Antropogeneze v geologii
doc. RNDr. Jiří Matyášek, CSc.,
Prof. RNDr. Miloslav Suk, DrSc.

2. 7 Změny ve složení litosféry, horninové prostředí

Jako horninové prostředí se označuje část litosféry v dosahu lidské činnosti, tzn. asi 15 km svrchní části zemské kůry, kam umožňují dosáhnout současné technické prostředky (vrty nebo hloubené šachty). Horninové prostředí ovlivňuje hodnotu krajiny (spoluvytváří georeliéf), určuje zákonitosti oběhu hlubinných vod a jejich složení, vytváří geologická rizika (např. svahové pohyby, šíření zemětřesení ovlivnění eroze), má určující význam pro stavebnictví (bezpečná lokalizace výstavby nových objektů, podzemní úložiště, dopravní stavby, tunely apod.), vytváří fyzikální pole a anomálie (magnetické a elektrické, tíhové, geotermální) a také geochemické pole, které ovlivňují lidstvo daleko více, než si uvědomujeme.

Podle Kukala a Reichmanna (2000) je horninové prostředí nejsvrchnější část zemské kůry, kde se projevuje nebo může projevit lidské činnost. Je tvořeno pevnými horninami, nezpevněnými zeminami, půdou a vším co se v nich nachází, tedy nerostnými surovinami, podzemní vodou a plyny v pórech hornin a půd.

Antropogenní procesy způsobují globální změny právě v nejcitlivější zóně interakce litosféry, atmosféry, hydrosféry a biosféry.

K antropogennímu ovlivnění litosféry v této zóně dochází:

Nepřímo, znečišťováním vzduchu, jehož prostřednictvím se látky dostávají přes půdy do litosféry a mění složení její svrchní části.

Např. emise CO₂ od roku 1991 dosahují 6 mld. tun ročně a v důsledku toho roste průměrná teplota na světě. V roce 1994 byla zatím nejvyšší 15,32 ^oC. K mírnému ochlazení došlo jen v roce 1991 po erupci sopky Pinatubo na Filipínách. Koncentrace Pb v atmosféře podle měření v sedimentech švédských jezer a ve vrtech v grónském ledovci rapidně vzrostla v 6. stol. př. n. l. a držela se na vysoké hladině do 4. stol. n. l. Až čtyřnásobné zvýšení obsahu olova v té době bylo způsobeno tavbami stříbrných rud v antických mincovnách (obr. 8, obr. 9). K dalšímu výraznému zvýšení došlo z obdobného důvodu v 15. a 16. století a v 19. století v době technické revoluce. Další zvýšení přinesl rozvoj automobilizmu ve dvacátých letech 20. století. Nejasná je příčina náhlého zvýšení obsahu olova v atmosféře kolem roku 1870. Tzv. „skleníkové plyny“ z lidských zdrojů jsou nyní složeny z CO₂ 60 %, metanu 20 %, NO₂ 6 % a halogenových sloučenin 14 %.

Velmi významné pro další vývoj jsou ztráty kyslíku spalováním fosilních paliv, zejména v tepelných elektrárnách. Jsou provázeny přínosem oxidů síry do atmosféry a devastací ozónové vrstvy. Jedním z důsledků je okyselování půd a vod. Proto je snižování emisí SO₂, SO₄ apod. prvořadým úkolem (obr. 55, obr. 110).

Prostřednictvím atmosféry se dostává do litosféry také spad popílků (atmosférický transport a sedimentace znečišťujících látek, obr. 35, obr. 38).

Nepřímo, vstupem člověka do koloběhu vody, změnami hydrogeologické pozice, změnami teploty a znečištěním.

Přímé znečištění litosféry je způsobeno zejména průmyslovými a komunálními odpady a zemědělskou činností, zasolením a antropogenním vznikem umělých anomálií prvků.

Pod velkými městy založenými na prosáklých horninách zasahuje znečištění litosféry do hloubky až 10 000 m.

Zdroje antropogenních změn horninového prostředí jsou:

• bodové: nejčastěji stavby živočišné zemědělské výroby a havárie cisteren a nákladních aut, průmyslové podniky, sklady apod. Hlavním zdrojem znečištění bývají chemické závody, které produkují emise a vypouštějí odpady znečišťující podzemní vody,
• lineární: ropovody a plynovody, produktovody všeho druhu,
• plošné: zemědělská rostlinná výroba, letiště, velkosklady, atmosférický spad, průmyslové exhaláty apod.

Abiotické znečištění je nejčastěji:

• acidifikace,
• kontaminace kovovými prvky,
• kontaminace ropnými látkmi,
• kontaminace organickými sloučeninami.

Acidifikace prostředí

Okyselování povrchových vod a půd bylo poprvé prokázáno ve skandinávských jezerech v 50. letech 20. století. V Kanadě a na SV USA bylo zjištěno, že jeho příčinou je spad SO₄ a NO_x při kyselých deštích. Toto okyselovaní, přes filtraci půdou a vegetačním pokryvem, zpomaleně a se zpožděním, ale zcela prokazatelně postihuje též podzemní vody. Proces okyselování má několik fází, z nichž pokles pH je až fází konečnou. Zpočátku je indikován poklesem koncentrace HCO₃ a růstem obsahu sirných kyselin.

Okyselující emise SO₂ jsou více než 10x vyšší v Krušných horách než na Českomoravské vrchovině. Okyselování oxidy dusíku je v Krušných horách asi třikrát větší, než je tomu na Českomoravské vrchovině. Zvýšené koncentrace anionů SO₄ a NO^3- v odtékající vodě jsou vyrovnávány kationy bazických kovů, které se vyplavují ze sorpčního komplexu půd. Nadbytečné protony okyselují jak vodu, jejíž pH klesá pod hodnotu 5, tak půdu, která se stává nenasycenou bazickými kationy.

Velký rozdíl je v množství nitrátů, které z těchto oblastí odtéká a množství dusíku, které je spotřebováno stromy.

Zatímco v Krušných horách odtéká ve formě NO^3- 12 kg (N). ha^-1. rok a 2,5 kg (N). ha^-1. rok^-1 dusíku je vázáno v dřevní hmotě, je tento poměr v lesích Českomoravské vrchoviny obrácený. Nitrátů zde odtéká pouze 0,58 (N). ha^-1 . rok^-1, zatímco je spotřebováno stromy 8,7 kg (N), ha^-1 . rok^-1.

Vlastní kyselý déšť je jen malým příspěvkem k okyselování vod a půd v krušnohorské oblasti a příliš se neliší od referenční oblasti poměrně čisté Českomoravské vrchoviny. Rozpouštění hydroxidu hlinitého z amorfních alumosilikátů v půdě působí jako neutralizační proces v krušnohorské oblasti a spotřebovává 13 mmol (H⁺). m^-2. rok^-1. Tato neutralizace je však škodlivá, protože se při ní uvolňuje hliník do roztoku, kde může působit toxicky na ryby a po absorpci v půdě může spolupůsobit pří odumírání smrků. Na Českomoravské vrchovině rozpouštění hliníku působí ústrojně a vodíkové ionty spotřebovává. Tento jev je způsoben tím, že rozpuštěný hliník v odtoku o pH nižším než 5 je v roztoku převážně přítomen ve formě Al³⁺ a Al(OH)²⁺, kdežto v odtoku s vyšším pH než 6,5 je ve formě anionu Al(OH)^4-.

V důsledku kyselých dešťů má v České republice až 60 % půd kyselou reakci. Proti okyselování půd a jeho následkům (pokles obsahu hořčíku v půdě) se používá posyp mletým dolomitem, který slouží k ochraně lesů před emisemi oxidu siřičitého a používá se i k neutralizaci povrchových půd. Půdy je nutno hodnotit i z hlediska odolnosti proti acidifikačním vlivům. Ukazateli jsou pufrační kapacita půdy a křivka ACN (kyselinotvorná neutralizační kapacita).

Kontaminace kovovými prvky

Také největší část znečištění půd kovy pochází z atmosférového spadu (Hg 91 %, Pb a As 82 %, Cd a Ni 60 %). Zdrojem kovů v atmosféře jsou hlavně zařízení využívající fosilní paliva (teplárny, kotelny) a mobilní zdroje (automobilová a železniční doprava). Proto jsou postiženy základové půdy ve velkých městech (v Praze byl spad v zimě 1987 za 1 měsíc až 3,7 t. km^-2 ). Jen menší význam mají půdy s hnojivy (s výjimkou Cr, který je asi 2x vyšší než vstupy z atmosféry). Kovy se koncentrují jednak v nejsvrchnějším půdním horizontu, jednak v horizontu podzolů.

Zdroje znečištění prvky jsou velmi rozdílné.

Znečištění vápníkem způsobují převážně úlety z cementáren, síra a arzén pochází z úletů z uhelných elektráren, kadmium může pocházet z důlních odpadů ve vodotečích (v Japonsku způsobuje nemoc itai-itai), u nás jsou nejdůležitějším zdrojem odpady z akumulátoroven a galvanoven (např. Praha-Gbely, Motorlet u Jinonic), stejně jako v USA a Kanadě (ústí řeky Hudsonu). V Japonsku se na znečištění kadmiem podílí továrny na elektronická zařízení (Hitachi u Tokia).

Ale ani fosfátová hnojiva nejsou zanedbatelným zdrojem. V uplynulých desetiletích se obsah kadmia v ledvinách obyvatel jižní Moravy zvýšil 10x, zřejmě potravinovým řetězcem v důsledku hnojení zahraničními fosfátovými hnojivy. Zdrojem olova je převážně automobilová doprava (olovnatý benzín), o tom svědčí anomální koncentrace kolem dálnic a frekventovaných silnic, ale i sklárny (např. v 19. století a dřívějších letech odpady ze sklárny v Chlumu u Třeboně znečistily písky třeboňské pánve natolik, že v okolí sklárny dosahují dodnes obsahy olova až 3 000 ppm). Obsah olova v ovzduší se od počátku devadesátých let 20. století u nás snižuje, snad v souvislosti s rozvojem využívání bezolovnatého benzinu v zemích Evropské unie.

Člověk ve městě produkuje asi 1 kg odpadků denně, v nichž je 65 000 ppm olova a 1500 ppm kadmia. Klark kadmia je 15 ppm, obsah v půdách ČR 40 ppm, světový průměr je 10 ppm, v Praze je průměr 496 ppm a místy v Praze (Gbely) je světový průměr převýšen až 500x. Pražské půdy, zejména v Holešovicích a na jižním okraji Tróje, obsahují i vyšší obsahy dalších prvků, převyšujících přípustné koncentrace: Zn (1,5 kg na tunu zeminy), Cu (2,5 kg), Pb, Cr a V (obr. 46, obr. 47, obr. 48, obr. 49, obr. 50, obr. 51, obr. 52, obr. 53). V souvislosti s jinou skladbou průmyslu jsou anomální koncentrace v Bratislavě odlišné: jde hlavně o Ag, Zn a Hg (1 020 ppm), B 1 060 ppm a Pb 1 718 ppm, pocházející hlavně ze spaloven a sklárny.

Obsah těžkých kovů v jemných říčních sedimentech, který je hlavním ukazatelem znečištění vod stopovými prvky je způsoben asi z poloviny současnou průmyslovou činnosti a z druhé poloviny výtoky důlních vod a splachy z hald.

Překvapivé je především značné znečištění stříbrem, které často převyšuje přirozenou koncentraci až 10x. Nejvyšší obsahy (20–40 mg/kg) byly v 80. letech 20. století zjištěny pod Hradcem Králové v Labi, což naznačuje, že příčinou je především použití sloučenin stříbra při zpracování filmů a fotografií (bývalý podnik FOMA). Podobně vysoké je i znečištění kadmiem, pocházejícím jednak ze starých důlních děl dolní tok Litavky, vodoteče v Krušných horách, jednak odpady z pokovovacích lázní (Lužická Nisa, Vinořský potok v roce 1986 až 0,2 % Cd). Znečištění řek rtutí je způsobeno odpady z průmyslových závodů (Labe pod Pardubicemi, Bílina, Ohře) a silná znečištění olovem a arzénem jsou následky starých hornických aktivit (Ohře), zpracování olovnatého skla (Sázava) a chrom, jako odpad kožedělného průmyslu (Oslava, Úpa a Labe pod Jaroměří). Nejvyšší obsahy uranu byly zjištěny v Ostrovské Bystřici a Ohři, v Blanici u Vlašimi, cínu v Kyjovce u Svatobořic-Mistřína u Kyjova a v Metuji, mědi ve Svatavě, Lužické Nise a Osoblaze, zinku v Odře pod Ostravou a zlata v Jihlavce, Otavě, Lužické Nise a Vltavě pod Prahou. Plošné znečištění po roce 1980 pozvolna klesá.

Významné je zjištění, že velikost anomálií přírodního původu se ani po patnácti letech nemění, zatímco rozsah znečištění kovy antropogenního původu a velikost anomálií doznává význačných změn. Bylo to prokázáno na Českomoravské vrchovině, kde byly zopakovány analýzy 12 kovů prováděné v rámci šlichové prospekce po 15 letech.

Např. koncentrace chrómu v řečištních sedimentech říčky Brtnice za 15 let stoupla na dvojnásobek v důsledku kontaminace ze skládky kožedělné výrobny.

Litosféru znečišťují také látky používané k extrakci kovů z rudniny v úpravnách. Dostávají se do prostředí vyluhováním z nesprávně umístěných skládek úpravárenského odpadu nebo při haváriích.

Katastrofální dosah měla havárie na dole Omai v jihoamerické Guayaně (1995), kde kyanid, používaný k těžbě zlata v objemu 3 mil. m³ unikl do vodotečí a došlo tak k zamoření rozsáhlého území.

Kontaminace ropnými produkty

K malým kontaminacím půd a horninového prostředí dochází prakticky stále při zemědělském obdělávání v důsledku využívání mechanizace. Větší znečištění hrozí u skladů benzínu, letišť, ropovodů i při dopravních nehodách cisteren. Na rozsah znečištění lze soudit z geofyzikálních údajů (např. atmogeochemie) a změny rostlinných společenstev. Snižuje se diverzita zasažených porostů a druhy citlivé vůči znečišťující látce ustupují.

Ze změn lze dokonce usuzovat na druhy znečištění:

• plyn: i velmi slabé účinky se projeví změnou odstínu listové zeleně, sterilitou a nanizmem, spojenými s kyslíkovým deficitem v půdním vzduchu,
• ropné látky: mizí petroleofóbní druhy (bříza bílá, ostružiník, ježiník, psineček výběžkatý), usychá jehličí na borovicích.

Kontaminace organickými sloučeninami

Pesticidy jsou většinou aplikovány postřikem, přesto se i po několika letech mohou dostat

do podzemních vod. Velmi nebezpečné jsou úniky koncentrovaných pesticidů na manipulačních plochách, ve velkoskladech, při přepravě, mytí techniky apod. Z vody se prakticky nedají odstranit, proto je třeba asanace již v půdách. Může probíhat dvojím způsobem. Buď se provede skrývka, znečištěná zemina se odveze a vypálí, anebo se provede rozklad na místě. Pozůstává z promísení s rozkladnými látkami (humus, hnůj, rašelina), provzdušnění a závlah, zvýšení alkality půdy vápnem a nutriety (dusíkatá hnojiva).

Ostatní znečišťující látky

Horninové prostředí ohrožují hlavně polycyklické aromatické uhlovodíky PCD, PAH a PCB (polychlorové bifenyly), jejichž limit byl překročen už i v jeskynních sedimentech Moravského krasu.

K chemickému znečištění je třeba řadit i solení půd, které znemožňuje jejich hospodářské využití. Sporadický výskyt solných půd na jižní Moravě je přírodního původu, ale jinde ve světě se zasolením ztrácí až 125 000 ha orné půdy ročně. K zasolování dochází zavlažováním mořskou vodou, zimním solením komunikací, nevhodným způsobem zavlažování s vysokým odparem a vypouštěním agresivních vod. Za příhodných podmínek se mohou běžné vody změnit na agresivní.

K přímé kontaminaci litosféry přispívá i podzemní skladování. Jde zejména o problémy spojené s ukládáním radioaktivního odpadu do vrtů a štol.

Běžně se používají vytěžená ložiska zemního plynu a ropy k ukládání různého druhu odpadů, které mohou být přes veškerá opatření příčinou rozsáhlého znečištění hornin i podzemních vod.

Změny ve složení vod

Mořská voda je ohrožena hlavně znečištěním ropnými látkami. Těžké kovy (Fe, Mn, Zn, Pb, Hg) se zčásti sráží a koncentrují v tzv. manganových konkrecích, zčásti jsou sorbovány organizmy, takže z Japonska jsou známy otravy masem ryb, které absorbovalo rtuť. Např. mořský plankton sorbuje uran, bakterie Pseudomonas fluorescens a Citrobacter akumulují olovo, řasy (Chlorella vulgaris a Scenedesmus acutus) až 70 % ve vodě přítomného kadmia, manganu, zinku a kobaltu.

Většina zdrojů znečištění moří je na pevnině, ale 1,6 mil. tun ročně se do moře dostává z lodí, především z výplachových nádrží. Do moří je též ukládán radioaktivní odpad. To bylo sice mezinárodními dohodami z roku 1983 (pro Atlantský oceán) a roku 1986 (pro Tichý oceán) zakázáno, ale nepochybně tajně pokračuje.

Mořská voda je ohrožována také stavební činností na pobřeží a zemědělstvím. Antropogenní znečištění mořské vody dosahuje dnes rozměrů, že způsobuje vymírání některých mořských organizmů (korálů, bakterií, různých druhů ryb aj.), takže se může název populární knihy parafrázovat jako „špinavá, nikoliv modrá planeta“.

Povrchové a podzemní vody jsou znečišťovány především kyselými dešti a průmyslovými emisemi, odpadními vodami vypouštěnými do povrchových vod, úniky, hlavně ropných produktů a aplikací chemických látek v zemědělství. Znečištění povrchových vod z ovzduší dokládají i výzkumy grónských ledovců a švédských jezer, v nichž bylo prokázáno zvýšení obsahu olova v období před 2600 lety. Ovšem stejný objem olova, jaký se v nich akumuloval cca do roku 1800, se nashromáždil i za dvě poslední století. Povrchové vody obsahují složky léčiv (buď v původní formě nebo jako tzv. metabolity, pozměněné v tělech lidí či zvířat). Obsahy jsou sice nízké (nanogramy až jednotky mikrogramů v litru), ale při dlouhodobém působení mohou působit nepříznivě na organizmy. Do vod se tyto látky dostávají z farmaceutických továren, z nemocnic, z domácností a také z ilegální výroby narkotik.

Ke znečištění vod přispívají neřízené (divoké) skládky odpadů. V důsledku biochemických procesů v nich dochází k výraznému okyselení pronikajících srážek, které rozpouští materiál skládek za vysoké spotřeby kyslíku. Výluh má až 60 000 mg rozpuštěných organických a anorganických látek a tendenci pronikat k hladině spodní vody.

Na znečištění životního prostředí se podílí i uhynulá zvířata a taktéž polychlorbifenyly (příměs z hydraulických systémů bojových vozidel). Nejzákeřnější jsou četné mnohasložkové skládky, které obsahují nejrůznější materiály, včetně munice. Přenáší se v něm i choroboplodné baktérie (cholera, tyfus). U řízených skládek je proto třeba vytvořit izolační vrstvy jílů, sběrný drenážní systém na povrchu a pozorovací vrty (nejméně 3, dva po proudu, jeden proti). U hornických hald, zejména pokud obsahují sulfidy, je nutné snížit toxicitu přidáváním mletého vápence.

Zvýšené používání dusíkatých hnojiv v 60.–70. létech 20. století se projevuje se zpožděním ve znečištění podzemních vod, které v ČR ukazují dlouhodobý nárůst dusičnanů. Hlavní podíl zemědělské činnosti dokazuje i to, že v lesních oblastech je toto znečištění jen v jednotkách mg/l v orných desítky a nejvyšší ve vinařských oblastech. Charakteristická je vertikální stratifikace znečištění kolektoru s koncentrací dusičnanů ve svrchní části. Sanace je dlouhodobá a obtížná, a proto by měly být podporovány všechny tendence ke snižování spotřeby dusičnanů v zemědělství.

Na dvacet území bylo již vyhlášeno za chráněné oblasti přirozené akumulace vod. Patří k nim Beskydy, Jeseníky, Jizerské hory, Krkonoše, Orlické hory, Šumava, Žďárské vrchy, Brdy, Jablunkovské medzihorie, Krušné hory, Novohradské hory, Vsetínské vrchy, Žamberská pahorkatina, chebská pánev, polická pánev, třeboňská pánev, česká křídová pánev, kvartér řeky Moravy.

Ochranou jsou mechanické prostředky (norné stěny, filtry), elektrochemické a desinfekční odstranění škodlivých látek a hlavně biologické prostředky. Např. lze dosáhnout odstranění sloučenin síry redukcí baktériemi Desulfovibrio desulfuricans. Dále lze využít čistících účinků stromu Strychnos potatorum, který dokonce dokáže likvidovat i radioaktivní látky (roste v Indii, na Srí Lance a v Barmě). Při havárii ropných látek jsou ohroženy hlavně povrchové vody (říční toky) a horninové prostředí. Je třeba nejprve zabránit šíření hydraulickou clonou. Pak se čerpá znečištěná voda, kterou je možno čistit v sapexových sanačních stanicích a k dočistění použít biodegradace baktériemi.

Kontaminace vzdušnými emisemi

Půdy a svrchní část litosféry je významně ovlivňována i vzdušnými emisemi. Ty jsou zčásti přírodního původu (pouštní prach je v okolí Gobi, Sahary a dalších zanášen na značné vzdálenosti, saharský prach je běžně zanášen do střední Evropy, obr. 42). Popel z velkých výbuchů sopek zase ovlivňuje klimatické podmínky na celém světě. Emise, které vznikly při výbuchu Černobylu, krátkodobě ovlivnily značnou část Evropy. Ty už ovšem musíme řadit k antropogenním.

Antropogenní popílek (l0 mikrometrů) a polétavý prach (2,5 mikrometru) ohrožují zejména obyvatele větších měst a jsou významnou součástí městského spadu. Emise z tepelných elektráren v severních Čechách a v Sasku jsou zanášeny větrem přes Německo až do Švédska.

Obrazový doprovod