Geologická a mikroklimatická charakteristika speleoterapeutické léčebny na 2. patře ložiska Zlaté Hory-jih

Geological and microclimatical characterization of the speleotherapeutical sanatorium on the 2^nd Level of the Zlaté Hory-South deposit

Daniel Sas¹, Oldřich Navrátil ¹, Petr Sládek ¹, Jan Surý ¹, Jindřich Štelcl ², Jiří Zimák ³

¹ Katedra speciální chemie, Vysoká vojenská škola PV, 682 03 Vyškov

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

³ Katedra geologie PřF UP, tř. Svobody 26, 771 46 Olomouc

Předloženo 2. června 1997; do tisku doporučil Jiří Smola, Petr Borek

Key words: geology, speleotherapy, microclimatical characterization, radon, atmospheric ions

Abstract

The paper presents some basic data on geology of the 2^nd level of the ore deposit Zlaté Hory South where children´s speleotherapy is nowadays realized. Description and evaluation of natural radioactivity in the area of the speleotherapeutical sanatorium are given in details; volume and equivalent volume activities of radon, concentrations of atmospheric ions and meteorological data were measured during the period 1995-1996. The results are compared with the data obtained by the same scientific team in the speleotherapeutical sanatorium in the Javoříčko Caves. The sources of natural ionizing radiaction are reviewed in general as well.

Úvod

Léčebna ve Zlatých Horách využívá ke speleoterapii podzemní prostory již opuštěného důlního díla. Jde o jedinou speleoterapeutickou léčebnu v České republice, která k léčbě nevyužívá prostory jeskynního typu. V okolních státech je speleoterapie v starých důlních dílech běžná (např. známé lázně Bad Gastein v Rakousku) a provádí se zde úspěšně již řadu let (Hofmann 1990). Výsledky našeho výzkumu ve zlatohorské léčebně umožňují provést vzájemné srovnání sledovaných parametrů jak v přirozeně vzniklých, tak i v  uměle vybudovaných podzemních prostorách.

Problematice radioaktivity atmosféry speleoterapeutických pracovišť (STP) se věnuje v posledních deseti letech zvýšená pozornost, přestože představuje jen jeden z faktorů pozitivně ovlivňujících léčbu. Hlavním původcem přírodního radioaktivního záření v STP jsou v podstatě pouze tři radionuklidy:

⁴⁰K - zářič beta a gama, je přítomen ve všech draselných sloučeninách, t.j. v pevné fázi, cca 0,01% výskyt v přirozené izotopické směsi (T=1,27.10⁹ let). Radiační situaci může ovlivnit pouze tam, kde jsou přítomny draselné minerály.

²³⁸U - mateřská látka uranové radioaktivní řady, ve které její členové podléhají přeměnám alfa, beta a gama. Vedle tohoto izotopu je ještě přítomen ²³⁵U - mateřská látka aktiniové řady, ale vzhledem k jeho výskytu v přirozené izotopické směsi (0,7%) a krátkým poločasům přeměny jeho, pro nás důležitých členů, můžeme jeho přítomnost zanedbat. Za běžné koncentrace ²³⁸U lze považovat 4 a méně ppm.

²³²Th - mateřská látka thoriové řady, ve které její členové také podléhají přeměnám alfa, beta i gama. Řada obsahuje izotop ²²⁰Rn (T = 55s); vzhledem k této hodnotě se zpravidla s jeho působením počítá maximálně z 10%. Běžné koncentrace ²³²Th jsou 9 ppm a nižší.

Hlavní izotop radonu - ²²²Rn - je inertním plynem, zářičem alfa (T = 3,82 dne). Je účelné si uvědomit, že vzniká alfa přeměnou člena uranové řady ²²⁶Ra (T = 1600 let), který je součástí pevné fáze (podloží, přírodní materiály stěn jeskyní, dolů ), resp. kapalné fáze - voda. Radon difunduje do ovzduší a přeměňuje se na další radioaktivní izotopy polonia (T = 3 min a 1,6.10^-4s), olova (26,8 min) a vizmutu (19,8 min), které nazýváme dceřiné produkty (d.p.). Ty jsou ale na rozdíl od radonu opět obsaženy zpravidla jako ionty v pevném skupenství, jsou to zářiče alfa, beta i gama (Cothern, Smith 1987). Běžně jsou součástí aerosolů v ovzduší či jsou sorbovány na stěnách. Mezi ²²²Rn a dceřinými produkty se ustanovuje poměrně komplikovaná radioaktivní rovnováha, vyjádřená tzv. rovnovážným faktorem F. Tento je charakterizován jako poměr ekvivalentní objemové aktivity radonu k objemové aktivitě radonu (Swedjemark 1983):

F = EOAR / OAR (1)

kde EOAR je definována jako vážený součet objemových aktivit dceřiných produktů radonu (Burian, Fleischer 1996):

EOAR = 0,105*a_V,RaA + 0,515*a_V,RaB + 0,38*a_V,RaC (2)

kde a_V,RaA je objemová aktivita ²¹⁸Po, a_V,RaB je objemová aktivita ²¹⁴Pb a a_V,RaC je objemová aktivita ²¹⁴Bi. Jednotkou objemové aktivity u všech těchto veličin je Bq.m^-3.

Rovnovážný faktor je bezrozměrné číslo dosahující hodnot od 0 do 1.

Uvolňování radonu z horninového prostředí se řídí určitými pochody, které lze namodelovat. Mateřské jádro rádia se přeměňuje podle schématu ²²⁶Ra ® ²²²Rn + ⁴He , přičemž toto původní jádro musí být nejvíce 70 nm pod povrchem horninového zrna, aby se vzniklý atom radonu po odrazu od částice alfa dostal na povrch do ovzduší, resp. vodní vrstvy zrno obklopující, a teprve potom do ovzduší. Poslední argument zároveň informuje, že bude záležet na vzdušné vlhkosti. Dále záleží již jen na difuzi radonu ve vzduchu a na pohybu vzduchových vrstev. Tento pohyb bude ovlivňován změnami teploty, změnami barometrického tlaku a v jejich důsledku prouděním vzduchu a samozřejmě také celkovou konfigurací podzemní prostory (délka, hloubka, komunikace s povrchem, výškové rozdíly jednotlivých částí atd.). Mimo proudění vzduchu hrají zřejmě svou roli i skutečnosti související s dešťovými srážkami, se zemským magnetickým polem, rychlostí a směrem větru.

Při radioaktivních přeměnách, zvláště alfa, dochází k interakci záření s okolními molekulami ovzduší a důsledkem toho je jejich excitace, resp. ionizace. Vznikají kladné a záporné atmosférické ionty, z nichž právě ty záporné (např. N₂^-, O₂^-) mají na člověka pozitivní vliv. Koncentrace těchto iontů závisí na zdroji ionizace a na čistotě ovzduší (Spurný 1985).

Stručná geologická charakteristika prostoru speleoterapeutické léčebny

Zlatohorská speleoterapeutická léčebna využívá důlní prostory, které jsou pozůstatkem po těžbě sulfidických rud na ložisku Zlaté Hory-jih (speleoterapie je provozována v upravené části 2. patra, přístupné štolou).

Zlatohorských rudní revír, jehož součástí je Cu-ložisko Zlaté Hory-jih (dále jen ZH-J), se nachází v severní části vrbenské skupiny. Ta je v prostoru zlatohorského revíru tvořena regionálně metamorfovaným vulkanosedimentárním komplexem devonského stáří - stupeň metamorfózy v prostoru zlatohorského revíru odpovídá v jeho jižní části chloritové až biotitové zóně, v severní části až granátové zóně. V revíru se objevuje poměrně pestrá škála metamorfovaných hornin, z nichž nejrozšířenější jsou kvarcity (obvykle muskovitické, chloritické a muskovit-chloritické), muskovitické břidlice (často kvarcitické), mramory (převážně kalcitické), příměsmi bohaté mramory, zelené břidlice (hlavně chloritické zelené břidlice, často karbonátické, ale také chloritické kvarcitické břidlice) a horniny vzniklé metamorfózou kyselých vulkanitů (resp. jejich tufů), které jsou v literatuře označovány jako metakeratofyry, metakvarckeratofyry, porfyroidy, kyselé metatufy apod. (např. Fediuk a kol. 1974, Fišera, Souček 1974). Produkty metamorfózy kyselých vulkanitů a jejich tufů tvoří zpravidla drobná tělesa v kvarcitových horizontech, jejich rozpoznání v terénu je takřka nemožné a většinou nelze tyto horniny od kvarcitů odlišit ani běžnými petrografickými metodami založenými na studiu výbrusů (přítomnost metamorfovaných kyselých vulkanitů a tufů lze předpokládat i v masívních kvarcitech, tvořících centrální část ložiska ZH-J - viz obr. 1).

Rohovcové kvarcity ložiska ZH-J jsou světle šedé až světle zelené masívní horniny, velmi často bez makroskopicky zřetelné foliace, obsahující jen nepatrné množství fylosilikátů (muskovitu nebo chloritu a muskovitu); přibýváním fylosilikátů rohovcové kvarcity přecházejí do muskovitických kvarcitů nebo chloritických kvarcitů. Chlorit-muskovitické břidlice a muskovitické břidlice (často kvarcitické nebo karbonátické) se na 2. patře ložiska ZH-J vyskytují v podloží kvarcitického komplexu a v jeho nadloží.

Rudní mineralizace ložiska ZH-J je vyvinuta v masívních rohovcových kvarcitech a při jejich nadložním a podložním kontaktu s muskovit-chloritickými a chlorit-muskovitickými břidlicemi, resp. kvarcitickými břidlicemi (obr. 1). Ložisko ZH-J je tvořeno větším počtem ložiskových těles. Ve sledované části 2. patra (viz obr. 1) jde o tělesa, která jsou ve výpočtech zásob i v některých publikacích označována jako 3/1 + 4/1, 5, 8/1 + 9/1 a 10/1. Ze strukturně geologického i mineralogického hlediska lze na ložisku ZH-J rozlišit dva typy ložiskových těles. Prvním typem jsou přikontaktní tělesa, která sledují nadložní kontakt rohovcových kvarcitů s “břidlicemi” (těleso 3/1 + 4/1) nebo podložní kontakt rohovcových kvarcitů s “břidlicemi” (těleso 10/1). Sulfidické zrudnění přikontaktních těles je tvořeno pyritem a chalkopyritem. Druhým typem jsou vnitřní tělesa, označovaná ve zlatohorském revíru někdy jako tělesa typu “Katanga” (tělesa 5 a 8/1 + 9/1), která se vyskytují uvnitř rohovcových kvarcitů. Vnitřní tělesa mají diskordantní průběh a sledují puklinově zlomové struktury. V případě tělesa 5 jde o mohutnou křemennou žílu s četnými odžilky, zrudněnou pyrhotinem a chalkopyritem; těleso 8/1 + 9/1 představuje komplikovaný systém rudních těles strmého úklonu kombinovaný s ložními polohami pyritu, lokálně obohacenými chalkopyritem (Pauk a kol. 1963, Janák, Augusta 1969, Janák 1970, Constantinides, Pertold 1974).

Obr. 1. Schematická geologická mapa 2. patra ložiska Zlaté Hory-jih v prostoru speleoterapeutické léčebny (upraveno podle Janáka, Augusty 1969 a Janáka 1970). 1 - rohovcové kvarcity, 2 - kvarcity s fylosilikáty, 3 - chlorit-muskovitické a muskovitické břidlice (převážně kvarcitické), 4 - rudní tělesa
Fig. 1. Schematic geological map of the 2^nd level of the deposit Zlaté Hory-South in the speleotherapeutical sanatorium area (after Janák, Augusta 1969 and Janák 1970). 1 - quartzites with very small contents of muscovite and/or chlorite, 2 - quartzites rich in muscovite and/or chlorite, 3 - chlorite-muscovite schists and muscovite schists (mainly quartzose), 4 - ore bodies

Použité přístroje a pracovní postupy

Pro měření objemové aktivity radonu (OAR) byl použit Portable Radon Gas Surveyor 5S SILENA (Itálie) s měřícím rozsahem 0 - 1.10⁵ Bq.m^-3 a chybou měření 10 Bq.m^-3 na 10 KBq.m^-3. Pomocí přístroje Radon Thoron Daughter Meter 4S SILENA (Itálie) byla sledována ekvivalentní objemová aktivita radonu (EOAR). Přístroj má měřící rozsah 0 - 1.10⁵ Bq.m^-3 a chybu měření 10 Bq.m^-3 na 10 KBq. Pro měření koncentrace atmosférických iontů byl použit Ion Meter PN 2001 PERISO (Švýcarsko) s měřícím rozsahem 0 - 400.10⁶ iontů.cm^-3 a chybou měření 1000 iontů na 2,5 miliónů. Mikroklimatické podmínky se měřily pomocí Multilogger-analyser BABUC LSI (Itálie) a Therm 2281-8 AHLBORN (SRN) s chybou měření maximálně 2% z rozsahu měřené veličiny.

V průběhu 24 hodinového cyklu byly průběžně měřeny OAR, EOAR, teplota vnitřní i vnější, barometrický tlak, vnitřní i vnější vlhkost, rychlost proudění vzduchu uvnitř lokality a koncentrace atmosférických iontů (pozitivních i negativních). Nepravidelně byly sledovány hodnoty dávkového příkonu a koncentrace vybraných plynů. V komplexu STP ve Zlatých Horách bylo od dubna.1995 do března.1996 provedeno 12 čtyřiadvacetihodinových měření v měsíčních intervalech. Sběr dat probíhal na stacionárním místě ve středu speleoterapeutické léčebny (Obr. 2).

Obr. 2. Půdorysné schéma prostoru speleoterapeutické léčebny na 2. patře ložiska Zlaté Hory-jih
Fig. 2. Ground plan of the speleotherapeutic sanatory at the 2^nd level of the Zlaté Hory-South deposit.

Výsledky a diskuse

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

Roční výsledky 24 hodinových měření OAR, které dokumentují rozsah denního a nočního cyklu, jsou znázorněny na obr.3. Zde lze pozorovat (mimo měsíce dubna, kdy ještě nebyla možnost regulace větrání štoly pomocí posuvných šíbrů), že od měsíce května 1995 do března 1996 se hodnoty OAR pohybují v rozsahu od 180 do 710 Bq.m^-3. Průměrná hodnota OAR se pohybuje kolem hodnoty 500 Bq.m^-3. Z výsledků vyplývá, že je u této lokality velmi silně potlačen typický jeskynní roční cyklus - tzn. rozdíl zimních minimálních a letních maximálních hodnot (např. Javoříčko 200 a 7000 Bq.m^-3). Možností regulovat větrací režim pomocí šíbrů se dosáhlo toho, že lze v jakémkoliv ročním období regulovat pohyb vzduchových mas, což má za důsledek malou fluktuaci OAR v průběhu roku. Další výhodou štoly oproti jeskyním prostorům je skutečnost, že se zde nevyskytují skryté komíny komunikující s povrchem, které podstatně ovlivňují větrací režim celého systému.

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

Ročním měřením EOAR byly zjištěny hodnoty od 60 do 280 Bq.m^-3. Průměrná hodnota EOAR se pohybovala kolem 200 Bq.m^-3. Lze konstatovat, že aktivita přeměnových produktů radonu víceméně kopírovala chování aktivity samotného radonu.

Rovnovážný faktor F se pohyboval v rozmezí 0,2 - 0,6 (průměr 0,45). Lze sledovat odlišnost chování ročního cyklu v uzavřeném a otevřeném podzemním systému. Zatímco v otevřeném systému je patrné maximum v zimních měsících a minimum v letních měsících (např. Javoříčko), v uzavřeném je roční cyklus takřka neznatelný (obr. 4). Lze tudíž uvažovat o tom, že jeden z hlavních důvodů rozdílu hodnot rovnovážného faktoru F v jednotlivých ročních obdobích bude proudění vzduchových mas. Mimo tuto skutečnost bude hodnoty F ovlivňovat i čistota vzduchu, vlhkost vzduchu, geomagnetismus a další faktory.

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 (Gruntorád, Lajčíková 1992). Koncentrace kladných atmosférických iontů dosahovala hodnot od 200 do 9000 iontů.cm^-3, koncentrace záporných iontů dosahovala hodnot od 200 do 9500 iontů.cm^-3, koeficient unipolarity se pohyboval od 0,7 do 1,3. Průměrná hodnota koeficientu unipolarity je 0,98. Studiem bylo prokázáno, že koncentrace atmosférických iontů je lineárně závislá na objemové aktivitě radonu (obr. 5). V porovnání s lokalitou Javoříčko lze konstatovat, že pro každou lokalitu lze najít specifickou směrnici přímky závislosti koncentrace iontů na OAR. V souvislosti s počátkem této přímky je možno charakterizovat, je-li je vznik iontů úzce spjat pouze s přítomností radioaktivního záření, nebo jej ovlivňují i další přítomné zdroje např. rozstřikování skapové vody.

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

Dávkový příkon záření gama

Dávkový příkon byl měřen 8x za 24 hodinový cyklus a má průměrnou hodnotu 75,0 ± 5,0 nGy.h^-1 , což je hodnota z hygienického hlediska zanedbatelně malá (ve vyhlášce 76/1991 je za závadnou stanovena hodnota 2000 nGy.h^-1). Velmi nízká hodnota dávkového příkonu a její shodný časový průběh s OAR i EOAR odpovídají okolnímu horninovému složení (nízký podíl přirozených radioaktivních prvků), odfiltrování kosmické složky záření gama (60 metrů nadloží) a množství dceřinných produktů rozpadu radonu ²¹⁴ Bi a ²¹⁴ Pb, které jsou beta a gama zářiče.

Závěr

Prostředí ve kterém se pohybují pacienti při léčbě speleoterapií, hraje dominantní roli. Jeho úlohou je kompenzovat všechny negativní vlivy, kterým jsou pacienti běžně z hlediska jejich choroby vystaveni. Proto je potřebné sledovat přírodovědné aspekty těchto lokalit jak z místopisného, tak z časového hlediska.

Literatura

Burian I., Fleischer I. (1996): Thoron ²²⁰Rn a jeho dceřiné produkty..- Bezpečnost jaderné energie, 3/4, 94-99.

Constantinides D., Pertold Z. (1974): Geologická pozice ložiska Zlaté Hory - jih. - Acta Univ.Carol., Geol., 1974, 145-154, Praha.

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

Fediuk F., Pouba Z., René M., Tomšík J. (1974): Kvarcity, metasilexity a metakeratofyry zlatohorského rudního revíru. - Acta Univ.Carol., Geol., 1974, 185-202, Praha.

Fišera M., Souček J. (1974): Metamorfované horniny vrbenského devonu zlatohorské oblasti. - Acta Univ.Carol., Geol., 1974, 231-257, Praha.

Gruntorád J., Lajčíková A. (1992): Porovnání koncentrace atmosférických iontů s objemovou ekvivalentní aktivitou ²²²Rn. - Geol.Průzk., 34, 10, 293-296, Praha.

Hofmann W. (1990): Gibt es biopositive Effekte bei der Radontherapie? - Z. Phys. Med. Baln. Klim. (Sonderheft 2), 19, 69-77.

Janák J., Augusta L. (1969): Nové názory na vývoj a vyhodnocení ložiska Zlaté Hory - jih. - Geol.Průzk., 11, 35-40, Praha.

Pauk T. a kol. (1963): Zpráva o druhém výpočtu zásob Cu rud ložiska ZH-jih -Žebračka - Kozlín. MS. RD Jeseník.

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

Swedjemark G.A.(1983): The equilibrium factor F. - Health Physics, 45, 453-462.