Speleoluminiscence

Josef Slačík

(Slovenský kras 15; str.63—79; Martin 1977)

 

 

Die Anwendung der Lumineszenzanalyse in der Speläologie ist bis heute wenig verbreitet, aber die jetzigen Erfahrungen zeigen, daß es eine Menge Applikationen gibt, die man überprüfen, begründen und letzten Endes auch in der speläologischen Praxis verbreiten muß. Die Bedeutung der Lumineszenzanalyse wird davon abhängen, inwieweit sie es fertigbringen wird, leicht, verläßlich und mit einer Beschränkung von störenden Eingriffen ins Höhlenmilieu auf ein Minimum, Informationen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Objekten in der Natur und über die Zusammenhänge zwischen diesen Eigenschaften und den Bedingungen, unter denen die gegebenen Objekte entstanden oder in das Milieu der Höhle gelangten, zu geben.

 

1. Úvod

V současné speleologii se uplatňují poznatky a metody z mnoha odvětví přírodních, technických a humánních věd, některé sportovní discipliny a zasahují do ní i některé aspekty společenských věd. Často bylo možno aplikovat zkušenosti ze speciálních oborů přírodních věd i při výzkumu v tak neobvyklém prostředí, jako jsou přirozené podzemní prostory ve vápencových masivech.

Vedle geologických disciplin se již běžně uplatňují aplikovaná mineralogie, výzkum fyzikálně-chemických parametrů a geofyzikální metody. Stranou stála dosud luminiscenční analýza, která si v celé řadě vědních i technických oborů již našla své významné místo. Z aplikací luminiscenční analýzy v oblasti geologie jmenujme namátkou prospekci naftonosných horizontů, indikaci a prospekci některých minerálů, jako např. scheelitu a zirkonu, a identifikaci některých minerálů a drahokamů (Danckwortt a Eisenbrand 1964).

Mnoho speleologů se v jeskyních setkalo s luminiscencí při fotografování. Účinkem bleskového světla a zejména moderních elektronických fotoblesků se v sintrových útvarech excituje obvykle nazelenalé sekundární záření – fosforescence (Dittrich 1959; Henne a Krauthausen 1965 a jiní).

Někteří autoři se problematikou luminiscence v jeskyních zabývali podrobněji. Staršími pracemi jsou články Bambera (1951), Ingalise (1953) a O'Briena (1956). Velmi důkladně se fotoluminiscencí v jeskyních zabýval Dittrich (1959). Cigna (1958) publikoval zajímavé výsledky studia fluorescenčních spekter sintrů. Zmínky o luminiscenčních vlastnostech sintrů a krápníkové výzdoby publikovali Lebeděv (1964), Běljak (1969), Kropačev, Gorbunova a Fedorov (1970), Burkhardt a Nesrsta (1970) a jiní. Buschbeck (1974) publikoval kvalitativní popis jevů při prohlídce některých jeskyní s UV-lampou.

Autor se zabývá problematikou fotoluminiscence od roku 1971. Navázal na některé citované práce a studoval podrobněji luminiscenční vlastnosti hornin a minerálů v jeskyních, některé aspekty luminiscenční analýzy a jejich konkrétní aplikaci pro výzkum jeskyní a využití luminiscenčních jevů pro zvýšení atraktivnosti turistických jeskyní (Slačík 1971, 1972, 1973a,b,c, 1974, 1976a). Vedle kalcitu jsou předmětem studia luminiscenčních vlastností i jiné minerály, vyskytující se v jeskyních, zejména sádrovec, anhydrit (1975b), opál (Lysenko a Slačík 1975) a jiné.

Shrnutí základních zkušeností o luminiscenčních typech bylo publikováno na 1. symposiu Komise UIS pro studium fyzikálně-chemických procesů v krasu v Granadě (1975a). Tam byla také předložena základní systematika nového oboru – speleoluminiscence – jako syntéza dosavadních znalostí a jejich aplikace.

Speleoluminiscence se zabývá studiem luminiscenčních vlastností hornin, nerostů, sedimentů, organismů a umělých objektů v krasových oblastech a využitím těchto vlastností při speleologickém výzkumu a při provozu zpřístupněných jeskyní.

 

2. Teoretická část

2.1. Podstata luminiscence

Při luminiscenci dochází v látce k přeměně absorbované budící energie na energii světelnou. Luminiscenční záření převyšuje záření tepelné a má konečnou dobu trvání, jež podstatně převyšuje periodu tepelných kmitů.

Podle způsobu buzení rozlišujeme několik druhů luminiscence. Např. u katodoluminiscence působí svazek elektronů, u triboluminiscence mechanická energie. Bioluminiscence je vyvolána chemickými ději v biologických jedincích a je vlastně specielním druhem chemiluminiscence.

Pro speleologický výzkum jsou aplikovatelné především dva druhy – fotoluminiscence a termoluminiscence.

Při fotoluminiscenci ve speleologii používáme jako budící zdroj převážně rtuťové výbojky, emitující ultrafialové (UV-) světlo, a to v dlouhovlnné oblasti s maximem okolo 365 nm a v krátkovlnné oblasti s emisní čarou 254 nm (nm = 10−9 m). Při fotoluminiscenci leží vznikající sekundární záření obvykle ve viditelné části spektra. Zřídka se vyskytující ultrafialové nebo infračervené sekundární záření není okem patrné a je tudíž pro praktickou aplikaci bezvýznamné.

Termoluminiscence má odlišný mechanismus. K emisi světla dochází až při postupném zvyšování teploty luminiskující látky, která byla předtím excitována světlem, X-paprsky, korpuskulárním zářením nebo gama-paprsky. Termoluminiscenční křivka udává intenzitu emitovaného světla v závislosti na teplotě luminiskující látky, měřené od výchozí teploty.

Bližší poučení o fyzikálních podmínkách vzniku luminiscence podává specielní literatura (Pátek 1962 a jiní).

 

2.2. Charakteristika fotoluminiscence

Jak již bylo uvedeno, má pro speleologický výzkum praktický význam pouze foto- a termoluminiscence. Přístrojové vybavení pro termoluminiscenční studium nedovoluje terénní použití, naproti tomu při studiu fotoluminiscence lze vedle výzkumu pomocí dokonalých laboratorních přístrojů pracovat i přímo v terénu. Pro terénní práci jsou vhodné přenosné, dostatečně silné zdroje UV-světla (lampy Mineralight, Hanau aj.). Pro pozorování fosforescence slouží elektronický fotoblesk.

Základními charakteristikami, které lze v terénu při studiu fotoluminiscence stanovit kvalitativně, příp. semikvantitativně, jsou: spektrální složení fluorescence (během osvětlení UV-lampou) a fosforescence (po vypnutí lampy nebo po záblesku), intenzita a dosvit.

Spektrální složení luminiscenčního záření je závislé na použitém druhu UV-světla, které je pro daný přístroj konstantní ve dvou odděleně použitelných oblastech, a na několika dalších faktorech, které budou blíže diskutovány. Opticky se spektrální složení projeví barvou, přičemž je nutno rozlišovat více-méně čisté barevné tóny od bílé luminiscence, zabarvené slabě do některého odstínu. Dobrou pomůckou pro rozlišení obou typů luminiscence jsou interferenční filtry. U krasových minerálů se velice často vyskytuje široké spektrum luminiscence, které je vizuálně bělavé s odstíny do modra, zelena a žluta. Čisté barevné tóny se vyskytují zřídka, např. u opálu. Metodikou stanovení luminiscenčních typů se zabýval autor (1975a).

Intenzitu fluorescence v jeskyních je možno měřit expozimetrem. Doporučuje se dodržovat konstantní vzdálenost zdroje i expozimetru 10 cm, takže výsledky jsou porovnatelné (při podobném spektrálním složení). Stejně tak jsou porovnatelné hodnoty dosvitu, tj. doby dohasínání po osvícení UV-lampou nebo fotobleskem ze stejné vzdálenosti, měřené stopkami (Slačík 1973a).

Při laboratorním studiu je možností mnohem více. Předem lze místo stanovení barvy fluorescence stanovit emisní fluorescenční spektrum, které jednoznačně prokáže spektrální složení. Toto měření lze doplnit ještě absorpčními, případně excitačními spektry. Měření intenzity se provádí na velmi přesných, citlivých a selektivních přístrojích, takže množství informací o původcích luminiscence se tím podstatně rozšíří a prohloubí.

Kromě přesného stanovení doby dohasínání a závislosti pro časový průběh dohasínání, důležitého pro určení typu aktivátora, je možno se zabývat studiem polarizace, kvantového výtěžku a kinetiky luminiscence. Všechny tyto metody dávají informace o podstatě a vlivech, které v daných případech hrají roli při výsledném luminiscenčním efektu. Beze sporu rozšiřují znalosti v teoretické oblasti fyziky a chemismu hornin a minerálů. Na druhé straně však samotný výskyt luminiskujících objektů v jeskyních přináší řadu možností pro praktický speleologický výzkum.

 

2.3. Faktory ovlivňující fotoluminiscenci

V podmínkách krasových jeskyní lze za konstantní a tudíž bez vlivu na luminiscenční vlastnosti pokládat teplotu, působení slunečního světla a vliv jiných druhů elektromagnetického záření. Podstatnými faktory ovlivňujícími luminiscenci jsou za těchto podmínek chemické složení, struktura povrchu a mechanické příměsi.

Všechny přirozené materiály vyskytující se v jeskyních jsou tzv. krystalofosfory. U těchto látek jsou přítomny tzv. aktivátory luminiscence, kterými bývají ionty některých prvků, strukturní poruchy krystalové struktury a v některých případech i příměsi složitějších organických molekul.

Problematikou aktivátorů luminiscence kalcitu se zabývalo několik desítek autorů, kritické hodnocení některých názorů podal Trdlička (1964). U kalcitu se vyskytují jako aktivátory:

Na základě stanovení obsahů Mg, Fe, Mn, Pb, Sr, Ba a luminiscenčního typu u několika set vzorků vápenců a kalcitů z krasových oblastí Českého masivu a z hydrotermálních žil došel autor k závěru, že u krasových materiálů je nutno za aktivátory luminiscence pokládat stroncium, organické látky a ve vzácných případech u kalcitu i mangan. Ke killerům (luminiscenčním jedům) patří železo, vysoké obsahy hořčíku a pravděpodobně také některé organické látky (Slačík 1975a).

Struktura povrchu se projevuje na luminiscenci velmi zajímavě. Aby došlo ke vzniku sekundárního záření, musí se kvanta energie absorbovat v látce. Pokud je povrch velmi hladký (velké krystaly), dochází ke značnému odrazu UV-paprsků a luminiscence je nízká. Zvýšení efektu je možno dosáhnout přiložením UV-lampy přímo na povrch vzorku (u průhledných a průsvitných).

U zrnitých materiálů závisí luminiscenční efekt na kvantovém výtěžku. Je-li tento vysoký, lze pozorovat u sítových frakcí od −0,028 mm do +2,0 mm stejnou intenzitu luminiscence. Naproti tomu u látek s nízkým kvantovým výtěžkem dochází u jemnějších frakcí k postupnému přesunu barevných odstínů směrem k fialovému konci spektra. Velmi názorně lze tento jev demonstrovat pouhým rýpnutím nožem nebo úderem kladiva; u látek s nízkým kvantovým výtěžkem je drcený materiál zřetelně nafialovělý. Fosforescence je na velikost zrna méně citlivá než fluorescence.

Mechanické příměsi mohou působit na luminiscenci pozitivně i negativně. Zvýšení intenzity luminiscence způsobují zejména některé organické látky (huminové kyseliny aj.). Také skvrny od oleje v místech, kde byly prováděny vrtné práce, fluoreskují velmi nápadně.

Často se vyskytuje i potlačování luminiscence zejména příměsemi kysličníků železitého a manganu ve vyšších oxidačních stupních a příměsemi nebo povlaky jílovitých nánosů, někdy s vyšším obsahem těchto kysličníků. Také prach je velmi často tlumičem luminiscence, jak lze dokumentovat zejména na krápníkových vodopádech, na nichž kryté partie při stejném zbarvení luminiskují mnohem silněji než partie na povrchu útvarů.

 

2.4. Objekty studia luminiscence

Horniny a sedimenty převážně neluminiskují, pouze u některých vápenců je možno pozorovat slabou fosforescenci po osvícení fotobleskem. Při použití UV-lampy jsou tudíž horniny a sedimenty výtečným kontrastem pro fluoreskující sintrovou výzdobu. Pro termoluminiscenci jsou velmi vhodné, zejména proto, že nejsou ovlivněny slunečním světlem a působením jiných druhů elektromagnetického a korpuskulárního záření, které mají značný vliv na termoluminiscenci a zejména na možnost jejího využití pro kvantitativní měření aktivační energie a stáří.

Minerály vyskytující se v jeskyních mají vzhledem ke své chemické a genetické různorodosti velmi odlišné luminiscenční vlastnosti. Některé neluminiskují (hematit, pyrit aj.), některé mají velmi charakteristickou a jednoznačnou luminiscenci (opál). Nejrozšířenější krasový minerál – kalcit – a sádrovec s anhydritem mají rozmanité vlastnosti, které jsou ovlivněny chemickým složením, strukturními faktory, genezí aj.

Krasové vody fluoreskují většinou slabě bělavě, a to jak ve vápencových krasových oblastech Českého masivu, tak i v anhydritových oblastech NDR. Původ této fluorescence je pravděpodobně nutno hledat v přítomnosti některých organických látek.

Z ostatních přírodních objektů lze jmenovat především kosti, jejichž luminiscence je závislá na stupni kalcifikace. Pro hledání kostí není UV-lampa příliš vhodná, neboť luminiscence je patrná pouze na čerstvém, nezašpiněném lomu. Drobní živočichové sice v některých případech také fluoreskují, ale pro praktické použití je toto pozorování zřejmě bezcenné. Ani fluorescence běžných nižších rostlin není v tomto směru příliš nadějná.

Fluorescence umělých objektů působí většinou rušivě. Jde především o nátěry zábradlí a elektroinstalace, kryty osvětlovacích těles, latexové značky a odhozené papírové a textilní zbytky.

 

3. Aplikace luminiscenční analýzy

Studium problematiky fyziky a chemismu hornin a minerálů v jeskyních, jejich sukcese, vztahu k paleoklimatu, geneze minerálů aj. je velmi rozmanité. Proto také poskytuje aplikace luminiscenční analýzy celou řadu možností. Přitom je třeba vidět, že luminiscenční analýza není samoúčelná, ale je jednou z metod, které v komplexu s jinými moderními metodami fyzikálního výzkumu podávají celou řadu informací. K těmto jiným metodám patří především radioizotopové datovací metody, rastrovací mikroskopie, absorpční spektrofotometrie v ultrafialové a infračervené oblasti, strukturní rentgenografie a jiné.

Fyzikální a chemický výzkum krasových sedimentů je jedním z hlavních směrů činnosti skupiny Tarcus, která byla založena v r. 1974. Na podzim r. 1975 prezentovala na Mezinárodním symposiu Komise UIS pro studium fyzikálně-chemických procesů v krasu část výsledků z oborů speleoluminiscence, klimatiky a použití geoelektrických metod ve výzkumu krasu (Annales de spéléologie 4, 1975) a program dalších výzkumných prací. Přínos skupiny Tarcus pro speleologii byl hodnocen velmi kladně, skupina byla uznána jako jedna z oficiálních pracovních skupin Komise UIS.

V Československu pracuje skupina Tarcus pod patronací Okresního muzea Beroun a Moravského muzea v Brně.

 

3.1. Fyzika a chemismus hornin a minerálů

Základním úkolem luminiscenční analýzy bylo stanovit luminiscenční typy hornin a minerálů ve vztahu k chemismu tak, aby bylo možno v maximální míře nahradit náročný, pracný a z hlediska ochrany přírodních objektů ne vždy snadno proveditelný detailní výzkum klasickými metodami (optický výzkum minerálů, separace vzorků, chemické analýzy apod.) pohodlnou luminiscenční analýzou. Z uvedeného vyplývá, že terénní pozorování je pouze prvním stadiem, zatímco druhé je detailní, laboratorní.

 

3.1.1. Luminiscenční typologie

Pro určení luminiscenčních typů bylo nutno najít vhodné kvalitativní znaky, jejichž kombinace by poskytly jednoduchou systematiku pro vizuální stanovení typu. Měřením emisních luminiscenčních spekter lze sice dospět k jednoznačným výsledkům, nelze je však aplikovat v terénu. Proto byl zvolen opačný postup: u vizuálně odlišných luminiscenčních typů byla dodatečně proměřena spektra (O. Jelínek z Fyzikálního ústavu UK v Praze).

Jako vhodná vizuální typologická systematika se osvědčil postup, který stanovuje tři základní znaky luminiscenčních vlastností:

 

Obr.1 – Speleoluminiscenční typy.

Abb.1 – Lumineszenztypen.

Fig.1 – Types of Luminescence.

 

Označení charakteru fosforescence a fluorescence je stejné a používá se těchto symbolů:

Typ A: bílá s odstíny, spektra jsou spojitá přes celou viditelnou oblast s maximem přibližně v zelené části spektra.

Typy B až G: spektra těchto typů mají poměrně úzká maxima v dané oblasti, ostatní oblasti jsou potlačeny nebo chybí vůbec. Vizuálním projevem jsou více méně čisté barevné tóny (obr.1).

Typ N: bez luminiscence.

Podrobné vyhodnocení vztahů mezi luminiscenčními vlastnostmi a chemismem není v současné době ještě skončeno. Na tomto místě uvádíme pouze základní charakteristiku luminiscence základních genetických typů uhličitanu vápenatého v krasu:

Přestože se nám dosud nepodařilo najít kvantitativní rozdíly v intenzitě fluorescence v závislosti na chemismu sintrů a na jeho stáří, lze pozorovat kvalitativní rozdíly. Týká se to zejména tenkého, průsvitného sintru, nalezeného v Koněpruských jeskyních, ale i na jiných místech. Tento sintr je na pozadí téměř stejně zbarvené horniny velmi dobře patrný teprve při osvícení UV-lampou (tzv. šodó-sintr).

Z uvedených výsledků, které jsou pouze velmi stručným přehledem dosavadních znalostí, vyplývají zatím jako jednoznačné tyto závěry:

 

3.1.2. Výzkum struktury a krystalizace

Nickamínek má proti sintrům mnohem vyšší intenzitu fluorescence. Přitom je z fluorescence jednotlivých sítových frakcí patrno, že vlivem vyššího kvantového výtěžku je pokles intenzity, resp. projev posunu barvy k fialovým odstínům v nejjemnějších frakcích velmi malý. To svědčí o tom, že luminiscence, vázaná na částice nickamínku řádově v mikronech, se projevuje mnohem intenzivněji než u sintru, u něhož je velikost částic mnohem větší.

Kvalitativní rozdíl mezi luminiscencí sintru a nickamínku dal podnět k úvahám o využití tohoto jevu při výzkumu rekrystalizačních pochodů. Komplikovanost problému spočívá v tom, že vedle velikosti částic hraje významnou roli také obsah luminiscenčně aktivních organických látek, které při rekrystalizaci v suchém prostředí mohou zůstat zachovány. Bližší informace poskytnou spektrální analýzy extraktů v 5 % uhličitanu sodném a v chloroformu v ultrafialové a infračervené oblasti spektra.

Na jednom vzorku vrstevnatého „tvrdého nickamínku“ (Lysenko 1975) ze Sloupských jeskyní byla provedena konfrontace fluorescence a velikosti částic, stanovená rastrovacím mikroskopem (P. Černý z Geologického průzkumu UP). Hrubší partie mají světlejší fluorescenci, u jemnozrnnějších vrstev se vyskytuje fialové zabarvení. Toto pozorování svědčí o tom, že tento vzorek je rekrystalovaný na sintr.

Problému rekrystalizace nickamínku v sintr a její indikace UV-lampou bude v budoucnosti věnována dále pozornost.

 

Obr.2 – Fluoreskující plochy v anhydritu.

Abb.2 – Fluoreszierende Flächen im Anhydrit.

Fig.2 – Fluorescence plains in anhydrite.

 

3.1.3. Indikace minerálů

Systematika luminiscenční typologie byla použita nejen pro uhličitan vápenatý, ale i pro jiné minerály, vyskytující se v jeskyních (Slačík 1975a). V anhydritových jeskyních NDR bylo nalezeno několik zajímavých genetických typů sádrovce, avšak z hlediska luminiscence šlo pouze o tři typy: A0A, A0N a N0N. Otevřeným problémem zůstávají zatím modravě bíle fluoreskující plochy, táhnoucí se anhydritovým masivem v Barbarossahöhle (Slačík 1975b). Aktivátorem zřejmě nebudou chemické příměsi, spíše jde o dosud neobjasněný vliv tektoniky.

V krasových jeskyních lze v některých případech velmi snadno indikovat charakteristicky fluoreskující minerály. Zmínky zasluhuje jednak průsvitný sintr z Koněpruských jeskyní (viz 3.2.1.), jednak opál.

Přítomnost opálu v Koněpruských jeskyních byla publikována již dávno (Kukla 1952). Při luminiscenčním výzkumu v roce 1972 jsme zjistili, že opál fluoreskuje velmi charakteristicky ostře zeleně v krátkovlnném UV-světle. Opálem bohaté partie sintrové výzdoby poskytují při osvícení UV-lampou fantastickou podívanou. Podrobné vymapování všech opálových partií např. v Koněpruských jeskyních pomocí UV-lampy představuje nepatrný zlomek pracnosti proti klasickému způsobu, tj. hledání pomocí mineralogických metod. Vedle opálu se vyskytuje i chalcedon (s charakteristickou rentgenovou difrakcí), který však nemá zmíněnou zelenou fluorescenci, ale je typu A0A, takže není vedle sintru stejného luminiscenčního typu patrný.

Podrobné studium chemismu a sukcese výzdoby Koněpruských jeskyní (Lysenko a Slačík 1975) přineslo další závažné zjištění. Ukázalo se, že opál je indikátorem – vůdčím minerálem – pro sintry 1. generace. Tato skutečnost představuje velké usnadnění sukcesního zařazení sintru na celé řadě míst, jako např. v jeskyni Martina u Tetína v Českém krasu.

Kromě opálu ve formě jednotlivých zrn byl nalezen i tzv. opálový sintr. Jde o sintr s obsahem až 25 % CaCO3 a 75 % opálu. V jeho fluorescenci se uplatňují obě složky, opál způsobuje zelenou krátkovlnnou fluorescenci, sintr dlouhý dosvit.

Orientační ověření vzorků ze sbírky F. Králíka ukázalo, že se opál vyskytuje ještě v dalších jeskyních Českého krasu.

 

3.2. Speleogeneze

Využití luminiscenční analýzy pro speleogenetické účely je zatím ve stadiu ověřování základních poznatků. Hlavní směry využití jsou indikace objektů s různou luminiscencí, obecné vztahy mezi luminiscencí a stářím výzdoby a možnosti absolutního datování pomocí termoluminiscence.

 

Obr.3 – Fluoreskující sintr na nefluoreskujícím vápenci.

Abb.3 – Fluoreszierender Sinter auf nichtfluoreszierendem Kalkstein.

Fig.3 – Fluorescent sinter on the nonfluorescent limestone.

 

3.2.1. Využití luminiskujících objektů

V mnoha jeskyních nečiní potíže provádět různá genetická pozorování, jako např. studium mikrotektoniky, vyhledávání přítokových kanálů apod. Obzvláště příznivé podmínky jsou tam, kde prostory nejsou příliš vysoké a kde hornina je tmavá a poskytuje dobrý kontrast proti sintrovým útvarům.

Mnohem nesnadnější je situace v jeskyních, kde je zbarvení horniny světlé, šedé nebo hnědé. Vzorovou lokalitou pro malý kontrast mezi horninou a sintrem jsou Koněpruské jeskyně, kde také použití luminiscenčních vlastností pro speleogenetické účely bylo námi poprvé ověřováno.

I v Koněpruských jeskyních jsou časté sintrové útvary, u nichž není pochyb o jejich existenci, původu a rozsahu, ačkoliv jejich zabarvení je velmi podobné zabarvení horniny. Vedle toho je však na mnohých místech shora zmíněný průsvitný „šodó-sintr“. Tento sintr obvykle uniká pozornosti, zejména na stropech ve větších výškách (Spallanzaniho jeskyně, komín nad Medvědí sondou aj.). Byl nalezen i jako téměř neviditelný povlak na jílovitých sedimentech.

Po osvětlení UV-lampou se prozradí fluorescencí a indikuje velmi nápadně pukliny v hornině, které sloužily nebo slouží jako přítokové kanály, a odliší je od puklin suchých. Tyto „neviditelné“ pukliny se sintry jsme pozorovali i v jiných jeskyních, např. v Ochozské jeskyni u Brna a v Býčí skále.

Poslední pozorování v jeskyni Martina u Tetína naznačují souvislost mezi výskytem „šodó-sintru“ na stěnách jeskynních chodeb s mikroklimatem. Těmto souvislostem bude věnována v budoucnosti větší pozornost.

Pro mikrotektonická měření je výhodné tyto fluoreskující útvary fotografovat a snímky použít jako pracovní i dokumentační materiál.

Další možnosti poskytují nefluoreskující nebo fluorescenci tlumící látky v nebo na sintrové hmotě. Přítomnost jílových substancí v sintrové hmotě se projeví pod UV-lampou velmi markantně, zejména na nabroušených plochách vrstevnatých sintrů. V tomto případě jsou luminiscenční fotografie velmi dobrým dokumentem.

Luminiscencí se zvýrazňuje i kontrast povrchu sintrové hmoty, který ležel pod vodou nebo v oblasti silného zaprášení. Takto lze snadněji najít polohu dřívějších vodních hladin na sintrových útvarech.

Velmi významným přínosem luminiscenční analýzy je studium výskytu opálu v jeskyních Českého krasu, které v současné době provádí skupina Tarcus. Dosavadní výsledky poskytují informace o fyzikálních podmínkách vzniku, přehled o regionálnosti jeho výskytu ve vztahu k tektonice, hypsometrii a minerální paragenezi a umožňují stanovit sukcesní schéma minerální výplně v jeskyních Českého krasu.

Dalším zatím ověřovaným pozorováním je rozlišení kapek vody vniklých do jeskyně z povrchu, od kapek vody vzniklých kondenzací vodních par uvnitř jeskyně. Prvá slabě fluoreskuje, druhá není pod UV-lampou vůbec patrná. Tato skutečnost má význam při klimatických měřeních a při studiu dynamiky jeskyně.

S výjimkou vodních kapek lze všechny uvedené objekty najít i pomocí fosforescence, avšak praktické využití je v tomto případě velmi znesnadněno tím, že fosforescenci lze pozorovat pouze velmi krátkou dobu.

Ke speleogenetickým aplikacím luminiscence je možno přiřadit i dávno známé a používané kolorační testy pro vyhledávání podzemních vod a pro přibližnou kvantifikaci jejich parametrů (Lugeon 1952). Při použití fluoresceinu nebo uraninu lze s výhodou použít indikace UV-lampou, která zvýší citlivost detekce o několik řádů. V malém měřítku by bylo možno obdobu testu použít pro pokusné stanovení rychlosti infiltrace povrchové vody do jeskyně.

 

3.2.2. Využití luminiscence ve speleochronologii

Použití fotoluminiscence pro speleochronologii je zatím omezeno na velmi obecné konstatování zvýšení intenzity luminiscence podle klesajícího stáří objektu. Tato závislost je však velmi obecná, neboť k intenzitě luminiscence přispívá nejen chemismus, který má u sintrů prokazatelně trend v závislosti na stáří, ale i příměsi aktivátorů a killerů. Tyto příměsi nemusí mít jednoznačné závislosti na stáří a navíc je nelze snadno kvantifikovat. Na rozdíl od zhruba monochromatických fluorescencí typu B až G není jednoznačné ani měření intenzity fluorescence sintrů.

Mnohem lepší uplatnění v chronologii má termoluminiscence, neboť tou lze stanovit i absolutní stáří. Datovací metodou založenou na termoluminiscenci jsou běžně analyzovány např. keramické střepy z archeologických lokalit (Zimmerman 1971), lze ji však aplikovat i na horniny a nerosty.

Podstata metody spočívá v porovnání světelných sum (plocha pod termoluminiscenční křivkou v grafu intenzita – teplota) ze dvou měření. Jedno měření je na přírodním vzorku, v němž se postupně kumuluje energie vlivem přirozené radioaktivity. Ve druhém, kontrolním vzorku je velikost termoluminiscence zjišťována po laboratorním ozáření přesně definovanými dávkami rentgenových nebo gama-paprsků. Z velikosti světelné sumy lze potom určit dávku přirozené radioaktivity a tím i dobu jejího působení (Mc Dougall 1968).

Použití termoluminiscenční datovací metody ve speleologii je velmi komplikované, přesto se skupina Tarcus zabývá studiem možností její aplikace pro datování sintrů.

 

3.3. Technická speleologie

Luminiscence má vedle využití pro výzkumné účely i možnosti použití při provozu zpřístupněných jeskyní, především pro osvětlení vhodných partií pro zvýšení atraktivnosti. Účelem instalace UV-lamp nebo bleskových zařízení je zvýšení kontrastu mezi luminiskující výzdobou a temným pozadím, které často úplně změní vzhled scenerie, známý z běžného elektrického osvětlení.

Použití UV-lamp v jeskyních je známo už několik desetiletí. Nejznámější jeskyně s „lumière noir“ (černé světlo) jsou Sonora v Texasu, francouzské jeskyně Lacave, Marzal, Cougnac a Domme a v ČSSR Bozkovské jeskyně a Ochozská jeskyně u Brna. Autor prováděl v letech 1972—1973 rekognoskaci všech turisticky přístupných jeskyní na území Českého masívu s cílem najít vhodná místa pro případnou instalaci osvětlení (Slačík 1973a, 1976a).

Jako nejvhodnější se ukázaly mnohé partie Koněpruských jeskyní u Berouna a Ochozské jeskyně u Brna a několik míst v Punkevních jeskyních, Kateřinské jeskyni, Jeskyni Na Pomezí a v Javoříčských jeskyních.

Při osvětlení UV-lampami jsou možné dvě varianty. Např. v Bozkovských jeskyních se po prohlídce při elektrickém světle toto vypne a nechá se svítit pouze UV-lampy. Výhodnější je varianta s trvalým osvětlením pouze UV-světlem, neboť přitom se neztratí moment překvapení a docílí se ihned potřebný kontrast. V tomto případě je výhodný fluoreskující nátěr zábradlí pro snadnou orientaci návštěvníků. Nejefektivnější je instalace bleskového zařízení, které zvýší kontrasty a tím i atraktivnost na maximum. Jako příklad velmi zdařilé instalace uvádíme Ochozskou jeskyni u Brna.

V souvislosti s osvětlením jeskyní UV-lampami je nutno se zmínit i o tom, že UV-paprsky potlačují tvorbu nižších rostlin (mechů a kapradin) v těsné blízkosti lamp. Při osvětlení jeskyní nelze použít pro trvalý provoz krátkovlnné UV-světlo, neboť je škodlivé lidskému zdraví. To bohužel znesnadňuje např. osvětlení opálových partií v Koněpruských jeskyních, které je z hlediska atraktivnosti velmi lákavé. Dlouhovlnné UV-světlo není zdraví škodlivé a jeho použití není nebezpečné.

Podružnou záležitostí je použití fluoreskujících značek v jeskyních. Jde o značení křídami, které je v normálním světle neviditelné a nepoškozuje tudíž stěny jeskyní. Větší použití mají tyto křídy při výzkumných pracích, jako jsou odběr vzorků, označení vodních hladin apod.

 

3.4. Luminiscenční fotografie

Všechny luminiscenční jevy je možno také fotografovat, ovšem s přihlédnutím ke zvláštnostem luminiscenční fotografie a s použitím vhodné techniky. Základní charakteristikou je nízká intenzita fluorescence i fosforescence a výskyt rozptýleného modrého, fialového a ultrafialového primárního světla.

Malá intenzita luminiscence vyžaduje dlouhé expoziční doby, kterými se zvýší nebezpečí zkreslení zejména barevných snímků. Pro černobílou fotografii je k dispozici velmi citlivý materiál (27—30° DIN), u barevné fotografie je v současné době nejvhodnější diapozitivní materiál 22° DIN. Pro správné podání barev na barevném a kontrastů na černobílém materiálu jsou nutné filtry, které odstraňují primární záření. Jako vhodné lze použít filtry GG 4 a GG 9 firmy Spezialglas Mainz (dříve Schott Gen.), případně některé nové hradlové filtry téže firmy. Pro černobílou fotografii pomáhá částečně běžný filtr UV-II.

Dokumentace luminiscenčních efektů je pochopitelně tím lepší, čím je vyšší intenzita luminiscence. U blízkých objektů (do ca 1 m) lze pro černobílou techniku vystačit s fotografováním fluorescence. Pro vzdálenější objekty je výhodnější fotografovat fosforescenci. V tomto případě pracujeme s otevřeným objektivem, který se po dobu záblesku zakryje rukou. Počet záblesků se stanoví zkusmo.

Pro barevnou fotografii jsou nejlepší podmínky při vzdálenosti objektu do 1 m. Vliv rozptýleného primárního záření je úměrný délce expozice, proto je nezbytné i s filtry provést sadu zkušebních snímků. Zkušenosti s luminiscenční fotografií uvádí Schulz (1975).

 

4. Závěr

Použití luminiscenční analýzy ve speleologii je dosud málo rozšířeno, ale dosavadní zkušenosti ukazují, že existuje celá řada aplikací, které je nutno ověřit, zdůvodnit a posléze rozšířit do speleologické praxe. Význam luminiscenční analýzy bude závislý na tom, jak dokáže snadno, spolehlivě a s omezením rušivých zásahů do jeskynního prostředí na minimum podávat informace o fyzikálních a chemických vlastnostech přírodních objektů a o závislostech mezi těmito vlastnostmi a podmínkami, za nichž dané objekty vznikaly nebo se do jeskynního prostředí dostaly.

 

Do redakcie dodané 20.4.1976.

 


Literatura:

 


Speläolumineszenz – Zusammenfassung

Die Speläolumineszenz befasst sich mit dem Studium der Lumineszenzeigenschaften von Gesteinen, Mineralien, Sedimenten. Organismen und künstlichen Objekten in Karstgebieten und mit der Nutzung dieser Eigenschaften bei der speläologischen Forschung und bei dem Schauhöhlenbetrieb.

Dieses Fachgebiet wurde vom Verfasser seit 1971 bearbeitet. Ausgehend von älteren Arbeiten verfolgte er einige Aspekte der Lumineszenzanalyse in Höhlen und die UV-Beleuchtung von Schauhöhlen. Als Speläolumineszenz wurde es bei dem Symposium über physikalische Chemie in Granada 1975 veröffentlicht.

Bei der Lumineszenz erfolgt im Objekt eine Umwandlung von absorbierter Energie in Lichtenergie. Die Lumineszenzstrahlung ist höher als die Wärmestrahlung und hat eine endliche Dauer, die wesentlich die Periode der Wärmeschwingungen überschreitet.

Von den verschiedenen Typen von Lumineszenz kommen bei speläologischer Nutzung die Photo- und Thermolumineszenz in Frage. Die Photolumineszenz wird in Höhlen von Quarzlampen mit kurz- und langwelligem UV-Licht erregt und liegt meistens im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlungen.

Thermolumineszenz wird in vorher mit verschiedenen elektromagnetischen oder korpuskulären Strahlungen behandelten Stoffen durch Wärme erregt.

Die Photolumineszenz ist durch Farbe, Intensität und Nachleuchtdauer charakterisiert. Von den Faktoren, die im Höhlenmilieu auf die Lumineszenz Einfluss ausüben, sind chemische Zusammensetzung, Oberflächenstruktur und mechanische Beimengungen zu nennen. Bei Karstmaterialien kommen als Lumineszenzaktivatoren Strontium und organische Substanzen vor, selten bei Kalzit auch Mangan. Eisen und hohe Magnesiumgehalte wirken als Killer.

Sinkende Korngrösse der Oberflächenstruktur hat bei Stoffen mit niedriger Quantenausbeute eine Verfärbung in violette Töne zur Folge. Zu lumineszenzaktiven mechanischen Beimengungen gehören gewisse organische Substanzen; löschend wirken Lehm sowie Eisen- und Manganoxyde von höherer Valenz.

Gesteine und Sedimente sind gewöhnlich nicht lumineszierend, Kalzite lumineszieren sehr mannigfaltig. Auch Wasser weist meistens eine schwache Fluoreszenz auf.

Die Lumineszenzanalyse hat bei speläologischen Forschungen eine Reihe von Nutzungsmöglichkeiten.

Die Grundaufgabe der Lumineszenzanalyse ist die Festlegung von Lumineszenztypen von Gesteinen und Mineralien im Bezug zur chemischen Zusammensetzung so, dass eine zeitraubende und vom Standpunkt des Naturschutzes nicht immer verwirklichbare detaillierte Bearbeitung der Höhlenobjekte mittels klassischer Methoden durch eine einfache Lumineszenzmethode ersetzt werden kann. Die zweite Aufgabe ist die Feststellung der Beziehungen zwischen den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Objekte und deren Entstehungsbedingungen.

Die Lumineszenztypen werden auf Grund der. Phosphoreszenzfarbe, des Unterschiedes zwischen kurz- und langwelliger Fluoreszenz und deren Farbe bestimmt. Die verschiedenen genetischen Typen von Kalziumkarbonat unterscheiden sich in den Lumineszenztypen, wobei die sekundären (Sinter, Bergmilch und Aragonit) desselben Typus sind. Diese Tatsache ist mit dem sog. Raffinationseffekt verbunden.

Die violette Verfärbung bei sehr feinkörnigen Substanzen (durch Reflexion der primären Strahlen verursacht) könnte für Forschungen über Rekristallisation und Struktur benutzt werden.

In den Koněprusy-Höhlen wurde ein mittels UV-Licht sehr einfach und eindeutig erkennbarer Opal gefunden. Dieser Opal kommt als „Leitmineral“ in der 1. Sintergeneration vor, hat aber auch eine weitläufige Bedeutung für speläogenetische Schlüsse.

Bei speläogenetischen Betrachtungen ist das Vorkommen von sehr kontrastreich hervortretenden Sintern ausschlaggebend, namentlich in Höhlen, in denen das Gestein und die Sinter sehr ähnlich, meistens bräunlich oder grau verfärbt sind. Bei diesem Studium sind bedeutungsvoll z. B. Zuflusskanäle bezeichnende Sinterbildungen, Wasserstandslinien, durch Luftzug verstaubte Sinterpartien usw., die sich im UV-Licht sehr kontrastreich zeigen.

Auch die lange Jahre bekannten Fluoreszein-Colorteste, die durch UV-Indikation sehr empfindlich gemacht werden können, seien an dieser Stelle erwähnt.

Für die Speläochronologie kann die Photolumineszenz nur sehr allgemeine und nicht eindeutige Aussagen geben. Dagegen gibt die Thermolumineszenz auf Grund der Berechnung der Lichtsummen von naturgemäss und exakt im Labor bestrahlten Proben ziemlich verlässliche absolute chronologische Daten.

In der technischen Speläologie ist die UV-Beleuchtung von Schauhöhlen zu nennen, von der in vielen Höhlen schon jahrelange Erfahrungen zur Verfügung sind.

Bei dem Fotografieren von Lumineszenzerscheinungen in Höhlen sind die sehr niedrige Intensität der Objekte und die Reflexion der primären Strahlen zu beachten.