Kontaminace rizikovými prvky na Kutnohorsku a možnosti jejího využití v paleoenvironmentálním výzkumu

Mgr. Mgr. Jan Horák

Doctoral thesis

Risk elements contamination in Kutná Hora region and possibilities of its usage in paleoenvironmental research

Abstract:

Dizertace se zaměřuje na využití kontaminace rizikovými prvky jako stratigrafického markeru v paleoenvironmentálním výzkumu. Kontaminace není studována sama o sobě, ale je vnímána jako prostředek k interpretaci sedimentárních záznamů historických jevů a událostí. Nese informace o původu kontaminace, o kontaminační aktivitě, či o vývoji krajiny. Kutnohorsko (střední Čechy, 49°57'0.170"N, 15°15'59.877"E) je region s významnou historickou těžbou, která trvala především v době od 13. do 16. století. Později se vracely sporadické pokusy o obnovu těžby, víceméně neúspěšné. Výraznější návrat proběhl ve druhé polovině 20. století. Je tedy vysoce pravděpodobné, že kontaminanty zde budou moci být využity jako stratigrafické markery. Během výzkumu byly využívány především As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Pb, V a Zn, neboť patří mezi nejčastější prvky analyzované obecně i v rámci kutnohorského regionu. Cíle práce jsou: Charakterizovat kontaminaci v regionu a odpovědět na tyto otázky: - Jsou některé rizikové prvky pro zdejší kontaminaci charakteristické? - Pokud jsou, projevují se (prostorově, sedimentárně apod.) stejně, nebo různě? - Je případná různorodost prostorově vázaná? Je vázaná na konkrétní krajinné prvky? - Je případná různorodost vázaná na nějaké konkrétní aktivity? Využít zjištěné poznatky v konkrétních situacích: - Je možné využít kontaminaci rizikovými prvky jako stratigrafický marker ve fluviálních sedimentech? - Jak interpretaci konkrétních situací ovlivňuje celkový kontext kontaminace v regionu Jádrem výzkumu je metaanalýza kontaminačních dat z regionu (data pocházejí jak z našich výzkumů, tak i z dalších studií). Výsledky nepřinesly pouze základní charakteristiku kontaminace v regionu, ale i zásadní poznatky o její struktuře. Pouze As, Cd, Cu, Pb a Zn jsou spojeny s těžební a hutní činností. Ostatní prvky - jak koncentrací, tak rozšířením - jsou těmito činnostmi neovlivněny. Byla rovněž odhalena vazba As a Cd spíše na těžbu, kdežto Cu, Pb a Zn na hutnickou aktivitu. Obě skupiny byly jinak prostorově distribuované. Srovnání výpovědi koncentrací a clr-transformovaných hodnot přineslo další zajímavé výsledky. Tato transformace je pro interpretaci geochemických dat v prostoru zásadní. Studován byl i prostor soutoku řek Klejnárky a Labe. Kontaminace je zde stále patrná, ale diverzita mezi kontaminanty již nikoliv. Soutok koncentrace silně nařeďuje, takže není snadno rozeznatelná v dalších úsecích toku. Nicméně i zde clr-transformace přinášejí detailnější pohled. Byly rovněž provedeny analýzy dvou vertikálních profilů. Ukázalo se, že interpretovat data z jednoho profilu může být riskantní, pokud není zahrnut regionální kontext. V jednom z profilů dochází ke smíšení dvou odlišných geochemických populací (z hlediska statistiky). Kontaminace tak působí jen jako jeden faktor. Tato lokalita je vhodná pro statistická testování míchání dvou populací, identifikaci odlehlých hodnot apod.

Abstract:

The dissertation focuses on topic of using risk elements contamination as a stratigraphic marker in palaeoenvironmental research. The contamination is not studied only as itself, but is viewed as a way to analyse and interpret the sedimentary record of historical events. The contamination carries the information about its original place, its original activity, about development of the landscape. The Kutná Hora region (central Bohemia; 49°57'0.170"N, 15°15'59.877"E) is a region of important historic mining and smelting activity. The mining started in 13th century and lasted until half of 16th century. Then only sporadic attempts of renewal were made. Spatially limited mining was renewed in second half of the 20th century. Therefore, it is highly probable to find here the contaminants in the role of stratigraphic markers. In the research were used mainly As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Pb, V and Zn as these are the most analysed in contamination studies performed in the region. The aims of the dissertation were to answer these questions: To characterize the contamination - Are some risk elements typical for the contamination originating from the mining and smelting? - If so, is their environmental (spatial, sedimentary) manifestation diversified? - Is possible diversity spatially related to particular landscape features or areas? - Is possible diversity connected to particular activities? To use the answers in analysis of particular sites - Is it possible to use the risk elements contamination as stratigraphic marker in fluvial sediments? - How is the interpretation of particular site influenced by the whole context of regional contamination? The core of the research is the metaanalysis of contamination data coming from region (the data obtained by our research and also from other studies). The results have brought not only basic characteristics of contamination, mainly concentrations. The crucial result was the structure of studied elemental complex. Only As, Cd, Cu, Pb and Zn are connected to contamination originating in mining and smelting. Other elements - their concentrations and spatial distributions - are uninfluenced by mining and smelting activities. More, the information about connection of As and Cd to mining and Cu, Pb and Zn to smelting was revealed. Both groups recorded with different spatial distributions. Also comparison of results by different approaches has shown that some statistical processing (clr-transformation) of such dataset was much better for interpretation than analyses of only concentrations values. We studied also the area of confluence of two rivers - Klejnárka (main river draining contaminated region), which is tributary to Labe (Elbe) river. The contamination is still recognizable here, but the diversity between contamination elements is not. The confluence of rivers strongly dilutes the contaminated material. The concentrations decrease. Also here clr-transformation of data enabled to analyse structures of contaminants spatial distribution unrecognizable by concentrations values. We performed also two vertical profiles analyses. It was shown, that it is highly risky to interpret data of such origin without the complex information about regional contamination context. It was revealed by contextual interpretation of data from one of the profiles, that there is a mixing of geochemical data coming from different statistical populations. The contamination works there as only one of the factors influencing sedimentary record. The site is therefore suitable for statistical testing of two populations mixing, outliers` detection and the like.

Keywords

kontaminace, středověk, novověk, paleoenvironmentální výzkum, sedimenty, Kutná Hora, rizikové prvky, těžba

Keywords

risk elements, mining, contamination, medieval period, modern era, paleoenvironmental research, sediments, Kutná Hora

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 5. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Michal Hejcman, Ph.D. Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Ecology / Ecology