PŘIROZENÁ RADIOAKTIVITA HORNIN A JEJÍ PŘÍČINY

Přirozená radioaktivita je jednou ze základních fyzikálních vlastností hornin.  Je podmíněna přítomností přirozených radionuklidů (nestabilních izotopů) v horninách. Jádra těchto radionuklidů se samovolně přeměňují (rozpadají) na jiná jádra. Tato přeměna je provázena emisí částic nebo energie, tj. jaderným zářením. Lze rozlišit tři druhy radioaktivního záření, označované jako záření alfa, záření beta a záření gama.
Záření alfa je tvořeno letícími heliovými jádry ⁴He (jsou složena ze dvou protonů a dvou neutronů), označovanými též jako alfa částice. Rychlost alfa záření dosahuje maximálně jen 10% rychlosti světla. Vzhledem k relativně velkým rozměrům heliových jader je průchodnost alfa záření hmotou silně omezena. Doběh alfa částic ve vzduchuje řádově v cm, v minerálech a horninách z nich složených jde jen o setiny mm. Alfa částice mají velmi silnou ionizační schopnost. Uvádí se, že jediná alfa částice, která ve vzduchu urazí dráhu 1 cm, vytvoří 10 000 iontových párů (Zimák et al., 2003).
Záření beta je tvořeno proudem elektronů, jejichž rychlost může dosáhnout až 99% rychlosti světla. Beta záření je asi 100x pronikavější než alfa záření, doběh ve vzduchu je několik metrů, v horninách může jít i o několik cm.
Záření gama je nejpronikavější, neboť jde o elektromagnetické vlnění podobné světlu, avšak ve srovnání se světlem má gama záření mnohonásobně vyšší energii. Doběh kvant gama záření ve vzduchu je zhruba 700 m, v horninách je doběh gama záření do 1 m (Zimák et al., 2003). K pohlcení gama záření by byl zapotřebí plát olova o síle několika cm.
Počet jaderných přeměn (rozpadů) v daném množství radionuklidu za jednotku času se označuje jako aktivita. Proběhne-li v určité látce 1 jaderná přeměna za 1 sekundu, má aktivita této látky hodnotu 1 Bq (becquerel). Aktivita hornin se zpravidla vyjadřuje pomocí hmotnostní aktivity, která se uvádí v jednotkách Bq.kg^-1. Pokud v 1 kg horniny proběhne 1 jaderná přeměna za 1 sekundu, pak má tato hornina hmotnostní aktivitu 1 Bq.kg^-1.
Míru stability atomových jader lze vyjádřit pomocí poločasu přeměny (rozpadu), což je doba, za niž se přemění (rozpadne) právě jedna polovina jader určitého izotopu (nuklidu). Podle poločasu přeměny lze přirozené izotopy rozdělit do tří skupin: skupina I zahrnuje izotopy s poločasem přeměny nad 1x10¹² roků (stabilita těchto jader je velmi vysoká, a proto jsou v geochemii tyto izotopy označovány jako stabilní), do skupiny II se řadí izotopy s poločasem přeměny v intervalu 1x10⁸ až 1x10¹² roků, skupinu III tvoří izotopy s poločasem přeměny pod 1x10⁸ roků (Zimák et al., 2003).
Většina prvků v zemské kůře je směsí několika izotopů (ty mají stejný počet protonů, ale rozdílný počet neutronů a také se liší svou stabilitou, tj. poločasem přeměny). Například přírodní draslík má tři izotopy: ³⁹K (tvoří 93,2581% veškeré hmoty K), ⁴⁰K (0,0117%) a ⁴¹K (6,7302%). Poměr mezi těmito izotopy draslíku je v různých minerálech a horninách v podstatě stejný. Mění se pouze v čase díky radioaktivnímu rozpadu, a to i v geologickém měřítku velice pomalu (nejméně stabilní izotop draslíku ⁴⁰K má poločas přeměny 1,31 mld. let). Stanovíme-li v hornině např. obsah ⁴⁰K, můžeme na základě výše uvedených údajů snadno vypočítat celkový obsah draslíku v této hornině (Zimák et al., 2003).

Draslík je v horninách zemské kůry vázán především na draselné živce (sanidin, ortoklas, mikroklin), biotit, muskovit a illit, v malém množství je přítomen v sodno-vápenatých živcích (plagioklasech). Radioaktivní izotop ⁴⁰K (T = 1,31x10⁹ roků) se na složení draslíku podílí jen 0,0117%. Přeměňuje se beta rozpadem na ⁴⁰Ca (88,8%) a záchytem elektronu na ⁴⁰Ar (11,2%). Izotop ⁴⁰K je tedy zdrojem beta a gama záření. 1 g přírodního draslíku (jde o směs všech tří izotopů K ve výše uvedeném poměru) emituje 3,3 kvant gama za 1 sekundu (Zimák et al., 2003).
Uran tvoří samostatné minerály (např. uranit, coffinit) nebo je jako příměs přítomen v jiných, obvykle akcesorických minerálech (ve značném množství může být např. v allanitu, zirkonu, apatitu, titanitu, monazitu a xenotimu), případně může být vázán na organickou hmotu. Přírodní uran je tvořen směsí tří izotopů: ²³⁴U (tvoří jen 0,005% veškeré hmoty uranu), ²³⁵U (0,72%) a ²³⁸U (99,275%). Žádný z těchto izotopů není stabilní. Izotopy ²³⁵U (T = 0,702x10⁹ roků) a ²³⁸U (T = 4,51x10⁹ roků) jsou mateřskými nuklidy dvou různých přeměnových (rozpadových) řad, jejichž konečnými produkty jsou stabilní izotopy ²⁰⁷Pb a ²⁰⁶Pb. Izotop ²³⁴U je přechodných členem přeměnové řady ²³⁸U. Uran a dceřinné produkty v obou přeměnových řadách jsou zdrojem záření alfa, beta a gama. 1 g přírodního uranu spolu s produkty přeměny emituje cca 50 000 kvant gama za sekundu (z toho více než 90% je generováno přeměnovou řadou ²³⁸U) (Zimák et al., 2003).
Podobně jako uran se i thorium může v horninách vyskytovat v podobě samostatných minerálů (thorit, thorianit - jde však o nerosty relativně vzácné) nebo může být jako příměs přítomno v minerálech jiných (např. v allanitu, zirkonu, apatitu, titanitu, monazitu a xenotimu, ale také v jílových minerálech). Thorium má šest přírodních izotopů, ale jen ²³²Th je izotopem s dlouhým poločasem přeměny (T = 1,41x10¹⁰ roků). Tento izotop je mateřským nuklidem thoriové přeměnové řady, která končí stabilním ²⁰⁸Pb (obr. 4). Členy této přeměnové řady jsou zdrojem záření alfa, beta a gama. 1 g thoria je spolu s produkty přeměny zdrojem cca 15 000 kvant gama za sekundu. Zbývajících pět izotopů thoria (²²⁷Th, ²²⁸Th, ²³⁰Th, ²³¹Th, ²³⁴Th) jsou přechodnými členy přeměnových řad ²³⁵U, ²³⁸U a ²³²Th a vyznačují se velmi krátkými poločasy přeměny (proto je zastoupení těchto pěti izotopů thoria v zemské kůře zcela minimální.

Přirozená radioaktivita hornin závisí na procesech a podmínkách jejich vzniku. V případě magmatických hornin lze konstatovat, že se jejich radioaktivita zvyšuje s rostoucí kyselostí (tj. s rostoucím obsahem SiO₂). Radioaktivita syenitů, granitů a granodioritů bývá vysoká. Extrémně nízkou radioaktivitu mají bazika a zejména ultrabazika. Vulkanické horniny obvykle vykazují vyšší radioaktivitu než jejich výlevné ekvivalenty.
Radioaktivita sedimentů závisí na povaze usazovaného materiálu a na průběhu diagenetických a dalších procesů (epigenetických, hydrotermálních…). Klastické sedimenty vykazují zpravidla vyšší radioaktivitu než cementační sedimenty. Ve skupině klastických sedimentů se koncentrace radioaktivních prvků zpravidla zvyšuje s klesající velikostí klastů. Pelity proto mají obvykle vyšší přirozenou radioaktivitu než např. psamity, reprezentované písky a pískovci. Výjimkou mohou být psamity se zvýšeným podílem těžkých minerálů s obsahem Th a U (např. zirkonu, monazitu, thoritu). Mezi pelitickými horninami zaujímají z hlediska radioaktivity mimořádné postavení tzv. černé břidlice (bituminózní až grafitické), které mohou obsahovat velmi vysoké koncentrace U a někdy i Th. Zvýšené koncentrace obou prvků mohou být i v kaustobiolitech uhelné řady (různé typy uhlí i rašelina). Karbonátové horniny (vápence a dolomity) jsou zpravidla jen slabě radioaktivní. Výjimku představují některé bituminózní karbonátové horniny se zvýšeným obsahem uranu (Matolín, Chlupáčová, 1997).
Radioaktivita metamorfitů výrazně závisí na složení protolitu, může však být výrazně ovlivněna přínosem či odnosem radioaktivních prvků (hlavně U a K) v průběhu metamorfních procesů.