Nauka o Zemi Teoretická část Geologický průzkum Obr. 12-1: Sesuv u tunelu Hřebeč. V současnosti žije na Zemi 6,8 miliardy obyvatel. Odhaduje se, že v únoru 2012  bude na Zemi 7 miliard lidí a v roce 2040 až 9 miliard lidí. Největší populační růst  se předpokládá v ekonomicky málo rozvinutých zemí Afriky a Asie. Až 85 % lidí bude  pocházet z těchto oblastí.   Růst obyvatel sebou nese zvyšující se nároky na planetu Zemi. Každý člověk  potřebuje uspokojit svoje základní potřeby - dýchat, pít a jíst. Pokud jsou tyto  základní potřeby uspokojeny, člověk požaduje uspokojit další požadavky. Dnešní  životní styl většiny lidí rozvinutých zemí se díky médií snadno dostává k lidem v  méně rozvinutých krajinách. Člověk požaduje vyšší životní úroveň, ze které pramení  snaha o získání vlastního obydlí, mobilu, auta, počítače, pračky, ledničky, televize  atd. Všechny tyto věci se skládají ze součástí pocházejících z obnovitelných, ale  hlavně z neobnovitelných zdrojů - nerostných surovin (rud, nerud a kaustobiolitů).  Pro výstavbu domů, továren, nemocnic, škol, kanceláří atd. je zapotřebí velkého  množství železa do stavebních konstrukcí, kameniva, pojiva (např. cement  vyráběný především z vápence), plastů (vyráběných z ropy), mědi do  elektroinstalací, skla (vyráběného např. z křemene) atd. Stejně tak auto, mobil,  počítač, lednička nebo pračka jsou složeny z kovových a plastových součástí.  Snaha uspokojit současné potřeby člověka vede k zhoršení životního prostředí. Zvyšuje se znečištění půdy, vody i ovzduší.  Snižuje se množství a kvalita pitné vody. Roste spotřeba energií a nerostných surovin. Abychom uspokojili naše potřeby  musíme zvyšovat míru poznání lidstva.  Nerostné suroviny se získávají těžbou - hornickou činností. Nejdříve je však musíme na Zemi vyhledat. Metody pro zjišťování informace o nitru Země jsou označovány jako GEOLOGICKÉ PRŮZKUMNÉ METODY. Geologickým průzkumem zkoumáme jevy a procesy v zemském tělese ve vzájemných souvislostech a podmíněnosti vývoje. Pomocí přímých a nepřímých metod získáváme  informace o složení nitra Země. Za přímé metody považujeme ty, kdy si průběh horninového prostředí můžeme přímo prohlédnout a můžeme odebrat vzorky horninového  prostředí. Nepřímé metody jsou ty, které nám pomocí sledování vybraných veličin podávají informaci o charakteru a průběhu horninových rozhraních. Horninové prostředí si  nemůžeme přímo prohlédnout a nemůžeme odebrat vzorky. Geologický průzkum využívá geologických vědních poznatků pro studium a řešení všech praktických úkolů z oblasti ložiskové, hydrogeologické, inženýrsko-geologické a  environmentální geologie. Zabývá se projektováním, prováděním a vyhodnocováním geologických prací. Využívá poznatků ze všech geologických disciplín a příbuzných oborů  (hornictví, úpravárenství, environmentu atd.). Nejčastější cíle geologického průzkumu:   výzkum složení a strukturní stavby horninového prostředí;    nalezení nerostných surovin;     vyhledání, získání a ochrana zdrojů podzemních vod;     zjišťování znečištění horninového prostředí a jeho likvidace;     minimalizace dopadu přírodních katastrof na životní prostředí (sesuvy, záplavy);     řešení otázek spojených s výstavbou průmyslových objektů, silnic, železnic, vodních nádrží atd.  Při provádění geologického průzkumu se aplikují metodické postupy opírající se o metodologické principy.  Princip přijímané teorie vychází z obecně platných v současnosti vědeckou veřejností přijímaných názorů  na geotektonické, metalogenetické, hydrogeologické atd. procesy probíhající na Zemi. Tyto koncepce se mění  s rozvojem lidského poznání. Princip analogie vychází z přirovnání již řešeného úkolu k úkolu novému. Tento postup lze  využít při  tvorbě geologických modelů horninového prostředí, modelování ložisek, dynamických modelů  hydrogeologického prostředí, řešení strukturní stavby atd. Nejčastěji se využívá při sestavení typových  geologických situací. Při aplikaci tohoto principu je nutné mít na zřeteli, že geologické prostředí je velmi  různorodé a mohlo být formováno různými procesy.   Princip postupného zpřesňování informací se opírá o etapovost průzkumných prací. Z počátku získáváme méně přesné informace z velké oblasti, které nám slouží k určení  zájmové dílčí oblasti. Zde je později soustředěn podrobnější průzkum, který přinese mnohem detailnější informace o zájmovém území.  Princip relativní homogenity se aplikuje tam, kde potřebujeme jednoduše popsat složité geologické těleso či ložisko. Považujeme jej s ohledem na měřítko za kvazihomogenní.  Například pluton granitoidních hornin je možné vůči okolním metamorfovaným horninám považovat za kvazihomogenní těleso, i když se skládá z dílčích petrograficky částečně  odlišných částí. Princip hospodářské potřeby vychází z dlouhodobé surovinové a energetické strategie státu. Vzhledem k dlouhodobé časové náročnosti geologického průzkumu např. pro  výstavbu vodní elektrárny či otvírku ložiska nerostné suroviny, je nutné znát dlouhodobou politiku státu. Čas, který uplyne od započetí průzkumných geologických prací po výstavbu a spuštění například vodní elektrárny se počítá v desítkách let.  Princip komplexnosti by se měl použít všude, kde chceme komplexně a plně zhodnotit geologické podmínky při optimálním využití souboru použitých průzkumných metod.  Dodržením všech zásad se vyloučí duplicita prací. Získané výsledky mají být vyhodnoceny a dokumentovány tak, aby je bylo možné v budoucnu použít i při řešení jiných úkolů.  Komplexnost předpokládá všestranné řešení daných úkolů, zpracování výsledků a souhrnné řešení problémů. Princip efektivnosti by měl být automaticky aplikován pro dodržení termínových a nákladových podmínek řešení geologického úkolu. Jde o hospodárné splnění zadaných úkolů s  vynaložením minimálních materiálních a finančních prostředků. Základním předpokladem je dodržování etapovosti a komplexnosti. Je potřeba využít všech dříve provedených prací a výsledků, zabránit v duplicitě provedení, zajistit průběžné konzultace s odběratelem, přizpůsobit průzkum výslednému účelu a zajistit dostatečně dlouhou dobu na provedení a  zpracování průzkumu.   Princip etapovosti je odrazem věcné, časové i nákladové optimalizace. Průzkumné práce probíhají v etapách, které po sobě následují. Každá etapa využívá poznatků etapy  předešlé. Obsahuje část prognózní, přípravnou a terénní. Každá etapa je vždy ukončena vyhodnocením a návrhem prací další etapy. Podle výsledků se pak pokračuje v další,  podrobnější etapě. Dodržováním zásad etapovosti dodržíme i princip efektivnosti, když s ohledem na cíl příslušné etapy, provedeme příslušný rozsah prací. Použití metod je  přizpůsobeno povaze a cílům etapy. Metodické principy Etapy průzkumu: • orientační průzkum; • předběžný; • podrobný průzkum; • doplňkový průzkum. Orientační průzkum slouží jako geologický podklad pro vypracování výhledové studie. Posuzuje se vhodnost území na realizaci určitého investičního záměru. Charakterizují  se zde hlavní rysy geologického vývoje území podle údajů základního geologického výzkumu. Informace čerpáme z literárních a archivních pramenů, z geologického mapování v  měřítku M 1:50 000 až M 1:25 000. Provádí se nezbytné průzkumné práce pro objasnění zásadních otázek geologické stavby území. Provádí se analýza technického zhodnocení  území pro realizaci záměru.  Předběžný průzkum navazuje na výsledky orientačního průzkumu. Je soustředěn do vybrané lokality, kde se provádí detailní analýza archivních materiálů, geologické  mapování v měřítku M 1:10 000 až M 1:5 000, realizují se technické, laboratorní a geofyzikální práce. Výsledky této etapy slouží jako podklad pro vypracování projektového úkolu.  Obsahují zhodnocení výsledků orientačního průzkumu, podrobnou geomorfologickou studii, geologickou studii území doloženou analýzami vzorků a různých měření, vyhodnocení  terénních a laboratorních prací a návrh dalších prací s ohledem na potřeby daného záměru.  Podrobný průzkum navazuje na výsledky předběžného průzkumu. Zahrnuje práce potřebné na získání co nejúplnějších informací o geologickém charakteru horninového  prostředí, které jsou potřebné pro spolehlivé zpracování projektové dokumentace záměru. Pracovní postupy se opírají o komplex terénních metod jako jsou technické práce,  odběry vzorků hornin a podzemní vody, laboratorní práce, terénní zkoušky, geofyzikální měření. Práce jsou prováděny v hustější síti. Geologické mapování odpovídá měřítkům M  1:2 000 až M 1:500. Výsledky této etapy slouží jako podklad pro úvodní projekt.   Doplňkový průzkum probíhá při vlastní realizaci záměru. Používá se pro případné upřesnění nebo doplnění výsledků podrobného průzkumu. Řeší speciální dílčí problémy,  které vznikly po ukončení podrobného průzkumu, nebo vyplynuly z realizace díla (například neočekávané geologické komplikace).  Geologický průzkum je prováděn za různým účelem. Podle toho, jaký je cíl průzkumu (vyhledání ložiska nerostné suroviny, zajištění a ochrana zdrojů podzemní vody, …) je  upravována metodika průzkumu a použité průzkumné metody. Obr. 12-2: Korečkové rypadlo na povrchovém hnědouhelném dole Bílina. 1)  Ložiskový průzkum Akumulace různých nerostných surovin se vyskytují v různých a často velmi odlišných geologicko  strukturních a úložných poměrech. Ložiska nerostných surovin se liší svojí genezí, morfologií,  kvantitativními i kvalitativními charakteristikami. Každá nerostná surovina je geneticky úzce spjatá  s geologickým vývojem dané geologické jednotky, která určuje charakter geologických procesů v ní  v minulosti probíhajících. Proto nemá smysl hledat například ložisko uhlí ve vyvřelých horninách.  Výskyt každé akumulace je tedy vázán na určité horninové typy, geologické struktury a úložní  poměry. Těmto různým poměrům se přizpůsobuje vlastní ložiskový průzkum, jehož cílem je  nalezení akumulace žádané nerostné suroviny. Výsledkem ložiskového průzkumu jsou informace o prostorovém rozmístnění akumulace, jejím  tvaru, typu suroviny, kvalitě suroviny a množství. Také podává důležité informace o báňsko-  technických podmínkách dobývání, hydrogeologických a plynových poměrech. Pro následný proces  úpravy vytěžené nerostné suroviny na průmyslem požadovanou úroveň jsou důležité informace o  technologických vlastnostech ložiska nerostné suroviny. Součástí komplexních informací získaných  ložiskovým průzkumem je i dopad využití ložiska na životní prostředí.    Podle účelu jeho aplikace rozlišujeme:    ložiskový průzkum;   hydrogeologický průzkum;   inženýrsko-geologický průzkum. Zda bude dále objevené ložisko využíváno, závisí na vědecko technické vyspělosti společnosti, stupni rozvoje hornické a úpravárenské technologie, ceně surovin, politické  situaci, atd. 2)  Hydrogeologický průzkum Cílem hydrogeologického (HG) průzkumu je zajištění a ochrana zdrojů podzemní vody pro vodárenské účely a termálních či minerálních zdrojů pro zdravotnické potřeby.  Studuje hydrogeologické poměry v horninovém masivu, výšku hladiny podzemní vody, rychlost a směr proudění podzemní vody, její chemické složení, velikost a dynamiku zvodně  atd. Tyto a mnoho dalších informací zjišťuje pro zajištění odvodnění ložiska při jeho těžbě, odvodnění stavenišť, sanaci ekologických zátěží nebo pro potřeby hydrotechnické,  zemědělské a jiné.  3)  Inženýrsko-geologický průzkum Úkolem inženýrsko-geologického (IG) průzkumu je komplexní analýza horninového prostředí, zhodnocení inženýrsko-geologických, hydrogeologických a geomorfologických  poměrů za účelem výstavby velkých staveb (elektrárny, přehrady, tunely, liniové stavby, atd.) a sanace přírodních katastrof (sesuvy, povodně, zemětřesení, atd.). Důležitým  výsledkem IG průzkumu je také prognóza geodynamických jevů a procesů (zda a z jakých příčin dojde k sesuvu, apod.).  Geologické průzkumné metody Do souboru používaných geologických průzkumných metod patří, jak velmi staré jednoduché prospektorské metody, tak také nové postupy využívající vědecko-technického  pokroku. Za posledních několik desítek let bylo vyvinuto mnoho nových průzkumných  metodik a prostředků, využívajících složité přístroje a terénní zařízení, modelovací postupy i  složité globální systémy. Rozlišujeme tyto geologické průzkumné metody:   prospektorské metody;    mapovací metody;   geochemické metody;   geofyzikální metody;   terénní zkoušky a režimní pozorování;   technické průzkumné práce. Prospektorské průzkumné metody V současnosti se metody průzkumu opírají především o metody dálkového průzkumu Země,  metalogenetické a geotektonické modely širších regionálních celků. Nicméně prospektorské metody  se stále využívají. Jednou ze základních metod je nalezení výchozů ložiskových těles.   Vyhledání výchozů ložiska je metodika, kdy hledáme místa, kde akumulace nerostné  suroviny vystupuje na povrch. Z výchozů pak získáváme informace o morfologii a rozměru ložiska,  úložních poměrech, tektonickém porušení, mineralogickém a chemickém složení, druhotných výplní  ložiska a petrografickém typu doprovodných hornin.   Metodika vyhledávání výchozů je podobná jako orientační geologické mapování. Při  průzkumných tůrách jsou vyhledávány výchozy. Každý výchoz se zakreslí do mapy a zdokumentuje.   Obr. 12-3: Výchoz uhelné sloje - Landek. Důležité je také odebrání vzorků pro přesné stanovení petrografického, minerálního a chemického složení. Vlastní dokumentace výchozu obsahuje popis morfologie akumulace,  úložních poměrů, základní mineralogický a petrografický popis ložiska a doprovodných hornin, strukturně-tektonický popis včetně strukturního měření a popisu tektonického  postižení. Vlastní nalezení výchozu ložiska závisí na morfologii krajiny, odolnosti doprovodných hornin ložiska vůči zvětrávání (selektivní erozi – odolná hornina, na kterou je vázáno  ložisko, vystupuje z reliéfu krajiny), lokalizaci výchozu v morfologii terénu (na hřebenech nebo v údolích), genetickém typu ložiska, na klimatických poměrech a vegetačním krytu.  Vyhledávání ložiska podle aureol (úlomků ložiskové výplně) je taktéž velmi stará a jednoduchá metoda. Její postupy se liší podle typu sledované aureoly.  Rozlišujeme:  • aureoly v říčním korytě; • aureoly na svazích; • aureoly v glaciálních sedimentech. Vyhledávání ložiska podle jeho úlomků v říčním korytě spočívá na sledování těchto úlomku v říčních  sedimentech proti směru toku. Tok splavuje úlomky ložiska z místa, kde se ložisko vyskytuje. Může se jednat  o výskyt ložiska přímo ve dně koryta nebo na svazích údolí. Zde se již uplatňuje další metodika – vyhledání  ložiska podle jeho úlomků na svazích. Vlivem gravitace se úlomky sunou po svahu dolů až se dostanou do  koryta toku, který je odplavuje dál ve směru toku. Výskyt úlomků na svahu se sleduje v bodech umístněných  na paralelních liniích (obr. 12-4).   Obr. 12-4: Schéma postupu mapování ložiska podle aureol v říčním korytě a na svahu. Černé skvrny reprezentují ložisko a jeho úlomky na svahu i v říčním korytě, zelené šipky vyznačují směr prospektorských linií, černé body - pozitivní nálezy, bílé body - negativní nálezy, červené šipky vyznačují směr postupu průzkumu.     Výskyt úlomků se sleduje proti směru toku (obr. 12-4). V místě kde se již dále úlomky nevyskytují se začne  provádět průzkum svahů. Na obou stranách koryta se vedou dvě linie s odběrnými body, na kterých se sleduje  výskyt úlomků. Na svahu, kde se potvrdil výskyt, se pokračuje dalšími paralelními liniemi odběrných míst.  Linie jsou voleny kolmo na spádnici.   Vyhledávání ložiska podle jeho úlomků v glaciálních sedimentech je založena na principu sledování  úlomku v morénách ledovců. Sleduje se výskyt úlomků především ve spodní moréně. Podle rýh na skalním  podkladu ledovce nebo z tvaru morén poznáme směr pohybu ledovce. Průzkumné odběry vedeme v liniích  kolmých na tento směr. V pozitivních odběrných bodech postupujeme proti směru pohybu ledovce další  příčnou linií. Postupně vymapujeme aureolu trojúhelníkovitého tvaru, v jehož vrcholu se nachází ložisko.  Vyhledávání ložiska podle výplavů těžkých nerostů  Metodika je založena na vyhledávání mechanicky a chemicky odolných těžkých minerálů v říčních  naplaveninách. Odolné minerály díky selektivní erozi vypadnou z méně odolné mateční horniny, která se  rozpadá. Říční to pak lehčí a menší úlomky odnáší pryč a těžké minerály kumuluje ve vhodných místech, kde  dochází k poklesu unášecí rychlosti toku. Těmito místy zpravidla bývají akumulační břehy meandrujícího  toku či akumulační plošiny na soutoku dvou řek. Tyto místa označujeme za rýžoviště. Mapovací metody Geologické mapování se uplatňuje ve všech etapách průzkumu. Charakter a náplň mapování v různých etapách se liší podle účelu prací, geologické stavbě a míry  prozkoumanosti. Geologická mapa podává informace o geologické stavbě a vývoji oblasti v závislosti na podrobnosti mapování. Vymezuje jednotlivé geologické tělesa, podává informaci o  jejich strukturní stavbě, tektonickém postižení, petrografickém a litologickém složení (obr. 12-5). Čím podrobnější je měřítko tím přesnější jsou údaje v mapě vykreslené. Ve  velkých měřítkách map jsou informace generalizovány, detaily jsou vypouštěny a mapa je pouze jakýmsi modelem geologické reality.    Geologické mapy slouží pro zjištění:   prostorových geologických poměrů;    hodnocení surovinové základny;   geologických rizik (sesuvů, poddolování, šíření kontaminace podzemní vodou, zemětřesení, atd.);   územní plánování (výstavba významných staveb);    péči o životní prostředí. Obr. 12-5: Ukázka odkryté geologické mapy. Horniny jsou rozlišeny barevně podle složení a stáří. Hydrogeologické mapování je zaměřeno na studium zákonitostí výskytu podzemní vody a jejího  pohybu v závislosti na geologických strukturách, geomorfologických a klimatických podmínkách,  sledování chemických a fyzikálních vlastností podzemní vody, možností jejího využití a ochrany před  znečištěním. Při průzkumu se využívá metod geologického a geomorfologického mapování, které jsou  doplňovány terénními zkouškami, technickými pracemi a laboratorním výzkumem. Nově se využívá  metod modelování   hydrogeologického prostředí. Vytvářejí se dynamické modely zvodní pro zjištění  směru a rychlosti proudění. Tyto modely se využívají při sanací ekologických zátěží. Modelují se různé  situace, které mohou nastat při změně hydrogeologických podmínek nějakým vnějším zásahem do  zvodně (změna čerpání ve vrtu, atd.).  Úkolem hydrogeologického průzkumu je stanovení množství a jakosti podzemní vody, směru a  rychlosti proudění, studium hydrologických poměrů (průtočnosti vodotečí, vydatnosti pramenů);  vymezení zvodní; stanovení ochranných obvodů kolem zdrojů pitných vod, výzkum režimu spodních  vod na ložiskách nerostných surovin a  objasnění hydrogeologických poměrů v oblasti výstavby  významných staveb, sanaci sesuvů a v oblastech kontaminující podzemní vodu.  Hydrogeologické mapy podávají informace o:    zjednodušené geologické stavbě;     úrovni hladiny podzemní vody;    směru a rychlosti proudění;    hlavních hydrologických objektech (vrty, studně a jímací zařízení);    informace o fyzikálních parametrech zvodně;    chemickém složení podzemních vod;    propustnosti horninového prostředí.  Inženýrskogeologické mapování je zaměřeno na zhodnocení inženýrsko-geologických poměrů a podmínek pro realizaci významné stavby nebo sanaci sesuvů. Při mapování se  sleduje horninové prostředí do hloubky maximálně první desítky metrů. Sledují se technické vlastnosti hornin (pevnost, únosnost, rozpojitelnost, rozpukanost mrazuvzdornost,  atd.), hydrogeologické poměry (hladina podzemní vody mění technické parametry hornin), stav a chování zemních těles (náspy), výskyty ložisek stavebních surovin. Využívají se  metody geologického, geomorfologického a hydrogeologického mapování, které jsou doplňovány terénními zkouškami, technickými pracemi, geofyzikálními metodami a  laboratorním výzkumem. Stále více se uplatňují vybrané metody dálkového průzkumu Země, především letecké snímkování a letecké geofyzikální metody. Výsledkem IG mapování  jsou účelové nebo komplexní mapy IG poměrů.  Úkolem je popis charakteru geochemických polí a vymezení jejich lokálních anomálií. Sledují se rozdíly v chemickém složení horninového prostředí ve vztahu k výskytu  nerostné suroviny, znečištění nebo charakteru zvodně. Geochemiské metody se uplatňují ve všech etapách průzkumu. Poskytuji informace o geologickém prostředí vhodném pro  výskyt dané suroviny, hydrogeologických poměrech, zdroji a stupni znečištění horninového prostředí. Základními metodami jsou:  Litogeochemické metody používají se v případech, kdy geochemická anomálie má výrazný kontrast vůči horninovému okolí. Posuzují se vzorky hornin nebo půd odebraných z výchozů, odkryvů nebo vrtů.  Hydrogeochemické metody jsou založeny na odběrech povrchových a podzemních vod, ve kterých se sledují výskyty a koncentrace rozpuštěných iontů či kontaminantů.  Biogeochemické metody využívají vazby vitality rostlin nebo výskytu určitého rostlinného druhu na lokalitu. Některým rostlinám se daří lépe na určitém chemicky specifickém druhu půdy. Podle jejich výskytu můžeme určit geochemickou anomálii (např. výskyt nerostné suroviny). V případě sledování vitality rostlin, která se náhle snížila, lze usuzovat na kontaminaci půdního horizontu.  Atmogeochemické metody jsou založeny na odběrech vzorků půdního vzduchu z mělkých sond nebo z vrtů. Využívají se při vyhledání plynných aureol, které doprovázejí ložiska ropy, zemního plynu a nekterých rud (radioaktivních prvků). V současnosti s výstavbou obytných objektů je spojen průzkum na výskyt především radonu. Geochemické metody Geofyzikální metody Obr. 12-6: Schéma vysvětlující princip gravimetrické metody. Oblast nad horninou s menší hustotou (žlutý sediment) než je okolí, vykazuje menší hodnoty tíhového zrychlení. Úkolem geofyzikálních metod je popis geofyzikálních polí a vymezení jejich lokálních anomálií. Podávají informaci nepřímou.  Jejich aplikací nevymezíme danou geologickou strukturu přímo, ale zjistíme pouze fyzikální rozhraní, které musí být správně  interpretováno. Geofyzikální metody aplikované ve všech etapách průzkumu, od orientačního (aerofyzikální průzkum) až po  těžební.    Cílem je indikovat geofyzikální projevy související s akumulací nerostné suroviny, strukturní stavby, tektonického porušení,  určení hladiny podzemní vody, směru proudění podzemní vody, určení zdroje znečištění, vymezení smykové plochy sesuvu, atd.  Výběr geofyzikální metody je závislý na geologicko-strukturních poměrech, mocnosti pokryvu, hydrogeologických poměrech,  genetickém typu vyhledávaného tělesa (ložiska), texturně-strukturních vlastnostech hornin, atd.  Základními metodami jsou:      gravimetrické;     seismické;     geoelektrické;     geomagnetické;      radiometrické;     geotermické. Poskytuji informace:   o geologicko-strukturní stavbě horninového prostředí - potřebné k řešení regionálně geologických, ložiskových a  prognózních otázek, (metody gravimetrické, geomagnetické, geoelektrické, seismické);    o tektonických deformací - sledování průběhu a charakteru zlomů, které jsou zónami oslabení masivu, mohou být na  ně vázány akumulace nerostných surovin nebo jde o zvodnělé zóny, (metody gravimetrické, geomagnetické,  geoelektrické, seismické);     o litologickém charakteru hornin - určují hloubku uložení a mocnosti jednotlivých vrstev hornin nebo rozsah geologických těles; (metody gravimetrické, seismické,  radiometrické);    o hloubce uložení skalního podkladu - lze také určit mocnost jednotlivých vrstev pokryvu, (metody geoelektrické, seismické, radiometrické);    o geochemickém charakteru zkoumaného prostředí - lze sledovat prostorovou distribuci určitých prvků, (metody geomagnetické, radiometrické);   o výskytu dané nerostné suroviny - uplatnitelné pouze tam, kde je výrazná fyzikální anomálie nerostné suroviny vůči okolí, (komplex vhodně volených metod);     o geometrických a kvalitativních charakteristikách ložiska - podobně jako u předchozího bodu, (metody - gravimetrické, geomagnetické, geoelektrické, seismické,  radiometrické);    o hydrogeologických poměrech - zjišťujeme jimi zdroje podzemní vody, hladinu, směr a rychlost proudění podzemní vody, nebo údaje o kolektorských vlastnostech  horninového prostředí, (metody - geoelektrické, seismické, radiometrické);   o fyzikálně-mechanickém stavu horninového masivu - získáváme jimi důležité informace o napětí v horninovém masívu při těžbě nerostné suroviny (stabilita důlního  díla) nebo v inženýrské geologii při sanaci sesuvů a výstavbě různých objektů, (metody - geoelektrické, seismické, radiometrické);     o zdroji a stupni znečištění - platí zde vše jako při vyhledání nerostné suroviny. V textu si dále vysvětlíme princip prvních třech uvedených (nejpoužívanějších) geofyzikálních metod. Všechny metody se používají při povrchovém průzkumu, některé lze  použít i pod povrchem a některé také při nadzemní (letecké, družicové) variantě.  Gravimetrické metody GRAVIMETRIE se zabývá studiem tíhového pole  Země. Sleduje  změny tíhového zrychlení pomocí  kyvadlových hodin. Tíhové zrychlení se mění v  závislosti na rozdělení hmot pod zemským povrchem.  Je nepatrně ovlivněno hustotami hornin (obr. 12-6).  Naměřené tíhové anomálie jsou rozdílem skutečné  tíže a normální tíže. Změny zemské tíže jsou  podrobněji vysvětleny v kapitole 2 - Tíhové pole  Země.  Výsledkem měření změn tíhového zrychlení je  tíhová mapa a její následná geologická interpretace.  Tíhové mapy umožňují zpřesnění v poznání geologické  stavby, neboť velikost zemského tíhového zrychlení je  nepatrně ovlivněna hustotou a velikostí geologických  objektů. Měření se provádí při plošném mapování,  jehož výsledkem je mapa úplných Bouguerových  anomálií, která obsahuje tíhový účinek především z  připovrchové a hlubší geologické stavby. Geologicky  využitelné informace aplikované gravimetrie jsou z  hloubek běžně do 5 km, v oblastech silných zdrojů  gravimetrických anomálií je to 15 až 20 km.  Obr. 12-7: Tíhová mapa úplných Bouguerových anomálií z oblasti karpatské předhlubně v úseku Moravské brány. Mapy úplných Bouguerových anomálií (obr. 12-7) obsahují indikace z veškerých hustotních diferencí, obsažených v geologické stavbě. Zaznamenávají průběhy zlomů, typů  hornin, umožňují představu o plošném rozsahu hornin a o jejich podpovrchovém pokračování a hloubkovém dosahu. Obr. 12-8: Schéma vysvětlující princip seismických metod. Seismické vlny vyslané ze zdroje se na horninových rozhraních lámou a odrážejí zpět k povrchu, kde je zaznamenávají geofony. Vlevo je již provedena interpretace digitálního záznamu (vpravo). Seismické metody Seismické metody jsou založeny na sledování směru, odrazu a rychlosti šíření seismických  objemových vln horninovým prostředím. Seismické vlny se v horninovém  prostředí odrážejí, lámou či  difragují. Čím větší je rychlost šíření seismické vlny, tím pevnější prostředí můžeme očekávat. Princip  metod je popsán v kapitole 2.   Rychlost šíření seismické vlny lze převést na modul pružnosti, či lze odvodit jiné fyzikální  vlastnosti horniny. Seismické metody podávají důležité informace o inženýrsko-geologických  charakteristikách, jako jsou parametry pružnosti hornin, měrná hmotnost resp. pórovitost hornin,  stupeň endogenního porušení (rozpukání), stupeň exogenního porušení (zvětrání), stupeň nasycení  vodou nebo i napětí v horninovém masivu.   V současnosti se často používá metoda reflexní seismiky (obr. 12-8), která je založena na registraci  časů příchodu vln, odražených od rychlostních rozhraní (horninová rozhraní, rozhraní různého nasycení kolektoru, různého stavu navětrání hornin, mechanických vlastností hornin, atd.). Výsledkem měření  je migrovaný časový řez, který po správné geologické interpretaci, podává informaci o rozsahu  ložiska, tektonickém porušení, litologii, mocnosti jednotlivých geologických jednotek, atd.   Geoelektrické metody Geoelektrické metody jsou nejrozsáhlejší skupinou geofyzikálních průzkumných metod. Sledují  změny elektrických polí v různých horninových prostředích. Měří elektrický odpor v horninách.  Elektrický odpor hornin je závislý na petrografickým složením hornin, fyzickém stavu hornin,  tektonickém porušení, rozvětrání, nasycení podzemní vodou, atd.   Sledováním změn elektrického odporu v horninovém prostředí zjišťujeme fyzikální stav horninového masivu, jeho tektonické postižení (zlomy),  sledujeme některé fyzikální  vlastnosti hornin, hydrogeologické struktury, hladinu a dynamiku podzemní vody, plochy nespojitosti v pokryvných útvarech, vyčleňujeme v horninovém prostředí kvazihomogenní  bloky, vymezujeme smukové plochy u sesuvů. Geoelektrické metody se používají především při průzkumu stability svahů, svahových deformací a sesuvných území; pro stavební účely; pro lokalizaci inženýrských sítí,  podzemních dutin a objektů; atd. Nejčastěji se používá geoelektrické profilování, sondování a karotáž.    Terénní zkoušky a režimní pozorování Uplatňují se především v etapách podrobného a těžebního průzkumu, kdy je nezbytné zjistit určité vlastnosti geologických objektů a dynamiku pozorovaných jevů in situ.  Především se sleduje změna geologického prostředí v závislosti na provedené práce (výstavba různých objektů, vyražení důlních děl, rychlost čerpání podzemní vody, atd.).  Využívají se různé terénní zkoušky nebo měření režimní, kdy se monitoruje určitý jev (pohyb sesouvaných hmot na sesuvu, průtok vody v korytě, hladina podzemní vody, atd.). Průzkumné technické práce - vrty Obr. 12-9: Snímek bedny s vrtnými jádry. Vrtné práce patří mezi přímé metody průzkumu (především v případě odběru vrtného jádra - obr. 12-9). Jsou  aplikovány ve všech druzích geologického průzkumu a to především v etapě podrobného a těžebního průzkumu. S  počtem odvrtaných vrtů se zvyšuje podrobnost průzkumu. Získáváme podrobnější informace o:  •   o složení a struktuře horninového komplexu; •   o strukturně-tektonické stavbě oblasti; •   o existenci a prostorové pozici ložiskových akumulací; •   o fyzikálně-mechanických vlastnostech hornin; •   o plynových poměrech; •   o petrofyzikálních a geochemických vlastnostech hornin; •   o hladině podzemní vody (nepřímo pak informace o hydrogeologických poměrech). Získaná data jsou relativně spolehlivá, ale bohužel nákladná. Při průzkumu se používá vrtání na plný profil nebo  vrtání na jádro s doplněním geofyzikálních metod aplikovaných ve vrtu (karotážní měření) nebo hydrogeologických  metod. Rozlišujeme tyto základní typy vrtání:  Obr. 12-12: Schéma vrtu a vrtného zařízení. spirálové vrtání je využíváno pro mělké vrty v zeminách, většinou pro hydrogeologický či inženýrskogeologický průzkum. Ocelový  šnek se pod tlakem a za stálého pomalého otáčení zatlačuje do zeminy, přičemž dochází k jejímu rozrušení a současnému nabírání  (obr. 12-10). Jakmile se vrták naplní, celý se vytáhne a hornina se vysype mimo vrt.  Obr. 12-10: Šnek používaný při spirálovém vrtání. nárazové vrtání je využíváno pro mělké vrty v zeminách, většinou pro  hydrogeologický či inženýrskogeologický průzkum. Vrtání je prováděno pomocí  dláta (obr. 12-11c), které je upevněno na konci lana nebo tyčích. Dláto je  opakovaně zvedáno a pouštěno na dno vrtu, kde ostří dláta odštěpuje úlomky  horniny, podobně jako sekáč vniká do zdi pod úderem kladiva na dláto. Úlomky  horniny se čas od času odstranily pomocí speciálních lžíc.  Obr. 12-11: Vrtné nástroje - a) vrtná korunka, b) valivé dláto, c) dláta pro nárazové vrtání. vibrační vrtání je využíváno pro mělké vrty v zeminách, většinou pro hydrogeologický či inženýrskogeologický průzkum. Vrtný nástroj se zavibrovává do méně soudržných hornin a zemin.  rotarové vrtání se používá při průzkumu a těžbě uhlovodíků, kdy se většinou vrtá na plný profil a jen místy se vrtá na jádro. Vrtání pomocí valivého dláta (obr. 12-11b) nebo korunky (obr. 12-11a), které se za řízeného přítlaku na horninu otáčí. Otáčení přenáší z „rotačního stolu“ soupravy trubky, kterými se současně do vrtu pumpuje výplach (obr. 12-12). Výplach je hustá kapalina složená z bentonitu (jílu) a vody. Tato kapalina tryská z vrtného nástroje, který ochlazuje, ale především vynáší zpět k ústí vrtu rozdrcené horninové úlomky. Tak se rotační vrtný proces stává velmi efektivní, protože nemusí být přerušován kvůli čištění vrtu od horninové drti. Výplach současně stabilizuje stěny vrtu (aby se nezhroutily) do doby, než se vrt zapaží (vloží se pažnicové trubky, které se zabetonují do horninového prostředí).   Obr. 12-13: Schéma znázorňující vrtání ponorným kladivem. jádrové vrtání  slouží pro odebrání vzorku horniny z určitého místa horninového masivu. Většinou je vrtáno rotačním způsobem.  Místo dláta (obr. 12-12 b) je použita korunka (obr. 12-12 a), kterou je hornina ve vrtu obvrtávána. Do dutého prostoru vrtných trubek,  kde je umístněn jádrovák ("pouzdro na jádro") vniká obvrtaná hornina - vrtné jádro (obr. 12-9), které se následně utrhne a vyjme na  povrch. vrtání s ponornými kladivy se používá při vyhledávání a průzkumu nerostných surovin, při jejich dobývání (ropa, zemní plyn), při  řešení hydrogeologických a inženýrsko-geologických úkolů. Princip je podobný jako u rotarového vrtání, ale vrtné soutyčí se neotáčí,  otáčí se pouze vlastní ponorné kladivo. Pohon kladiva je závislý na jeho druhu. Nejčastěji se používají pneumatická ponorná kladiva a  vodou či výplachem poháněná ponorná kladiva (obr. 12-13).  Obr. 12-14: Pohled do průzkumné šachtice. Průzkumné technické práce - hornické  Povrchové a důlní hornické práce se aplikují především v etapách  podrobného a těžebního průzkumu. Patří mezi přímé metody průzkumu (odběr  vzorků, terénní zkoušky). Získaná data jsou spolehlivá, ale jejich získání je  velmi nákladné.   Rozlišujeme povrchová průzkumná hornická díla (průzkumné rýhy, sondy a šachtice) a podpovrchová hornická díla  (svislé a úklonné průzkumné jámy, horizontální díla – štoly, překopy, úpadní a dovrchní chodby). Hornické práce poskytuji informace o:   složení a struktuře horninového komplexu;    strukturně-tektonické stavbě oblasti;    existenci a prostorové pozici ložiskových akumulací;    fyzikálně-mechanických vlastnostech hornin;    plynových poměrech;    petrofyzikálních a geochemických vlastnostech hornin;    hladině podzemní vody (nepřímo pak informace o hydrogeologických poměrech).  Průzkumné rýhy jsou výkopy v šířce 0.6 - 2 m, hloubkou několik metrů (2 -10 m podle použité mechanizace a geologickém prostředí - mocnost pokryvu a stabilita stěn  výkopu) a s libovolnou délkou. Jsou používány pro mapovací účely, verifikaci geofyzikálních a geochemických anomálií, ověření průběhu horninových rozhraní a tektonických  poruch. Průzkumné sondy jsou výkopy čtvercového půdorysu s hloubkou 2 - 3 m. Používají se především pro mapovací práce, odběry vzorků a terénní zkoušky.  Průzkumné šachtice mají větší půdorys než sondy (až 1.5 - 2 m) s hloubkou až 30 m. Využívají se především při detailním průzkumu ložiskových těles (obr. 12-14).   Dálkový průzkum Země Obr. 12-15: Satelitní multispektrální snímky teploty povrchu moře a koncentrací chlorofylu. Dálkový průzkum Země (DPZ) je moderní metoda získávání informací o objektech a jevech na povrchu planety Země bez nutnosti fyzického kontaktu. Řadí se mezi moderní  geoinformační technologie. V současné době dochází k velkému nárůstu využití materiálů DPZ. Data dálkového průzkumu Země (letecké a družicové snímky) tvoří velkou část  vstupních dat do geografických informačních systémů (GIS). Systém dálkového průzkumu je tvořen oblastí technickou (pořízení a sběr dat, jejich přenos a úprava) a oblastí analýzy a interpretace dat (zpracování prostorové informace).  Používaná technika využívá přirozeného nebo emitovaného elektromagnetického záření o vlnové délce 1x10 až 3x10-7 m. Získávají se různá data ve viditelném spektru světla, v  infračerveném, ultrafialovém spektru a sledují se také fyzikální pole Země a to jak odražená, tak vyzářená.   Podle části spektra, které zaznamenáváme rozlišujeme snímky:  – panchromatické – ČB;  – infračervené; – tepelné; – radarové.  Panchromatické snímky zachycují barvy ve stejném spektru jako lidské oko, ale převedené do tónů  šedi. Výhodou je snadná zpracovatelnost a vysoká rozlišovací schopnost. Nevýhodou je, že  zachycují  pouze viditelné záření (krátkovlnná část spektra), které je atmosférou značně rozptylováno  Infračervené snímky - tepelné snímky zachycují tepelné vyzařování povrchu Země. Umožňují  sestavení aktuálních teplotních map.   Multispektrální snímky jsou vytvořeny volitelnou kombinací snímků 7 vlnových pásem. Získáváme tak  snímky v nepravých barvách, které ovšem přinášejí informace, které nejsou běžným pozorováním  barevných fotografií vidět (obr. 12-15, 12-16).  Radarové snímky jsou výsledkem radarem vysílaného mikrovlnného záření, které dobře proniká  atmosférou i vegetací a odráží se od zemského povrchu zpět do přijímače. Jedná se o aktivní systém.  Jeho výhoda je v možnosti zobrazení území zakrytého oblačností. Obr. 12-16: Satelitní multispektrální snímek pořízený skenerem ASTER zachycující údolní ledovec v Patagonii. Podle druhu nosiče, na kterém je  záznamové zařízení umístněno, rozlišujeme:  – letecké; – družicové; – balónové; – z modelů. Letecké snímkování - zpočátku jeho  základem byla interpretace černobílé  fotografie, později barevné. V současné době  je i toto nahrazeno multispektrálním a  radarovým snímkováním. Provádí se pomocí  speciálně upravených letadel, kde na trupu  letadla jsou přichyceny snímací a záznamové  jednotky. Letadlo letí poměrně malou  rychlostí (asi 350 km/h). Snímky se pořizují ve  svislém směru postupně v řadách s podélným  překrytem 60 % (pro stereoskopiské -  prostorové studie) a příčným 30 %. Z  pořízených snímků se sestaví mozaika. Letecké snímkování se používá především v málo rozvinutých oblastech při geologickém mapování. Z  leteckých snímků lze zjistit rozsah různých geologických formací, jejich strukturní stavbu a tektonické  postižení. Ze snímků lze studovat regionálně geologické poměry, geomorfologickou stavbu oblasti a lze sledovat  v časových rovinách změny geomorfologického a inženýrsko-geologického charakteru. S úspěchem se letecké  snímky používají při monitoringu geodynamických jevů a znečištění. Družicové snímkování se provádí  z kosmických lodí nebo družic, které mají geostacionární dráhu letu nebo subpolární dráhu letu. Geostacionární družice obíhají kolem  Země po dráze v rovině rovníku asi 36 000 km nad povrchem Země. Jejich pohyb je synchronní s pohybem Země, to znamená, že snímkují stále stejné území. Snímky mají velký  rozsah, mohou zachytit až polovinu Země. Jejich nevýhodou je malá rozlišovací schopnost (1-5 km). Využívají se především na monitorování počasí, hydrologických a jiných  dynamických jevů (např. METEOSAT, GOES). Družice se subpolární drahou letu jsou synchronní se Sluncem, což znamená, že nad každým místem nad Zemí se nachází ve stejnou  dobu místního času. Pohybují se od 700 do 1100 km nad zemským povrchem (LANSAT).   V současné době je rozlišovací schopnost jednotlivých družicových systémů na takové úrovni, že konkurují leteckému snímkování. Družicový záznam vzniká postupným  skenováním povrchu Země po jednotlivých řádcích. Pro zaznamenávání se používají scannery.   Globální polohovací systém (GPS) Zkratka GPS může mít dvojí význam. GPS nebo také GNSS - Globální polohovací a navigační satelitní systém je družicový radiový systém pro určení geografické pozice a navigování kdekoliv na světě. Druhý význam zkratky GPS je (Global Positioning System) což je v současnosti jeden ze dvou činných systémů GNSS. Druhý činný systém je ruský GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma). Evropská únie pracuje na svém systému GALILEO. Systém se skládá ze tří základních segmentů (obr. 12-17):   kosmický segment;   řídicí segment;   pozemní segment. Obr. 12-17: Schéma zachycující jednotlivé segmenty globálního polohovacího systému. Kosmický segment se skládá ze systému družic, které obíhají kolem  Země po přesně určených oběžných drahách na orbitu. Aby systém  fungoval musí být vždy alespoň čtyři družice minimálně 15^o nad obzorem.  Systém GPS obsahuje 27 družic, z toho 24 je funkčních a 3 jsou záložní.  Těchto 24 družic obíhá Zemi ve výšce 20 200 km po 6 oběžných drahách  (4 družice jsou na jedné oběžné dráze - obr. 12-18). Každá družice  obsahuje velmi přesné atomové hodiny, které generují informaci pro  stanovení polohy. Informace je přes vysílač vysílána na Zemi. Energii  družice získává ze slunečních kolektorů a baterií. Dále družice může nést  další přístroje pro vojenské účely (detekce jaderných náloží). Obr. 12-18: Schéma GPS družic obíhajících kolem Země. Řídicí segment tvoří hlavní kontrolní stanice a monitorovací stanice umístněné na Zemi. Tyto stanice řídí a kontrolují funkci  všech systémů družic, přesnost chodu a pozici. Opravují výchylky v dráze letu družic na dalších 24 hodin a kalibrují hodiny.  Pozemní segment tvoří přijímač každého uživatele. Podle typu provedení rozlišujeme přijímače jednokanálové,  multiplexové a vícekanálové. Jednokanálové přijímače postupně přijímají a následně zpracovávají signály postupně z každé  družice. Jsou tedy velmi pomalé, nepřesné, ale levné. Multiplexové přijímače zpracovávají data během příjmu signálu z další  družice - jsou rychlejší než jednokanálové. Vícekanálové přijímače současně přijímají a zpracovávají signál z 5 až 10 družic.  Určení pozice je velmi rychlé a přesné. Obr. 12-19: Různé druhy pozemních segmentů GPS. GNSS přijímače se vyrábějí jako  kompaktní přístroje ke stabilní montáži s  oddělenou anténou, nebo jako desky  určené pro zabudování do osobních  počítačů nebo do řídících a zobrazovacích  jednotek či jako ruční přenosné přístroje s pevnou nebo oddělitelnou anténou. Většina  přístrojů využívá nekódované vysílání na  frekvenci L1=1575,42 Mhz. Pouze  autorizovaní uživatelé (armáda USA)  mají  k dispozici kód pro signál na frekvenci L2 =  1227,62 MHz.  Princip systému Každá funkční družice polohovacího systému vysílá na Zemi přes vysílač informace  generované procesorem a atomovými hodinami. Do signálu jsou vloženy informace, ze kterého  satelitu a kdy byl signál vyslán.   Přijímače na Zemi zpracovávají přijaté informace. V paměti každého přijímače jsou uložena data o dráze a pohybu všech družic daného systému (tzv. almanach), která jsou  minimálně každých dvanáct hodin zpřesňována pomocí korekcí (efemerid) stanovených na základě měření na pozemních monitorovacích stanicích.  Následně přijímač detekuje  danou družici a vypočte vzdálenost od konkrétního satelitu. Určení polohy přijímače vychází ze znalosti vzdáleností od alespoň tří satelitů. Protnutím tři imaginárních kulových  ploch pak určí pozici na Zemi. Vzhledem k tomu, že nejsou synchronní časové základny satelitu a přijímače, vstupuje do výpočtu čtvrtá neznámá. Proto je nutné znát pozici  čtvrtého satelitu. Princip systému je tedy založen na stanovení vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem pomocí měření časového intervalu mezi vysláním a příjmem signálu.   Chyby měření Satelitové polohovací a navigační systémy stejně jako jiné navigační systémy  dosahují určité míry nepřesnosti, která je nejčastěji způsobena chybou:   efemeridy - vysílaná zpráva nepodává správnou informaci o pozici  satelitu;   atomových satelitních hodin - vysílaná zpráva nepodává správnou  informaci o přesném čase;   atmosféry - ionosféra a troposféra způsobuje změny rychlosti šíření  satelity vysílaných elektromagnetických vln při průchodu atmosférou.  Další odchylky vznikají při průchodu radiových vln troposférou. Jde o  vliv změn teploty, tlaku a vlhkosti vzduchu (obr. 12-21).    multipath (vícenásobný příjem signálu) - chyby vzniklé odraženými  signály (např.  od budov, jezer, nádrží apod.);   přijímače - chyby měření přijímačem, dané termálním šumem,  přesností softwaru a mezikanálovými odchylkami.   Přesnost běžných citlivých přijímačů kolísá při vyloučení úmyslného zkreslení kolem 10 metrů horizontálně a 13 metrů vertikálně. Přitom  chyby přijímače jsou dány jeho konstrukcí (jedno a více kanálové) a přesností použitého softwaru. Snížení přesnosti určení polohy bývá  způsobeno geometrií rozložení satelitů nad obzorem v okamžiku měření (obr. 12-20). Příkladem zhoršených podmínek může být měření v husté  a vysoké zástavbě či v hustém lese.   Obr. 12-20: Vliv rozložení a viditelnosti satelitů. Obr. 12-21: Vliv atmosférických chyb.