Aktuální číslo:

Gravitace poodhaluje záhady podzemí

aneb Co se změnilo a nezměnilo od dob Isaaca Newtona

| 22. 7. 2010

| Vesmír 89, 420, 2010/7

Přesné měření zemské tíže (gravimetrie) je jednou ze základních metod užité geofyziky.¹⁾ Nad těžkými horninami (např. bazalt s hustotou 3100 kg.m–3) naměříme vyšší hodnoty tíže než nad horninami lehčími (např. žula s hustotu 2670 kg.m–3). Této skutečnosti využíváme při geologickém mapování a při určování velikosti, tvaru a hloubky skrytých horninových těles. Zápornou tíhovou anomálii (lokálně snížené hodnoty tíže vůči okolí) zjistíme samozřejmě i tam, kde hmota v horninovém prostředí chybí, tj. nad podzemními dutinami. Dutiny mohou být přirozené (např. krasové jeskyně) nebo vytvořené lidskou činností (staré šachty, štoly, těžební komory, kolektory, kryty, bunkry, tunely, studny, sklepy), z archeologických objektů bývají předmětem gravimetrického průzkumu staré hroby a krypty.

Na Newtonových zákonech zformulovaných v 17. století (Isaac Newton, 1643–1727) se nic nemění a do dnešní doby jsou teoretickým základem aplikované gravimetrie. Co se však změnilo podstatně, je přesnost, s jakou dovedeme tíži určovat. Přibližná hodnota tíhového zrychlení g na zemském povrchu je 9,8 m.s^–2. V 17. století se k měření tíže používala kyvadla (doba kyvu kyvadla je závislá na tíhovém zrychlení) a bylo již také známo, že hodnota tíže je na povrchu Země v různých místech různá. Kyvadlové hodiny sestrojené Christiaanem Huygensem r. 1673 (obr. 3) byly schopny zaznamenat změny tíže v řádu zhruba 10^–2 m.s^–2. Současné terénní gravimetry používané v geofyzikálním průzkumu měří zrychlení s citlivostí 10^–8 m.s^–2, to znamená, že tyto přístroje zaregistrují změnu tíže v hodnotě jedné miliardtiny normálního gravitačního zrychlení (10^–9g). Při takto vysoké citlivosti ovlivňuje měřenou hodnotu tíže celá řada faktorů, o které se nezajímáme a jejichž vliv musíme z měření vyloučit. Jsou to např. časové změny tíže způsobené změnou polohy Slunce a Měsíce během měření, různá zeměpisná šířka měřených bodů (mění se odstředivé zrychlení způsobené rotací Země kolem své osy), různá nadmořská výška bodů měření (mění se vzdálenost k těžkým hmotám uvnitř Země) i členitost okolního terénu. Při gravimetrickém měření proto spočítáme, jaká by v daném místě a v daném čase měla být hodnota tíhového zrychlení, kdyby byla Země hustotně homogenní. Tuto teoretickou hodnotu odečteme od tíže změřené a dostaneme tíhovou anomálii, která vyjadřuje účinek místních hustotních nehomogenit. Je-li v místě měření relativní přebytek hmot vůči okolí (např. těleso diabasů uprostřed žul), naměříme zde kladnou tíhovou anomálii. Nad objekty s relativním deficitem hmot vůči okolí (např. jeskyně ve vápencích) zjistíme zápornou tíhovou anomálii.

Literatura

Blecha V., Vilhelm J., Rambousek P., Dohnal J., Jáně Z.: Geofyzikální průzkum pozůstatků staré důlní těžby v Lukavici u Chrudimi. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, řada stavební, VII, 31–38, 2007

Blecha V., Rambousek P.: Lokalizace historické důlní šachty pomocí mikrogravimetrie. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, řada stavební, VIII, 13–19, 2008

Poznámky

1) Užitá geofyzika se studuje na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze jako specializace navazujícíhomagisterského oboru Aplikovaná geologie. Vhodnou přípravou pro studium Aplikované geologie jsou bakalářské studijní obory Geologie, Geotechnologie nebo Hospodaření s přírodními zdroji, které se studují na téže fakultě.

Na území České republiky probíhala v minulosti intenzivní těžba rud a uhlí. Existuje tak celá řada lokalit, kde se propadají stropy důlních děl, budovy nad nimi praskají a čím dál silněji zatěžované silnice se bortí. Znalost přesné polohy starých důlních děl je důležitá i při nové výstavbě, aby se území zasažené důlní těžbou mohlo v předstihu sanovat. Jednou z lokalit, v níž jsme za účasti studentů a ve spolupráci s Českou geologickou službou prováděli gravimetrický průzkum, je Lukavice u Chrudimi, kde se od poloviny 16. do konce 19. století těžil pyrit. V počátcích lukavického dolování se kutání většinou odehrávalo zhruba 10 m pod povrchem, maximální hloubky přes 200 m bylo dosaženo v roce 1831. Jedním z úkolů, který jsme v Lukavici řešili, bylo určení přesné polohy bývalé vodní šachty Vilemína. Její maximální hloubka byla 66 m a sloužila k odvodňování lukavických dolů. Šachta byla v minulosti několik metrů pod povrchem zaklenutá a zasypaná. V současnosti je pravděpodobně zaplavená vodou a částečně zavalená. Přesto jsme předpokládali, že šachta se při gravimetrickém měření projeví relativně zápornou tíhovou anomálií, neboť jako celek bude mít nižší hustotu než okolní horniny, které tvoří alterované porfyroidy. V místech, kde se měla šachta podle historických map přibližně vyskytovat, jsme vytyčili síť gravimetrických bodů, přesným digitálním gravimetrem změřili tíži a gravimetrické měření zpracovali do formy tzv. reziduálních Bouguerových anomálií, které zvýrazňují tíhové účinky lokálních objektů (obr. 1). Polohu šachty Vilemína v obr. 1 jasně indikuje záporná tíhová anomálie. Obdélníkový tvar anomálie je způsoben tím, že vedle šachty bylo zapuštěné vodní kolo. Situace gravimetrických profilů a zjištěná poloha vodní šachty Vilemína jsou zakresleny na leteckém snímku centra Lukavice (obr. 2).

Ke stažení

článek ve formátu pdf [720,43 kB]

RUBRIKA: Hlavní články

O autorovi

Vratislav Blecha

RNDr. Vratislav Blecha, CSc., (*1949) vystudoval užitou geofyziku na Přírodovědecké fakultě UK v Praze. Na této fakultě pracuje jako vedoucí oddělení užité geofyziky v Ústavu hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky a přednáší zde gravimetrický a magnetometrický průzkum.

články autora