Vltavíny očima jaderných fyziků

Vltavíny přitahují nejen krásné ženy, ale i vědce; jejich vznik totiž stále obestírá řada dosud nevysvětlených otázek. Jednou z nich je přesné určení materiálů, z nichž při dopadu obrovského meteoritu před 14,5 milióny let vltavíny vznikly. Autoři článku hledají pomocí jaderných analytických metod důkazy pro originální hypotézu, podle níž se na vzniku vltavínů podílela kromě dosud uvažovaných povrchových sedimentů i rostlinná a půdní biomasa v místě dopadu meteoritu.

Vltavíny – odkud se vzaly?

Středoevropské tektity – vltavíny neboli moldavity – patří bezesporu k nejkrásnějším přírodním sklům. Nad jinými tektity vynikají svou typickou zelenou barvou, průsvitností, a často i členitou povrchovou strukturou. Mateřskou impaktní strukturou vltavínů je kráter Ries v západním Bavorsku. Kráter o průměru cca 25 km byl vytvořen před 14,5 milióny let dopadem (impaktem) meteoritu s průměrem odhadovaným na 1 km. Nálezy vltavínů byly poprvé popsány v roce 1786 ve štěrcích v okolí řeky Vltavy v jižních Čechách, odkud také pochází nejvíce nálezů. Později byla objevena významná naleziště na jižní Moravě, ojedinělé nálezy v severním Rakousku a nepočetné nálezy v Lužici v Německu. Až v 90. letech minulého století bylo objeveno úzce lokalizované, ale poměrně vydatné naleziště v Chebské pánvi v západních Čechách. Odhaduje se, že při riesském impaktu vzniklo asi 10⁹ kg tektitů – vltavínů, z nichž se vlivem mechanické a chemické degradace dochovalo jen asi 10⁷ kg [1].

Ani po několika desetiletích výzkumů neumíme jednoznačně říci, z jakých zdrojových materiálů vltavíny vznikly. V současnosti se za jejich zdroj považují sedimenty pokrývající ve středním miocénu oblast Riesu, konkrétně tzv. svrchní sladkovodní molasa (německy „Obere Süßwasser Molasse“) [2‑5]. I přes podobnost chemického složení vltavínů s těmito sedimenty odpovídajícího stáří však mezi nimi existují značné rozdíly v obsahu některých hlavních i stopových prvků, které dosud nebyly uspokojivě vysvětleny. Již od 60. let minulého století navrhovali někteří autoři původ zdrojových materiálů vltavínů v nejsvrchnějších sedimentárních vrstvách včetně půdního profilu, mj. na základě zvýšeného poměru K/Na, typického pro běžné půdy se zbytky organické hmoty [6‑8]. Koncepce vzniku tektitů z povrchových sedimentárních a půdních vrstev byla později podpořena i stanovením obsahu kosmogenního nuklidu ¹⁰Be v tektitech [9]. Existence biogenní složky zdrojových materiálů tektitů – popela vzniklého spálením především rostlinné a půdní biomasy za extrémních tlakových a teplotních podmínek impaktu – byla postulována nezávisle také na základě podobnosti mezi křemennými inkluzemi v tektitech – lechatelierity – a biogenními opály v rostlinách – fytolity [10]. Při nedávném studiu vltavínů z Chebské pánve byly zjištěny další indikátory biogenní složky, např. obohacení vltavínů prvky K, Ca, Mg a Mn, které jsou hlavními složkami rostlinného popela [11].

Geochemická charakterizace vltavínů metodami aktivační analýzy

Pro nalezení dalších důkazů svědčících o přítomnosti biogenní komponenty ve zdrojových materiálech vltavínů byla provedena podrobná geochemická charakterizace souboru 146 vltavínů z hlavních částí středoevropského pádového pole tektitů – jihočeské, chebské, moravské a lužické – metodami instrumentální neutronové a fotonové aktivační analýzy (INAA a IPAA). Rozdrcené vzorky vltavínů o relativně malé hmotnosti 20 miligramů až 1 gram byly při INAA ozařovány neutrony v jaderném reaktoru LVR‑15 Ústavu jaderného výzkumu Řež, a. s., při IPAA fotonovým brzdným zářením na mikrotronu MT‑25 Ústavu jaderné fyziky AVČR, v.v.i. Spektra záření gama ozářených vzorků byla měřena s použitím polovodičových detektorů z vysoce čistého germania. Stanovení obsahu prvku na základě radioaktivity produktu jeho známé jaderné reakce používalo relativní metody, tj. porovnání s radioaktivitou známého množství standardu ozářeného společně se vzorkem.

Jako Fénix z popela?

Při geochemické analýze vltavínů byly sledovány především předpokládané indikátory přítomnosti biogenní složky ve zdrojových materiálech vltavínů. Jako hlavní indikátory byly zvoleny vzájemné korelace mezi prvky tvořícími hlavní složky zdrojových materiálů vltavínů – Si v křemenném písku, Al spolu s K, Na a Fe v alumosilikátech (jílech), a prvky Ca, Mg, které vedle třetí tradičně uvažované složky zdrojových materiálů – karbonátů (dolomitických vápenců a slínů) – tvoří podstatnou část (spolu s K) neoxidovatelného zbytku vzniklého pyrolýzou a oxidací rostlinné biomasy – popela. Jako další významný indikátor byly sledovány poměry mezi obsahy prvků esenciálních (nezbytných) a neesenciálních pro rostliny ve skupině alkalických kovů a kovů alkalických zemin, v závislosti na již zmíněném poměru K/Na.

Korelace mezi obsahy hlavních komponent v analyzovaných vltavínech (Obr. 1) ukazují, že jednotlivé skupiny vltavínů z různých částí pádového pole vltavínů lze jako celky částečně rozlišit i s použitím konvenčního modelu mísení tří hlavních složek zdrojových materiálů: křemenného písku (Si), alumosilikátů – jílů (Al, K, Na, Fe), a složky s vysokým obsahem Ca a Mg, tj. konvenčně karbonátů, a podle nové hypotézy i popela. Zatímco v jihočeských vltavínech se mísí všechny tři složky v různých poměrech, v moravských vltavínech je výrazněji zastoupena jílová složka a v chebských vltavínech Ca+Mg složka.

Grafy na Obr. 2 ilustrují korelace mezi poměrem K/Na a dalšími poměry esenciálních a neesenciálních prvků. V biologických systémech půda‑rostlina dochází v rostlinách k obohacení prvky, které jsou pro rostliny esenciální, zatímco prvky neesenciální jsou ochuzeny. Tento proces se nejvýrazněji projevuje u prvků skupiny alkalických kovů a kovů alkalických zemin (prvky Ca, K a Mg patří k hlavním minerálním komponentám rostlin [12]). Během transferu z půdy do rostlin vzrůstají poměry Ca/Sr a Ca/Ba [13], k diferenciaci dochází i mezi K a Rb [14] a některými neesenciálními prvky, např. U a Th [15]. Výrazná je pozitivní korelace mezi poměrem K/Na a poměrem obsahu Ca+Mg složky k obsahu křemenné a jílové složky (Si+Al). Pozitivní korelace Ca/Mg versus K/Na může odrážet vertikální distribuci prvků v půdním profilu, která klesá s rostoucí hloubkou v pořadí K > Ca > Mg > Na [16].

Z rozboru výsledků je zřejmé, že hypotézu biogenní komponenty podporuje celá řada indikátorů v chemickém složení vltavínů, pro něž dosud chybělo dostatečné geochemické vysvětlení. Hypotéza předpokládá výskyt dostatečné vegetace v oblasti dopadu meteoritu, což odpovídá paleoklimatické a paleobotanické rekonstrukci teplého a vlhkého podnebí středního miocénu v širší oblasti kráteru Ries [17]. Hypotézu podpořila i nedávno provedená analýza obsahu uhlíku a jeho izotopového složení ve skle vltavínů, které odpovídá izotopovému složení organické hmoty suchozemské vegetace, nikoli složení karbonátů sedimentárního původu, popř. složení atmosférického oxidu uhličitého [18].

Obr. 1 Korelace mezi obsahy hlavních komponent ve vltavínech z hlavních částí jejich pádového pole (MCB – Chebská pánev, MSB – jižní Čechy, MM – Morava, ML – Lužice).

Obr. 2 Závislost poměru obsahů vybraných prvků na poměru obsahů K a Na ve vltavínech z hlavních částí jejich pádového pole (MCB – Chebská pánev, MSB – jižní Čechy, MM – Morava, ML – Lužice).

Závěr

Geochemická studie rozsáhlého souboru vltavínů metodami aktivační analýzy podpořila hypotézu, podle níž vltavíny mohly vzniknout nejen z miocénních sedimentů tvořených křemenným pískem, jíly a karbonáty, ale i za přispění složky biogenního původu – residua vzniklého v rané fázi impaktového procesu pyrolýzou a oxidací rostlinné biomasy a nejsvrchnější půdní vrstvy s rostlinnými zbytky. Indikátorem biogenní složky je obohacení prvky ze skupiny alkalických kovů a kovů alkalických zemin, které jsou esenciální pro rostliny (K, Ca, Mg), a ochuzení o prvky neesenciální (Na, Rb, Sr, Ba). Poměry esenciálních a neesenciálních prvků spolu vzájemně významně pozitivně korelují a negativně korelují s obsahem jílové složky. Hypotézu nedávno podpořila i analýza izotopového složení uhlíku ve vltavínech. V současnosti se hypotéza ověřuje a doplňuje pomocí geochemické analýzy rozsáhlého souboru miocénních sedimentů z okolí kráteru Ries.

---

Vznik tektitů

Při dopadu velkých meteoritů (asteroidů), jak se odhaduje s průměrem minimálně 100 metrů, na zemský povrch (impaktu) vznikají tavením povrchových materiálů zemské kůry, především povrchových sedimentů, mj. i homogenní skla – tzv. tektity (z řeckého tektos – roztavený). Tektity vznikají v nejranější fázi impaktu a jsou vyvrženy z místa impaktu do tzv. pádového pole vzdáleného stovky až tisíce km, na rozdíl od tzv. impaktových skel, která vznikají v pozdějších fázích z materiálů v hlubších vrstvách uvnitř kráteru a v jeho okolí uvolněním ohromné kinetické energie dopadajícího kosmického tělesa a jeho explozí (energie uvolněná při impaktu v Riesu je odhadována na 10²¹ J, tj. stomilionkrát větší než při atomovém výbuchu v Hirošimě o síle 10 kilotun trinitrotoluenu, tj. cca 5×10¹³ J [11]). V současnosti jsou známy čtyři velké skupiny tektitů: středoevropské (vltavíny), australoasijské (australity, indočínity), severoamerické (georgiaity a bediasity), a tektity z Pobřeží slonoviny (ivority). Další, zřejmě impaktová skla, jako jsou irgizity, urengoity, lybijská, wabarská a darwinská skla, se přes řadu společných znaků za tektity většinou nepovažují. Jednotlivé skupiny tektitů a jejich pádová pole byly spolehlivě přiřazeny k jejich mateřským kráterům s výjimkou australoasijských tektitů, pro něž nebyla odpovídající impaktní struktura dosud nalezena. [19].

---

Neutronová a fotonová (gama) aktivační analýza

Aktivační analýza je jadernou analytickou metodou umožňující simultánní stanovení koncentrace řady prvků v různých typech vzorků. Je založena na ozařování (aktivaci) vzorku vhodným typem záření, které indukuje v jádrech atomů vzorku jaderné reakce vedoucí k přeměně většinou původně neradioaktivních jader v jádra radioaktivní. Měřením jejich charakteristického, převážně gama, záření lze stanovit typ a celkové množství prvku přítomného ve vzorku, a to bez nutnosti chemické úpravy a destrukce vzorku (v tzv. instrumentální, neboli nedestruktivní variantě metody). Největší analytický potenciál nabízejí aktivace neutrony a fotony – instrumentální neutronová a fotonová (gama) aktivační analýza (INAA a IPAA), ale využívá se i aktivace nabitými částicemi.

INAA umožňuje stanovení většiny prvků s výjimkou prvků lehčích než Na a několika dalších prvků. Páteří metody jsou jaderné reakce (n, g) s tepelnými neutrony, využitelné jsou i další typy reakcí s epitermálními a rychlými neutrony. Při vhodné volbě parametrů INAA, např. kombinací různých dob ozařování vzorku a opakovaným měřením jeho aktivity po různých vymíracích dobách, lze v jediném vzorku stanovit v závislosti na typu matrice téměř čtyřicet prvků. Analytické možnosti IPAA jsou ve srovnání s INAA omezené na zhruba poloviční počet prvků, jsou však mezi nimi i prvky, které nelze metodou INAA stanovit vůbec, nebo je lze stanovit jen s nízkou citlivostí. IPAA využívá tzv. fotojaderných reakcí, z nichž jsou analyticky nejvyužívanější reakce (g, n). Kombinace různých analytických módů INAA a IPAA umožňuje stanovit např. v geologických materiálech téměř padesát prvků [20].

Nejvýhodnějším zdrojem neutronů pro INAA je jaderný reaktor, nejlépe s výrazně termalizovaným spektrem neutronů. Zdrojem vysokoenergetických fotonů pro IPAA je většinou brzdné záření produkované konverzí elektronového svazku urychleného lineárním nebo cyklickým elektronovým urychlovačem (linac, mikrotron).

Poděkování

Studii podpořila Grantová agentura České republiky v rámci projektu GA205/09/0991. Autoři děkují M. Trnkovi a J. M. Langeovi za poskytnutí vzorků vltavínů ke studiu.

Literatura:

[1] Trnka M., Houzar S., Bull. Czech Geol. Surv., 77 (2002) 283.

[2] Luft E., Zur Bildung der Moldavite beim Ries‑Impact aus Tertiären Sedimenten, Enke Verlag, Stuttgart, 1983.

[3] Delano J.W., Bouška V., Řanda Z., in Proceedings of the 2^nd International Conference on Natural Glasses (Konta J., Ed.), University Karlova, Praha (1988) 221.

[4] Engelhardt von W., Luft E., Arndt J. et al., Geochim. Cosmochim. Acta, 51 (1987) 1425.

[5] Meisel T., Lange J.‑M., Krähenbühl U., Meteorit. Planet. Sci., 32 (1997) 493.

[6] Schwarcz H. P., Nature, 194(4823) (1962) 8.

[7] Bouška V., Benada J., Řanda Z. et al., Geochim. Cosmochim. Acta, 37 (1973) 121.

[8] Řanda Z., Neutronová a gama aktivační analýza v geochemii a kosmochemii (doktorská disertační práce), Ústav nerostných surovin, Kutná Hora, 1989.

[9] Serefiddin F., Herzog G. F., Koeberl C. Geochim. Cosmochim. Acta, 71 (2007) 1574.

[10] Kinnunen K. A., Meteorit., 25 (1990) 181.

[11] Řanda Z., Mizera J., Frána J., Kučera J., Meteor. Planet. Sci., 43 (2008) 461.

[12] Vassilev S. V., Baxter D., Andersen L. K., et al., Fuel, 89 (2010) 913.

[13] Burton J. H., Price T. D., Middleton W. D., J. Archaeol. Sci., 26 (1999) 609.

[14] Peltola P., Brun C., Åström M. et al., Chem. Geol., 257 (2008) 92.

[15] Mihucz V.G., Varga Z., Tatár E. et al., Microchem. J., 90 (2008) 44.

[16] Jobbágy E. G., Jackson R. B., Biogeochem., 53 (2001) 51.

[17] Böhme M., Bruch A. A., Selmeier A., Palaeogeo. Palaeoclim. Palaeoecol., 253 (2007) 91.

[18] Žák K., Skála R., Řanda Z., Mizera J., Meteorit. Planet. Sci., v tisku (2012).

[19] Koeberl C. Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 14 (1986) 323.

[20] Mizera J. Řanda Z., J. Radioanal. Nucl. Chem., 284 (2010) 157.