vyskytují poruchové zóny( zlomy, pukliny, drcená pásma). Radon Rn-222 vzniká radioaktivní přeměnou uranu U-238. Koncentrace uranu v jednotlivých typech hornin se velmi liší. Obecně lze říci, že v usazených, sedimentárních horninách se setkáváme s nižšími koncentracemi uranu než v horninách přeměněných, metamorfovaných tlakem a teplotou během dlouhé geologické historie jejich vzniku. Nejvyšší koncentrace uranu jsou obvyklé ve vyvřelých, magmatických horninách viz mapy radonového rizika měř. 1 : 50 000 www.geology.cz. Geologické podloží České republiky je více než z dvou třetin tvořeno metamorfovanými a magmatickými horninami (viz geologická mapa). Z toho vyplývá, že radonu pocházejícímu z geologického podloží a odtud pronikajícímu do objektů je nutno věnovat zvýšenou pozornost. Kromě uranu (U) se na ozáření z přírodních zdrojů podílí i draslík (K) a thorium (Th). Radon může pronikat do objektů jednak z hornin a zemin, které vycházejí na povrch v jejich základech, jednak z pitné vody dodávané do objektů a ze stavebních materiálů. J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 4
Toxicky mohou působit prakticky všechny prvky, jsou-li přijímány v nadměrné dávce a po dlouhou dobu. Důležitá je přitom forma výskytu prvku. Běžně se uvádějí tzv. stopové prvky, zvláště tzv. těžké kovy, jejichž výskyt souvisí se zrudněním a poruchovými zónami ( zlomy, pukliny, drcená pásma). Jejich výskyt v podzemních vodách lze zjistit chemickým rozborem. V horninovém prostředí se používá atmogeochemie - metoda geologického průzkumu, která spočívá v odběru vzorků půdního vzduchu. Odběr probíhá odsátím vzduchu z cca 1 m hlubokých zarážených sond. Odebrané vzorky jsou potom analyzovány na potřebné parametry. Měření radonu Vzorek půdního plynu je z půdy odebírán z hloubky 80 cm pod povrchem nasátím dutou tyčí do scintilační komory. Komora má stěny potaženy speciální látkou, která při dopadu částic alfa, provázejících přeměnu uranu na radium a na radon, vydává světelné záblesky. Ty jsou registrovány citlivými fotonásobiči a kalibračními rovnicemi je pak množství záblesků přepočteno na objemovou aktivitu radonu v půdním plynu. Tato veličina se udává v kbq.m -3. Hodnota např. 20 kbq.m -3 znamená, že během jedné sekundy dojde v krychlovém metru půdního plynu k 20 000 radioaktivním přeměnám. Na každé měřené ploše je odebráno 15 vzorků půdního plynu, aby se podařilo snížit vliv nehomogenity a lokální rozdílné propustnosti půdy. Hloubka je volena tak, aby se přiblížila základům objektu a aby byl odstraněn vliv klimatických jevů při povrchu půdy (teplotní změny, vlhkost, vítr a pod.). Objemová aktivita radonu a propustnost jsou řídícími veličinami pro stanovení kategorie radonového indexu na stavebním pozemku. V České republice je používána standardní jednotná metodika a radonový index je klasifikováno podle tab. 1. Tab. 1 - Klasifikace základových půd z hlediska radonového indexu. Kategorie Objemová aktivita radonu (kbq.m -3 ) při propustnosti podloží radonového indexu nízká střední vysoká 1. nízké < 30 < 20 < 10 2. střední 30-100 20-70 10-30 3. vysoké > 100 > 70 > 30 J. Tourková, katedra geotechniky FSv ČVUT Geologie pro obor architektura 5