background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 51, 6, BRATISLAVA, DECEMBER 2000

407–412

GEOLOGICAL CONDITIONS AND ROCK RADIOACTIVITY

IN THE SPELEOTHERAPY MEDICAL FACILITY

IN THE ZLATÉ HORY ORE DISTRICT (THE CZECH REPUBLIC)

JIØÍ ZIMÁK

1

and JINDØICH ŠTELCL 

2

1

Department of Geology, Faculty of Science, 

 

Palacký University,  Tø. Svobody 26, 771 46 Olomouc, Czech Republic

2

Dept. of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, Faculty of Science, Masaryk University, Kotláøská 2, 611 37 Brno, Czech Republic

(Manuscript received February 25, 2000; accepted in revised form October 17, 2000)

Abstract: An abandoned mine located in the Zlaté Hory ore district is now used for speleotherapy. A detailed petro-

graphical study along with extensive gamma-ray spectrometry measuring concentrations of naturally occurring  ra-

dioactive elements (K, U and Th) was conducted  in the mine in order to analyze the interrelationship between modal

composition and radioactivity of the rocks. Authors warn of a potentially higher concentrations of 

222

Rn in the subsur-

face atmosphere of the speleotherapeutic medical facility.

Key words: Zlaté Hory ore district, speleotherapy, petrography, natural radioactive elements.

Introduction

The children’s speleotherapy medical facility in Zlaté Hory

is located in one of the abandoned mines of the Zlaté Hory

ore  district.  It  is  the  Czech  Republic’s  only  speleotherapy

medical  facility  apart  from  those    situated  in  natural  karst

caves shaped in carbonate rocks or adits excavated in such

rocks. Whereas carbonate rocks generally register low radio-

activity  (e.g.  Solecki  1997),  non-carbonate  rocks  in  aban-

doned mines may contain an increased amount of naturally

occurring  radioactive  elements.  In  these  cases,  their  in-

creased  radioactivity  represents  a  potentially  significant

health risk both to the staff and to the patients, which inevita-

bly  reduces  time  spent  in  the  mine.  Due  to  this  possible

health  hazard,  Zlaté  Hory’s  medical  facility  was  evaluated

for potentially harmful  levels of radioactivity.

Short characteristics of the Zlaté Hory ore district

The Zlaté Hory ore district is situated in the northern part

of the Jeseníky Mts., close to the  Czech-Polish border. From

the geological point of view, the ore district is situated in the

NE part of the Bohemian Massif, within the Vrbno Group —

a volcanic-sedimentary formation of Devonian age that was

epizonally  to  mesozonally  metamorphosed  during  the

Variscan orogeny (e.g. Souèek 1978). Individual orebodies of

the  Zlaté  Hory  ore  district  are  situated  predominantly  in

quartzites  and/or  quartz  keratophyres  (paleorhyolites  and

their tuffs) or near the contact of such rocks with underlying

or overlying pelitic schists. The ore minerals (mainly pyrite,

chalcopyrite,  sphalerite,  galena  and  pyrrhotite)  form  either

parallel streaks and bands within stratiform orebodies, gener-

ally  parallel  with  schistosity  of  the  host-rock,  or  form  dis-

seminated to locally massive accumulations. The ore which

is composed mainly of chalcopyrite and pyrrhotite has been

partially  remobilized  from  stratiform  layers  to  form  veiny

orebodies. In the western part of the Zlaté Hory ore district

the sulphide ore contains a considerably high concentration

of gold.

Apart from panning for gold in the alluvial deposits as well

as mining of gold of hydrothermal and also cementary origin

since the 13th century (lumps of gold weighing up to 1.7 kg

were  found  in  placers  north  of  the  primary  deposits  in  the

16th  century),  sulphides  were  also  occasionally  dug  in  the

19th century.

From 1965 till 1993, the ores were intensively mined at the

deposits of Zlaté Hory-South (Cu-ores), Zlaté Hory-Kozlín

(Cu-ores), Zlaté Hory-Hornické skály (Cu-ores), Zlaté Hory-

East (Pb, Zn-ores) and Zlaté Hory-West (Zn, Au-ores).

More details on the geology, petrography, ores and mining

history of the Zlaté Hory ore district can be found in papers

by Bernard (1991), Constantinides & Pertold (1974), Èabla

et al. (1979), Fediuk et al. (1974), Fišera & Souèek (1974),

Kalenda & Grygar (1993), Patoèka (1987a), Patoèka & Vrba

(1989). The natural conditions of the Zlaté Hory speleothera-

py medical institution were described by Sas et al. (1998),

Štelcl & Zimák (1998), Zimák & Štelcl (1999).

Though the Zlaté Hory ore district has been studied thor-

oughly with respect to its economic importance, only a little

data on Th and U concentrations in the local rocks is available.

From 69 samples of the Zlaté Hory pelitic schists (muscovite,

biotite and quartzose schists) taken from a single deep bore-

hole, the average contents of Th and U were 7.2 ppm and 1.7

ppm respectively (see Patoèka 1987b, 1988). In the aforesaid

papers the concentrations of both elements were determined

by INAA located in the Central Laboratories of the Czechoslo-

vak Uranium Industry in Strហpod Ralskem.

background image

408                                                                                     ZIMÁK  and  ŠTELCL

Petrography and rock radioactivity of the

speleotherapy institution

The Zlaté Hory speleotherapy medical facility is situated

in an adapted part of the 2nd level of the Zlaté Hory-South

ore deposit, which is accessible through an adit 700 m long.

The speleotherapy medical facility is divided into eight sec-

tors  marked  with  Roman  letters  from  A  to  H  (see  Fig.  1a,

only the terminal part of the entrance adit is figured) as fol-

lows: A = active part (reserved for active physical training of

patients); B = classroom and nurses’ quarters; C = bedroom

ward; D, E, F and G = corridors; H = entrance adit. The pa-

tients enter the speleotherapy institution through the entrance

adit (sector H) and then move around the sectors A, B, C, E

and F. (Patients are billeted in sectors A, B and C.)

Two major rock groups can be discerned within the speleo-

therapy  facility:  (1)  quartzites  (so-called  “massive  quartz-

ites“), in places passing gradually into muscovite quartzites

and  chlorite  quartzites,  (2)  chlorite-muscovite  schists  and

muscovite schists (often quartzose or rich in carbonate), that

appear below and above the quartzite horizon on the 2nd lev-

el of the Zlaté Hory-South ore deposit (see Fig. 1b).

The  light-grey  coloured  quartzites  have  microscopically

indistinct foliation planes. The quartzites have granoblastic

texture; only locally those parts with a higher proportion of

sheet silicates pass gradually into lepidogranoblastic texture.

The sheet silicates comprise mainly muscovite, in places to-

gether with chlorite (see Table 1). Acid plagioclase and bari-

um  feldspar  (celsian?)  are  present  in  accessory  proportion.

Typical  accessory  minerals  include  rutile  and  leucoxene

(which, in some cases evidently originated from ilmenite al-

teration). Zircon is scarce. Opaque constituents comprise sul-

phides  (mainly  pyrrhotite  and  pyrite)  and  rarely  also  il-

menite.

Most often the schists are grey to green-grey, dark-grey to

almost black in colour. The schists have a distinct planar-par-

allel fabric. Locally, especially the dark-grey to black (gra-

phitic) schists are highly disaggregated (which was the rea-

son for lagging of large sections of the entrance adit).

The  schists  have  lepidogranoblastic  or  lepidoblastic  tex-

ture. They are distinctly banded: light coloured bands with

predominance of quartz alternate with darker bands with a

considerable  proportion  of  sheet  silicates  comprising  espe-

cially muscovite and in some parts also chlorite which may

infrequently predominate over the muscovite (see Table 1).

Carbonate  is  present  in  variable  proportions  in  the  schists,

causing the schists to pass gradually into marbles rich in non-

carbonate minerals (sample 307). The schists contain small

amount  of  acid  plagioclase  (probably  albite).  Rutile  is

present  in  particular  in  the  muscovite-rich  bands.  Opaque

constituents comprise mainly pyrite and pyrrhotite. Graphitic

substance has been found in some samples. Whereas in sam-

ples 210 and 212 the percentage of graphitic substance varies

between 1 and 3, it reaches an anomalous value in sample

232 (up to about 10 vol. %). With increasing percentage of

quartz  the  schists  pass  into  quartzose  schists  and  in  places

even to quartzites that create up to several dm thick layers

within the schists.

Concentrations of natural radioactive elements (potassium,

uranium and thorium) were measured in the subsurface of the

Fig. 1. a — Ground plan of the speleotherapy medical institution. b — Schematic geological map of the 2

nd

 level of the Zlaté Hory-South

ore deposit including the area of the speleotherapy medical institution (after Janák & Augusta 1969  and Janák 1970). 1 — quartzites with

very small contents of muscovite and/or chlorite (“massive quartzites“), 2 — quartzites rich in muscovite and/or chlorite, 3 — chlorite-

muscovite schists and muscovite schists (mainly quartzose).

background image

                                                                  409

GEOLOGICAL  CONDITIONS  AND  ROCK  RADIOACTIVITY  IN  SPELEOTHERAPY  MEDICAL  FACILITY

speleotherapy medical facility proper and in the entrance adit.

A  field  gamma-ray  spectrometer  GS-256  manufactured  by

Geofyzika Brno, Czech Republic was used. Measurements to-

talling  264 points are summarized in Table 2.

Since various natural elements contribute in various pro-

portions to the total gamma-ray activity of rocks (besides the

sum of their concentrations a mutual ratio of particular con-

centrations is of essential importance, too) the K, U and Th

concentrations  were  converted  to  mass  activity  of 

226

Ra

equivalent (a

m

) in order to present the gamma-ray activity of

the locality in question — see Table 2 and Fig. 2. Conversion

coefficients commensurate with the UNSCEAR recommen-

dation from 1996 were used to calculate the a

m

 value (the ra-

dium equivalent mass activity):

1 % K in rock       = 313.00 Bq . kg

–1     40

K

1 ppm U in rock   =   12.35 Bq . kg

–1   226

Ra

1 ppm Th in rock  =     4.06 Bq . kg

–1  232

Th

Radium equivalent mass activity was calculated using the

following formula (U and Th contents are indicated in ppm,

K content is indicated in wt. %):

a

m

 = 12.35U + (1.43 

×

 4.06Th) + (0.077 

×

 313K).

Radium  equivalent  mass  activity  allows  the  evaluation  of

potential risks of a given environment with respect to rock ra-

dioactivity in a more objective way. Average values a

m

 for the

individual sectors vary between 80 and 222 Bq.kg

–1

. Our mea-

surements  suggest  that  values  of  about  200  Bq.kg

–1

  can  be

considered  as  anomalous  (in  the  studied  area).  Such  values

have been measured mainly in sectors B and H, therefore, de-

tailed  petrographie  evaluations  were  done  only  there  (see

above). Evidently, the elevated concentrations of natural radio-

active elements (and, consequently, relatively high values of

a

m

) are spatially related to those rocks containing a high pro-

portion of sheet silicates, as evidenced in parts of sector B. Lo-

cally  elevated  concentrations  of  the  monitored  elements  in

quartzites  may  be  connected  with  hydrothermal  alteration

(higher contents of U and Th were noted in places with fre-

quent occurrence of quartz veins, but not always).

The distribution of K, U and Th contents and radium equiv-

alent mass activity (a

m

) in the area of the speleotherapy medi-

Sample No.

78

302

254

257

261

303

82

201

210

83

232

212

204

238

307

Quartz

86.75

77.60

84.35

94.15

85.40

25.65

27.00

37.75

45.10

55.40

15.35

56.60

23.80

44.60

37.50

Muscovite

1.60

2.65

5.20

5.25

13.20

56.45

36.60

17.95

26.25

31.60

72.15

13.60

45.70

17.05

6.40

Chlorite

6.65

-

0.50

-

-

2.80

-

1.00

-

8.20

2.95

-

11.45

30.20

-

Carbonate

0.05

1.75

0.15

-

-

0.25

28.20

41.05

25.05

2.05

0.50

9.05

13.10

0.15

55.65

Acid  plg.

-

-

-

-

0.20

-

-

1.15

-

-

-

-

-

-

-

Ba-feld spar

-

-

0.30

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Opaque

4.60

18.00

8.75

0.45

0.85

14.10

6.25

0.45

3.35

1.40

7.35

17.05

2.85

5.60

0.40

Rutile

0.35

-

0.75

0.15

0.35

0.75

1.95

0.65

0.25

1.35

1.70

0.05

3.10

2.40

0.05

Limonite

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

3.65

-

-

-

Table 1: Modal compositions of rocks (in vol. %) in the sectors B (Samples Nos. 78, 82, 83, 302, 303 and 307) and H (Samples Nos. 201,

204, 210, 212, 232, 238, 254, 257 and 261) 78, 302, 254 and 257 — quartzites; 261 — muscovite quartzite; 303 — muscovite schist; 82, 201

and 210 — carbonate-muscovite schists; 83 — quartzose muscovite schist; 232 — graphite-muscovite schist; 212 — graphite-carbonate-

muscovite quartzose schist; 204 — carbonate-chlorite-muscovite schist; 238 — muscovite-chlorite schist; 307 — marble rich in quartz and

muscovite.

Fig. 2. Distribution of potassium contents in rocks of the speleo-

therapy institution (in wt. %).

cal facility is represented on Figs. 2, 3 and 4 (the area shown in

all of the six partial figures is the same as that of Fig. 1a,b).

A 122 m long section, located in the northern wall of the en-

trance adit, has been investigated in detail (distance between

background image

410                                                                                     ZIMÁK  and  ŠTELCL

Sector

Potassium (wt. %)

Uranium (ppm)

Thorium (ppm)

a

(Bq.kg

–1

)

range

avg.

range

avg.

range

avg.

range

avg.

A

0.9-3.5

1.6

1.0-3.5

2.1

2.8-12.7

5.5

50-201

97

B

1.6-5.1

3.6

1.6-6.1

4.1

5.0-13.8

10.0

99-278

200

C

1.1-3.2

2.0

1.2-3.2

2.1

3.8-9.4

5.8

63-171

103

D

0.9-2.8

1.5

1.3-2.9

2.0

4.0-8.4

5.5

65-125

91

E

0.8-6.9

2.7

1.2-6.4

2.8

3.4-19.0

9.0

54-356

152

F

0.9-3.4

1.8

1.3-5.5

2.8

3.5-12.2

7.2

58-221

120

G

0.7-2.4

1.3

1.2-3.1

1.7

3.0-7.3

4.6

49-139

80

H

1.3-6.7

3.6

1.9-15.8

6.1

4.5-24.7

13.1

81-479

222

Table 2: Naturally radioactive elements contents in rocks of the individual sectors and the calculated radium equivalent mass activity.

Fig. 4. Distribution of thorium contents in rocks of the speleother-

apy institution (in ppm).

the points of measurement is approximately 2 m). The sec-

tion can be divided in two parts, each with different petrogra-

phy. The section between points 254 and 262 is composed of

quartzites. The section between points 201 and 253 is domi-

nated by various kinds of schists passing gradually to quartz-

ites.  The  results  from  gamma-ray  spectrometry  measure-

ments  and  calculated  values  of    a

m

  are  shown  in  Fig.  5.

Fig. 3. Distribution of uranium contents in rocks of the speleother-

apy institution (in ppm).

Whereas in the quartzites the contents of Th and U are very

low (a

m

 under 200 Bq.kg

–1

) the same contents are moderate-

ly elevated in the schists (calculated a

m

  values in individual

section points reached the limit value of 370 Bq.kg

–1

).  As

the  results  indicate,  the  highest  contents  of  thorium  (and

probably also uranium) are related to occurrence of graphitic

schists.

background image

                                                                  411

GEOLOGICAL  CONDITIONS  AND  ROCK  RADIOACTIVITY  IN  SPELEOTHERAPY  MEDICAL  FACILITY

Fig. 5. Results from detailed gamma-ray spectrometry measurement of natural radioactive element contents in the section situated in the

northern wall of the entrance adit (U and Th values on the vertical axis are indicated in tens of ppm, a

m

 values are indicated in Bq.kg

–1

).

Conclusions

The  gamma-ray  spectrometry  measurements  showed

slightly increased concentrations of naturally occurring  ra-

dioactive  elements  when  compared  to  their  occurrence  in

natural caves and mine drifts excavated in carbonate rocks

(e.g. in the Moravian Karst and Javoøíèko Karst,  the Czech

Republic). However, the U and Th concentrations may still

be considered relatively low. The average values of radium

equivalent mass activity in separate parts of the speleothera-

py medical facility fall within the prescribed state standards

of  370 Bq.kg

–1

. Whereas U and Th concentrations in the ex-

posed quartzite in the former mine areas used for speleother-

apy are relatively low, the concentrations of U and Th are

highly variable and often moderately increased in the pelitic

schists and even higher in the exposed graphitic rocks in the

entrance adit. On the basis of our gamma-ray spectrometry

measurements, it is our opinion that even  long-term stays at

the speleotherapy medical facility in Zlaté Hory should not

pose any health risk to either patients or the staff.

The relatively higher contents of uranium in the exposed

rocks  in  the  entrance  adit  (chlorite-muscovite  schists  and

muscovite schists, often graphitic) and strong tectonic defor-

mation of such rocks may result in elevated concentrations of

222

Rn in the ambient atmosphere. Relatively higher concen-

trations of uranium can be expected in the schists lying be-

low the quartzite horizon in which the speleotherapy medical

facility is located, together with consequent generation of ra-

don that can migrate upwards to diffuse into the subsurface

atmosphere of the medical facility. Consequently, we consid-

er radon monitoring in the speleotherapy medical facility im-

perative.

References

Bernard J.H. 1991: Empirical types of ore mineralizations in the Bo-

hemian massif. ÚÚG Praha 1991.

Constantinides  D.  &  Pertold  Z.  1974:  Geological  position  of  the

Zlaté  Hory-South  deposit.  Acta  Univ.  Carol.,  Geol.,  145–154

(in Czech).

Èabla V., Hettler J. & Tomšík J. 1979: Deposits of the Zlaté Hory

ore  district  from  the  point  of  view  so  called  Global  tectonics

theory. Sbor. GPO 20, 5–69 (in Czech).

Fediuk F., Pouba Z., René M. & Tomšík J. 1974: Quartzites, meta-

silexites  and  metakeratophyres  of  the  Zlaté  Hory  ore  district.

Acta Univ. Carol., Geol., 185–202 (in Czech).

Fišera M. & Souèek J. 1974: Metamorphic rocks of the Vrbno Beds

of the Zlaté Hory area (Devonian, NW Moravia, Czechoslova-

kia). Acta Univ. Carol., Geol., 231–257 (in Czech).

Janák J. 1970: Geological settings  of the Zlaté Hory-South deposit.

MS. PøF UJEP Brno (in Czech).

Janák  J.  &  Augusta  L.  1969:  New  opinions  on  development  and

evaluation of the Zlaté Hory-South ore deposit.   Geol.  Prùzk.

11, 35–40 (in Czech).

Kalenda F. & Grygar R. 1993: Genetic aspects of the stratigraphic

and  structural  control  of  the  mineralization  of  the  Zlaté  Hory

ore  district,  northern  Moravia,  Czechoslovakia.  In:  Procced-

ings  Eight  IAGOD  Symposium,  Ottawa,  Canada,  August  12–

18, 1990, 513–522.

Patoèka F. 1987a: The geochemistry of mafic metavolcanics: im-

plications for the origin of the Devonian massive sulfide de-

posits  at  Zlaté  Hory,  Czechoslovakia.  Mineral.  Deposita  22,

background image

412                                                                                     ZIMÁK  and  ŠTELCL

144–150.

Patoèka F. 1987b: Geochemistry of trace elements in metapelites of

Zlaté Hory ore district. Èas. Slez. Muz., Vìdy Pøír. 36, 149–158

(in Czech).

Patoèka  F.  1988:  Minor  element  geochemistry  of  pelitic  schists  of

the Zlaté Hory ore district, the Jeseníky Mts.: Devonin tectonic

setting of the primary sediment provenance. In: Proceedings of

the 1st Int. Conf. on Bohemian Massif. Prague, Sept. 26–Oct.

3, 1988, 218–221 (in Czech).

Patoèka F. & Vrba J. 1989: The comparison of strata-bound massive

sulfide  deposits  using  the  fuzzy-linguistic  diagnosis  of  the

Zlaté Hory deposits, Czechoslovakia, as an example. Mineral.

Deposita 24, 192–198.

Sas  D., Navrátil O., Sládek P., Surý J., Štelcl J. & Zimák J. 1998:

Geological  and  microclimatologica  characteristics  of  speleo-

therapy  medical  facility  of  the  2nd  level  of  the  Zlaté  Hory-

South ore deposit. Scripta Fac. Sci. Nat. Univ. Masaryk. Brun.,

Geology 25, 37–46 (in Czech).

Solecki  A.T.  1997:  Radioaktywnoœæ  œrodowiska  geologicznego.

Acta Universitatis Wratislaviensis 1937,  7–69 (in Polish).

Souèek J. 1978: Metamorphic zones of the Vrbno and Rejvíz series,

the  Hrubý  Jeseník  Mountains,  Czechoslovakia.  Tschermaks

Mineral. Petrogr. Mitt. 25, 195–217.

Štelcl J. & Zimák J. 1998: Evaluation of content and distribution of

natural radioactive elements in the speleotherapy medical facil-

ity of the 2nd level of the Zlaté Hory-South ore deposit. Geol.

Výzk. Mor. Slez. v r. 1997, 109–112 (in Czech).

Zimák J. & Štelcl J. 1999: Results of detail petrographical and gam-

maspectrometric investigation of selected parts in the   speleo-

therapy  medical  facility  of  the  2nd  level  of  the  Zlaté

Hory-South ore deposit. Geol. Výzk. Mor. Slez. v r. 1998, 162–

164 (in Czech).