MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV GEOLOGICKÝCH VĚD
Gamaspektrometrická charakteristika hornin z okolí ložiska uranu Rožná Rešerše k bakalářské práci
Gabriela Pospěchová
VEDOUCÍ PRÁCE: doc. RNDr. Jaromír Leichmann, Dr.
Brno 2015
Obsah 1. Úvod .......................................................................................................... 3 2. Uranová ruda v Českém masivu .............................................................. 4 2.1 Hlavní typy ložisek uranu v Českém masivu ..............................................................4
3. Ložisko Rožná .......................................................................................... 7 3.1 Historie těžby a dobývání v rudním poli Rožná- Olší ....................................... 7 3.2 Geologická stavba rudního pole Rožná- Olší ................................................... 8
4. Radioaktivita .......................................................................................... 11 4. 1 Radioaktivní záření ...................................................................................... 11 4.2 Radioaktivita hornin ..................................................................................... 12 4.3 Gamaspektrometrická metoda .................................................................... 12
5. Charakteristika prvků uran, thorium a draslík ................................... 13 5.1 Uran............................................................................................................. 13 5.2 Thorium ....................................................................................................... 13 5.3 Draslík .......................................................................................................... 13
6. Literatura ............................................................................................... 14
2
1. Úvod Uranová ruda se dříve těžila pro výrobu barev, zejména pro sklářský a keramický průmysl. Zásadní roli sehrál uran, jako strategická surovina, během druhé světové války. Bylo zjištěno, že při štěpení jader uranu dochází k uvolňování obrovské energie. Ta byla zprvu zneužita ve válce, ale později dala vznik jaderným elektrárnám. Studované uranové ložisko Rožná je jediným aktivním ložiskem nejen v České republice, ale i ve střední Evropě. Ložisko leží přibližně 50 km severozápadně od Brna. Předmětem této práce je charakterizovat horniny z okolí zmíněného ložiska pomocí gamaspektrometru jak terénního, tak laboratorního a rovněž tato práce bude sloužit jako podklad pro budoucí práce související s vyhledáváním vhodného uložiště pro vyhořelá jaderná paliva. Dílčími kroky práce bude nejprve shromáždit dosavadní údaje o radioaktivitě hornin z okolí ložiska a porovnat radiometrické mapy s mapami geologickými. Určí se vhodné lokality pro provedení terénních měření a odběr vzorků. Dále budou provedena laboratorní měření odebraných vzorků a v konečné fázi se srovnají zjištěné výsledky s údaji leteckých měření.
3
2. Uranová ruda v Českém masivu Typickým výskytem uranových ložisek jsou západoevropské a středoevropské variscidy. Ložiska vznikala ve svrchním karbonu, v permu a mezozoiku. K nejvýznamnějším uranonosným provinciím patří armorický, Centrální a Český masiv (Kříbek et al. 2005). Český masiv je bohatým zdrojem na U-rudy, ve kterém bylo vytěženo přibližně 328 000 t uranu, a proto je označován největší uranonosnou provincií Evropy (OECD-IAEA 2003). Vlivem intenzity variského vrásnění, metamorfních procesů, hlubinným magmatismem a v konečné fázi působení exogenních a endogenních faktorů vznikla uranová ložiska (Pluskal 1972).
2.1 Hlavní typy ložisek uranu v Českém masivu Podle zvláštnosti geologické stavby, morfologie rudních těles a podmínek vzniku rud se uranová ložiska dělí v Českém masivu na šest morfogenetických typů (Arapov et al. 1984): I. typ: Grafitizované zóny drcení v horninách krystalinického fundamentu Jedná se o nízko až středně teplotní hydrotermální ložiska, která vznikla hluboko pod povrchem v řádu několika kilometrů. Ložiska se nacházejí v silně metamorfovaných horninách (ložiska Rožná, Olší, Zadní Chodov, Okrouhlá Radouň). II. typ: Žíly a systémy žil v horninách geosynklinálního strukturního patra Taktéž jde o nízko a středně teplotní hydrotermální ložiska, která se vyskytují v krystalických břidlicích, pískovcích a prachovcích (žilná
ložiska příbramského,
a slavkovského rudního pole i ložiska v Železných horách-
jáchymovského
Bernardov, Licoměřice-
Březinka). III. typ: Chloritizované tektonické zóny ve variských granitoidech Tento typ ložiska charakterizují čočkovitá a sloupcovitá rudní tělesa, která jsou vyvinuta podél tektonických zón (ložisko Vítkov II). IV. typ: Stratiformní uran- uhelná ložiska v sedimentech orogenního strukturního patra Ložiska jsou tvořena uranonosnými slojemi a čočkami uhlí (ložiska Rybníček, Stachanov, Pětiltka). V. typ: Vrstevná ložiska v křídových sedimentech platformního pokryvného patra Ložiska se vyskytují v propustných pískovcích, prachovcích, jílovcích, slepencích a brekciích (ložiska Křížany, Břevniště, Hamr).
4
VI. typ: Stratiformní uran- uhelná ložiska v neogenních sedimentech platformního pokryvného patra Ložiska se nacházejí ve slabě zpevněných sedimentárních i tufogenně sedimentárních souvrstvích obohacených organickým materiálem (ložiska Odeř, Ruprechtov, Hájek).
Obr. 1. Rozmístění uranových rudních oblastí a ložisek (Arapov et al. 1984), upraveno Ložisko Rožná je znázorněno červeným bodem 1- střední proterozoikum, 2- svrchní proterozoikum- spodní paleozoikum, 3- svrchní proterozoikumkambrium, 4- granitoidy, 5- spodní paleozoikum, 6- svrchní paleozoikum, 7- svrchní křída, 8paleogén-neogén Morfogenetické typy uranových ložisek: 1- grafitizované zóny drcení v horninách krystalinického fundamentu, 2- žíly a systémy žil v horninách geosynklinálního strukturního patra, 3- chloritizované tektonické zóny ve variských granitoidech, 4- stratiformní uran- uhelná ložiska v sedimentech orogenního strukturního patra, 5- vrstevná ložiska v křídových sedimentech platformního pokryvného patra, 6- stratiformní uranuhelná ložiska v neogenních sedimentech platformního pokryvného patra Hranice uranových rudních oblastí: I- krušnohorská, II- západočeská, III- středočeská, IV- moravská, V- severočeská
5
Uranová rudní oblast
Skupiny uranových
a její číslo na mapě
ložisek
krušnohorská
západočeská
středočeská
moravská
severočeská
I
Uranová ložiska
Číslo ložiska na mapě
jáchymovská
Rovnost, Bratrství aj.
1
slavkovská
Barbora, Ležnice aj.
2
ložiska hroznětínsko-
Odeř, Ruprechtov,
3
ostrovské pánve
Hájek, Hroznětín Dyleň
4
Zadní Chodov
5
Svatá Anna
6
Vítkov II
7
Kamenná, Brod aj.
8
Mníšek
9
Předbořice
10
Ustaleč
11
Damětice
12
Rožná, Rozchody,
13
Olší, Drahotín
14
Jasenice
15
Slavkovice
16
Chotěboř
17
Licoměřice- Březinka
18
Bernardov
19
ložiska strážského,
Břevniště, Hamr,
20
tlusteckého,
Stráž, Osečná-Kotel,
heřmánského a jiných
Heřmánky aj.
II
III
IV
V
příbramská
rožensko-olšinská
bloků Stachanov aj.
21
ložiska mimo uranové
Zálesí-Javorník
22
rudní oblasti
Okrouhlá Radouň
23
Rynholec
24
Tab. 1. Rozmístění uranových ložisek v rudních oblastech (tabulka je součástí mapy)
6
3. Ložisko Rožná Rudní pole Rožná- Olší leží ve východní části strážeckého moldanubika. Strážecké moldanubikum je ohraničeno ze severu železnohorským krystalinikem, z jihu třebíčským masivem, ze západu přibyslavskou mylonitovou zónou a na východě tvoří hranici se svrateckým krystalinikem (Kříbek et al. 2005). Strážecké moldanubikum je strukturně-stratigrafickým pokračováním moravského moldanubika. Dříve měly tyto dvě oblasti společný název. Ale kolem roku 1960, kdy se rozšířil průzkum radioaktivních surovin, bylo zjištěno, že oblast severně od třebíčského masivu, strážecké moldanubikum, má jiný litologicko-stratigrafický vývoj (Mísař 1983). Strážecké moldanubikum je tvořeno cordierit-biotitickými rulami a migmatity, biotitickými a amfibol-biotitickými, často migmatitizovanými rulami s vložkami amfibolitů, erlanových rul a dolomitizovaných vápenců a gföhlskými rulami. Méně hojné jsou granulity a granulitové ruly, které jsou doprovázeny budinami ultrabazik, serpentinitů, pyroxenitů a eklogitů (Kříbek et al. 2005).
3.1 Historie těžby a dobývání v rudním poli Rožná- Olší Uranové ložisko Rožná bylo objeveno na základě zjištěných radiometrických anomálií v roce 1954 a o 3 roky později, tedy v roce 1957, se zahájila těžba. V letech 1957 až 1980 byly vydobyty jámy do hloubky 600 m. V následujících 8 letech (1980-1988) těžba dosáhla hloubky 800-900 m. V dnešní době dosahují jámy hloubky 950-1100 m. Ložisko Rožná má 24 pater, přičemž vzdálenost mezi dvěma patry je 50 m. Ložisko dosahuje tedy do hloubky 1200 m. Na ložisku jsou dobývána rudní tělesa typu zónového a žilného a také tělesa hydrotermálně alterovaných hornin, která se nacházejí v okolí zón. Dobývaná tělesa mají rozměry přibližně 50-60 m úklonné výšky a 50-60 m směrné šířky. Metody užívané na ložiscích Rožná a Olší: 1) výstupkové dobývání s vyztužováním a zakládáním vydobytých prostor; 2) sestupné lávkování na zával pod umělým stopem; 3) dobývání rudních čoček z mezipatrových chodeb; 4) vypouštění aktivních zakládek jako speciální způsob získávání rudniny z dříve vydobytých a založených částí ložiska. Nejvíce využívaná metoda na rudních tělesech zónového typu je sestupné lávkování na zával pod umělým stropem. Metodou je možno získat až 95 obj. % vydobyté rudy. 7
Uranová ruda je upravována pomocí alkalického loužení v místní chemické úpravně. V uranové rudě je uran přítomen jako šestimocný, který je dobře loužitelný, a jako čtyřmocný, který se louží po oxidaci vzdušným kyslíkem (Kříbek et al. 2005).
3.2 Geologická stavba rudního pole Rožná- Olší V okolí ložiska Rožná jsou nejvíce rozšířeny biotitické a amfibol-biotitické pararuly, polohy amfibolitů, vložky erlánových rul, mramorů a kvarcitů, budiny serpentinitů a pyroxenity. Ruly byly ovlivněny v důsledku různě silné migmatitizace, v ojedinělých případech vznikají až anatektické granity. Metamorfovanými horninami prostupují aplitové a pegmatitové žíly. V okolí hranic rudního pole se vyskytují drobné masivky dvojslídných turmalinických granitů (Kříbek et al. 2005). Amfibolity na ložisku Rožná zaujímají polohy mocné až do sta metrů, které jsou uloženy paralelně s foliací. Tvoří zhruba třetinu objemu hornin ložiska. Přechody amfibolitů do okolních pararul jsou postupné, od obohacení biotitem, přes amfibolicko-biotitickou rulu do biotitické pararuly. Nicméně ostré přechody byly také pozorovány. Na ložisku se vyskytují jemně až středně zrnité amfibolity, zatímco hrubě zrnité formy se vyskytují ojediněle. U amfibolitů
převládá
struktura
granonematoblastická
až
nematogranoblastická.
V amfibolitech je obsah křemene do 30 obj. %, plagioklasu 20-70 obj. % a amfibolu 5-80 obj. %. Amfibolity obsahují také akcesorické minerály (apatit, zirkon). Erlánové ruly tvoří nepravidelné ložní polohy mocné 5-15 cm, které se vyskytují v souvrství amfibolitů a amfibolitických rul. V erlan-rulových stromatitech se střídají proužky erlanových rul a proužky biotitických, amfibol-biotitických rul a amfibolitů, které se nacházejí ve strukturním podloží zóny R1. V některých případech obsahují stromatity polohy kalcitických mramorů. Podle Feiduka et al. (1973) se erlanové ruly málokdy vyskytují v doprovodu s drobnými čočkami skarnových hornin, které obsahují granát, pyroxen a kalcit, označil je tedy jako Mg- skarny s důrazem na obsah pyroxenu a granátu. Granity. Vlivem parciálního tavení okolních biotitických a amfiboliticko-biotitických rul vznikly nepravidelná tělesa, ložní a pravé žíly granitů. Vzhledem k tomu, že obsah tmavých minerálů nepřesáhne 5 %, barva granitů je světlá. Nejčastějším tmavým minerálem je granát nebo v některých případech je přítomen i biotit. Struktura granitů je jemnozrnná až středně zrnitá. Minerální složení granitů je následující: křemen, K-živce, plagioklas, granát, biotit. Granity jsou také tvořeny akcesorickými minerály: zirkon, apatit, cheralit a další. K-živce převažují nad plagioklasem a zrna granátů dosahují milimetrových rozměrů, která jsou reprezentována zejména almandinem. Zrna granátů bývají popraskaná a kraje jsou 8
obohaceny o Mn a Fe. Jsou uzavíraná v živcích a je tedy možné, že se jedná o nejstarší magmatický minerál. Jemnozrnné až středně zrnité biotitické pararuly a spolu s jejich migmatitizovanými ekvivalenty jsou nejhojnějšími horninami ložiska Rožná. Biotitické ruly obsahují porfyroklasty granátu a živce a křemenné pásky, které jsou v jemnozrnné rekrystalované matrix. Postupně přecházejí do kvarcitických rul nebo kvarcitů a také do amfibolitů, přičemž přechod do amfibolitů je provázen přes amfiboliticko-biotitické a biotiticko-amfibolitické ruly. Minerální asociace rul je Bt+Pg+Kfs+Qtz±Grt±Sill±Amph. Plagioklas je reprezentován oligoklasem až andezínem. Ruly obsahují také akcesorické minerály jako titanit, rutil, zirkon a další. Migmatity se obvykle vyskytují výrazně páskované se středně zrnitou strukturou, ve kterých mocnost melanosomu a leukosomu se pohybuje od milimetrů po centimetry. Leukosom je tvořen asociací Pg+Kfs+Qtz, ale ojediněle se objevuje také biotit či granát. Důležitým akcesorickým minerálem migmatitů je allanit kvůli obsahu U, Th a REE. Z hlediska minerálního složení jsou stromatitické migmatity ve srovnání s biotitickými a amfibolicko-biotitickými rulami charakteristické vyšším obsahem SiO2, nižším poměrem Na2O/K2O (1,3-1,5) a nižsím obsahem CaO. Migmatity z ložiska Rožná obsahují 5-18 ppm U a 9-12 ppm Th. Mramory. V nevelkém zastoupení jsou na ložisku Rožná kalcitické mramory s ojedinělým obsahem dolomitů. Obsah silikátové příměsi je mnohdy proměnlivý. Příměs je tvořena flogopitem, pyroxenem (diopsid) a forsteritem. Nedaleko jemnozrnných kvarcitů a kvarcitických rul byly objeveny polohy erlanů a mramorů. Obsah křemene v kvarcitech a kvarcitických rulách je 70-95 obj. %. Serpentinizovaná ultrabazika a pyroxenity se vyskytují společně s amfibolity. Při mikroskopickém studování pyroxenitů se nalezla malá zrna granátu (Alm 53-57 %, Prp 24-27 %, Grs 13-25 %, Spes 1-3 %). Výskyt granátu je zaznamenán ve větších zrnech klinopyroxenů, který vznikl až sekundárně kvůli uzavřenin a odmíšení ortopyroxenu. Granát vytváří v horninách malá zrna, která byla obrůstána lemem z plagioklasu a amfibolu. Vzniklé struktury jsou chápány jako výsledek prográdní a retrográdní fáze horniny (Kříbek et al. 2005).
9
Obr. 2. Geologická mapa širšího okolí rudního pole Rožná- Olší (podle Zrůstka 1973, 1977, Vilhelma et al. 1984, s použitím geologických map v měřítku 1:50 000 a archivních podkladů Uranového průzkumu-IV Nové Město na Moravě a Uranových dolů Dolní Rožínka), upraveno Ložisko Rožná je znázorněno červeným bodem
10
4. Radioaktivita Přirozená radioaktivita je spjata s rozpadem jader atomů prvků. Prvky, které mají nestabilní jádra, se označují jako přirozené radioaktivní prvky. Tato jádra prvků se samovolně rozpadají a dávají vznik jiným atomům prvků. Celý průběh je doprovázen emisí nabitých částic nebo energie, která se nazývá radioaktivní záření. Pokud dojde k nestabilitě jader některých stabilních prvků vlivem externího ozáření neutrony, nabitými částicemi nebo kvanty energie, při regresivním přechodu do stabilního stavu se prvky začnou chovat jako radioaktivní (Válek et al. 1972). V přírodě je známo více než 230 typů radioaktivních jader atomů. Vznik alfa, beta a gama záření je zapříčiněn rozpadem radioaktivních prvků v horninách (Matolín 1970).
4. 1 Radioaktivní záření Radioaktivní záření dělíme podle chování v magnetickém a elektrickém poli na α, β a γ (Válek et al. 1972):
Záření α- jedná se o proud heliových jader, která jsou složena ze dvou protonů a dvou neutronů. Částice α má kladný náboj a při průchodu látkou, která je ionizována α částicí, ztrácí rychle energii.
Záření β- jde o proud se záporně nabitými elektrony. Počáteční rychlost β částic a energie má různé hodnoty. β částice mohou pronikat hliníkovou deskou o tloušťce do 5 mm.
Záření γ- je elektromagnetické záření, které má rychlost šíření shodné s rychlostí světla. Při pronikání hmotou γ kvanta ztrácejí svou energii a jejich doběh se pohybuje přibližně 700 m ve vzduchu. Nejvýznamnějšími jevy jsou fotoefekt, Comptonův rozptyl a tvoření párů elektron-pozitron. Fotoefekt je typickým tím, že při něm vyráží γ kvantum z elektronového obalu hmoty elektron. Ke Comptově rozptylu dochází tehdy, když se střetnou γ kvanta s elektronem. Elektron je vychýlen ze své oběžné dráhy kolem jádra atomu a γ kvantum má nižší energii i jiný směr. A při utváření párů elektron- pozitron dochází v silovém poli jádra atomu anihilací γ kvant, kdy energie nabývá vyšších hodnot než 1,01 MeV .
11
4.2 Radioaktivita hornin Radioaktivita u magmatických hornin stoupá se zvyšující se kyselostí hornin. S radioaktivitou hornin souvisejí minerály: apatit, biotit, K-živce, leucit, monazit, muskovit, nefelin a zirkon. Zvýšená radioaktivita magmatitů je typická pro syenity, fonolity a granity, naopak nízkou radioaktivitou se vyznačují ultrabazika (Matolín 19--). Sedimentární horniny s nejvyšší radioaktivitou, jsou jíly a jílovce, zatímco s nejnižší radioaktivitou se vyznačují vápence, sádrovce či křemence. Zásadní význam u radioaktivity metamorfních hornin hraje původní materiál. Nejvyšší hodnoty v Českém masivu dosahují migmatity a ortoruly, kdežto nejnižší serpentinity a amfibolity (Válek et al. 1972).
4.3 Gamaspektrometrická metoda Gamaspektrometrie je radiometrická metoda, kterou se zjišťuje obsah radioaktivních prvků v horninách. Princip metody je založen na zjištění γ záření o určité energii, která je charakteristická pro daný prvek. Nejčastěji jsou zkoumány koncentrace U, Th a K. Přirozené radioaktivní prvky vyzařují γ záření s různou energií a intenzitou. (Válek et al. 1972). Detekující část gamaspektrometu je tvořena průhledným krystalem, speciálně upraveným jodidem sodným. Jakmile paprsek dopadne na krystal, je přeměněn na malý světelný puls, úměrně k energii γ záření. Světelný puls je změřen speciálním světelným zesilovačem, nazývaným fotonásobičem, a pulsy různých velikostí jsou počítány samostatně (Mussett 2000).
12
5. Charakteristika prvků uran, thorium a draslík Radioaktivita hornin se nejčastěji měří detekcí gama záření, protože se vyznačuje největší průchodností hmotou. Při zjišťování radioaktivity hornin se zkoumá především obsah uranu, thoria a draslíku (Jirkovský 1959). 5.1 Uran Uran je chemický prvek, který se řadí v periodické tabulce prvků na čtvrté místo ve skupině aktinoidů. Byl objeven v roce 1789 německým chemikem Martinem Klaprothem, který ho pojmenoval po planetě Uran, která byla v té době právě objevena. Jedná se o radioaktivní prvek, který se v přírodě vyskytuje ve formě izotopů U234 (0,0057 %), U235 (0,7204 %) a U238 (99,2739 %), který je nejrozšířenější. Poločas rozpadu U 238 je 4,56.109 let. V horninách zemské kůry je koncentrace uranu 2 – 4.10-6 ppm. Rozpad uranu je zdrojem α, β, γ záření. Energie gama záření uranu se pohybuje v intervalu 93- 2450 keV. Minerálů, které obsahují uran, je již více než 150. Uranovou rudu tvoří minerály uraninit (44- 88 % U), coffinit (68 % U), brannerit (28- 44 % U) a další. Uran je také přítomen v akcesorických minerálech: zirkonu, titanitu, apatitu, monazitu a dalších (Schejbal 1985).
5.2 Thorium Thorium náleží do stejné skupiny jako uran, do aktinoidů. Prvek byl objeven roku 1828 švédským chemikem Jönsem Berzeliem, když zkoumal minerál, který později pojmenoval jako thorit. Thorium je směsí šesti radioaktivních izotopů 232
a Th
227
Th,
228
Th,
230
Th,
231
Th,
234
Th
, které z nich má zásadní význam v přírodě a je tedy i hlavním izotopem. Typickou
vlastností thoria je stabilnost. Průměrná koncentrace thoria v zemské kůře je 8 – 12.10-6 ppm. Poločas rozpadu Th232 je 1,39.1010 let (Matolín 1970). Energie gama záření thoria leží v intervalu 238- 2620 keV (Pluskla, 1972).
5.3 Draslík Koncentrace K v zemské kůře je přibližně 2,5 %. Draslík se v přírodě vyskytuje ve formě tří izotopů K39, K41 a K40, který je jediný radioaktivní. Jedná se o velmi rozšířený prvek v litosféře, zejména v magmatických a metamorfovaných horninách. Draslík je přítomen v draselných živcích, leucitu, nefelínu, biotitu, muskovitu, sericitu a flogopitu. Poločas rozpadu K40 je 1,25.109 let (Matolín 1970).
13
6. Literatura Arapov, J. A. – Bojcov, V. J. – Česnokov, N. I. – Djakonov, A. V. – Halbrštát, J. – Jakovjenko, A. M. – Kolek, M. – Komínek, J. – Kozyrev, V. N. – Kremčukov, G. A. – Lažanský, M. – Milovanov, I. A. – Nový, V. – Šorf, F. (1984): Československá ložiska uranu. – SNTL- Nakladatelství technické literatury ve středisku interních publikací. Praha.
Jirkovský, R. (1959): Použití přirozené a umělé radioaktivity v geologii, hornictví a úpravnictví. – Nakladatelství ROH. Praha.
Kříbek, B. & Hájek, A. (2005): Uranové ložisko Rožná. Model pozdně variských a povariských mineralizací. – Česká geologická služba. Praha.
Matolín, M. (1970): Radioaktivita hornin Českého masivu. – Československá akademie věd. Praha.
Matolín, M. (19--): Průzkum radioaktivních surovin geofyzikálními metodami a radioaktivita hornin ČSSR. – Universita Karlova. Praha.
Mísař, Z. (1983): Geologie ČSSR I. – Státní pedagogické nakladatelství. Praha.
Mussett, A. E. & Khan, M. A. (2000): Looking into the earth, An introduction to geological geophysics. – Cambridge university press. UK.
Pluskal, O. (1972): Úvod do geologie uranových ložisek. – Státní pedagogické nakladatelství. Praha.
Schejbal, C. (1985): Ložiska radioaktivních surovin: geneze a metalogeneze ložisek uranu a thoria. – Vysoká škola báňská. Ostrava.
Válek, R. – Gruntorád, J. – Matolín, M. – Mareš, S. – Skopec, J. (1972): Užitá geofyzika. – SNTL- Nakladatelství technické literatury. Praha.
14
