Environmentální magnetismus a jeho využití při studiu povodňových sedimentů

Mgr. Monika CHUDANIČOVÁ

Doctoral thesis

Environmental magnetism and its application in the study of recent overbank sediments

Abstract:

Twenty five floodplain sediment profiles from seven rivers in eastern Czech Republic and three in north west England were collected to examine the hypothesis that magnetic enhancement in recent sediments is predominantly of anthropogenic origin and that magnetic parameters can be used as a dating proxy reflecting changes in intensity of industry sources. Natural sources of magnetic enhancement were excluded and anthropogenic enhancement was identified as exhibiting elevated values of Xlf, ARM, SIRM, SIRM/X and S-ratio with low values of Xfd%. Magnetic spherules, typically formed through fossil fuel combustion processes, were observed by scanning electron microscopy (SEM) in these sediments. To assess the potential of magnetic parameters as a chronometer, the approach was compared with frequently used dating techniques: concentrations of heavy metals and 137Cs. The floodplain profiles were divided to three groups according to the characteristics of their trends with depth in magnetic parameters; Xlf in particular; and the suitability of magnetic properties as a dating proxy. Group 1, which included the majority of the profiles, exhibited magnetic enhancement in the upper part of its profiles and a single maximum in Xlf. This group exhibited a clear suitability for the proposed 'magnetic dating' as the magnetic record reflected the industrial history of the region and was alignied with the chronologies of the other dating techniques. Profiles magnetically enhanced throughout their depth and lacking any clear trend comprised group 2; here a mineral magnetic approach to dating was limited as the magnetic signal was diluted by a high sedimentation rate or impacted by local anthropogenic factors. All profiles from England were included in group 3 because their magnetic depth profiles were influenced by natural sources of magnetic particles or specific sedimentary conditions, and a longer industrial history and thus needed an individual interpretation. However, they still reflected the regional deposition history of industrial sources of ferrimagnetic particles. In the second part of this thesis a novel approach based on data mining methods was used to identify a characteristic magnetic signature of overbank sediments exhibiting anthropogenically induced magnetic enhancement and distinguish them from unenhanced sediments with magnetic background values. Cluster analyses employed were successful in distinguishing anthropogenic magnetically enhanced samples from those lacking enhancement and sets of rules were created providing an easy mean for classifying samples into particular clusters. Overall, the magnetic parameters proved to be an efficient dating proxy suitable for recently aggrading rivers. And data mining methods demonstrated a good potential for utilisation in environmental magnetism.

Abstract:

Celkem 25 vertikálních profilů bylo získáno z povodňových sedimentů sedmi řek východní části České republiky a tří řek severozápadní Anglie pro testování hypotézy, že zvýšené hodnoty magnetických koncentrací jsou způsobeny převážně antropogenně a že magnetické parametry mohou být využity jako datovací prostředek na základě toho, že odráží změny v intenzitě industriálních zdrojů magnetických částic. Přírodní procesy jako zdroj nárůstu magnetických koncentrací byly postupně vyloučeny a zvýšené koncentrace antropogenního původu byly identifikovány jako vykazující zvýšené hodnoty Xlf, ARM, SIRM, SIRM/X a S-poměru, a nízké hodnoty Xfd%. Magnetické sférické částice, které jsou typicky formovány během spalování fosilních paliv, byly pozorovány skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) v sedimentech se zvýšenými magnetickými hodnotami. Pro zhodnocení potenciálu magnetických parametrů pro datování byl tento přístup porovnán s jinými často používanými metodami, a to datováním pomocí těžkých kovů a datováním pomocí 137Cs. Zkoumané vertikální profily byly také rozděleny do tří skupin na základě trendů jejich magnetických parametrů, zejména Xlf, a jejich vhodnosti pro magnetické datování. Skupina 1, která zahrnovala většinu profilů, vykazovala zvýšení magnetické koncentrace v horní části všech profilů a jedno maximum magnetické susceptibility. Profily této skupiny prokázaly vhodnost pro magnetické datování, neboť magnetický záznam odrážel industriální historii regionu a shodoval se s chronologiemi obou dalších datovacích technik. Skupina 2 sdružovala profily, jež mají magnetické hodnoty zvýšeny v celé své délce a magnetický záznam nemá žádný trend. Zde je magnetické datování limitováno. Limitování je způsobeno buď vysokými mírami sedimentace, nebo lokálními antropogenními vlivy. Všechny profily získané z Anglie byly zahrnuty do skupiny 3, protože byly ovlivněny magnetickými částicemi přirozeného původu, specifickými sedimentárními podmínkami nebo dlouhou industriální historií, tudíž potřebovaly individuální interpretaci. Nicméně, i tyto profily odrážely historii industriálních zdrojů magnetických částic ve svých sedimentárních záznamech. V druhé části této práce byl použit nový přístup k identifikaci typického magnetického projevu antropogenně ovlivněných povodňových sedimentů a k rozlišení těchto sedimentů od těch bez antropogenního ovlivnění. Tento přístup byl založen na metodách data mining. Všechny použité klastrové analýzy byly úspěšné v roztřídění vzorků s antropogenním ovlivněním a vzorků bez ovlivnění. Také byly vytvořeny sady pravidel, díky kterým mohou být vzorky jednoduše zařazeny do příslušných klastrů. Na závěr lze konstatovat, že bylo prokázáno, že magnetické parametry mohou být využity jako datovací prostředek pro nivy agradujících řek. A data miningové metody ukázaly potenciál pro využití v rámci environmentálního magnetismu.

Keywords

magnetické obohacení, nivní povodňové sedimenty, datovací prostředek, magnetický signál, data mining, Česká republika, Spojené království

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 18. 3. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 2. 6. 2016
• Vedúci: doc. RNDr. Jan Hradecký, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Geography / Environmentální geografie