Naši zaměstnanci jsou špičkami ve svých oborech v našem i mezinárodním měřítku. Věnujeme se celé škále výzkumných úkolů podporovanými z našich i evropských veřejných zdrojů i soukromou sférou. Příklady výzkumných témat zahrnují matematické modelování proudění podzemní vody i mechanického chování zemin a hornin, studium seismicky aktivních oblastí, problematiku kontaminace podzemní vody. Zabýváme se využitím alternativních metod získávání energie, jako je energie geotermální a větrná, i ochranou životního prostřední při navrhování úložišť nebezpečných odpadů, včetně plánování trvalého úložiště odpadu z jaderných elektráren. Naši nejlepší studenti se do výzkumu zapojují v rámci doktorského studia a jejich práce je uznávána mezinárodní odbornou komunitou.

 

Výzkumná témata (hydrogeologie)

Praktická hydrogeologie, jakost a ochrana podzemních vod

Cílem projektu je řešit aktuální hydrogeologické otázky. Příkladem je problematika zvyšujících se koncentrací dusičnanů v jímacím území Káraný, koncentrace léčiv a jejich rozpadových produktů v podzemní vodě, vliv globálních změn klimatu a atmosférické depozice na množství a jakost podzemních vod. Úzce spolupracujeme s Českou geologickou službou, Výzkumným ústavem vodohospodářským, Masarykovou univerzitou a soukromou sférou.

 

Numerické a matematické modelování v hydrogeologii

Provádíme matematické modely a numerické simulace proudění podpovrchové vody, a to jak vody podzemní, tak vody ve vadózní zóně. Konkrétními příklady je modelování stacionárního i transientního proudění v puklinách s prostorově proměnným rozevřením, numerické simulace proudění podzemní vody v okolí cirkulačních vrtů a výzkum účinnosti cirkulačních vrtů v závislosti na jejich parametrech a hydrogeologických podmínkách lokality. Vytváříme matematické modely obecných procesů v podzemní vodě a dvoufázových systémech (problematika slapových efektů a oscilatorických jevů). V neposlední řadě matematicky popisujeme sedimentace suspenzí, jejichž chování zkoumáme také v laboratoři. Z vadózní zóny se zaměřujeme na efektivnost kapilárních bariér v závislosti na charakteristikách jejich materiálu, a to včetně výzkumu spolehlivosti matematických modelů v konfrontaci s jejich laboratorním měřením. Modelujeme proudění vody a rozpuštěných látek v jílovitých půdách s preferenčním prouděním v desikačních trhlinách (významně ovlivňují infiltraci i výpar). V posledních letech jsme vyvinuli dvě metody analýzy mikroseismických dat a matematický model růstu hydraulicky stimulované pukliny.

 

Hydrogeologie krasu

Kras patří k nejsložitějším prostředím z hlediska proudění podzemní vody. V každé oblasti jsou do určité míry specifické podmínky. Cílem tohoto projektu je charakterizovat krasovou hydrogeologii pomocí různých metod, jako jsou izotopové metody a stopovací zkoušky. Zaměřili jsme se na vztah řeky a krasového prostředí, na problematiku nenasycené zóny a pronikání dusičnanů do jeskynních systémů Moravského krasu a v neposlední řadě na hydrogeologii rozsáhlého solného krasu v Iránu, kde se dříve podařilo objevit nejdelší solnou jeskyni světa ve spolupráci s kolegy z Geologického ústavu AV ČR a Šírázské University. Disponujeme unikátními samočinnými vzorkovači, laboratorním a terénním fluorimetrem a přístrojem pro měření aktivity tritia.

 

Pohyb vody porézním prostředím, její výpar a vztah ke zvětrávání porézních hornin

Prostorové uspořádání vlhkosti především u povrchu porézních hornin ovlivňuje jejich zvětrávání. V místech výparu pórové vody dochází k tzv. solnému zvětrávání: koncentrují se (krystalizují) zde dříve rozpuštěné sole, které svým růstem způsobují rozpad materiálu, který se může projevit např. voštinami (jamkami) na pískovcích. Voda v hornině však způsobuje i mrazové zvětrávání a platí, že s rostoucí vlhkostí porézního prostředí účinky zvětrávání mrazem rostou. Projekt si klade za cíl popsat, za různých okrajových podmínek, vliv přítomnosti kapalné vody a jejího proudění na zvětrávací procesy. Důležitou součástí výzkumu je detekce míst, kde za různých podmínek (např. klimatických) dochází k výparu vody v pórech z porézního prostředí.

 

Vliv napěťového pole na zvětrávání porézních hornin

Cílem tohoto výzkumného projektu je přispět k porozumění zvětrávání porézních hornin. Projekt je zaměřen na procesy řídící rozpad či naopak zpevňování přirozených skalních útvarů. V prestižním časopise Nature Geoscience byl publikován zásadní článek objasňující vztah mezi napětím v hornině a její erozí. Podle tohoto článku v některých horninách dochází ke snižování rychlosti eroze horniny v místech s vyšším napětím, zatímco místa s nižším napětím jsou k erozi náchylnější. Pomocí tohoto principu lze jednoduše vysvětlit vznik skalních bran, oken a oblouků i stabilizaci osamocených skalních pilířů, podepírajících nadložní materiál. Výzkum se opírá o sběr dat v terénu i numerické modelování pomocí nejmodernějšího softwaru. Na výzkumu spolupracujeme s GFZ Potsdam (Německo) a BYU (USA). V současné době jsou zkoumány limity představeného principu – kdy je míra zvětrání řízena napětím, kdy není a proč?

 

Výzkumná témata (inženýrské geologie)

Matematické modelování geomateriálů s využitím hypoplastických modelů

Hypoplastické modely představují moderní metodu popisu mechanického chování geomateriálů, zejména pak hrubozrnných a jemnozrnných zemin. Na rozdíl od standardních modelů elasto-plastických umožňují přirozeným způsobem zohlednit nelinearitu tuhosti zemin, což též umožňuje předpovídání chování zemin při cyklickém zatěžování. Naše pracoviště patří k vůdčím světovým pracovištím zabývajícím se vývojem tohoto typu modelů. Kromě vývoje se zaměřujeme i implementací těchto modelů do software meody konečných prvků: máme k disposici VIP licence pokročilých software jako Plaxis 2D a 3D a jsme administrátorských pracovištěm webového portálu soilmodels.com. Modely využíváme v široké škále aplikací, od tunelových staveb, přes zakládání budov až po zakládání těžních plošin pro těžbu ropy v mořích.

 

Laboratorní testování a matematické modelování bentonitové bariéry pro úložiště odpadu z jaderných elektráren

Bentonitová bariéra obalující kanistr s vyhořelým jaderným odpadem je uvažována jako základní součást ochrany životního prostředí před únikem radionuklidů v plánovaných úložištích radioaktivního odpadu. Naše pracoviště je angažováno jak v laboratorním zjišťování chování bentonitu, tak matematickým modelováním bariéry. V obou případech udržujeme úzkou spolupráci s fakultou stavební ČVUT v Praze. Z hlediska laboratorního studujeme bobtnací a těsnící charakteristiky bentonitu, jeho retenční vlastnosti a ve spolupráci s partnerskými pracovišti (VŠCHT, Ústav přístrojové techniky AVČR) též studujeme mikrostrukturu bentonitu. Pro numerické modelování využíváme pokročilý termo-hydro-mechanický hypoplastický model pro bentonit zohledňující jeho dvojí strukturu, který je implementován do sdruženého kódu založeného na metodě konečných prvků SIFEL vyvíjeného na ČVUT. Tímto způsobem simulujeme rozvoj bobtnacích tlaků a postupnou saturaci bentonitu v okolí kontajneru s radioaktivním materiálem a studujeme tak rozvoj jeho těsnících vlastností s časem.

 

Mechanické vlastnosti výsypkových zemin

Jíly až jílovce nacházející se v nadloží hnědouhelných slojí v severních Čechách jsou v rámci těžebního procesu přemisťovány a volně sypány ve formě různě velkých hrud na výsypky. Každý rok se tímto způsobem ukládá přibližně 200 mil m3 zeminy. Čerstvě nasypaný materiál představuje hrubozrnnou sypaninu, která je charakteristická tzv. dvojí pórovitostí – k vlastní pórovitosti jílových hrud se přidává mezerovitost mezi jednotlivými hroudami. V průběhu času se vlivem působícího napětí a vody tato zemina transformuje v prohnětenou jemnozrnnou zeminu s poměrně nepříznivými geotechnickými vlastnostmi. Mezi ně patří nízká pevnost, vysoká stlačitelnost a prostorová heterogenita, kterou nelze spolehlivě předvídat.

Cílem našeho výzkumu je definovat proces přetváření struktury výsypek, identifikovat klíčová rizika z pohledu zakládání staveb a popsat mechanické chování výsypek včetně stanovení stability svahů výsypkových těles. Využíváme k tomu široké spektrum běžných i speciálních laboratorních zkoušek zemin, terénní měření a monitoring, fyzikální modely, které nám umožňují studovat přetváření původní struktury a rovněž pokročilé konstituční modely vyvinuté na našem pracovišti, které umožňují simulovat dvojí pórovitost nebo chování nenasycených výsypek.

 

Inženýrskogeologický model

Téma inženýrskogeologického modelu má unikátní význam pro inženýrskou geologii. Tvorba inženýrskogeologického modelu je založena na pochopení historicko-geologického vývoje území se všemi jeho procesy, které vedly k současnému stavu dotčeného horninového prostředí; pokud se průzkum týká staveb, tak vždy ve vztahu k projektované stavbě. Je důležité, aby tato zjednodušená představa skutečných inženýrskogeologických podmínek byla vždy vytvořena účelově ve vztahu k cíli, pro který je průzkum prováděn, a současně tak, aby byla stále zachována funkčnost tohoto zjednodušeného systému ve vztahu k cíli průzkumu. Tématu inženýrskogeologického modelu se již delší dobu věnuje i Mezinárodní asociace pro inženýrskou geologii (IAEG), která pro téma Užití inženýrskogeologických modelů vede vědeckou komisi C25.

 

Výzkumná témata (užité geofyziky)

Seismicita a fluida

Pohyby na geologických zlomech, které způsobují zemětřesení, jsou zpravidla vyvolány tím, že namáhání zlomu překročí jeho pevnost. Ta závisí nejen na mechanických vlastnostech kontaktu dvou horninových bloků, ale také na tlaku kapalin, které vyplňují pórový prostor. Změny pórového tlaku tak mohou být příčinou vzniku zemětřesení, nebo mohou vést k jejích pozdějšímu nebo dřívějšímu výskytu. Přímý vliv tlaku kapalin na vznik malých zemětřesení je pozorován zejména při těžbě uhlovodíků (ropa a zemní plyn) nebo geotermální energie. Mnoho pozorování ze světa ukazuje, že i výskyt přirozených zemětřesení je vázán na oblasti s výrony vody a oxidu uhličitého hlubokého původu.

Naše pracoviště se zabývá seismologickou analýzou záznamů přirozených a indukovaných zemětřesení s cílem zjistit co nejpřesnější polohu, tvar a orientaci aktivovaných zlomů a puklin. Také realizujeme dlouhodobé monitorování produkce hlubinného oxidu uličitého v západočeské zemětřesné oblasti a ověřujeme modely interakce mezi tektonickým napětím, tlakem kapalin a geometrií zlomů, která vede ke vzniku zemětřesení. K tomu využíváme data přirozených a indukovaných zemětřesení u nás i ve světě.

 

Enviromentální geofyzika

Toto téma zahrnuje problematiku hydrogeofyziky, geofyzikálního měření ve vrtech, přírodní radioaktivity a geotermiky.

V hydrogeofyzice využíváme geofyzikální metody v oblasti hydrogeologie k nalezení zvodnělých vrstev, získání informací o proudění podzemní vody, její kontaminaci a dalších důležitých parametrech. Geofyzikální měření aplikovaná na povrchu tak představují jedinečnou možnost rychle a neinvazivním způsobem zkonstruovat základní hydrogeologický model prostředí, který je dále upřesněn vrtnými sondami. V nich pak mohou být aplikována geofyzikální měření ve vrtech, která umožní modely zpřesnit a rozšířit jejich plošný rozsah.

Z přírodních radionuklidů, které vznikly při nukleogenezi v nitrech hvězd, se zachovaly jen izotopy s velmi dlouhým poločasem přeměny, z nichž jsou v horninách významné pouze draslík, uran a thorium. Pozemním a leteckým měřením gama záření stanovujeme jejich koncentraci v horninách a celkovou radioaktivitu hornin k rozmanitým účelům jako je geologické mapování, prospekce surovin nebo posouzení radiace přírodního prostředí. Příčinou přírodní radioaktivity je také plyn radon, který je v horninách generován přeměnou radia a uniká do volného ovzduší. Měření objemové aktivity radonu v půdě slouží k vyhledávání mineralizací uranu, tektonicky porušených linií a také ke stanovení radonového indexu pozemků. Naše pracoviště je odborným garantem pro národní porovnávací měření radonu v půdním vzduchu pro ověření správnosti měření jednotlivými organizacemi.

Teplota zemského povrchu do hloubek desítek a prvních stovek metrů je ovlivněna dopadající energií ze Slunce. Přesným měřením teploty v mělké hloubce lze odhalit např. skryté dutiny nebo vývěry podzemních vod. Přesným měřením ve větších hloubkách lze zachytit teplotní záznam klimatické historie země. Ve velkých hloubkách již převažuje tepelný tok z nitra Země, který má původ v akrečním teplu a jaderné energii z rozpadu přírodních radionuklidů. Místa se zvýšeným tepelným tokem mohou být využita pro získávání geotermální energie. Naše pracoviště se zabývá výzkumem geotermálního potenciálu vybraných lokalit v Česku se zaměřením na projekt využití geotermální energie v Litoměřicích.

 

Porušení geologického podloží a fyzikální vlastnosti hornin

Mechanické vlastnosti hornin jsou studovány pomocí geofyzikálních metod, zejména prostřednictvím měření seismických vln. Realizováno je srovnání seismických a mechanických vlastností hornin v laboratorních a polních podmínkách. Šíření seismických vln v heterogenním horninovém materiálu se v tomto případě liší vzhledem k rozdílům v měřítku mezi vzorkem a horninovým masivem, rozdílná je i frekvence a vlnová délka seismických vln. Dochází k útlumu a zpoždění seismických vln, přičemž oba tyto jevy jsou silně frekvenčně závislé. Použití laboratorních výsledků pro hodnocení terénních měření vyžaduje odpovídající tzv. up-scaling.

Výzkum je zaměřen na studium vlivu porušení hornin na šíření seismických vln. Experimentální měření jsou prováděna v podzemí štole v Bedřichově v Jizerských horách, nedaleko Liberce, Česká republika. Ve spolupráci s Technickou univerzitou Liberec a firmou G Impuls s.r.o. je vyvíjen systém pro kontinuální monitorování změn elektrického odporu a seismických vlastností horninového prostředí.

Dále je pomocí T-matrix modelu horninového prostředí studován vliv porušení horniny na rozdíly mezi dynamickými a statickými elastickými parametry. T-matrix model umožňuje zavést nelineární elasticitu prostředí jako důsledek nehomogenity horniny. Parametry tohoto nehomogenního modelu lze nalézt pomocí výsledků komplexního karotážního měření, přičemž elastické parametry prostředí jsou nalezeny použitím akustické karotáže se záznamem plného vlnového obrazu.

 

Geofyzikální projevy geologických struktur

Průběh geofyzikálních polí podél zemského povrchu je projevem podpovrchové struktury a složení hornin. Měření velikosti gravitačního a magnetického pole, měření elektrického odporu hornin a časů příchodu seismických vln na zemském povrchu umožňuje porovnávat tyto údaje s fyzikálními modely horninového prostředí a nalézt model, který nejlépe vyhovuje naměřeným datům. Za tím účelem se také zabýváme novými postupy pro inverzi elektromagnetických měření s cílem zjištění rozložení elektrických odporů v hloubce.

Geofyzikální měření úspěšně aplikujeme v oborech strukturní geologie, geomorfologie, paleoseismologie, vulkanismu a dalších. Spolupráce s vulkanology se zaměřuje na detailní zobrazení systému přívodních drah malých vulkánů s pomocí geofyzikálních a geologických metod a zjišťování typu magmatu a směru proudění pomocí laboratorních magnetometrických metod. Sledování vývoje geometrie přívodních drah a poznání stylu výstupu magmatu pyroklastickým kuželem těsně před erupcí přispívá k lepšímu stanovení ohrožení obyvatel a majetku ve vulkanicky aktivních oblastech.

Využití geofyzikálních metod v geomorfologickém výzkumu přináší cenné informace o strukturně geologických a litologických podmínkách, které predisponují vývoj krajiny. Z výsledků geofyzikálních měření a následných modelů lze usuzovat na geomorfologické procesy, které reliéf formují, jako jsou svahové deformace, glaciální činnost, fluviální činnost, krasovění aj. Pomocí geofyziky lze popisovat nejen samotné reliéfotvorné procesy, ale rovněž často i odhadovat jejich intenzitu, popř. četnost opakování. Výzkum je prováděn s využitím geoelektrických a elektromagnetických metod, mělké refrakční seismiky, gravimetrie či měření magnetické susceptibility.

 

Využití geofyzikální petrologie v interdisciplinárním výzkumu

Každá hornina má okolo sebe neviditelnou „auru“ z gravitačního a magnetického pole. Jejím zdrojem jsou hustotní kontrasty minerálních složek hornin a magnetické vlastnosti minerálů v těchto horninách obsažených. Studium magnetických vlastností hmoty má v přírodních vědách široké využití.

V přírodě existují bohaté archivy událostí, které se staly v historii Země. Příkladem jsou např. sedimenty jezer (včetně jezer zazemněných) či oceánů. Sedimenty obecně obsahují magnetický záznam, který nám často pomáhá rekonstruovat podmínky v době jejich uložení, ale také to, jak se chovalo tehdejší geomagnetické pole generované v jádru Země.

Nejdynamičtější procesy, které formovaly a formují povrchy planet Sluneční soustavy jsou impakty vesmírných těles. Tyto srážky modifikují předpověditelným způsobem rozložení hustotních parametrů hornin a dovolují tak detekovat již proběhlé impakty pomocí studia gravitačních a magnetických anomálií. Výsledný magnetický záznam je ovlivněn při impaktu vznikajícím plazmatem a průchodem šokové vlny. Takto postižené horniny jsou proto zvláštní i tím, že mají svou magnetickou „auru“ významně porušenou.

Nositelem magnetismu jsou sice magnetická zrna libovolné velikosti, největší význam pro výsledný magnetický charakter však mají nejdrobnější zrna o průměru do 50 nm. To platí i u biologických materiálů, kde je magnetismus spojen zejména s migrací železa v tkáních (hemoglobin, ferritin). Proto lze pomocí magnetických vlastností studovat i procesy v živých organismech. Výzkum drobných magnetických zrn tak nachází uplatnění třeba v medicíně, ale také v materiálovém inženýrství a navrhování nejmodernějších nanotechnologií.