background image

www.geologicacarpathica.com

GEOLOGICA CARPATHICA

, JUNE 2016, 67, 3, 289–299

doi: 10.1515/geoca-2016-0019

In-situ ground gamma spectrometry — an effective tool for 

geological mapping (the Malé Karpaty Mts., Slovakia)

ANDREJ MOJZEŠ

1

 and BARBARA PORUBČANOVÁ

2

1

Comenius University in Bratislava, Faculty of Natural Sciences, Department of Applied and Environmental Geophysics, Mlynská dolina, 

Ilkovičova 6, 842 15 Bratislava, Slovak Republic; mojzes@fns.uniba.sk

2

Slovak Academy of Sciences, Earth Science Institute, Dúbravská cesta 9, 840 05 Bratislava, Slovak Republic; geofbapo@savba.sk

(Manuscript received September 14, 2015; accepted in revised form March 10, 2016)

Abstract: This contribution presents the results of profile in-situ gamma spectrometry measurements that sought to 

determine the content of natural radionuclides 

40

K, 

238

U and 

232

Th in a near surface horizon of rocks, their weathering 

cover and soils in the area of the Malé Karpaty Mts. It is widely established that the exploration of radioactivity of 

bedrocks and cover rocks can be a very effective and useful tool for both geological mapping, for identifying deposits 

of mineral resources, and even addressing the issues of structural and tectonic geology. This assertion is equally con-

firmed by the ground gamma spectrometry measurements carried out as part of this case study on larger scales, seeking 

more detailed geological structure solutions. The results obtained provide a welcome addition to an already existing 

database, which monitors the content of naturally occurring radionuclides individually for every rock lithotype of the 

Western Carpathians, by elaborating on the data collected by previous research and by updating this database for any 

future needs. The presented results confirmed the low to medium radioactivity levels of rocks and soils in the studied 

area. The highest values were detected in granitoids and metamorfic phyllitic rocks of the Malé Karpaty Mts. core; the 

lowest values were detected in carbonates, arenaceous sediments and, above all, amphibolite bodies. In this way, the 

presented results of the interpreted profile (P5) confirm the model of local geological structure as represented on the 

most up-to-date edition of the geological map of the Malé Karpaty Mts. (Polák et al. 2011).

Key words: Western Carpathians, Malé Karpaty Mts., geological mapping, geophysical exploration, in-situ ground 

gamma spectrometry, concentration of 

40

K, 

238

U and 

232

Th in rock.

Introduction

Radiometric survey methods used in applied geophysics, 

which typically include radiometry as well as more sophis-

ticated gamma spectrometry (in all of their airborne, car-

borne,  ground  and  well  log  modifications)  and  soil 

emanometry, represent the primary techniques of surveying 

and evaluating the natural radioactive resources and 

their geological mapping based on nuclear radiation detec-

tion. Employing gamma spectrometry for the purposes of 

geological mapping is made possible by the very existence 

of  measurable  differences  in  contents  of  natural  radionu-

clides 

40

K, 

238

U and 

232

Th in rocks, their weathering cover 

and soils. Knowledge of the geochemical and mineralogical 

structures  and  processes  that  determine  their  distribution 

and mobility in bedrocks, cover rocks and soils plays a de-

cisive role in interpretation of the results of gamma spec-

trometry  measurements,  preferably  in  combination  with 

information provided by other geophysical survey methods 

(electrical,  magnetic,  electromagnetic,  seismic,  gravime-

try), satellite images, geological and soil maps and accurate 

positional GIS data. As the largest proportion of detected 

gamma rays originate in the depth horizon of 30 cm at maxi-

mum (which comprises the weathering and/or soil cover of 

bedrock), gamma spectrometry is considered a near surface 

mapping method. Therefore, it is essential to understand  

the relationship between the bedrock and its weathering and 

soil  cover,  which  is  influenced  by  weathering  processes 

themselves,  such  as  disequilibrium  of  radioactivity  in  the 

uranium decay series or the impact of soil moisture and 

 vegetation cover on measured data. The most important 

 factors of successful mapping of lithological units by gam-

maspectrometry survey are: 1) the contrasts in radioelement 

content  between  lithological  assemblages,  2)  the  extent  of 

bedrock exposure and soil cover, 3) the relative distribution 

of  transported  and  in-situ  soils,  4)  the  nature  and  type  of 

weathering, 5) the soil moisture content and 6) the vegeta-

tion cover (IAEA-TECDOC-1363 2003).

The  results  of  ground  profile  gamma  spectrometry  with 

GPS positional data from stations in the studied area of the 

Pezinské  Malé  Karpaty  Mts.  were  processed  and  analysed 

with regard to the general geological map of Slovakia on the 

scale of 1:200,000 (Bezák et al. 2008) and to the last edition 

of the geological map of the Malé Karpaty Mts. on the scale 

of  1:50,000  (Polák  et  al.  2011).  The  lithological  units  in 

question were attributed values of rock radioactivity with the 

results  being  contrasted  with  the  findings  of  previous  sur-

veys  in  the  region.  Conclusions  reached  in  doing  so  were 

used to determine the effectiveness of the applied survey 

gamma spectrometry method for the purposes of describing 

the spatial distribution of the individual lithological units and 

setting up the boundaries between them.

background image

290                                                                                                   

MOJZEŠ and PORUBČANOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

The study area and its geological structure

The studied area of the Malé Karpaty Mts. lies in the 

southwestern part of Slovakia, extending more than 100 km 

from Bratislava to Nové Mesto nad Váhom in the SW–NE 

direction (Fig. 1) with their largest part — the Pezinské Malé 

Karpaty Mts. — starting at the Lamač Gate in the SW and 

ending  at  Buková  Village  in  the  NE  (Vass  et  al.  1988). 

The Malé Karpaty Mts. form the SW edge of an extensive 

Carpathian  belt  of  more  than  2000  km  spreading  across 

Slovakia, West Ukraine and Romania.

The Malé Karpaty Mts. are an integral part of the Western 

Carpathian orogeny. They represent a horst structure tectoni-

cally extensively confined by faults with a SE–NW direction 

(Császár et al. 2000, 2001; Bezák et al. 2008; Vozár et al. 

2014). The studied area of the Pezinské Malé Karpaty Mts. 

belongs  geologically  to  the  Pezinok-Hainburg  Zone  of  the 

Tatra-Fatra Belt of core mountains of the Western Car-

pathians (Plašienka et al. 2007 in Kellerová 2011; Vozár et 

al.  2014).  The  Pezinok-Hainburg  Zone  is  predominantly 

formed by the Tatricum Superunit as the NE continuation of 

the Central Alpine Unit (correlated with the Lower Austro- 

Alpine units) (Császár et al. 2000; Vozár et al. 2014) and by 

a large allochthonous unit — the Bratislava Nappe. The Ta-

tricum  Superunit  comprises  two  partial  subautochthonous 

units — the Borinka Unit and the Orešany Unit. The Borin

-

ka Unit (Infratatricum) stretches along the NW slopes and 

foothill belt of the Pezinské Malé Karpaty Mts. from Lamač 

and  Záhorská  Bystrica  villages  to  the  NE,  but  mainly  in 

a wide belt that exists between Borinka and Pernek villages 

Fig. 1. Tectonic sketch of the Western Carpathians (Biely et al. 1996) with the Malé Karpaty Mts. position and the geological map of the 

study area with localization of profile measurements.

background image

291

GROUND GAMMA SPECTROMETRY IN GEOLOGICAL MAPPING (MALÉ KARPATY MTS)

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

(Fig. 1). The Borinka Succession consists mostly of clastic 

to coarse-clastic Jurassic sediments that can be divided into 

five  main  formations:  the  Korenec,  Marianka,  Slepý,  Pre-

padlé and Somár formations. The Orešany Unit (Tatricum) 

represents the NE tip of the Pezinské Malé Karpaty Mts. be-

tween Píla–Červený Kameň and the Horné Orešany villages 

(Fig.  1).  Similarly  to  the  Borinka  Unit,  it  is  in  a  subauto- 

chthonous position to the Bratislava Nappe, but they differ in 

filling: in the case of the latter, it consists of complexes of 

pre-Alpine crystalline basement of the Tatricum and from its 

Late Permian–Mesozoic sedimentary cover affected by an-

chizonal metamorphosis. The pre-Alpine basement (the so-

called Doľany crystalline basement) is to be found on the SE 

slopes between Častá and Dolné Orešany villages and it is 

formed by lithologically monotonous, formerly clayey-sandy 

Early  Palaeozoic  sediments  changed  by  Variscan  low-  to 

 medium-grade metamorphosis to chlorite-biotite phyllites to 

siliceous  and  micaceous  biotite-garnet  gneisses.  The  cover 

sequence begins with sparse arkose sandstones of the Late 

Permian  Devín  Formation  followed  by  quartzites  of  the 

 Lúžna Formation and the Middle Triassic Ramsau dolomites 

of  the  Werfen  Formation  followed  by  the  Jurassic–Creta-

ceous  Orešany  Succession,  which  consists  of  the  Slepý, 

Lučivná,  Solírov  and  Poruba  formations.  The Bratislava 

Nappe  (Tatricum)  covers  the  largest  part  of  the  Pezinské 

Malé Karpaty Mts. (Fig. 1) and is composed of fairly varie-

gated  complexes  of  both  the  pre-Alpine  basement  and  its 

Mesozoic sedimentary cover. The Early Palaeozoic crystal-

line basement consisting of medium- to low-grade metamor-

phites and bodies of Variscan deep-seated rocks is divided 

into  the  Pezinok  Unit  (Group)  formed  by  a  monotonous 

Silurian–Devonian  complex  of  formerly  flysch-sandy  and 

clayey sediments converted to quartzite mica schist gneisses 

and  biotite  phyllites,  and  the  Pernek  Unit  (Group),  which 

represents a Devonian–Lower Carboniferous volcanic-sedi-

mentary succession metamorphosed into green shales facies 

during  the  Variscan  orogeny.  Two  large  granitoid  massifs 

were placed into the Early Palaeozoic metamorphic mantle 

during  the  Variscan  orogeny  (Fig.  1):  the  Bratislava  and 

the Modra Massifs. In its southern part, the Bratislava Mas-

sif  penetrates  the  rocks  of  the  Pezinok  Succession  and  is 

made  up  of  leucocratic  S-type  granites  and  monzogranites 

rich in pegmatite and aplite veins. The younger Modra Mas-

sif in the northern part of the Pezinské Malé Karpaty Mts. is 

formed by granodiorites to tonalites that intruded into higher 

structural levels than those of the Bratislava Massif, princi-

pally in the rocks of the Pernek Succession. The Tatric sedi-

mentary cover sequences are preserved in the Bratislava 

Nappe in several, partly separated places, and differ substan-

tially. Late Palaeozoic sediments in the Pezinské Malé Kar-

paty Mts. have their origin most likely in the premature local 

Upper  Permian  terrestrial  clastics  of  the  Devín  Formation. 

Werfenian clastics consist of the sandstone Lúžna Formation 

and shale Werfenian Formation. The Jurassic–Early Creta-

ceous  sequences  appear  along  the  north-western  border  of 

the Bratislava fundament in 4 successions: Devín, Kuchyňa, 

Kadluby and Solírov.

From  the  overburdens  of  the  Malé  Karpaty  Mts.  horst, 

mostly the relics of Middle Miocene sediments are preserved 

on up-lifted edges and piedmonts of the mountains. From the 

morphological  point  of  view,  the  Pezinské  Malé  Karpaty 

Mts. are low expressive mountains, as is indicated by local 

types of Quaternary cover sediments: for the most part, they 

include relatively thick eluvial weathering covers, slope de-

luvia and alluvial sediments of flood plains. In some places, 

widespread proluvial fans originated at openings of valleys 

into  the  surrounding  basins.  Finally,  a  small  proportion  of 

eolian loesses and sands are also present in the area (Plašienka 

et al. 2007 in Kellerová 2011).

Methods applied and methodology of work

Numerous surveys, aimed at surface mapping of the dis-

tribution  of  individual  rock  units  in  various  locations,  were 

realized in the area of the Pezinské Malé Karpaty Mts. be-

tween 2010 and 2014 (see Fig. 1). These included especially 

the following four transverse profiles of 2010: Rača–Stupava 

(profile P1), Svätý Jur–Lozorno (P2), Pezinok–Pernek (P3) 

and Modra (Harmónia)–Kuchyňa (P4) selected for the pur-

pose of regional geological mapping. In 2011, measurements 

were carried out along the P5 profile situated between the al-

titude  quotes  of  Starý  kopec  (528  m  a.s.l.)  and  Skalnatá 

(704 m a.s.l.) exploring the presence of amphibolite bodies 

in  the  region  of  Modra-Piesok. A  complex  geological  and 

geophysical survey was realized in 2012 near Orešany vil-

lage in the area of the altitude quote of Krč (409 m a.s.l.), lo-

cated in the karst region Komberek; with the aim of locating 

and exploring karstic structures — sinkholes, pits and caves 

(Putiška  et  al.  2013,  2014).  The  2013  geophysical  survey 

near Svätý Jur village sought to locate pegmatite veins in-de-

tail and finally, another detailed geophysical survey of an ar-

chaeological  site  at  Molpír  in  Smolenice  village  in  2014 

attempted to detect archaeological artefacts. The results of 

the five above-mentioned research projects, which admittedly 

dealt with a wide range of issues, can be used for evaluation 

of the mapping potential of the employed in-situ ground 

gamma spectrometry method.

Nuclear geophysical properties of the rock and soil envi-

ronment  were  determined  by  using  the  survey  method  of 

in-situ  ground  gamma  spectrometry.  Measurements  were 

carried out along profiles, with the step of stations ranging 

from 1 to 50 m depending on the focus of each task. This 

method allows us to measure three values at each measure-

ment point (station), based on gamma rays detection in the 

near  surface  horizon  of  soil,  weathering  cover  and  rock: 

mass concentrations of 

40

K [%K], 

238

U [ppm eU] and 

232

Th 

[ppm eTh]. As the determination of 

238

U and 

232

Th is indi-

rect,  by  detection  of  gamma  radiation  of  their  daughter 

products (

214

Bi, resp. 

208

Tl), the determined values of 

238

and 

232

Th concentrations are valid under condition of radio-

active equilibrium in their disintegration series. In addition, 

the total gamma activity eU

t

 [Ur] (Ur is the unit of radioele-

ment concentration; 1 Ur~1 ppm eU) was calculated by the 

equation  (Regulation  of  the  Ministry  of  Environment 

No. 1/2000-3)

eU

t

 [Ur]=2.79 K [%]+eU [ppm]+0.48 eTh [ppm]        (Eq. 1)

background image

292                                                                                                   

MOJZEŠ and PORUBČANOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

The field measurements were realized by portable gamma 

spectrometer GS-256 (manufactured by former state company 

Geofyzika Brno, Czechoslovakia) with scintillation detector 

NaI(Tl) 76×76 mm and 256-channel analyser. All measure-

ments were carried out in surface 2π geometry (not in holes) 

following  the  traditional  procedure:  first,  grass,  leaves  and 

a thin upper humus layer of soil were removed and the sur-

face was levelled in a 1–1.5 m radius on every measurement 

point. The duration of measurement was 2 minutes for each 

point. The points were placed without exception in a natural 

environment, never in landfills that could form part of fields, 

forest roads or waste disposal sites. Moreover, the measure-

ments were scheduled in summer and autumn periods with 

stable,  dry  weather  in  order  to  avoid  the  results  being 

influenced by changes in soil moisture. Consistency of the 

data measured by the instrument was regularly checked by 

repeating the measurements on the same point in the field, as 

well as in laboratory conditions. The precision and repeatabili-

ty of instrument readings based on repeated measurements at 

several stations were evaluated by calculation of the average 

quadratic error (σ) and the relative average quadratic error (p) 

by equations (Čížek et al. 1993)

σ

=±[Σ(x

i

–y

i

)

2

/2N]

1/2

  ;  p=200Nσ/[Σ(x

i

+y

i

)]   [%]   (Eq. 2)

where  N  —  number  of  stations  with  repeated  measure-

ments,

 

x — first measurement,

 

y  —  second  (repeated)  measurement  at  the  same 

station.

The  position  of  all  measurement  points  was  determined 

using a GPS device in WGS84 coordinates of longitude and 

latitude.

Results and discussion

On  the  whole,  the  survey  in  the  Pezinské  Malé  Karpaty 

Mts. covered 1816 measurement points: 1039 points placed 

on  4  regional  profiles  P1–P4  (the  length  of  each  was 

ca. 10 km), 39 points situated on profile P5 in the area of 

Modra–Piesok (ca. 1.5 km long), 225 points on 9 profiles in 

the Komberek Karst (the length of which varied from 600 to 

1000 m), 324 points on 10 profiles in the region near Svätý 

Jur village (of length from 15 to 300 m) and 185 points on 

3  profiles  on  the  archaeological  site  Molpír  in  Smolenice 

village (each profile was 60 m long).

Results of repeated measurements calculated by Eq. 2 are 

presented in Table 1.

Using its position established using GPS data, every mea-

surement point was located on the general geological map of 

Slovakia with the scale 1:200,000 (Bezák et al. 2008) and 

the measured value of radioactivity in the form of eU

t

, %K, 

ppm eU and ppm eTh was then attributed to each of the cor-

responding geological units. From the point of view of the 

survey’s focus on single localities the simplest situation was 

those  with  a  detailed  survey:  on  the  archaeological  site 

Molpír in Smolenice village where all measurements were 

done  within  only  one  lithological  unit  —  the  Cretaceous 

Poruba Formation of marlstones, shales, sandstones, sandy 

limestones and orthoconglomerates and on the pegmatite site 

near Svätý Jur village where most of the measurement points 

lie on granites and granodiorites rich in pegmatites (the Bratisla-

va  type)  and  only  a  few  on  Quaternary  deluvial  and 

 fluvial sediments. The geological structure of the other 3 lo-

calities is much more varied and, of course, the most com-

plex is along 4 regional profiles.

The geological units explored (24) and the basic statistical 

parameters  of  their  radioactivity  (eU

t

, %K, ppm eU 

and ppm eTh) are presented in Table 2 and in Fig. 2. Table 3 

provides an overview of the lithotypes with the highest and 

the lowest values of radioactivity.

The measurements carried out as a part of this gamma 

spectrometry survey confirmed that the study area is a region 

with  medium  to  low  rock  radioactivity  (Matolín  1976; 

 Daniel et al. 1996, 1999). The highest values were shown by 

igneous rocks, namely medium-grained muscovite granites 

to granodiorites of the Bratislava Massif (2.6 %K, 3.3 ppm 

eU, 9.7 ppm eTh and 17.3 Ur), fine-grained biotite granites 

to granodiorites of the Bratislava Massif (2.6 %K, 2.8 ppm 

eU, 9.9 ppm eTh and 16.9 Ur) and coarse-grained granites to 

granodiorites of the Bratislava Massif with pegmatites, while 

the third group also manifested a lower concentration of tho-

rium (2.2 %K, 3.0 ppm eU, 7.8 ppm eTh and 14.7 Ur). The 

lowest values of radioactivity of igneous rocks were detected 

in the case of biotite granodiorites and tonalites of the Modra 

Massif (1.7 %K, 2.5 ppm eU, 6.3 ppm eTh and 11.4 Ur). In 

the category of crystalline rocks, very high values of radioac-

tivity  were  measured  in  phyllites  and  phyllitic  slates 

(2.1 %K, 4.3 ppm eU, 7.8 ppm eTh and 15.5 Ur), the radio-

activity was lower in the case of gneisses and paragneisses 

(1.6 %K, 2.7 ppm eU, 6.9 ppm eTh and 11.8 Ur). Schists and 

meta-quartzites  tend  to  belong  among  rocks  with  a  higher 

concentration of uranium and thorium (2.3 %K, 2.7 ppm eU, 

7.3 ppm eTh and 14.4 Ur). The lowest radioactivity value in 

the category of crystalline rocks was detected in fine-grained 

and medium-grained amphibolite bodies (1.3 %K, 2.1 ppm 

eU, 4.4 ppm eTh and 8.8 Ur). A common characteristic of 

Mesozoic rocks is their low radioactivity value. The Jurassic 

limestones (1.4 %K, 2.3 ppm eU, 5.8 ppm eTh and 9.8 Ur) 

tend to have lower values than the Triassic ones (1.9 %K, 

2.8 ppm eU, 8.9 ppm eTh and 13.5 Ur) (Kellerová 2011). 

The values characteristic for the Neogene sandstones, con-

glomerates  and  gravels  are  very  low  (1.6  %K,  2  ppm  eU, 

5.4 ppm eTh and 10.5 Ur) (Kellerová 2011) except for the 

Jakubov  Formation  (2.4  %K,  2.5  ppm  eU,  7.8  ppm  eTh 

and  14.8  Ur).  Finally,  the  Quaternary  deluvial  sediments 

manifest lower values (1.7 %K, 2.4 ppm eU, 5.9 ppm eTh 

Table 1: Evaluation of repeated measurements.

Total gamma 

activity eU

t

Potassium 

40

K

Uranium  

238

U

Thorium 

232

Th

Average quadratic 

error σ

0.24 Ur

0.1 %K

0.48 ppm eU 0.79 ppm eTh

Relative everage 

quadratic error p 

[%]

1.8

4.5

18.7

11.5

No. of repeated 

measurements

57

background image

293

GROUND GAMMA SPECTROMETRY IN GEOLOGICAL MAPPING (MALÉ KARPATY MTS)

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

Table 2: Basic statistical parameters of radioactivity of the studied geological units.

Lithotype  map index

No. of 

 

stations

Radioactivity variables

Total gamma activity eU

t

 [Ur]

Potassium 

40

K [%K]

Uranium 

238

U [ppm eU]

Thorium 

232

Th [ppm eTh]

Mi

Ma

ø

Me

σ

Mi Ma

ø

Me

σ

Mi Ma

ø

Me

σ

Mi Ma

ø

Me

σ

kr147

138 7.6 19.2

11.8

11.3

2.3

0.9 3.2

1.6

1.5

0.5

1.6

5.1

2.7

2.7

0.7

3.1 10.8 6.9

6.8

1.5

kr162

26

2.9 14.4

8.8

10.6

4.2

0.4 2.7

1.3

1.3

0.7

0.5

8.5

2.1

1.9

1.5

0.4

8.8

4.4

5.0

2.3

kr17

16 11.7 21.0 16.9 17.6

2.4

1.4 3.7

2.6

2.6

0.6

1.8

3.4

2.8

2.7

0.5

7.7 12.3 9.9

9.9

1.5

kr26

73

9.2 22.1 17.3 17.5

2.7

1.3 4.3

2.6

2.6

0.5

1.7

5.9

3.3

3.1

0.8

1.5 15.2 9.7

9.8

2.5

kr35

457 7.5 22.7 14.7 14.3

2.1

0.7 4.4

2.2

2.1

0.5

1.6

6.2

3.0

2.9

0.6

2.2 13.6 7.8

7.9

1.8

kr50

36

4.8 18.2

11.4

12.1

3.0

0.6 2.7

1.7

1.8

0.5

1.1

4.3

2.5

2.4

0.7

2.1

9.9

6.3

6.2

1.8

kr94

15

8.6 20.5 15.5 15.0

3.6

0.9 3.1

2.1

2.1

0.8

2.0

8.4

4.3

4.0

2.0

3.0 13.9 7.8

8.3

3.5

kr97

16 12.3 20.0 14.4 13.7

1.9

1.8 3.6

2.3

2.2

0.4

1.7

3.5

2.7

2.6

0.5

4.7

9.3

7.3

7.2

1.3

mj13

8

9.1 14.6

11.7

12.1

2.1

0.9 1.6

1.3

1.3

0.3

1.4

3.2

2.5

2.6

0.6

7.4 12.1 9.4

9.5

1.5

mj25

6

11.0 13.8 12.7 13.1

1.2

1.3 1.9

1.7

1.8

0.2

2.3

3.7

2.8

2.7

0.5

6.9

8.6

7.7

7.7

0.7

mj26

32

8.9 14.6

11.2

11.1

1.3

1.1 2.5

1.5

1.4

0.3

1.2

3.7

2.4

2.3

0.5

5.1

9.7

7.4

7.4

1.2

mj29

3

12.8 14.5 13.6 13.4

0.9

1.6 2.2

1.9

1.9

0.3

2.7

3.0

2.8

2.8

0.1

7.6

9.2

8.5

8.6

0.8

mj61

2

14.2 16.9 15.5 15.5

1.8

2.2 2.5

2.3

2.3

0.3

3.2

3.4

3.3

3.3

0.2

8.3 10.3 9.3

9.3

1.4

mk38

201 3.8 15.8

7.0

6.5

2.5

0.5 2.4

0.9

0.9

0.4

0.3

3.5

1.3

1.2

0.6

2.5 11.4 5.3

5.0

1.6

mt16

108 5.1 20.0 12.5 13.0

3.2

0.6 3.5

1.5

1.5

0.5

0.9

4.3

3.0

3.0

0.7

2.8 13.5 8.8

9.5

2.5

mt22

43

4.1 15.0 12.1 12.9

2.7

0.5 2.0

1.4

1.4

0.3

1.4

4.5

3.1

3.2

0.8

1.7 12.3 8.5

9.3

2.3

mt3

7

8.9 17.1 12.0

11.4

2.8

1.3 3.0

1.9

1.7

0.6

1.4

2.5

1.9

1.9

0.4

4.5 10.6 6.6

5.9

2.1

mt61

15

9.2 15.1 13.2 13.8

1.7

0.9 2.2

1.7

1.8

0.4

1.7

3.9

3.0

3.0

0.6

5.2 10.6 8.5

8.6

1.7

ng12

19 10.7 23.0 14.8 14.8

3.2

1.7 4.1

2.4

2.4

0.6

1.6

3.5

2.5

2.3

0.5

4.5 11.0 7.8

8.2

1.9

q19

13

7.0 11.3

9.4

9.0

1.4

1.2 2.0

1.6

1.6

0.2

1.0

2.7

1.7

1.8

0.6

2.4

7.0

4.5

4.3

1.4

q20

222 5.7 22.7 14.6 14.3

2.7

0.8 4.3

2.2

2.2

0.5

1.0

4.8

2.6

2.6

0.7

1.9 17.3 8.2

8.0

2.3

q24

87

5.3 23.9

11.2

10.8

3.1

0.8 3.5

1.7

1.6

0.5

1.1

6.5

2.4

2.3

0.9

2.2 14.9 5.9

5.7

2.0

q7

240 4.2 19.0

11.5

11.1

2.8

0.6 3.3

1.6

1.5

0.5

0.9

5.3

2.6

2.5

0.7

2.6 13.7 6.4

6.2

1.9

rauhwackes 33

6.5 15.2

11.5

12.4

2.5

0.5 2.1

1.4

1.4

0.4

1.5

4.9

2.9

2.8

0.8

3.3 11.4 7.9

8.6

2.4

Explanations (legend by Bezák et al., 2008, 2009):

Mi – minimum

Ma – maximum

Me – median

ø – arithmetic mean (AVG)

σ – standard deviation (SD)

kr147  –  metamorphic  rocks  with  medium  to  higher  metamorphic  

grade: biotitic paragneisses with flaky graphite

kr162  –  metamorphic  rocks  with  high  metamorphic  grade:  fine-  to  

medium-grained amphibolites (the Pezinok Succession)

kr17  –  leucocratic  and  vein  types  of  granitoides:  leucocratic  fine- 

grained biotite and two-mica granites to granodiorites

kr26 – granites to granitoides: medium-grained leucocratic  

muscovite and two-mica granites, granodiorites (the Bratislava type)

kr35 – granites to granitoides: coarse-grained muscovite, muscovite- 

biotite granites, granodiorites enriched in pegmatites (the Bratislava 

type)

kr50  –  granodiorites  to  tonalites:  biotite  granodiorites  to  tonalites  

(the Modra type)

kr94  –  metamorphic  rocks  with  lower  metamorphic  grade:  graph-

ite-sericite phyllites, graphite metasandstones

kr97 – metamorphic rocks with lower metamorphic grade: phyllites, 

micaceous shales, metapelites of biotite-garnet zone

mj13  –  the  Jaseniny  Formation:  light-grey,  pink,  low-marly  thin  

bedded to slab-like limestones

mj25  –  the  Prepadlé  Formation:  grey,  massive  or  thick  bedded,  

textureles  fine-grained  limestones  with  lithoclasts  of  the Triassic  

carbonates, bioclastic limestones, sandstones

mj26  –  the  Korenec  Formation:  dark-grey  sandy  claystones,  

sandstones with beds of sandy limestones

mj29 – the Somár Formation: polymict, non-stratificated breccia

mj61  –  the Trlenská  dolina  Formation:  light-grey  to  pink,  sandy- 

crinoidal limestones

mk38  –  the  Poruba  Formation:  marlstones,  clayey-sandy  shales,  

sandstones, sandy limestones, ortoconglomerates

mt16 – the Gutenstein limestones: dark-grey and black, thick bedded, 

stratified, vermiform limestones

mt22 – the Ramsau dolomites: grey stratified dolomites

mt3 – the Lúžna Formation: light-grey, pink, red quartzites, quartz 

sandstones, arkose sandstones, conglomerates

mt61  –  the  Carpathian  Keuper:  quartz  sandstones,  arkose,  

conglomerates, clayey shales, dolomites

ng12 – the Jakubov Formation: the Devínska Nová Ves Formation: 

conglomerates, sands

q19 – deluvial-polygenetic sediments: loamy-clayey and sandy slope 

loams

q20  –  deluvial  sediments:  mostly  loamy-rocky  (less  sandy-rocky)  

slope sediments and debris

q24 – deluvial sediments in all: litofacially unsorted slope sediments 

and debris

q7 – fluvial sediments: lithofacially unsorted plain loams or sandy to 

gravelly loams of valley alluvial plains and plains of ravine streams

rauhwackes –  tectonically  derived  from  the  Gutenstein limestones 

(Putiška et al., 2014)Mi – minimum

background image

294                                                                                                   

MOJZEŠ and PORUBČANOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

Fig. 2: Selected statistical parameters of the studied lithological units (range, AVG ± SD, median).

background image

295

GROUND GAMMA SPECTROMETRY IN GEOLOGICAL MAPPING (MALÉ KARPATY MTS)

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

and  11.2  Ur)  when  compared  with  fluvial  sediments 

(1.6 %K, 2.6 ppm eU, 6.4 ppm eTh and 11.5 Ur).

The presented results clearly show that the lithological unit 

with the highest total gamma activity is represented by the 

medium-grained  granitoids  of  the  Bratislava  type  (kr26). 

These are closely followed by fine-grained biotite granitoids 

(kr17), low-grade metamorphosed graphite-sericite phyllites 

(kr94), the Neogene Jakubov Formation (ng12) and coarse-

grained  granitoids  with  pegmatites  (the  Bratislava  type) 

(kr35). The other extremity of the spectrum is constituted by 

rocks with the lowest total values of gamma activity in the 

studied area, namely the flysh Poruba Formation (mk38) fol-

lowed by high-grade metamorphosed amphibolites (kr162) 

and Quaternary deluvial loamy-clayey and sandy slope 

loams (q19/q24) (Table 3).

The data obtained corresponds relatively well with the re-

sults of previous measurements that provided an outline of 

the radioactive character of the rocks in this area. It should 

be pointed out, however, that the data collected in previous 

surveys are less detailed (Daniel et al. 1996, 1999) but also 

confirm  the  low  radioactivity  values  of  rocks  of  the  Malé 

Karpaty Mts.

An example of the possible uses of in-situ ground gamma 

spectrometry for purposes of rock mapping in geology is il-

lustrated using the results of measurements carried out on the 

P5 profile (Fig. 1). Figure 3 shows the geological structure of 

the P5 profile area in more detail on the general geological 

map of Slovakia with the scale 1:200,000 (Bezák et al. 2008) 

and Figure 4 shows the same on the newest edition of the 

geological  map  of  the  Malé  Karpaty  Mts.  with  the  scale 

1:50,000 (Polák et al. 2011). Figure 5 presents the course of 

the total gamma activity eU

t

 values along the P5 profile.

Cross section 1 under the eU

curve on Fig. 5 documents 

the boundaries of geological lithotypes as observed on the 

geological map by Bezák et al. (2008) (Fig. 3). Cross section 

2 on Fig. 5 represents the boundaries of geological lithotypes 

as  observed  on  the  geological  map  by  Polák  et  al.  (2011) 

(Fig. 4). Cross section 3 on Fig. 5 represents an interpretation 

of these boundaries based on measured data and the values of 

total gamma activity eU

t

.

 

It appears relatively simple to iden-

tify certain lithotypes bearing in mind eU

values characteris-

tic  of  them:  this  is  the  case  of  amphibolites  (kr162/193a), 

associated with the minimum values on the eU

t

 curve; grano-

diorites  and  tonalites  (kr50/188),  graphite-sericite  phyllites 

(kr94/196b) and biotite paragneisses (kr147/199a) that typi-

cally demonstrate slightly elevated values of eU

 grouping 

close to the typical averages (Tables 2 and 3). To some ex-

tent, it is also possible to determine the location of both flu-

vial and deluvial Quaternary (q/20).

Certain segments of the eU

t

 curve (Fig. 5) are characterized 

by a greater scatter of values and can therefore point to zones 

of  transition  where  individual  lithotypes  overlap.  This  is 

Table 3: Lithotypes with the highest and the lowest values of radioactivity (based on AVG).

Sequence No.

Sequence of rocks by average (AVG) value of single radioactivity variable:

by total gamma activity eU

t    

 

[Ur]

by potassium 

40

K content 

[%K]

by uranium 

238

U content 

[ppm eU]

by thorium 

232

Th content 

[ppm eTh]

1.

kr26 (17.3)

kr26 (2.6)

kr94 (4.3)

kr17 (9.9)

2.

kr17 (16.9)

kr17 (2.6)

mj61 (3.3)

kr26 (9.7)

3.

mj61 (15.5)

ng12 (2.4)

kr26 (3.3)

mj13 (9.4)

4.

kr94 (15.5)

mj61 (2.3)

mt22 (3.1)

mj61 (9.3)

5.

ng12 (14.8)

kr97 (2.3)

kr35 (3.0)

mt16 (8.8)

6.

kr35 (14.7)

q20 (2.2)

mt61 (3.0)

mt22 (8.5)

7.

q20 (14.6)

kr35 (2.2)

mt16 (3.0)

mt61 (8.5)

8.

kr97 (14.4)

kr94 (2.1)

rauhwackes (2.9)

mj29 (8.5)

9.

mj29 (13.6)

mt3 (1.9)

mj25 (2.8)

q20 (8.4)

10.

mt61 (13.2)

mj29 (1.9)

mj29 (2.8)

rauhwackes (7.9)

11.

mj25 (12.7)

q24 (1.7)

kr17 (2.8)

kr94 (7.8)

12.

mt16 (12.5)

mt61 (1.7)

kr97 (2.7)

ng12 (7.8)

13.

mt22 (12.1)

kr50 (1.7)

kr147 (2.7)

kr35 (7.8)

14.

mt3 (12.0)

mj25 (1.7)

q20 (2.6)

mj25 (7.7)

15.

kr147 (11.8)

q7 (1.6)

q7 (2.6)

mj26 (7.4)

16.

mj13 (11.7)

kr147 (1.6)

kr50 (2.5)

kr97 (7.3)

17.

rauhwackes (11.5)

q19 (1.6)

mj13 (2.5)

kr147 (6.9)

18.

q7 (11.5)

mt16 (1.5)

ng12 (2.5)

mt3 (6.6)

19.

kr50 (11.4)

mj26 (1.5)

q24 (2.4)

q7 (6.4)

20.

q24 (11.2)

mt22 (1.4)

mj26 (2.4)

kr50 (6.3)

21.

mj26 (11.2)

rauhwackes (1.4)

kr162 (2.1)

q24 (5.9)

22.

q19 (9.4)

kr162 (1.3)

mt3 (1.9)

mk38 (5.3)

23.

kr162 (8.8)

mj13 (1.3)

q19 (1.7)

q19 (4.5)

24.

mk38 (7.0)

mk38 (0.9)

mk38 (1.3)

kr162 (4.4)

Explanations:

kr26 (17.3) – lithotype map index of rock and the value of radiaoctivity in brackets

List of lithotype map indexes as in Tab. 2 explanations

AVG – arithmetic mean

background image

296                                                                                                   

MOJZEŠ and PORUBČANOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

illustrated  primarily  by  the  segment  A,  which  represents 

a  transition  zone  between  granodiorites  (kr50)  and  biotite 

paragneisses (kr147) by Bezák et al. (2008) or a transition 

zone between gneisses (199a) and phyllites (196b) by Polák 

et al. (2011), and the segment E pointing to a transition zone 

between amphibolites (kr162) and graphite-sericite phyllites 

(kr94) by Bezák et al. (2008) or a transition zone from am-

phibolites  (193a)  through  phyllites  (196b)  and  gneisses 

(199a) to granodiorites (188) by Polák et al. (2011). Since its 

eU

t

 values are higher when compared with the kr162/193a 

segments, the B segment (stations of 680, 720 and 760 m) 

could indicate the presence of material of the black schists 

body with ore mineralization (191) mixed into an environ-

ment consisting primarily of amphibolite bodies (see Fig. 4 

by Polák et al. 2011). The whole wide section between 540 

and 1380 m might be interpreted as an extensive amphibolite 

Fig. 3. Section of geological map of the studied area by Bezák et al. (2008) with localization of the P5 profile.

body,  which  is  intersected  approximately  at  the  1100  m 

point, situated in a geomorphological depression, by a tec-

tonic zone oriented in a northwest-southeast direction. The 

weathering processes that take place in the amphibolite body 

disrupted by the tectonic zone result in elevated values of eU

t

 

in segments D and C while these are contrasted with low values 

of eU

t

 in peripheral pluton zones, which form the geomor-

phological  elevations,  where  amphibolite  material  remains 

intact. The eU

t

  curve  further  shows  that  the  granodiorite 

body (kr50) documented on the geological map of Bezák et 

al. (2008) in Fig. 3 in section 900–1060 m (cross-section 1 in 

Fig. 5) is absent from the interpreted cross-section 3 or might 

not be crossed by the P5 profile (Fig. 5). On the other hand, 

the increased value of eU

t

 at the 1080 m station (Fig. 5) could 

be the result of granodiorite material from the nearby grano-

diorite body (188) (Fig. 4, by Polák et al. 2011).

background image

297

GROUND GAMMA SPECTROMETRY IN GEOLOGICAL MAPPING (MALÉ KARPATY MTS)

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

Fig. 4. Section of geological map of the studied area by Polák et al. (2011) with localization of the P5 profile.

In this sense, it is possible to conclude that the results of 

the gamma spectrometry measurements carried out on the P5 

profile correspond better with the data on the new edition of 

the geological map of the Malé Karpaty Mts. in Fig. 4 (Polák 

et al. 2011) than with the older edition of the map in Fig. 3 

(Bezák et al. 2008).

Conclusions

The profile in-situ gamma spectrometry measurements of 

the content of natural radionuclides 

40

K, 

238

U and 

232

Th in 

rocks and their weathering and soil cover in the Malé Kar-

paty Mts., which were the subject of the present geophysical 

survey, confirmed their effective application in dealing with 

issues that arise in geological mapping of distribution of rock 

lithotypes. Interpretation of the results of such measurements 

combined with a detailed analysis and revision of field and 

meteorological  conditions  during  measurement  as  well  as 

a thorough knowledge of the geological principles that govern 

rock  distribution,  their  weathering  processes  and  geomor-

phological  conditions,  can  significantly  contribute  to  defi-

ning  geological  boundaries  and  providing  more  accurate 

characterization of already identified rock lithotypes and any 

changes in their properties.

In  conformity  with  previous  research,  the  measurements 

confirmed the low and medium level of rock radioactivity in 

the studied area. The highest values of radioactivity charac-

terized the granites, granodiorites and metamorphosed phyl-

lites.  The  lowest  values  were  measured  in  Jurassic 

limestones, arenaceous sediments and mainly amphibolites. 

The  interpreted  results  along  the  profile  P5  correspond  to 

background image

298                                                                                                   

MOJZEŠ and PORUBČANOVÁ

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

Fig. 5. Curve of total gamma activity eU

t

 along the P5 profile with map and interpreted cross sections.

information about the local geological structure presented on 

the up-to-date geological map by Polák et al. (2011).

The  fact  that  the  results  obtained  represent  yet  another 

valuable contribution to the overall database of rock radioac-

tivity and thus permits us to increase its statistical reliability 

so that it can continue to provide a solid base with which all 

new measurements can be contrasted appears to be no less 

important. Both the measurements and the interpretation of 

results confirm that an active cooperation between experts in 

exploration geophysics and other disciplines concerned with 

geological mapping is both inevitable and desirable conside-

ring its indisputable effectiveness.

Acknowledgements: This contribution is the result of im-

plementation of the projects: APVV-0194-10, APVV-0099-

11,  APVV-0129-12,  VEGA  1/0131/14,  VEGA  1/0141/15 

and VEGA 1/0462/16. The authors are thankful to the Slo-

vak Research and Development Agency for support.

background image

299

GROUND GAMMA SPECTROMETRY IN GEOLOGICAL MAPPING (MALÉ KARPATY MTS)

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2016, 67, 3, 289–299 

References

Bezák V. (Ed.), Elečko M., Fordinál K., Ivanička J., Kaličiak M., 

Konečný V., Kováčik M. (Košice), Maglay J., Mello J., Nagy 

A., Polák M., Potfaj M., Biely A., Bóna J., Broska I., Buček S., 

Filo I., Gazdačko Ľ., Grecula P., Gross P., Havrila M., Hók J., 

Hraško Ľ., Jacko S., ml., Jacko S., st., Janočko J., Kobulský J., 

Kohút  M.,  Kováčik  M.  (Bratislava),  Lexa  J.,  Madarás  J., 

Németh Z., Olšavský M., Plašienka D., Pristáš J., Rakús M., 

Salaj  J.,  Siman  P.,  Šimon  L.,  Teťák  F.,  Vass  D.,  Vozár  J., 

Vozárová A. & Žec B. 2008: General geological map of the 

Slovak  Republic  1:  200  000.  MŽP  SR–ŠGÚDŠ, Bratislava. 

ISBN 978-80-89343-21-8

Bezák V. (Ed.), Biely A., Broska I., Bóna J., Buček S., Elečko M., 

Filo  I.,  Fordinál  K.,  Gazdačko  Ľ.,  Grecula  P.,  Hraško  Ľ., 

Ivanička J., Jacko S. Sr., Jacko S. Jr., Janočko J., Kaličiak M., 

Kobulský J., Kohút M., Konečný V., Kováčik M. (Bratislava), 

Kováčik M. (Košice), Lexa J., Madarás J., Maglay J., Mello J., 

Nagy A.,  Németh  Z.,  Olšavský  M.,  Plašienka  D.,  Polák  M., 

Potfaj M., Pristáš J., Siman P., Šimon L., Teťák F., Vozárová 

A., Vozár J. & Žec B. 2009: Explanations to the general geo-

logical map of the Slovak Republic 1:200 000. ŠGÚDŠ, Bratisla-

va, 1–534. ISBN 978-80-89343-28-7 (in Slovak with English 

summary).

Biely A. (comp.), Bezák V. (ed.), Elečko M., Kaličiak M., Konečný 

V., Lexa J., Mello J., Nemčok J., Potfaj M., Rakús M., Vass  

D., Vozár J. & Vozárová A. 1996: Geological Map of Slovakia 

1:500,000. MŽP SR – ŠGÚDŠ, Bratislava.

Császár G. (Ed.) 2000: Danube region environmental geology pro-

gramme DANREG explanatory notes. Jb. Geol. Bundesanst. 

142/4, Wien, 1–607.

Császár G. (Ed.), Pistotnik J., Scharek P., Kaiser M., Darida-Tichy 

M.,  Nagy  E.,  Pristaš  J.,  Horniš  J.,  Halouzka  R.,  Elečko  M., 

Konečný V., Lexa J., Nagy A., Vass D. & Vozár J. 2001: Sur-

face geological map of Danube region (DANREG), 1:100,000. 

MŽP SR–Geocomplex, a.s.–ŠGÚDŠ, Bratislava.

Čížek P., Brozman F., Gluch A. & Smolárová H. 1993: Geological 

factors of environment — natural radioactivity. Partial report. 

Ministry of Environment, Bratislava, 1–90 (in Slovak).

Daniel J., Lučivjanský L. & Stercz M. 1996: Geochemical atlas of 

Slovakia, part IV – Natural rock radioactivity. Ministry of En

-

vironment, Bratislava, 1–88.

Daniel J., Stercz M., Mašlárová I., Daniel V., Mašlár E., Lehotská 

E., Danielová K., Lučivjanský L., Novotný L., Donát A., Čížek 

P. & Kandrík M. 1999: Geological factors of environment – 

natural radioactivity. Final report. Ministry of Environment

Bratislava, 1–198 (in Slovak).

IAEA-TECDOC-1363 2003: Guidelines for radioelement mapping 

using gamma ray spectrometry data. International Atomic 

Energy Agency, Vienna, 1–173.

Kellerová S. 2011: Profile gamma spectrometry in the Malé Kar-

paty Mts. — measurement and data processing. Diploma The-

sis  work.  Dptm.  of  Applied  and  Environmental  Geophysics, 

Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratisla-

va, Bratislava, 1–72 (in Slovak).

Matolín  M.  1976:  Radioactivity  of  rocks  of  the  Western  Car-

pathians. Charles University, Prague, 1–127 (in Czech).

Polák  M.,  Plašienka  D.,  Kohút  M.,  Putiš  M.,  Bezák  V.,  Filo  I., 

Olšavský  M.,  Havrila  M.,  Buček  S.,  Maglay  J.,  Elečko  M., 

Fordinál  K.,  Nagy  A.,  Hraško  Ľ.,  Németh  Z.,  Ivanička  J. 

& Broska I. 2011: Geological map of the Malé Karpaty Mts. 

Region, 1:50 000. Ministry of Environment, State Geological 

Institute of Dionýz Štúr, Bratislava.

Putiška R., Kušnirák D., Dostál I., Pašteka R. & Mojzeš A. 2013: 

Investigation  in  sinkhole  terrains  using  complex  of  geophy-  

sical  methods  —  case  study  in  the  karst  area,  Slovakia.           

In: Near Surface Geoscience 2013. NSGD, Houten, 1–5 (elec-

tronic).

Putiška R., Kušnirák D., Dostál I., Lačný A., Mojzeš A., Hók J., 

Pašteka R., Krajňák M. & Bošanský M. 2014: Integrated geo-

physical and geological investigations of karst structures in 

Komberek, Slovakia. J. Cave Karst Stud. 76, 3, 155–163.

Regulation of the Ministry of Environment of the Slovak Republic 

No. 1/2000-3 for compilation and edition of maps of natural 

and artificial radioactivity in scale 1:50 000 (in Slovak).

Vass D., Began A., Gross P., Kahan Š., Köhler E., Lexa J. & Nem-

čok J. 1988: Regional geological classification of the Western 

Carpathians and northern projections of the Pannonian Basin 

to  the  territory  of  ČSSR,  1:500  000.  SGÚ  –  GÚDŠ  –  GEO

-

FOND, Bratislava (in Slovak).

Vozár  J.  (Ed.),  Ebner  F., Vozárová A.,  Haas  J.,  Kovács  S.,  Sudar  

M., Bielik M. & Péró Cs. 2014: Variscan and Alpine terranes 

of the Circum-Pannonian region. Slovak Academy of Sciences 

–  Comenius  University,  Bratislava,    1–244.  ISBN  978-80-

971609-9-9