Vysokorozlišující stratigrafie a historie kontaminace recentních sedimentů přehradních nádrží na Moravě

Mgr. Jan Sedláček, Ph.D.

Doctoral thesis

High-resolution stratigraphy and contamination history of recent sediments in Moravian dams

Abstract:

Přehradní nádrže slouží jako ideální pasti pro suspendovaný říční materiál. Tyto nádrže často představují dobrý sedimentární archiv pro studium krátkodobých klimatických změn a kontaminaci těžkými kovy. Pro vysokorozlišující studium dnových sedimentů byly vybrány tři nádrže, jsou to Brněnská přehrada, Plumlovská přehrada a vodní dílo Nové Mlýny. Stratigrafie byla studována za pomocí sedimentárních jader. Na základě 137Cs datování byla vypočítána rychlost sedimentace a byl zkonstruován věkový model. Sedimenty jsou jemnozrnné a sestávají z písčitého prachu, prachu, příměsi jílu a proměnlivého množství organické hmoty. Mocnost přehradních sedimentů závisí na velikosti podvodních proudů, pozici uvnitř nádrže a velikosti akomodačního prostoru. Mocnost silně klesá směrem k hrázi. Místa s vyšší rychlostí sedimentace jsou náchylná na rychlé zanesení. Ve všech měřených jádrech byl indikován pík v hmotnostní aktivitě 137Cs, který koresponduje s havárií jaderné elektrárny v Černobylu (rok 1986). Starší události byly zaznamenány v sedimentech Brněnské přehrady (roky 1952 a 1963), které mohou korespondovat s maximem v testování jaderných zbraní. Pozorovaná maximální rychlost sedimentace činí 4,2 cm (Brněnská přehrada), 2,33 cm (Nové Mlýny) a 1,8 cm (Plumlovská přehrada) ročně. Výchylky v hodnotách magnetické susceptibility (MS) se shodují s hustotními variacemi v RTG snímcích a jsou interpretovány jako změny v zrnitosti. Nízké hodnoty MS korespondují s písčitými vrstvami, které představují uloženiny hyperpyknických proudů. Vysoké hodnoty MS často korespondují s jemnozrnnějšími vrstvami, jak je indikováno negativními hodnotami v RTG snímcích a nižšími hodnotami celkového jasu. Zvýšená MS může být kontrolována paramagnetickými minerály, které mohou vázat těžké kovy. V sedimentech byly nalezeny dlouhodobé hloubkové trendy v koncentracích těžkých kovů, které průkazně stoupají po napuštění nádrží ve vetšině studovaných jádrech. Maximální množství těžkých kovů bylo uloženo v rozmezí šedesátých až osmdesátých let dvacátého století (Brněnská přehrada). V Plumlovské přehradě a na Nových Mlýnech bylo maximum dosaženo později (osmdesátá léta). Po roce 1989 se objevuje klesající trend v důsledku stagnace těžkého průmyslu. Výsledky také ukazují, že obsahy těžkých kov jsou zčásti závislé na litologii. Zvýšené obsahy fosforu v sedimentech indikují dlouhodobou eutrofizaci v přehradních nádržích. Oproti klesajícím obsahům těžkých kovů zůstávají obsahy fosforu stále vysoké a způsobují přetrvávající problémy s rozvojem vodního květu.

Abstract:

Dams represent ideal traps for suspended sediments. These reservoirs often provide unique sedimentary archives for study of heavy metal pollution and short-term, local climatic change. The study area is located within the Morava river catchment area. Three dams, Brno dam, Plumlov dam and Nové Mlýny reservoir were selected for high-resolution stratigraphic study of their bottom sediments. Stratigraphy of the dam sediments was studied from sedimentary cores. On the basis of 137Cs dating, sedimentation rates were calculated and generated the age model. The bottom sediments are fine-grained and consist of sandy silts, silts, clays and organic matter. The thickness of dam sediments depends on underwater current velocity, location within the dam and accommodation space. The thickness decreases considerably from the proximal parts of the reservoirs lakes to their distal parts. The sites with higher accumulation rates are more prone to filling. The 137Cs peak was indicated in all three dams and corresponds to the fallout from accident in the nuclear power plant in Chernobyl, 1986. Older events (years 1952 and 1963) were detected in the Brno dam; they are interpreted as coinciding with maximum in nuclear-weapon testing. The calculated maximum sedimentation rates are about 4,2 cm (Brno dam), 2,33 cm (Nové Mlýny reservoir) and 1,8 cm (Plumlov dam) per year. The high-frequency signal in MS coincides with the X-ray density and sediment colour and is interpreted as bed-scale grain-size variation. Low MS values correspond to sandy layers, which represent deposits of hyperpycnal flood plumes. Positive MS peaks often correspond to fine-grained laminae and layers as indicated by the negative X-ray density and lower CIE L* values. The increased MS values can be controlled by paramagnetic minerals, which preferentially bind heavy metals. Distinct long-term trends were found in the depth profiles of heavy metal concentrations. The heavy metal contents increase significantly after the dam filling in most of the cores, with peak concentrations confined to layers deposited in 1960s through to 1980s (Brno dam). The maximum was reached later (1980s) in Plumlov dam and Nové Mlýny reservoir. A decreasing trend is visible after 1989 (the decline in Czech heavy industry). The results also show that heavy metal contamination is partly dependent on lithology (hyperpycnal flow layers related to floods). Increased concentrations of phosphorus in the sediments indicate long-term eutrophication of the dams. Despite the recent decreasing trends in heavy metal concentrations the phosphorus contents remain high in recent years and have caused persisting problems with algal growth in the dams.

Keywords

Přehradní sedimenty, 137Cs datování, vysokorozlišující stratigrafie, těžké kovy, eutrofizace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 3. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 21. 5. 2013
• Supervisor: prof. Mgr. Ondřej Bábek, Dr.
• Reader: doc. Mgr. Daniel Nývlt, Ph.D., RNDr. Jaroslav Kadlec, Dr.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences