background image

www.geologicacarpathica.sk

GEOLOGICA CARPATHICA, APRIL 2010, 61, 2, 147—162                                                  doi: 10.2478/v10096-010-0007-2

Introduction

Fluvial  deposits  are  the  principal  source  of  information  re-
garding terrestrial processes. Modern fluvial sediments partic-
ularly  in  industrial  areas  provide  numerous  data  about  the
impact of human activities on natural systems. Changes in flu-
vial and sediment discharge, the availability and character of
eroded  material  and  anthropogenic  material  production  are
obliterating  natural  environments  and  their  characteristics.
The  content  of  hazardous  components/pollutants  represents
strategic information for the quality of environment and sedi-
ment  management.  Whereas  some  of  these  components
(DDT, POP’s) are clearly anthropogenic in origin, certain oth-
ers (heavy metals) can be both natural and anthropogenic. In
such cases, not only the information on concentration of com-
ponents but also their source, represent the principal informa-
tion for environmental studies.

The provenance of clastic sediments includes all aspects of

the  drainage  area  (source  lithology,  topographic  relief,  cli-
mate,  transport  energy  and  deposition  environment  hydrody-
namics),  although  the  source  lithology  is  the  most  important
parameter  (Johnsson  1993;  Sensarma  et  al.  2008).    The  data
obtained by the provenance analysis of the sediments is main-
ly used for: i) information about weathering processes, ii) dis-
criminating  the  paleogeographic  and  tectonic  context  of  the
deposition,  iii)  describing  diagenesis  conditions,  iv)  high-
lighting  differences  between  individual  depositional  units
(McLennan et al. 1993; Young & Nesbitt 1998; Singh & Ra-
jami  2001;  Zimmermann  &  Bahlburg  2003;  Passchier  &

Modern fluvial sediment provenance and pollutant tracing:

a case study from the Dřevnice River Basin (eastern Moravia,

Czech Republic)

SLAVOMÍR NEHYBA

1

, MARIE ADAMOVÁ

2

, JIŘÍ FAIMON

1

, TOMÁŠ KUCHOVSKÝ

1

,

IVAN HOLOUBEK

3

 and JOSEF ZEMAN

1

1

Department of Geological Sciences, Faculty of Science, Masaryk University, Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic;

slavek@sci.muni.cz

2

Czech Geological Survey, Geologická 5, 150 00 Prague 5, Czech Republic

3

Research Centre for Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Masaryk University, Kamenice 126/3, 625 00 Brno, Czech Republic

(Manuscript received June 15, 2009; accepted in revised form December 11, 2009)

Abstract: Modern fluvial deposits of a small fluvial system were studied in the area of eastern Moravia (Czech Republic)
with the aim of determining the provenance of the deposits and weathering processes. Identification of the source rocks
and their alongstream variations were used for the evaluation of the natural or anthropogenic source of the heavy metals.
Paleogene flysch sandstones, flysch mudstones and Quaternary loesses represent source rocks and reflect both the role
of recycling and local sources. Provenance from sandstones dominate upstream whereas mudstones represent dominant
source rock in the downstream part of the fluvial system. The contents of Pb and Zn are highly enhanced when com-
pared with the natural background in the entire study area. Their anthropogenic source is connected with the rubber/
shoe manufacturing industry and traffic. The contents of Cr, Co, Cu, Ni and V are usually lower in modern deposits than
in the identified source rocks.

Key words: Quaternary, heavy metals, natural and anthropogenic source, small river system.

Whitehead 2006; Borges & Huh 2007; Barbera et al. 2009). In
addition,  the  application  of  the  techniques  and  methods  of
provenance analysis can be used for the evaluation of the natu-
ral  or  anthropogenic  origin  of  possible  mineral  components
and their fate in the deposition system.

The majority of provenance studies are focused on large riv-

er  deposits.  Since  large  rivers  often  drain  highly  variable
source rocks and their deposits reveal a complicated rework-
ing history, the precise recognition of the source rocks could
not be obtained unequivocally (White & Blum 1995; Nesbitt
et al. 1996; Sensarma et al. 2008). For this reason the present-
ed  study  is  oriented  to  a  small  river  system  that  drains  few
rock  types,  so  that  the  nature  of  the  source  material  is  better
constrained.  The  textural,  mineralogical  and  geochemical
composition (major and trace elements) of the modern fluvial
sediments  were  compared  with  possible  source  rocks  in  or-
der  to  obtain  information  about:  i)  the  provenance  of  the
modern  deposits,  ii)  the  weathering  processes  in  the  source
area,  iii)  the  distribution/redeposition  of  the  eroded  material
within  the  fluvial  system,  iv)  the  natural  vs.  anthropogenic
source of the heavy metals.

Geological and geomorphological settings

The study area is located in the eastern part of the Czech Re-

public in the broader surroundings of the city of Zlín (Fig. 1).
The area is strongly affected by both agriculture and industry.
The area is mainly formed by deposits of the Rača Unit of the

background image

148

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

Magura  Group  of  Nappes  (Western  Carpathian  Flysch  Belt
see Fig. 2). The Rača Unit (Upper Cretaceous to Oligocene)
is represented predominantly by the Zlín Formation, whereas
the deposits of the Soláň and Belověž Formations play a mi-
nor  role.  The  Zlín  Formation  can  be  subdivided  into  the
Újezd  and  Vsetín  Member.  The  Újezd  Member  (Late
Eocene—Early Oligocene) is characterized as rhythmic flysch
with  predominance  of  arcosic  sandstones  and  subordinate
beds of grey-green mudstones. The Vsetín Member (Middle
Eocene—Early Oligocene) is rhythmic flysch with dominance
of grey, calcareous mudstones with subordinate beds of fine-
grained  glauconitic  sandstones  (Pesl  1968;  Stráník  et  al.
1993).  The  Soláň  Formation  (Senonian—Paleocene)  can  be
subdivided into the Ráztoka and Lukov Member. Rhythmic
alternations of sandstone and mudstone beds are typical for
the  Ráztoka  Member.  Rhythmic  flysch  with  absolute  domi-
nance  of  sandstones  (arcoses,  greywackes)  and  conglomer-
ates represents the Lukov Member. The Belověž Formation
(Paleocene—Middle  Eocene)  is  represented  by  rhythmic  de-
posits with a predominance of green-grey and reddish mud-
stones. Flysch rocks are often covered by younger deposits.
The areal extent of the Neogene clays is extremely limited.
The  Quaternary  sediments  are  more  abundant,  being  repre-
sented by a wider spectrum of rocks. Loesses, blown sands,
sandy  alluvial  fans,  anthropogenic,  fluvial  (muddy  sands,
sands, sandy gravels), deluviofluvial, deluvial (muddy sand-
stones),  proluvial  deposits  (muddy  gravels)  have  all  been
documented (Pesl 1982; Novák 1994; Havlíček 2001).

The  erosive-denudation  relief  of  the  Zlínska  vrchovina

Highland  (the  average  height  above  sea  level  354.2 m,  the
average angle of the slope 6° 11’) was formed within the sub-
strate.  Broad  flat  elevations  and  shallow  widely  open  asym-

metric  depressions  are  typical  (Demek  1987).  The  relatively
broad  river  valleys  are  cut  by  numerous  transverse  erosive
short depressions with active small alluvial fans, ravines, and
slope  instabilities  (Jinochová  1996;  Kašpárek  1997).  The
Dřevnice,  Bratřejovka  and  Lutonínka  Rivers  drain  the  area.
The smallest of them is the Bratřejovka River which springs at
an  altitude  of  520 m  a.s.l.  Its  river  basin  has  an  extent  of
32.1 km

2

 with the average discharge at the river mouth being

0.31 m

3

/s.  The  Bratřejovka  River  flows  into  the  Lutonínka

River  at  an  altitude  of  290 m  a.s.l.  The  Lutonínka  River
springs at an altitude of 540 m a.s.l. Its river basin has an ex-
tent of 89.3 km

2

 and a course length of 15.3 km. The average

discharge at the river mouth is 0.89 m

3

/s. The Lutonínka River

flows into the Dřevnice River at an altitude of 245 m a.s.l. The
Dřevnice River springs at an altitude of 510 m a.s.l. Its river
basin  has  an  extent  of  434.6 km

2

.  The  length  of  the  river

course is 42.3 km and the average discharge at the river mouth
is 3.15 m

3

/s. The Dřevnice River flows into the Morava River

at an altitude of 182 m a.s.l. (Vlček 1984).

Maximum  discharges  during  the  10-year  period  were

195 m

3

/s  for  the  Dřevnice  and  21.7 m

3

/s  for  the  Lutonínka

Rivers.  The  minimum  discharge  values  were  0.14 m

3

/s  and

0.02 m

3

/s,  average  discharge  values  2.4 m

3

/s  and  0.54 m

3

/s,

respectively. The actual daily values vary in orders of mag-
nitude of 3 to 4 during year. Daily discharge measurements
from the 10-year period (1997—2006) were acquired from the
Czech  Hydrological  Institute.  The  gauging  stations  are  at
Zlín  (Dřevnice  River,  close  to  the  sampling  site 8)  and  Vi-
zovice  (Lutonínka  River,  close  to  the  sampling  site 3).
Strong  seasonal  trends  and  variability  in  discharges  with
similar seasonal trend, that is noticeable differences between
spring and autumn periods can be found (see Fig. 3). Arrows
show sampling events in spring and autumn 2005 and 2006
that  fall  into  typical  periods  with  higher  (spring)  and  low
(autumn)  discharge  stages.  The  differences  between  spring
and autumn periods are typical for rivers in drainage basins
in a humid climate, with maximum discharge values appear-
ing  in  longer  periods  following  snow  melting  and  in  short
periods following summer thunder storm events.

Sampling and analytical techniques

Modern  fluvial  deposits  were  sampled  at  9  sampling  sites

(SS) located within the courses of the rivers Bratřejovka, Lu-
tonínka  and  Dřevnice  (Fig. 1).  The  uppermost  bottom  layers
of  the  river  bed  (max.  10 cm  thick)  within  the  active  river
channel  were  sampled  manually  over  four  successive  sam-
pling seasons (i.e. May and September 2005 and 2006).

Combined  sieving  and  laser  methods  were  used  for  the

grain size analysis. A Retch AS 200 sieving machine analysed
the  coarser  grain  fraction  (4 mm—0.063 mm,  wet  sieving),
whereas a Cilas 1064 laser diffraction granulometer was used
for  the  finer  one  (0.0004—0.063 mm).  Ultrasonic  dispersion,
distilled  water  and  sodium  polyphosphate  were  used  prior  to
analyses  in  order  to  avoid  a  flocculation  of  particles.  The
graphic mean (Mz) and inclusive standard deviation (

σI) were

used to demonstrate the average grain size and sediment sort-
ing (Folk & Ward 1957).

Fig. 1. Schematic map of the area under study with the location of
the monitoring sites.

background image

149

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Fig. 2.

 Simplified 

geological 

map 

and 

stratigraphic 

chart 

of 

the 

area 

under 

study 

– 

according

to 

Novák 

(Ed.) 

(1994), 

Pesl 

(Ed.) 

(1982), 

and 

Müller 

(2001).

background image

150

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

The  gravel  mineral  composition  (the

grains  > 2 mm  in  diameter)  was  studied
under a binocular microscope. Geochemi-
cal  methods  were  used  for  the  bulk-rock
composition  of  a  finer  fraction.  Dry  sedi-
ments  were  homogenized,  ground  with  a
pestle and mortar and sieved using a 2 mm
sieve. The sample was melted with a lithi-
um tetraborate/metaborate mixture (Spec-
tromelt  A12,  Merck)  and  dissolved  in
diluted nitric acid. The main oxide compo-
nents of silicate matrix (Li

2

O, Na

2

O, K

2

O,

MgO,  CaO,  Fe

2

O

3

,  TiO

2

,  Al

2

O

3

,  SiO

2

,

P

2

O

5

  and  SO

3

)  were  determined  by  ICP-

OES (Jobin-Yvon 170 Ultrace, JY-Horiba,
France).  The  total  heavy  metal  content
(As,  Cd,  Co,  Cr,  Cu,  Mo,  Ni,  Pb,  Sb,  V,
Zn) was determined by sample dissolution
and  by  analysing  the  solution  obtained.
The ISO 14869-1 procedure was used for
the  silicate  matrix  decomposition  in  an
open  vessel  system  by  a  mixture  of  hy-
drofluoric  and  perchloric  acid.  1 g  of  the
pulverized sample was used for the disso-
lution and the sample solution was dilut-
ed  adequately  prior  to  analysis.  ICP—MS
(Agilent  7500ce,  Agilent  Technologies,
Japan) was used for the determination of
heavy  metals.  The  elements  suffering
from polyatomic interferences were mea-
sured  in  a  He  collision  mode  using  the
Octopole  Reaction  System.  Internal  stan-
dards (Ge, In, Bi) were applied in order to
eliminate the matrix effect. The total con-

Fig. 3. Fluvial discharge for Dřevnice and Lutonínka Rivers in the years 2005 and 2006.
Arrows show sampling events in spring and autumn 2005 and 2006, respectively.

(apatite),  the  value  of  CaO  is  consequently  accepted  if  the
mole fraction of CaO

≤Na

2

O. However, if CaO

≥Na

2

O, then it

was assumed that the moles of CaO=Na

2

O (McLennan 1993;

Bock  et  al.  2008).  The  Vsetín,  Újezd,  Ráztoka,  and  Lukov
Flysch Sandstones are denoted as VFS, UFS, RFS, and LFS, re-
spectively.  The  Vsetín,  Újezd,  Ráztoka,  Lukov,  and  Belověž
Flysch Mudstones are denoted as VFM, UFM, RFM, LFM, and
BFM, respectively. Quaternary Loesses are denoted as QL.

Results

Grain size

The distribution of the individual particle size classes of the

studied samples is presented in Table 1. Sand and silt predom-
inate  in  the  majority  of  the  studied  samples.  Based  on  Folk
(1968), the sediments were classified as sands (33.3 %), silty
sands  (27.8 %)  or  sandy  silts  (22.2 %).  Sandy  gravels
(11.1 %) and silts (5 %) are less frequent. The gravel content
is  mostly  negligible  apart  from  some  SS  (typically 3).  The
content  of  clay  fraction  is  relatively  low  and  slightly  rises
downstream. The graphic mean varies between —1.5 and 6.3 

φ,

but mostly between 2.8 and 4.9 

φ (72.2 %). The σI values var-

ied between 1.3 and 3.5 

φ, which indicates poor to extremely

tent of mercury was determined by the thermooxidation meth-
od using an AMA-254 analyser (Altec, Czech Republic). The
accuracy  of  the  methodology  was  verified  by  an  analysis  of
the soil certified reference materials (ANA 7001—7004, Ana-
lytika Prague, Czech Republic).

The mineralogy of the clay fraction of modern deposits was

evaluated by RTG diffraction at Stoe Stadi P. diffractometer.
Measurement conditions: Co-K

α

1

 radiation  (1.78896 

A

), ac-

celerating  voltage  40 kV,  beam  30 mA,  reflection  mode,  lin-
ear PSD detector, step in 0.01 2

Θ, counting time of 3 s. Low

content  of  clay  fraction  in  the  studied  sediment  led  to  RTG
quantitative phase analyses.

The source rock samples were analysed in the laboratories

of the Czech Geological Survey Prague. The complete silicate
analysis  (oxides  of  major  elements  and  certain  minor  ele-
ments) and a standard set of trace elements were determined
by  X-ray  fluorescence  (fm.  Philips  PW1410)  and  emission
spectral analysis (spectrograph fm. Zeiss). The mineral com-
position  was  determined  by  X-ray  diffraction  analysis  (com-
plemented  by  automatic  diffraction  phase  analyses);  the
results  were  compared  with  those  obtained  by  a  differential
thermal analysis. Due to the highly varying carbonate content
and absence of CO

2

 data, a precise correction for the carbonate

CaO was difficult for the chemical index of alternation (CIA
index  –  Young  &  Nesbitt  1998).  After  correcting  for  P

2

O

5

Å

 

background image

151

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Fig. 4. Areal distribution of the graphic mean (Mz) for the deposits in the studied moni-
toring sites. The values are in 

Φ units.

 

Gravel (%) 

Sand (%) 

Silt (%) 

Clay (%) 

Mud (%) 

Mz (

Φ) (σI) 

Site code 

Median (Minimum–Maximum) 

SS 1 

4.3 (3.6–7.4) 

59.2 (55.5–70.1) 

30.9 (20.2–31.9) 

5.6 (4.0–7.5) 

35.8 (25.5–39.4) 

3.4 (3.0–4.1) 

2.6 (2.4–2.8) 

SS 2 

1.4 (0.1–4.5) 

69.7 (39.8–72.6) 

23.1 (18.5–52.0) 

5.9 (4.4–7.9) 

29.0 (22.9–59.8) 

3.2 (2.8–4.8) 

2.4 (2.0–3.4) 

SS 3 

19.4 (4.2–30.4) 

71.8 (64.6–85.1)     7.3 (4.1–8.6) 

1.5 (0.9–2.1) 

8.8 (5.0–10.7) 

1.0 (0.0–1.7) 

2.0 (1.3–2.2) 

SS 4 

3.1 (1.1–3.9) 

61.4 (43.9–74.2) 

30.3 (18.6–48.4) 

5.0 (3.8–6.6) 

35.3 (22.4–55.0) 

3.4 (2.9–4.3) 

2.4 (2.3–2.7) 

SS 5 

10.1 (0.1–49.8) 

67.4 (39.9–75.7) 

 

18.0 (8.3–22.5) 

3.4 (1.6–4.0) 

  21.8 (9.9–25.7) 

  2.6 (–0.1–3.3) 

2.4 (1.9–3.4) 

SS 6 

1.4 (0.4–2.4) 

68.6 (62.3–72.2) 

23.5 (18.6–32.9) 

3.4 (3.3–4.4) 

26.8 (22.1–37.3) 

3.4 (3.2–3.8) 

2.2 (2.0–2.3) 

SS 7 

1.0 (0.5–1.5) 

48.2 (32.2–59.7) 

45.6 (35.7–60.2) 

4.7 (4.0–7.1) 

50.4 (39.7–67.3) 

4.3 (3.8–4.9) 

2.0 (1.9–2.1) 

SS 8 

0.2 (0.0–0.8) 

23.6 (13.3–40.9) 

66.3 (50.9–72.6)    8.7 (6.9–16.9) 

76.2 (58.3–86.7) 

5.3 (4.6–6.3) 

1.9 (1.8–2.2) 

SS 9 

  9.4 (1.2–62.2) 

38.1 (31.7–64.0)   36.4 (5.6–47.5) 

4.9 (0.6–9.8) 

  41.4 (6.1–57.3) 

  3.4 (–1.5–3.9) 

2.5 (2.1–3.5) 

Table 1: Characteristics of sites – grain-size characteristics of the studied modern fluvial deposits.

poor sorting. The samples with a higher value of Mz are gen-
erally better sorted than the samples with a lower value. The
grain size of samples from the spring and autumn seasons are
usually  similar  with  respect  to  individual  SS.  The  along
stream  variation  is  better  developed  in  the  spring  samples
when slightly finer grained spring sediments were recognized
in  most  upstream  SS  and  coarser  grained  deposits  in  most
downstream SS. The downstream fining of the studied depos-
its can be accepted when taking into account the confluences
(Fig. 4). Additional/transverse sources of material (bank ero-
sion, transport from the adjacent slopes or ravines) to the main
axial  fluvial  drainage  are  supposed  close  to  the  monitoring
sites 3, 9. Deposits of Holocene alluvial fans were recognized
adjacent  to  these  monitoring  sites.  Additional  provenance
from these deposits and so an important role of local sources is
supposed. Torrential water from the summer storms can trans-
port  the  coarser  material  from  adjacent  slopes  to  the  river
course and accentuate the additional/transverse source of sedi-
ment at selected localities.

Gravel petrography

Three  different  types  of  material  were  recognized:  (i)  an-

thropogenic material (fragments of glass, bricks, concrete, as-
phalt, plastics), (ii) organic material (plant detritus, seeds), and
(iii)  rock  debris  (predominantly  sandstones,  conglomerates,
quartzes,  limestones,  mudstones,  exceptionally  gneisses  or

granitoids). The content of these materials differs both areally
and seasonally (Fig. 5). The organic material completely pre-
dominates  in  certain  SS  (typically 1,  6,  7,  8)  and  is  usually
more common during the autumn. A higher content of anthro-
pogenic  material  is  typical  for  downstream  samples  (usually
SS  6—9)  and  its  content  seems  to  be  enhanced  in  the  spring.
An absolute dominance of rock debris can usually be observed
in  SS  3  and  5,  whereas  it  is  absent  or  very  low  downstream
(particularly  SS  6—8).  The  content  of  the  organic  material  is
generally  higher  in  finer-grained  fraction,  whereas  a  coarser
content typically reveals a higher presence of rock debris and
anthropogenic material (Fig. 6A,B,C).

Clay mineralogy

Significant differences in mineralogy existed between the re-

sults from individual monitoring sites from the single sampling
season  and  also  different  seasons.  Semiquantitative  evaluation
of  all  studied  samples  is  presented  in  the  Table 2.  Individual
minerals were evaluated by numbers to reflect their relative oc-
currences (0 – not present, 1 – very rare, 2 – rare, 3 – medi-
um, 4 – abundant, 5 – very abundant).

Quartz  is  the  most  abundant  mineral.  Content  of  illite  and

kaolinite  is  relative  stable.  Significant  variations  can  be  fol-
lowed in the role of smectite. Significant differences can also
be followed for the content of chlorite. The content of feldspar
also varies. Presence of feldspar is in general relatively lower

in the autumn samples (compared with the
spring  ones).  Presence  of  plagioclase  is
usually  more  important  than  the  presence
of feldspar (Dosbaba 2008).

Major elements

The  major  elements  for  the  sediments

are  given  in  Table  3.  The  SiO

2

  content

ranges  widely  from  60.7  to  83.7 wt. %
and  is  consistent  with  site  lithologies
(Fig. 7A).  The  main  element  content  re-
veals  both  areal  and  seasonal  variations
with  an  inverse  dependence  on  grain  size
(particularly for K

2

O, Na

2

O, MgO, Al

2

O

3

,

Fe

2

O

3

,  and

 

TiO

–  Fig. 7B—D).  The  grain

size  effect  on  chemical  composition  sug-
gests 

SiO

2

/Al

2

O

3

—Na

2

O/K

2

diagram

(Fig. 7E) (see Ohta 2008).

background image

152

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

The positive inter-relationship amongst Al

2

O

and

 

TiO

is

well developed (Fig. 8A). A diagram of Al

2

O

vs. TiO

2

 and

the Ti : Al ratio were used for studies of the provenance and
weathering extent (Young & Nesbitt 1998). The Ti : Al ratio
for  the  studied  samples  varies  between  0.12  to  0.17  and  is
generally  higher  downstream.  A  negative  correlation  be-
tween TiO

2

 and SiO

2

 is generally supposed (Fig. 8B). K

2

O/

Al

2

O

3

  ratio  is  between  0.17—0.29  and  its  relation  to  grain

size  is  complex  (Fig. 8C).  The  coarser  samples  (Mz  below

φ)  and  the  finer  ones  (Mz  above  3 φ)  seem  to  form  two

subpopulations in the diagram.

The deposits can be classified as lithic arenites, apart from

several which are sublithic arenites and wacke (see Fig. 8D
according to Herron 1988). The content of total alkali is rela-
tively  low.  Alongstream,  irregular  variations  in  the  content
of the major elements are developed (Fig. 8E—H). A decline
in  the  SiO

2

  content  can  usually  be  observed  between  the

SS 3—4 and 6—8 and an increase at SS 3, 5 and 8. The oppo-
site trend, namely a rise between the SS 3—4 and 6—8 and a
decline  at  SS 3  and  9  can  often  be  seen  in  the  content  of
K

2

O,  Na

2

O,  CaO,  MgO,  Al

2

O

3

,  TiO

2

  and  Fe

2

O

3

.  These

trends are slightly obliterated by seasonal variations. The up-
stream sediments could be slightly higher with an abundance
of K

2

O, Na

2

O, CaO, MgO, Al

2

O

3

, TiO

2

 and

 

Fe

2

O

3

,

 

and low-

er in SiO

2

. An inverse relation between the grain size and the

Ti : Al ratio can be observed (Fig. 9).

Fig. 5. Composition of the gravelly grain size fraction (2—8 mm) of
the studied sediments.

Fig. 6. Relations of the graphic mean Mz and: A – the content of
anthropogenic  material  in  gravel  fraction,  B  –  the  content  of  or-
ganic material in gravel fraction, C – the content of rock debris in
gravel fraction.

Table 2:  Semiquantitative  mineralogy  of  the  clay  fraction  of  the
studied sediments.

Mineral 

Spring 2005 Autumn 2005 Spring 2006 Autumn 2006 

Smectite 

3.3 4.3 2.1 2.4 

Chlorite 

1.7 1.3 2.2 1.4 

Illite 

4.0 3.5 3.9 3.7 

Kaolinite 

3.0 3.2 2.8 2.9 

Quartz 

5.0 4.7 5.0 5.0 

Feldspar 

2.3 1.2 2.1 1.4 

Plagioclase 

2.0 1.8 3.0 2.6 

 

Provenance

The chemical composition of clastic sediments is a result of

a  number  of  geological  factors  (source  rock  composition,
chemical weathering intensity, sediment supply rate, and tex-
tural/mineralogical/hydraulic sorting) (Johnsson 1993; Cox &
Lowe 1995; Sensarma et al. 2008).

The  value  of  the  ratio  K

2

O/Na

2

O  (Roser  &  Korsch  1986)

for the studied sediments varies between 2.55 and 4.71. This

background image

153

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Fig. 7. Relation between the graphic mean (Mz) and A – the con-
tent of SiO

2

B – the content of TiO

and MgO, C – the content of

Al

2

O

3

 and Fe

2

O

3

D – the content of K

2

O and Na

2

O, E – plots of

the SiO

2

/Al

2

O

3

—Na

2

O/K

2

O diagram reflecting the effect of hydrau-

lic sorting. Sediments derived from a recycled sedimentary prove-
nance delineate horizontal trends (see Ohta 2008).

high value reflects a derivation from the recycled sedimentary
sources (McLennan et al. 1993; Bock et al. 1998).

A  multivariate  cluster  analysis  (Ward’s  method  as  an  algo-

rithm) was applied to compare the chemical composition of the
source rocks and the sediments (Fig. 10). Ten major/minor ele-
ments (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) and seven trace el-
ements (Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, V, Co) were considered. Based on
the  analysis,  the  samples  were  clustered  into  two  principal
groups. The first one (see the group on the left side in Fig. 10)
linked  12  sediments  to  the  source  flysch  mudstones  (RFM,
BFM, LFM, VFM, UFM). The second group linked the remain-
ing 24 sediment samples to the source flysch sandstones (VFS,
UFS, RFS, LFS). Of these 24 samples, 11 sediments were more

tightly associated with the source Quaternary loeses (QL), see
the subgroup separated from the second group on the right side
of Fig. 10. In the single groups, the sediments of all the seasons
were mixed (Table 4). The chemical compositions of the poten-
tial source rocks are presented in Table 5a,b.

With respect to the SS, the sediments of the first group with

the source mudstones were particularly dominant downstream
(particularly  on  SS 7  and  8).  The  sediments  with  the  source
sandstones mainly predominate upstream (SS 1, 2 and also 5).
The  loesses  source  is  typical  for  the  middle  part  of  the  area
(SS 3, 6, 4).

The  studied  sediments  were  plotted  onto  the  Al

2

O

3

(CaO + Na

2

O)—K

2

O diagram (Fig. 11A), the A—CN—K in the

background image

154

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

next text, and the CIA index was calculated. The weathering
indices reflect in this case a variation in possible parent rock
composition rather than the degree of weathering (Borghes &
Huh  2007).  The  samples  follow  a  trend  of  increasing  Al

2

O

3

and K

2

O with decreasing CaO + Na

2

O. The CIA index ranges

between 54 and 74, with the majority of samples ranging be-
tween  64  and  73.  The  annual  CIA  variations  are  larger  than
the  areal  ones,  although  the  downstream  samples  show  a
slightly higher CIA index.

The possible source rocks were plotted in the A—CN—K dia-

gram  (Fig. 11B).  The  similar  pattern  can  be  followed  in  both
modern and possible source rocks, that is, the contents of Al

2

O

3

and K

2

O increase when CaO + Na

2

O decreases. The CIA index

for the flysch sandstones varies between 61 and 68, and for the
flysch mudstones between 71 and 80. Neogene clays and Qua-
ternary loesses show mean values in the CIA index of about 83
and 74, respectively. The Ti : Al ratio for the flysch sandstones
varies between 0.07 and 0.15, and for the flysch mudstones be-
tween 0.10 and 0.12. Neogene clays have an average value of
the CIA of about 0.11 and Quaternary loesses of about 0.16.

Trace elements/heavy metals

The heavy metal contents in the studied samples are given

in  Table  6.  They  vary  highly,  both  areally  and  seasonally.
High seasonal variations were recognized in particular for Pb
and V. The contents of Pb, Ni, V, Cr, Cd, Zn, Cu, and Sb are
influenced  by  lithology  (Fig. 12A—E),  the  finer  grained  sam-
ples usually reveal a higher content of the metals. However, a
lack of a simple linear pattern (particularly for Pb, Zn, Cd and
Sb)  also  indicates  further  factors  influencing  the  content  of
these elements.

Alongstream  irregular  variations  in  the  content  of  heavy

metals  are  visible  (Fig. 13A—E)  similarly  to  major  elements.
The highest concentrations were usually most apparent down-
stream  (SS 7  and  8),  with  the  exception  of  Ni,  and  Pb.  The
samples from the furthest upstream SS 1 and 2 often revealed
enhanced concentrations of metals (particularly Ni). The con-
tent  of  all  the  heavy  metals  decreased  at  SS 3  and  increased
(often rapidly) at SS 7. A downstream increase in the content
of Ni, Cr and V was recognized between SS 3—4 and 7—8. The
opposite trend, namely a decrease between the same SS, was
recognized for Sb, Zn, Pb and Cd.

The content of the heavy metals in potential source rocks is

demonstrated in Table 5B. Flysch sandstones contain remark-
ably  lower  contents  of  heavy  metals  than  their  mudstone
“counterparts”  as  well  as  in  comparison  with  Quaternary

Table 3: 

Characteristics of sites – sediment major element composition.

 

mudstone 

group 

sandstone-

loess group 

sandstone 

subgroup 

loess 

subgroup 

spring 

5 13 7  5 

autumn 

7 11 5  6 

2005 

5 13 5  7 

2006 

7 11 7  4 

sampling point 
mean number  

  4 

   3.6 

   4.7 

Table 4:  Results  of  cluster  analysis:  Numbers  of  individual  sedi-
ment  samples  in  single  groups  of  sources  rocks  in  single  seasons
and mean position of sampling point.

 

Si

te

  

cod

Al

2

O

3

 (%

Ca

O (%

Fe

2

O

3

 (%

K

2

O (%

L

iO

2

 (%

Mg

O (%

MnO (%

Na

2

O (%

T

iO

2

 (%

P

2

O

5

 (%

Si

O

2

 (%

Me

di

an

 (

M

ax

im

um

–M

in

im

um

SS 1

 

   

7.

81

 (

6.71–

8.3

1)

 

3.

72

 (

4.08–

3.

23

3.

73

 (

4.25–3.

23

1.

50

 (

1.68–

1.

41

0.

01

 (

0.02–

0.

01

1.

19

 (

1.27–

1.

00

0.

17

 (

0.20–

0.

11

0.

47

 (

0.61–

0.

35

0.

50

 (

0.54–

0.

40)

0.

14

 (

0.18–

0.

10

70

.6

7 (

74.8

8–66

.5

6)

SS 2

 

   

7.

55

 (

9.14–

6.6

1)

 

6.

86

 (

7.75–

6.

30

4.

00

 (

4.45–3.

43

1.

43

 (

1.66–

1.

21

0.

01

 (

0.02–

0.

01

1.

11

 (

1.37–

0.

97

0.

12

 (

0.17–

0.

09

0.

49

 (

0.61–

0.

37

0.

48

 (

0.62–

0.

41)

0.

15

 (

0.20–

0.

11

66

.9

3 (

70.7

0–60

.7

0)

SS 3

 

   

4.

38

 (

4.62–

4.0

6)

 

4.

10

 (

4.91–

3.

25

2.

52

 (

4.91–3.

25

0.

93

 (

1.11–

0.

85

0.

01

 (

0.01–

0.

01

0.

62

 (

0.68–

0.

55

0.

09

 (

0.09–

0.

08

0.

33

 (

0.43–

0.

23

0.

27

 (

0.28–

0.

25)

0.

09

 (

0.11–

0.

05

81

.1

9 (

82.5

3–79

.7

1)

SS 4

 

   

6.

04

 (

8.89–

4.3

4)

 

3.

28

 (

4.11–

2.

62

2.

99

 (

4.1

1–2.

62

1.

21

 (

1.60–

0.

86

0.

02

 (

0.02–

0.

01

0.

84

 (

1.31–

0.

57

0.

11

 (

0.12–

0.

08

0.

39

 (

55

.5–

70

.1

0.

42

 (

0.59–

0.

30)

0.

15

 (

0.27–

0.

08

76

.6

2 (

83.7

0–65

.2

9)

SS 5

 

   

6.

54

 (

6.71–

6.4

0)

 

2.

03

 (

2.89–

1.

37

2.

82

 (

2.89

 –

1.37

1.

61

 (

1.91–

1.

38

0.

01

 (

0.02–

0.

01

0.

71

 (

0.75–

0.

67

0.

09

 (

0.13–

0.

05

0.

69

 (

0.46–

0.

30

0.

42

 (

0.43–

0.

39)

0.

09

 (

0.11–

0.

08

79

.8

4 (

82.2

5–77

.3

7)

SS 6

 

   

5.

72

 (

7.09–

5.0

1)

 

2.

83

 (

3.34

 –2

.11

2.

54

 (

3.34–2.

11

1.

29

 (

1.44–

1.

02

0.

01

 (

0.02–

0.

01

0.

69

 (

0.91–

0.

56

0.

09

 (

0.11–

0.

06

0.

39

 (

0.64–

0.

36

0.

38

 (

0.45–

0.

39)

0.

16

 (

0.29–

0.

06

78

.8

9 (

83.4

7–74

.1

2)

SS 7

 

   

7.

71

 (

8.87–

7.2

0)

 

4.

90

 (

5.58–

4.

60

2.

90

 (

5.58–4.

60

1.

56

 (

1.78–

1.

34

0.

01

 (

0.02–

0.

01

0.

99

 (

1.14–

0.

90

0.

09

 (

0.12–

0.

06

0.

49

 (

0.48–

0.

29

0.

54

 (

0.63–

0.

5)

 

0.

24

 (

0.28–

0.

22

67

.5

6 (

69.2

9–65

.3

6)

SS 8

 

 10

.26

 (

12

.29

–8.

06

3.

06

 (

3.65–

2.

58

4.

14

 (

3.65–2.

58

2.

01

 (

2.37–

1.

5)

 

0.

01

 (

0.03–

0.

01

1.

21

 (

1.44–

0.

92

0.

12

 (

0.14

 –0

.09

0.

60

 (

0.66–

0.

46

0.

72

 (

0.84–

0.

60)

0.

29

 (

0.36–

0.

22

67

.2

8 (

74.2

7–62

.0

6)

SS 9

 

   

8.

21

 (

9.60–

6.0

1)

 

3.

01

 (

3.36–

2.

80

3.

28

 (

3.36–2.

80

1.

64

 (

1.72–

1.

53

0.

01

 (

0.02–

0.

01

0.

96

 (

1.13–

0.

69

0.

12

 (

0.14–

0.

09

0.

57

 (

0.63–

0.

47

0.

53

 (

0.67–

0.

37)

0.

28

 (

0.39–

0.

20

73

.7

4 (

78.3

4–68

.8

7)

background image

155

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Fig. 8. Relation between: A – the content of TiO

and

 

Al

2

O

3

B – the content of SiO

and TiO

2

C – K

2

O/Al

2

O

3

 

and the graphic mean (Mz),

D – Compositional maturity of studied sediments (Herron 1988). The alongstream distribution of major oxides: E – Si

2

O, F – Al

2

O

3

,

G – Na

2

O, H – K

2

O.

background image

156

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

loesses. A comparison of sediments and their possible prove-
nance rocks with respect to the content of heavy metals is pre-
sented in Fig. 14.

Relatively immobile trace elements, Cr and, Ni, are general-

ly believed to undergo the least fractionation during sedimen-
tary processes (Hassler & Lowe 2006). The Cr/Ni ratio of the
studied samples varies between 1.03 and 2.09 (1.37 on aver-
age). In comparison with the source rocks, the ratio was less
than  for  flysch  sandstones  (2.2—3.4),  partly  for  flysch  mud-
stones (1.6—3.9) and Quaternary loesses (1.9 on average).

Fig. 9. Relations of the graphic mean (Mz) and Ti/Al.

Fig. 10. Multivariate data cluster analysis based on chemical composition of sediments and source rocks (Vard’s method). The source rocks are
highlighted  (Vsetín, Újezd, Ráztoka, and Lukov Flysch Sandstones are denoted as VFS, UFS, RFS, and LFS. Vsetín, Újezd, Ráztoka, Lukov,
and Belověž Flysch Mudstones are denoted as VFM, UFM, RFM, LFM, and BFM. Quaternary Loesses are denoted as QL. Modern sediment
samples are denoted as A or S: autumn or spring season, 05 or 06: 2005 or 2006 year of sampling, and 1—9: number of sampling site).

Fig. 11. Ternary plot CN—A—K for: A – studied sediment and B – source rocks.

background image

157

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Table 5: The chemical composition of potential source rocks: A – major elements (results in %), B – heavy metals (results in ppm).

Interpretations and discussion

A combination of grain size, petrography and geochemis-

try enable an evaluation of source rocks and the factors con-
trolling  sediment  composition.  The  data  on  modern  fluvial
deposits  revealed  that  their  mineralogy  and  chemistry
changed with grain size. It is due to (1) multiple sources con-
tributing  to  grains  with  mineralogically  and  texturally  dis-
tinct  characteristics,  (2)  physical  weathering  of  non-stable
grains, and (3) sorting of compositionally distinct grains dur-
ing  transport  (Johnsson  1993).  All  these  factors  can  be  ob-
served in this study.

The  prevalence  of  sand/silt  and  varied  gravel  role  reflect  a

wider  spectra  of  transportation  with  a  dominance  of  the  sus-
pended load (Owens et al. 2005). A low presence of clay mainly
favours transport as discrete particles (Dropo & Ongley 1994).

Although the longitudinal transport of material dominates

within the fluvial basin, the role of confluences and addition-
al/transverse  sources  of  material  (bank  erosion,  adjacent
slopes or ravines) to the main axial drainage are locally im-
portant.  The  granules  and  pebbles  formed  by  rock  debris
mostly originated from the flysch rocks of the Rača Unit or
older  fluvial  and  proluvial  gravels.  The  anthropogenic  and
organic materials in the gravel fraction are linked to human
activities.  Seasonal  differences  in  their  relative  content  can
be  due  to  the  following:  i)  the  annual  cycle  of  the  harvest
season  and  plant  production  with  its  peak  in  the  summer
months  and/or,  ii)  a  different  mode  of  erosion  and  prove-
nance reflecting seasonal variability in fluvial discharge. The
higher downstream content of the coarse anthropogenic ma-
terial is associated with the position within densely populat-
ed  urban  areas  (the  towns  of  Zlín  and  Otrokovice).  Human
activities  are  directly  (anthropogenic  material)  or  indirectly
(organic material) responsible for its delivery.

The  seasonal  variability  in  fluvial  discharge  plays  an  im-

portant  role.  Limited  precipitation  during  the  summer
months with torrential storms supports the erosion of coarser

A

B

Rocks 

No. of analyses 

SIO

2

 TiO

2

 Al

2

O

3

 Fe

2

O

3

 FeO MnO MgO CaO Na

2

O K

2

O P

2

O

5

 

VFS 

22 80.7 

    

0.3 

  4.4 

1.4 

0.7 

0.04 

0.7 

  2.1 

0.6 

0.9 

  0.06 

UFS 

  2 

83.1 

0.21 

  4.0 

0.7 

  0.13 

0.09 

0.2 

  2.0 

0.3 

1.8 

  0.02 

RFS 

17 82.0 

    

0.3 

  6.9 

0.8 

1.4 

0.04 

0.7 

  1.9 

1.0 

1.8 

  0.04 

LFS 

  9 

85.6 

0.22 

  6.7 

0.6 

0.3 

0.02 

0.2 

  0.3 

0.8 

2.4 

  0.02 

VFM 

47 

51.4 0.62 12.3 3.5  0.9 0.08 1.7 10.4 0.4  2.6  

 

0.08 

UFM 

19 

56.8 

0.86 

16.8 

5.1 

1.0 

0.12 

2.7 

  1.9 

0.9 

3.1 

  0.12 

RFM 

23 

56.6 

0.97 

19.8 

4.1 

1.7 

0.03 

2.3 

  0.6 

0.8 

4.5 

  0.09 

LFM 

  4 

55.9 

1.01 

21.9 

3.9 

1.0 

0.03 

1.7 

  0.5 

0.4 

4.9 

  0.07 

BFM 

26 

55.4 0.87 19.2 7.3  1.0 0.08 2.1  

 

0.5 0.5  3.7  0.1 

QL 

  6 

70.4 

0.79 

11.3 

3.5 

0.4 

0.07 

1.1 

  2.2 

0.9 

2.2 

  0.23 

 

Rocks 

No. of analyses 

As 

Be 

Cr 

Cu 

Mo 

Ni 

Pb 

Zn 

Co 

VFS 

22 

      <5 

       1 

       65 

        9 

  1 

      19 

        6 

      20 

       34 

       5 

UFS 

  2 

      <5 

       1 

       34 

        5 

  1 

      16.5        10.5          8 

       13.5         5 

RFS 

17 

      <5 

       1 

       28 

        7 

  1 

      12 

      12 

      28 

       26 

       5 

LFS 

  9 

      <5 

       2 

       20 

        8 

<1 

        9 

      18 

      16 

       15 

     <5 

VFM 

47 

      <5 

       2.1       107 

      42 

<1 

      56 

      16 

      85 

     112 

     13 

UFM 

19 

        5 

       2 

     266 

      57 

<1 

    161 

      22 

    124 

     158 

     26 

RFM 

23 

        5 

       4 

     138 

      52 

  1 

      55 

      30 

    109 

     153 

     16 

LFM 

  4 

        5 

       4 

     116 

      51 

  1 

      30 

      30 

      82 

     155 

     11 

BFM 

26 

     <5 

       4 

     139 

      68 

<1 

      86 

      31 

    124 

     141 

     23 

QL 

  6 

       7.8         1.6         68.0        17.2 

<7 

      35.5        10.2        56.7         57 

     11.3 

 

detritus from adjacent slopes to the river course particularly
upstream and also accentuates the role of local sources. More
regular and higher fluvial discharge during the late autumn,
winter  and  spring  favours  a  wider/variegated  provenance
and a downstream redeposition of the material within the flu-
vial  course.  The  progressive  reduction  of  grain  size,  even
subtle,  and  increasingly  better  sorting  of  sediment  within  a
reasonably short transport distance ( > 70 km) could indicate
the role of either the weathering processes in the catchment
area (Sensarma et al. 2008) or the recycling/select redistribu-
tion of the material.

The studied deposits are relatively immature. The linear and

almost horizontal arrangement of the data in Fig. 7E  and  the
low  K

2

O/Al

2

O

ratios  indicate  a  recycling  of  the  source

quartz-rich sedimentary rocks (Cox & Lowe 1995; Passchier
2004), a similar source and a relatively low content of phyllo-
silicates as well as the important role of quartz.

With no extra input of detritus, the sediment recycling re-

sults in a negative correlation between SiO

2

 and TiO

2

 (Gu et

al. 2002) and its product will contain more quartz (i.e. SiO

2

),

less  feldspar  and  clays  (lower  content  of  TiO

2

,  Al

2

O

3

  and

MgO)  (Cox  &  Lowe  1995;  Corcoran  2005).  Although  the
role of recycling in the studied deposits can be documented
in general, SiO

2

 and TiO

2

 do not show a consistent negative

correlation. It points to a situation when simple alongstream
recycling is “complicated” by an additional transverse input
of  the  “fresh”  material  into  the  fluvial  course.  The  relative
preferential  removal  of  finer-grained  material  in  the  up-
stream part of the basin with its enrichment downstream also
influenced the composition.

The  different  relation  of  grain  size  with  SiO

vs.  K

2

O,

Na

2

O,  MgO,  Al

2

O

3

,  Fe

2

O

3

,  and

 

TiO

reflects  variations  in

the  mineral  composition  (quartz  vs.  feldspar,  plagioclases,
clay minerals) in different grain size fractions. The low con-
centration of alkali elements and their negative correlation to
SiO

2

 reflects the relatively low presence of feldspar and pla-

gioclases, and the dominance of quartz. Areal variations in the

background image

158

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

Fig. 12. Relation between the graphic mean (Mz) and: A – the con-
tent of Pb, B – the content of Ni and Cu, C – the content of V and
Cr, D – the content of Zn, E – the content of Cd and Sb.

content of major elements are not consistent with element rel-
ative  mobility  during  weathering  and  reveals  a  relation  be-
tween  chemical  composition  and  lithologies  (similarly  as
Passchier & Whitehead 2006). The increase in the abundance
of  heavy  metals  and  iron  with  decreasing  grain  size  reflects
the  higher  concentration  of  certain  minerals  (pyroxene,
chromite, chlorite) in finer grain size fractions and, possibly, a
sorption of heavy metals on an organic substance.

The  similarity  of  CIA  values  with  possible  source  rocks

and tight clustering near the feldspar join in the triangular plot

A—CN—K (Fig. 11A,B) indicates mainly physical weathering
and the low role of chemical weathering. The elongated distri-
bution of the studied samples in the A—CN—K diagram reflects
the varied role of the weathering trend/clay minerals and can
be associated with grain size variations (Corcoran 2005). The
CIA values are typical of recycled sediments (Young & Nes-
bitt 1998) and its variations reflect differences in the propor-
tions of feldspar versus aluminous clay minerals. The effect of
chemical weathering depended on (1) intensity (controlled pri-
marily  by  the  climate  and  vegetation)  and  (2)  available  time

background image

159

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

Fig. 13. The alongstream distribution of A – the content of Pb, B –
the content of Ni and Cu, C – the content of V and Cr, – the con-
tent of Cd and Sb, E – the content of Zn.

for weathering. The second effect including a complex set of
factors,  the  physiography  of  which  is  particularly  important
(Johnsson 1993; Le Pera et al. 2001). A typical fractionation
(Cox & Lowe 1995) was not achieved because the mud frac-
tion  of  the  studied  sediments  does  not  consist  mainly  of  the
clay minerals formed by the chemical alteration of the source
rocks.  Erosion  on  the  relatively  steep  slopes  tends  to  (1)
quickly isolate detritus from the weathered rocks and (2) rapid
and short transport leads to minimal sediment maturation and
alteration. Among the muds, quartz is enriched by more unsta-

ble phases, particularly by the breakdown of lithic fragments
and granular disintegration (Johnsson & Meade 1990). The re-
lief suggests mechanical erosion with rapid sediment transport
and  short  temporary  storage.  Chemical  weathering  during
transport  appears  to  be  negligible;  it  was  suppressed  by  me-
chanical  disintegration  which  is  considered  the  main  mecha-
nism  responsible  for  sand  compositional  variation  during
fluvial  transport  (Ibbeken  &  Schleyer  1991).  Chemical  alter-
ation and mechanical breakdown of the source rocks, followed
by hydraulic sorting of particles during transport, often leads

background image

160

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

Site

 c

ode

 

A

s (ppm

C

d

  (pp

m

C

o (

p

p

m

C

r (pp

m

C

u (pp

m

Hg

 (pp

m

N

i (pp

m

P

b (pp

m

Sb (

p

pm

V

 (pp

m

Z

n (

pp

m

M

ed

ia

n (M

inim

um

–M

ax

im

um

SS

 1

 

6.

21 (

4.

80–7.

48)

 

0.

25 (

0.

19–0.

31)

 

17.

60

 (

12.

70–

24.

70)

 

67.

10 (

57.

70–

79.

80)

29.

73 (

25.

53–31

.90)

 

0.

05 (

0.

04–0.

07)

60

.03 (

51.

90–71.

30)

33.

76

 (

26.

10–60.

40)

0.

67 (

0.

45–1.

00)

 

63.

86 (

56.

00–7

2.

90)

106.

54 (

88.

54–

 

137.

0)

 

SS

 2

 

6.

33 (

5.

20–6.

90)

 

0.

26 (

0.

20–0.

32)

 

15.

99

 (

11.

90–

19.

60)

 

64.

58 (

51.

20–

85.

00)

38.

35 (

32.

50–50

.90)

 

0.

05 (

0.

04–0.

08)

55

.16 (

49.

60–60.

40)

35.

10

 (

34.

30 – 37.

80)

 

1.

00 (

0.

60–1.

51)

 

64.

78 (

51.

10–7

6.

20)

133.

40 (

121.

0–

 

177.

0)

 

SS

 3

 

4.

30 (

4.

00–4.

62)

 

0.

17 (

0.

13–0.

26)

 

9.

30

 (

7.

80– 

11.

54)

 

35.

07 (

31.

50–

42.

30)

28.

24 (

19.

51–41

.10)

 

0.

05 (

0.

04–0.

07)

30

.73 (

28.

40–32.

17)

35.

29

 (

20.

70–61.

50)

0.

77 (

0.

56–1.

00)

 

33.

89 (

30.

10–3

7.

36)

92.

09 (

122.

08–

 

177.

0)

 

SS

 4

 

4.

32 (

3.

819–4.

40

0.

26 (

0.

10–0.

40)

 

11

.18 (

9.

80–

12.

20)

 

48.

92 (

40.

56–

64.

20)

33.

82 (

17.

31–59

.10)

 

0.

09 (

0.

02–0.

09)

40

.47 (

33.

40–50.

40)

26.

44

 (

20.

80–34.

40)

0.

80 (

0.

34–1.

50)

 

45.

93 (

36.

55–6

2.

10)

125.

35 (

74.

52–

 

106.

0)

 

SS

 5

 

4.

89 (

4.

00–5.

30)

 

0.

22 (

0.

10–0.

32)

 

11.

06

 (

6.

40 – 

14.

99)

 

42.

24 (

31.

70–

48.

35)

22.

50 (

16.

80–24

.60)

 

0.

05 (

0.

04–0.

07)

32

.52 (

25.

20–38.

14)

30.

92

 (

20.

90–37.

20)

0.

52 (

0.

20–0.

70)

 

47.

72 (

35.

80–5

4.

91)

114.

05 (

62.

0– 

241.

0)

 

SS

 6

 

3.

75 (

3.

34–4.

04)

 

0.

21 (

0.

16–0.

30)

 

10

.11 (

7.

80–

12.

66)

 

40.

79 (

38.

40–

44.

20)

26.

46 (

20.

04–37

.20)

 

0.

11 (

0.

05–0.

23)

32

.85 (

30.

60–35.

31)

22.

73

 (

21.

66–24.

30)

0.

58 (

0.

41–0.

80)

 

40.

36 (

37.

50–4

3.

80)

109.

11 (

93.

5– 

126.

79)

 

SS

 7

 

4.

49 (

3.

40–4.

93)

 

0.

60 (

0.

54–0.

70)

 

12

.29 (

7.

60–

16.

70)

 

61.

00 (

46.

10–

79.

20)

51.

09 (

41.

12–66

.90)

 

0.

37 (

0.

26–0.

45)

40

.28 (

30.

50–48.

10)

32.

57

 (

28.

10–41.

30)

1.

44 (

1.

11–1.

73)

 

58.

14 (

43.

30–6

9.

40)

214.

37 (

175.

66–

274.

0)

 

SS

 8

 

6.

97 (

5.

45–9.

60)

 

0.

55 (

0.

44–0.

70)

 

14.

12

 (

10.

60–

18.

56)

 

81.

54 (

70.

50–

96.

20)

44.

61 (

40.

50–50

.54)

 

0.

31 (

0.

19–0.

47)

44

.68 (

38.

00–36.

48)

32.

22

 (

28.

20–34.

68)

1.

29 (

1.

06–1.

60)

 

77.

15 (

59.

50–9

5.

80)

193.

87 (

180.

0–

213.

38)

 

SS

 9

 

4.

88 (

3.

30–7.

00)

 

0.

49 (

0.

10–0.

61)

 

11

.02 (

9.

10–

12.

27)

 

58.

11 (

47.

20–

76.

20)

35.

05 (

25.

20–45

.40)

 

0.

28 (

0.

09–0.

46)

31

.94 (

30.

20–39.

10)

26.

87

 (

13.

80–35.

60)

1.

00 (

0.

64–1.

50)

 

56.

04 (

46.

07–6

9.

50)

171.

79 (

81.

3– 

242.

0)

 

to preferential enrichment of specific minerals in certain grain-
size fractions. Therefore, sediment composition tends to be a
function of grain size (Whitmore et al. 2004). A number of au-
thors have indicated that sediment grain size affects both mod-
al composition and geochemistry (Roser & Korsch 1986; Cox
& Lowe 1996; Whitmore et al. 2004).

The elongated line for the studied samples (Figs. 8a, 9) indi-

cates  a  mixing  of  sand  with  mud  during  deposition  (see
Young & Nesbitt 1998) and is consistent with the composition
of flysch rocks (particularly sandstones) and Quaternary loess-
es.  The  reduction  of  Al  content  in  comparison  with  possible
source  rocks  can  be  a  result  of  preferential  removal  of  Al  in
the  form  of  fine  clay  particles.  The  position  of  flysch  mud-
stones does not completely fit with the linear array, being en-
riched both in Ti and mainly Al. The trends in Figs. 8a, 9 and
11a,b  point  to  a  non-uniform  source.  More  coarse-grained
(sandy) samples show a lower content of both Ti and Al. In-
creased  Al  content  in  muds  could  be  due  to  a  separation  of
fine-grained  clay  minerals  from  quartz  and  feldspar  during
transportation. The behaviour of Ti could be explained by ei-
ther fine-grained Ti-rich minerals (Fe and Ti oxides or hydrox-
ides),  by  incorporation  of  Ti  to  clays,  or  by  the  partially
different provenance of the varied grain size fractions (Young
& Nesbitt 1998; Passchier & Whitehead 2006). Sandy grains
predominantly  originate  from  flysch  sandstones.  The  sand-
stones of the Vsetín Member are typical with a lower content
of  Al  and  alkali  elements  and  a  high  SiO

2

  content.  Loesses

have  a  high  content  of  quartz  (45—50 %),  plagioclases  form
about  11—14 %  and  mica  minerals  predominate  in  the  clay
fraction (Adamová 1990a,b). The provenance from Quaterna-
ry loesses in the middle part of the area under study suits well
with their predominant occurrence in this area (see Fig. 2) and
the local source of material.

The  alongstream  variations  in  the  heavy  metal  content  re-

flect differences in the sediment provenance, but are also in-
fluenced by anthropogenic sources. In the upstream part of the
area  (typically  SS 1  and  2)  a  provenance  from  flysch  sand-
stones  predominates.  The  highly  enhanced  metal  concentra-
tions  in  the  deposits  with  respect  to  the  source  rocks  are
ascribed to anthropogenic sources or, partially, originate from
flysch mudstones. The highest concentrations of metals were
in  contrast  recognized  in  the  downstream  area  (particularly

Fig. 14. The content of selected heavy metals in both studied mod-
ern deposits and source rocks.

Table 6: 

Characteristics of sites – sediment heavy mineral content (resu

lts in ppm).

background image

161

PROVENANCE AND POLLUTANT TRACING OF FLUVIAL SEDIMENTS (MORAVIA, CZECH REPUBLIC)

SS 7  and  8),  where  the  provenance  from  flysch  mudstones
predominates.  These  mudstones  are  characterized  by  a  high
concentration  of  metals.  The  concentrations  of  metals  in  the
modern sediments in these areas are usually lower than in the
source rocks, except for Pb and Zn. The lowest concentrations
of  heavy  metals  were  usually  observed  in  the  middle  part  of
the study area (SS 3, 4 and 6) which is typical for an important
source from the Quaternary loesses.

An  enhanced  abundance  of  ferromagnesian  elements  (Fe,

Mg, Mn, Cr, Ni, V, and Cr/Ni ratio) in sedimentary rocks is
usually  interpreted  as  an  indication  of  the  provenance  from
mafic and ultramafic igneous rocks (Bock et al. 2008). In this
study, the reason for the increased content of these metals is
ascribed to flysch mudstone source and anthropogenic pollu-
tion. The contents of Cr, Co, Cu, Ni, and V are affected only
locally or seasonally; their concentrations are usually similar
in modern sediments and source rocks.

The contents of Pb and Zn are highly enhanced in compari-

son with the natural background in the entire study area. The
anthropogenic source of Cr, Cd, Ni, Cu, As, Zn was demon-
strated  in  soils  by  comparing  the  studied  area  with  soils
formed on similar parental rocks in adjacent areas (Adamová
1989).  This  situation  reveals  a  complicated  distribution  of
metals  in  the  adjacent  modern  depositional  environments  in
addition  to  different  processes  in  their  formation  and  prove-
nance. The rapid increase in heavy metal content is associated
with  the  urban  area  in  the  surroundings  of  the  towns  of  Zlín
and Otrokovice. The rubber/shoe manufacturing industry and
traffic seem to be the main sources of pollutants.

The  flysch  deposits  underwent  the  “separation”  of  sand-

stone  and  mudstone  components  during  the  weathering  and
transportation processes. The sorting of grains with a distinct
grain size and composition led to the enrichment of the mate-
rial with the provenance from sandstone in the upstream area
whereas the material sourced from mudstones was enriched in
the  downstream  area.  Several  recycling/redeposition  events
gradually  influenced  the  reduction  in  the  grain  size.  In  addi-
tion,  the  grain  size  of  sediments  was  controlled  by  the  grain
size of the source rocks and by local sources, as the proportion
of sand-prone quartzes (SiO

2

) was reduced downstream.

Conclusions

The studied modern fluvial deposits from the Dřevnice Riv-

er Basin (eastern Moravia, Czech Republic) are relatively im-
mature;  they  are  composed  of  predominantly  lithic  arenites,
apart from a few which are sublithic arenites and wacke. The
deposits are poorly sorted and can be predominantly classified
as sands, silty sands, or sandy silts. Both the gravel and clay
contents are relatively low.

Alongstream  and  seasonal  variations  in  (1)  grain  size,  (2)

gravel petrography, (3) clay mineralogy, and (4) geochemistry
(major  elements,  heavy  metals)  of  modern  sediments  were
recognized.  Differences  in  sediment  fabric  and  composition
can be associated with a different mode of erosion, reflecting a
seasonal variability in fluvial discharge, and a different prove-
nance  in  various  parts  of  the  basin.  More  regular  and  higher
fluvial  discharges  during  the  late  autumn,  winter  and  spring

favour  a  larger/varied  provenance  and  an  alongstream  sedi-
ment redistribution. In contrast, the limited precipitation dur-
ing  the  summer  months  supports  the  local  erosion  and  local
provenance. The provenance study revealed the source of the
fluvial deposits from recycled older sedimentary rocks, more
precisely from flysch sandstones, flysch mudstones and Qua-
ternary loesses. The sediments with the source in flysch mud-
stones predominate far downstream, whereas the deposits with
the source in flysch sandstones predominate mainly upstream.
The ones with the provenance from loesses are typical of the
middle part of the studied area.

The contents of Pb and Zn are highly enhanced in compari-

son with the natural background in the study area. The rapid
increase  in  heavy  metal  content  is  associated  with  the  urban
area in the surroundings of the towns of Zlín and Otrokovice.
The  anthropogenic  sources  of  Pb  and  Zn  are  connected  with
the rubber/shoe manufacturing industry and traffic. The con-
tents of other heavy metals, namely Cr, Co, Cu, Ni and V, are
usually  lower  than  in  source  rocks.  Enhanced  concentrations
of these metals were recognized only locally or seasonally.

Discrimination of potential sediment sources and identifica-

tion of natural and anthropogenic input can be proved only by
a complex diagnostic approach, because of the natural spatial
variability of source rocks in the fluvial system, the complexi-
ty of sediment transport and delivery processes. The presented
case  study  shows  principles  based  on  which  it  is  possible  to
interpret  results  of  sedimentary  studies  in  similar  geological
situations.

Acknowledgments:  The  study  was  kindly  supported  by  the
research Project MSM 0021622412. The authors would like to
thank O. Lintnerová and two unknown reviewers for their crit-
ical and stimulating comments, which greatly helped improve
the manuscript.

References

Adamová  M.  1989:  A  geochemical  evaluation  of  sediments  of  the

Rača  unit  in  the  western  part  of  the  Flysch  Belt  of  the  Car-
pathians in Czechoslovakia. MS Czech Geol. Surv., Prague, 1—40
(in Czech).

Adamová M. 1990a: Chemistry of rocks in the sheet of map 1 : 25,000

Otrokovice. MS Czech Geol. Surv., Prague (in Czech).

Adamová  M.  1990b:  Chemistry  of  rocks  in  the  sheet  of  map

1 : 25,000 Holešov. MS Czech Geol. Surv., Prague (in Czech).

Barbera  G.,  Lo  Giudice  A.,  Mazzoleni  P.  &  Pappalardo  A.  2009:

Combined  statistical  and  petrological  analysis  of  provenance
and  diagenetic  history  of  mudrocks:  Application  to  Alpine
Tethydes shales (Sicily, Italy). Sed. Geol. 213, 27—40.

Bock B., McLennan S.M. & Hanson G.N. 1998: Geochemistry and

provenance  of  the  Middle  Ordovician  Austin  Glen  Member
(Normanskill Formation) and the Taconian Orogeny in New En-
gland. Sedimentology 45, 635—655.

Borges J. & Huh Y. 2007: Petrography and chemistry of the bed sedi-

ments of the Red River in China and Vietnam: Provenance and
chemical weathering. Sed. Geol. 194, 155—168.

Corcoran P.L. 2005: Recycling and chemical weathering in tectoni-

cally  controlled  Mesozoic-Cenozoic  basins  of  New  Zealand.
Sedimentology 52, 757—774.

Cox  R.  &  Lowe  D.R.  1995:  A  conceptual  review  of  regional-scale

controls on the composition of clastic sediment and the co-evo-

background image

162

NEHYBA, ADAMOVÁ, FAIMON, KUCHOVSKÝ, HOLOUBEK and ZEMAN

lution  of  continental  blocks  and  their  sediment  cover.  J.  Sed.
Res.
 A65, 1, 548—558.

Cox R. & Lowe D.R. 1996: Quantification of the effects of second-

ary matrix on the analysis of sandstone composition, and a pet-
rographic-chemical 

technique 

for 

retrieving 

original

framework grain modes of altered sandstones. J. Sed. Res. 66,
548—558.

Demek J. (Ed.) 1987: Mountains and Lowlands. Geographical lexi-

con of the Czech Republic. Academia, Prague, 1—584 (in Czech).

Dosbaba M. 2008: A semiquantitative study of the clay fraction in the

sediments  from  the  case  study  Zlín  2005—2006.  MS  Archiv  of
ÚGV PřF MU Brno
, 1—12 (in Czech).

Dropo  I.G.  &  Ongley  E.D.  1994:  Flocculation  of  suspended  sedi-

ment  in  rivers  of  southwestern  Canada.  Water  Research  28,
1799—1809.

Folk R.L. 1968: Petrology of sedimentary rocks. Hemphill’s, Austin,

1—168.

Folk R.L. & Ward W. 1957: Brazos River bar: a study in the signifi-

cance of grain-size parameters. J. Sed. Petrology 27, 3—26.

Förstner U. 2004: Sediment dynamics and pollutant mobility in rivers

–  an  interdisciplinary  approach.  Lakes  and  Reservoirs,  Re-
search and management
 9, 25—40.

Gu X., Liu J.M., Zheng M.H., Tang J.X. & Qi L. 2002: Provenance

and tectonic setting of the Proterozoic turbidites in Hunan, South
China: geochemical evidence. J. Sed. Res. 72, 393—407.

Hassler A.M. & Lowe D.R. 2006: Weathering and sediment genera-

tion in the Archean: an integrated study of the evolution of silici-
clastic  sedimentary  rocks  of  the  3.2  Ga  Moodies  Group,
Barberton  Greenstone  Belt,  South  Africa.  Precambrian  Res.
151, 3—4, 185.

Havlíček P. (Ed.) 2001: Explanations to the geological and ecological

maps  of  natural  resources  in  the  scale  1 : 50,000,  sheet  25—31
Kroměříž. Czech Geol. Surv., Prague, 1—75 (in Czech).

Herron  M.M.  1988:  Geochemical  classification  of  terrigenous  sands

and shales from core and log data. J. Sed. Petrology 58, 820—829.

Ibbeken H. & Schleyer R. 1991: Source and sediment. A case study

of provenance and mass balance at an active plate margin (Cala-
bria, southern Italy). Springer-Verlag, Berlin, 1—286.

Jinochová  J.  (Ed.)  1996:  Map  of  important  landforms  in  the  sheet

25—32 Zlín. Czech Geol. Surv., Prague (in Czech).

Johnsson M.J. 1993: The system controlling the composition of clas-

tic  sediments.  In:  Johnsson  M.J.  &  Basu  A.  (Eds.):  Processes
controlling  the  composition  of  clastic  sediments.  Geol.  Soc.
Amer
., Spec. Pap. 284, 1—19.

Johnsson M.J. & Meade R.H. 1990: Chemical weathering of fluvial

sediments during alluvial storage: the Macuapanim island point
bar, Solimoes river, Brazil. J. Sed. Petrology 60, 6, 827—842.

Kašpárek M. (Ed.) 1997: Map of anthropogenic influences and geo-

dynamic processes in the sheet 25—32 Zlín. Czech Geol. Surv.,
Prague (in Czech).

Le Pera E., Arribas J., Critelli S. & Tortosa A. 2001: The effects of

source rocks and chemical weahering on the petrogenesis of si-
liciclastic sands from the Neto River (Calabria, Italy): implica-
tions for provenance studies. Sedimentology 48, 357—378.

McLennan S.M., Heming S.R., McDaniel D.K. & Hanson G.N. 1993:

Geochemical approaches to sedimentation, provenance, and tec-
tonics. In: Johnsson M.J. & Basu A. (Eds.): Processes control-
ling  the  composition  of  clastic  sediments.  Geol.  Soc.  Amer.,
Spec. Pap. 284, 1—19.

Müller  P.  (Ed.)  2001:  Explanations  to  the  collection  of  geological

and ecological maps of natural resources in scale 1 : 5000, sheet
25—31 Kroměříž. Czech Geol. Surv., Prague, 1—75 (in Czech).

Nesbitt  H.W.,  Young  G.M.,  McLennana  S.M.  &  Keays  R.R.  1996:

Effects of chemical weathering and sorting on the petrogenesis
of siliciclastic sediments, with implications for provenance stud-
ies. J. Geol. 104, 525—542.

Novák  Z.  (Ed.)  1994:  Geological  map  of  the  Czech  Republic  sheet

25—31 Kroměříž. Czech Geol. Surv., Prague (in Czech).

Ohta T. 2008: Measuring and adjusting the weathering and hydrulic

sorting effects for rigorous provenance analyses of sedimentary
rocks: a case study from the Jurassic Ashikita Group, south-west
Japan. Sedimentology 55, 1687—1701.

Owens  P.N.,  Batalla  R.J.,  Collins  A.J.,  Gomez  B.,  Hicks  D.M.,

Horowitz A.J., Kondolof G.M., Marden M., Page M.J., Peacock
D.H.,  Petticrew  E.L.,  Salomons  W.  &  Trustrum  N.A.  2005:
Fine-grained  sediment  in  river  systems:  environmental  signifi-
cance and management issues. River Research and Applications
21, 693—717.

Passchier  S.  2004:  Variability  in  geochemical  provenance  and

weathering  history  of  Sirius  group  strata,  Transantarctic
Mountains:  implications  for  Antarctic  glacial  history.  J.  Sed.
Res.
 74, 5, 607—619.

Passchier S. & Whitehead J.M. 2006: Anomalous geochemical prov-

enance and weathering history of Plio-Pleistocene glaciomarine
fjord strata, Bardin Bluffs Formation, East Antarctica. Sedimen-
tology
 53, 929—942.

Pesl V. 1968: Lithofacies of the Paleocene in the Magura Unit of the

Outer Flysch Carpathians in the area of ČSSR and PLR.  Sbor.
Geol. Vied, Rad ZK
, Bratislava 9, 71—117 (in Czech).

Pesl  V.  (Ed.)  1982:  Geological  map  of  the  Czech  Republic  sheet

25—32 Gottwaldov. Czech Geol. Surv., Prague (in Czech).

Roser B.P. & Korsch R.J. 1986: Determination of tectonic setting of

sandstone-mudstone  suites  using  SiO

2

  content  and  K

2

O/Na

2

O

ratio. J. Geol. 94, 635—650.

Sensarma  S.,  Rajamani  V.  &  Tripathi  J.K.  2008:  Petrography  and

geochemical characteristics of the sediments of the small River
Hemavati,  Southern  India:  Implications  for  provenance  and
weathering processes. Sed. Geol. 205, 111—125.

Singh  F.  &  Rajamani  V.  2001:  REE  geochemistry  of  recent  clastic

sediments from Kaveri floodplain, southern India: implications
to source area weathering and sedimentary processes. Geochim.
Cosmochim. Acta
 65, 3093—3108.

Stráník Z., Menčík E., Eliáš M. & Adámek J. 1993: The Flysch Belt

of  the  Western  Carpathians,  the  autochthonous  Mesozoic  and
Paleogene in Moravia and Silezia. In: Přichystal A., Obstová V.
&  Suk  M.  (Eds.):  Geology  of  Moravia  and  Silesia  Brno.
Moravské zemské muzeum a Přírodovědecká fakulta M.U., Brno,
107—122  (in Czech).

Vlček V. (Ed.) 1984: Water flows and Water reservoirs. Geographi-

cal  lexicon  of  the  Czech  Republic.  Academia,  Prague,  1—315
(in Czech).

White  A.F.  &  Blum  A.E.  1995:  Effects  of  climate  on  chemical

weathering  in  watersheds.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  59,  9,
1729—1747.

Whitmore  G.P.,  Crook  K.A.W.  &  Johnson  D.P.  2004:  Grain  size

control of mineralogy and geochemistry in modern river sedi-
ment,  New  Guinea  collision,  Papua  New  Guinea.  Sed.  Geol.
171, 129—157.

Young G.M. & Nesbitt H.W. 1998: Processes controlling the distri-

bution  of  Ti  and  Al  in  weathering  profiles,  siliciclastic  sedi-
ments and sedimentary rocks. J. Sed. Res. 68, 3, 448—455.

Zimmermann U. & Bahlburg H. 2003: Provenance analysis and tec-

tonic setting of the Ordovician clastic deposits in the southern
Puna Basin, NW Argentina. Sedimentology 50, 1079—1104.