Themata

Šest úspěšných přednášek, které vycházejí z autorových dlouhodobých vědeckých a pedagogických zkušeností. Pro většinu je k disposici syllabus, podrobný průvodce a učebnice v angličtině. Autorova skripta v češtině obsahující synopsy a doporučenou literaturu budou postupně poskytována na Internetu ke stáhnutí. Bližší informace dostanete e-mailem po vyplnění kontaktního formuláře ZDE

Dr. Jiří Březina, Heidelberger Str. 68, Waldhilsbach, D-69151 Neckargemuend, Germany

1. Sedimentologie textury písků

Principy, měření a interpretace. Jednotlivá písková zrna sedimentují v přechodné hydrodynamické oblasti mezi laminárním prouděním (Stokesův zákon) a turbulentním prouděním (Newtonův zákon): J. Březina (1979) formuluje vztahy v celé této oblasti (včetně Stokesova a Newtonova zákona) rovnicí pro odporový koefficient nejen koulí, ale i zrn nepravidelného tvaru jako funkci Reynoldsova čísla a Coreyova tvarového faktoru. Touto rovnicí lze vypočítat hodnoty všech zúčastněných proměnných jako je velikost, sedimentační rychlost, tvar a hustota zrna. Režimy proudění při obtékání sedimentujících zrn jsou dány relativní převahou sil zrychlujících zrna. Tento vztah vyjadřuje Reynoldsovo císlo, Re.

Malá zrna nemají dost vlastní hmoty pro dostatečnou akceleraci, takže dokáží paralelní proudová vlákna tekutiny jen minimálně "rozhrnovat": převažují vazké čili viskosní síly tekutiny (Re ≤ 0,1), mluvíme o vazkém čili viskosním hydrodynamickém režimu a laminárním proudění (Stokesův zákon). V této oblasti je sedimentační rychlost v_S úměrná čtverci velikosti zrna d²: v_S=c.d². V logaritmických souřadnicích se sedimentační rychlost (osa y) jako funkce velikosti zrna (osa x) znázorňuje pro Stokesův zákon jako přímka, jejíž příkrý sklon (směrnice) odpovídá exponentu 2.

Větší zrno (s větší hmotou) sedimentuje pomaleji (Re>0,1) než podle Stokesova zákona, k viskosnímu odporu tekutiny se začínají stále víc přidávat nárazy tekutiny. Její vlákna se už nedokážou zrnu vyhýbat: začnou se stlačovat před a protahovat za zrnem, kde vzniká podtlakový kuželový prostor zvaný úplav (angl. wake, německy Nachlauf) vyplněný zvířenými proudovými vlákny. Sedimentační rychlost v_i roste méně než podle Stokesova zákona: v logaritmických souřadnicích graf sedimentační rychlosti zmenšuje sklon, se zakřivuje , až od Re>2000 přejde v přímku se směrnicí odpovídající exponentu 0,5, kdy je tedy sedimentační rychlost úměrná druhé odmocnině velikosti zrna, d^0,5: v_N=c.d^0,5 (Newtonův zákon). Úplav je velmi dlouhý, vlnitý, vyplněný zvířeným čili turbulentním prouděním.

Při hromadné sedimentaci (více zrn) do čisté tekutiny v laboratoři se zrna vzájemně ovlivňují. J. Březina (1970) studoval sedimentaci pískových zrn do čisté vody rychlou a s pohybem zrn synchronisovanou kamerou a odvodil vztah pro maximální koncentraci zrn, při které vzájemný vliv snížuje vliv na sedimentařní rychlost zrn pod měřitelnou hranici: zrna nevytvářejí ani shluky, které rychleji klesají jako zhruba kulovitá jednotka těžké tekutiny, ani se vzájemně nepřibližují natolik, že by se vzájemně strhávala či brzdila. Zrna se smějí navzájem přiblížit nanejvýš 3,4 mm od středů částic, nezávisle na své velikosti. Tento požadavek určuje konstantní počet (ca 18.000) zrn a tedy proměnlivou váhu vzorku w_s v gramech; pro vnitřní průměr sedimentační trubice 20 cm w_s = 25.d³ , kde d je velikost zrna v millimetrech Pro vzorky zrn různých velikostí autor doporučuje ca 10-tý percentil rozdělení. Podle tohoto empirického vztahu jsou vzorky velmi malé (0,1 - 2 g), ale dostatečné z hlediska statistické representativity.

Pro sedimentační analyzu pískových zrn užíváme sedimentaci z jedné roviny do čisté tekutiny, která má fundamentální analytické výhody: vzniká zvrstvená (stratifikovaná) suspense, jejíž časovou expansi nazýváme zvrstvenou (stratifikovanou) sedimentací. V ní každá rovina obsahuje jen zrna se stejnou a známou sedimentační rychlostí a jejím vývojem se koncentrace zrn snižuje.

Pro sedimentační analyzu jemných částic sedimentujících laminárně podle Stokesova zákona a nemají sílu, aby se od sebe oddělily, musíme užívat homogenní suspensi. V ní známe sedimentační rychlost jen pro maximální sedimentační dráhu, pro níž musíme sedimentační záznam derivovat, což snižuje přesnost o jeden řád a nutí užívat relativně větší vzorky. Dalším nedostatkem homogenní sedimentace je vzrůstající koncentrace částic ve směru jejich sedimentační dráhy (dolů). Rostoucí hustota suspense a četnější kolise brzdí rychlejší částice.

Při interpretaci přírodních pískových sedimentů užíváme znalosti sedimentace jednotlivých zrn a z ní odvozujeme chování kolektivu zrn. Jde zejména o studia pohybu tekutiny (vody, vzduchu, turbiditních proudů a ledovců) v různých prostředích, jako je mořský příboj, aktivní či pasivní tok řeky, větrný (eolický) transport, zrnitostní predisposice zdrojového materiálu (provenience) atd.. Analytické výsledky podávají informace hlavně pro posouzení energetických možností pohybující se tekutiny. ...

2. Vulkanismus ve sluneční soustavě

Principy a formy vulkanismu ve sluneční soustavě, účinky na Zemi (atmosférické, geologické, ekologické). Sopky (vulkány) jsou místa úniku tepla na povrchu pevného kosmického tělesa (planety, satelitu ap.) prouděním tekutiny (konvekcí) na povrch, kde teplo září do prostoru. Největším zdrojem tepla jsou kolise různě velkých těles, jejichž četnost logaritmicky klesá od vzniku Sluneční soustavy.

Dalším zdrojem tepla je radioaktivita těžkých prvků, která logaritmicky klesá (podle konstantního poločasu specifického pro každý radioaktivní isotop) od vzniku sluneční soustavy.

Menší těleso má větší specifický povrch, rychleji chladne. Vulkanická část geothermálního tepla malých těles je tedy důkazem, že v nich teplo vzniká ještě dnes. Tímto současným zdrojem je gravitační (slapové) hnětení (flexing) sousedních těles, které způsobuje slapový ohřev (anglicky tidal heating). V pevné kůře je hnětení soustředěno na velké diskontinuity, kterými jsou na Zemi hlavně místa podsouvání tektonických desek (subdukce). Na nich je gravitační tření zhruba 1000-krát intensivnější než podsouváním. Zatímco deskový pohyb je jen několik cm/rok, slapový je průměrně 3x (=2-4x) několik cm/den = 1000-krát rychlejší.

Tělesa sluneční soustavy po svém vzniku nejdřív stabilisovala své heliocentrické resp. planetocentrické dráhy, větší tělesa do jedné roviny a jedním směrem a minimalisovaly oběhovou excentricitu. Všechna plynná a nad určitou velikost "pevná" tělesa jsou gravitačně deformovatelná: při změnách deformace vznikající vnitřní tření spotřebovává oběhovou a rotační energii. Rotace se tím zpomaluje až do energeticky úsporné synchronisace obou period (nejdříve harmonických násobků, posléze 1:1). Nejbližším příkladem je 1:1 synchronisace rotace Měsíce s jeho oběhem kolem Země. Jakmile k ní došlo, vulkanismus na Měsíci skončil (před cca 3,5 milliardami let).

Materiál původně roztavených těles se gravitačně rozdělil na těžké jádro, středně těžký plášť a lehkou kůru. Potom diferenciace pokračuje odplyňováním, které vytvořilo atmosféru a hlavně na Zemi i hydrosferu. Na terestrických planetách je vulkanismus většinou silikátový (výjimkou na Zemi je karbonatitový v jižní Tansanii, magnetitový v chilských Andách), na vzdálenějších nesilikátový: sírový na Io, na dalších satelitech kryovulkanismus tavením až varem vody (Europa, Enceladus), pevného methanu (Titan), dusíku (Triton) ap.. Vulkanické plyny, jejich složení; vývoj zemské hydro- a atmosfery. Typy a vlastnosti zemského vulkanismu podle basicity silikátového magmatu. ...

3. Pyroklastika: tufy a tufity

Pyroklastika jsou hybridní horniny - vulkanické materiálem, sedimentární uložením. Podle klasického geologického pravidla, že poslední proces dává název hornině, by pyroklastika měla být řazena mezi sedimenty resp. sedimentární horniny. Tufy jsou pyroklastika uložená na pevnině, tedy na vzduchu, tufity jsou uložené ve vodě, což je často obtížné prokázat. Hlavně tufy mohou přecházet v ignimbrity, které vznikly usazením z fluidisací stabilisované směsi žhavých plynů s kapičkami magmatu (fiery clouds, nué ardente).

Hlavním důkazem pro vodní uložení je příměs nevulkanogenních součástí, z nichž nejspolehlivější jsou fossilie, velmi často křemičité mikrofossilie (z opálu), předevsím rozsivky (Diatomaceae), protože nekrystalická pyroklastická složka (nestabilní vulkanické sklo) rychle uvolňuje kyselinu křemičitou. Vlastnosti krystalické a vitrické (skelné) složky, výskyt a použití v Karpatské soustavě. Přiřazení pyroklastické složky určitému vulkanickému zdroji a události je důležitým příspěvkem k datování vulkanismu.

Zvětrávání pyroklastické složky a jeho produkty: různé jíly, některé s unikátními vlastnosti (např. hydrofilní miocénní hořečnato-železnaté montmorillonity severně a východně od Prešova), přináší do sedimentačního prostředí kovy, které snižují jeho aciditu.

4. Všeobecná geologie (Physical Geology)

Endogenní a exogenní dynamika Země; principy anorganické chemie, horninotvorné a ložiskové minerály, přehled a vznik hornin a jejich vzájemné přeměny, geologický čas (absolutní a relativní) a možnosti a meze jeho měření, hlavní etapy vývoje života; endogenní procesy: magmatické a tektonicke (diastrofismus); desková tektonika, relativní pohyb desek k referenční soustavě opřené o pevné body cca 80ti horkých skvrn (hot spots); model klasických geosynklinál ve světle deskové tektoniky; hlavní typy hor; nitro Země, vlastnosti a interpretace šíření seismických vln; teplo slunečního záření je hlavním zdrojem energie exogenních procesů, proměny energie kinetické na potenciální a naopak probíhá vlivem gravitačního zrychlení. Zvětrávání horniny rozdružuje a připravuje pro mechanický a chemický transport.

Kinetická energie mechanického transportu je úměrná sklonu, tj. úhlu gravitačního pohybu k rovině ke gravitaci kolmé (vodorovné). Při velkém úhlu dochází k transportu pevných částic za přítomnosti i malého množství tekutiny (svahový pohyb jako jsou půdní sesuvy ap.). Tekutiny, pokud dominují nad pevnou fazí, však svým gravitačním pohybem mohou účinně strhávat množství pevných částic. Předávají svou vlastní kinetickou energii pevným částicím. Toto strhávání je přímo úměrné kinetické energii (KE) tekutiny a její kinematické viskositě (vazkosti, ν). Tak je tomu při vodní erosi a transportu. Zde opět rozhoduje úhel gravitačního pohybu, zda je tok aktivní (v horách), má dost kinetické energie, dominuje erose, nebo pasivní (v otevřené krajině), má málo kinetické energie tj. dominuje sedimentace, tok se zanáší vlastním sedimentem, který mu brání v pohybu (řeka meandruje).

Pohyb vzduchu (vítr), je působen také gravitací. Ta ale vzduch nezrychluje na svahu, nýbrž dle jeho hustoty, která se mění vlivem teploty (ohřátý vzduch stoupá, na jeho místo proudí studený vzduch ze strany - vítr), tlaku a obsahu vody ve kterémkoli skupenství. Pohyb hlavních vzduchových mas je ovlivňován rotací Země (Coriolisova a odstředivá síla). Erose a usazeniny větru (eolické procesy). Erose a usazeniny ledovců (glaciální procesy). Erose a usazeniny turbiditních proudů. Ložiska rudních, nerudních a energetických surovin (fosilních paliv), alternativní energetické zdroje. Sluneční soustava: typy těles, základní vlastnosti, pravděpodobný vznik a vývoj, Slunce, planety a jejich satelity, asteroidy, Kuiperův a van Oortův pás, meteority a komety. ...

Doporučená literatura:
Anatole DOLGOFF, 1998, Physical Geology; Houghton-Mifflin Co., Boston, New York; 638 (8.5"x10.75") stran, paperback, ISBN 0-669-33923-7 .
http://www.thelayeredearth.com/

5. Ekologická geologie (Environmental Geology)

Planetární prostředí Země, vývoj Země, vývoj života v závislosti na změnách prostředí, zejména klimatu, exponenciální vývoj lidské populace, populační explose nejchudších (neproduktivních) lidských skupin, růst nezaměstnaných a nároků na zaměstnané; materiály zemské kůry, principy anorganické chemie, přehled horninotvorných a ložiskových minerálů, hlavní typy hornin a jejich vzájemné přeměny, desková tektonika; zemětřesení a vulkanismus, jejich vliv na blízké a vzdálené obyvatelstvo; práce řek a povodně, pobřežní mořská erose a sedimentace, erose a sedimentace větru, erose a sedimentace ledovců, doby ledové, gravitační svahový pohyb (půdní sesuvy ap.); spodní voda jako zdroj, vznik a typy půd, jejich ohrožení, minerální zdroje: rudní, nerudni a energetická ložiska (fosilní paliva a alternativní zdroje), dobývání, vliv na prostředí, nedostatkové suroviny, řešení; atmosféra, zvrstvení, vývoj (kyslík v atmosféře teprve v poslední desetině zemské existence), ochrana před penetrací rychlých těles (meteority), subatomických částic a energetického el-magnetického záření (UV), ale i permeabilita pro únik pozemského IR záření pro rovnováhu s vnějším el-mag. vstupem (viditelné světlo) udržuje dané klimatické teploty; základní fotochemické reakce (vznik ozonu, fotosynthesa); produkty lidské činnosti (odpad ap.) - užití jako nové suroviny nebo jejich chemická deaktivace a ekologické ukládání; problémy odpadu tuhého, tekutého, plynného a radioaktivního; znečištění půd, vody a vzduchu (odlišení lidského podílu od přirodních procesů), anthropogenní změny prostředí a jejich vliv na zdraví lidí, zvířat a rostlin. Hlavní ekologické principy: zachování dlouhodobých rovnováh, vzájemné závislosti se týkají nejen lidstva, ale i rostlinné a živočišné říše a jejich zachování v proporcích celého spektra druhů, genetický poklad života.

Doporučená literatura:
Carla W. MONTGOMERY, 2006, Environmental Geology; McGraw-Hill, Boston, New York, etc., 7. vydání; 540 (9x10.75") stran, paperback, ISBN 0-07-111625-7 .

6. Forenzní (kriminalistická) geologie

Stručné dějiny forenzního výzkumu, základní druhy geologických materiálů: minerály, horniny, charakteristika půd a jejich složek, fosilie a mikrofosilie; přehled geologických materiálů upravených člověkem, např. při stavbě domů, mostů, zdí atd., , umělé a komerční materiály: sklo, isolace tresorů, čisticí a kosmetické prášky, abrasiva, písky a jíly; sběr důkazů: odběr vzorků representativních pro srovnávací účely (rozšiřování referenčních vzorkových sbírek) a průkazných vzorků; určovací vlastnosti (barva, zrnitostní složení, struktura, přírodní a ochranné isotopické značkování) a mechanické, fysikální, chemické metody a geofysikální metody, jejich kombinace a logické použití zvyšuje spolehlivost; druhy geologických, mineralogických a zejména gemologických podvodů; minulost, současnost a budoucnost forenzní práce, příklady úspěchů geologické kriminalistiky.  

Doporučená literatura:
Raymond C. MURRAY, 2004, Evidence from the Earth: Forensic Geology and Criminal Investigation; Mountain Press Publishing Company, Missoula, Montana, USA; 228 (5.5"x8.5") stran, paperback, ISBN 0-87842-498-9 .

Kenneth PYE, 2007, Geological and soil evidence: Forensic Applications; CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Rayton, FL, USA; 335 stran, ISBN-13: 978-0-8493-3146-6 .

Kenneth PYE + D. J. CROFT (eds), 2004, Forensic Geoscience: Principles, Techniques and Applications; Geological Society, London, Special Publication No. 232, 318 stran, ISBN 1-86239-161-0 .

Martin Paul EWISON + Richard W. VORDER-BRUEGGE (editors), 2010 (25-FEB-10), Computer-Aided Forensic Facial Comparison, Scientific and Technical Aspects; CRC Press, 192 stran, 128,99 €URO; ISBN-10: 1439811334, ISBN-13: 978-1439811337.