Földtani ismeretek

1. Földtani ismeretek 11. témakör: Vízföldtani alapfogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

2. Témavázlat • A földi vízkészlet eredete, körforgása • A felszín alatti vizek osztályozása • A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett (szerkezeti és kristályvíz) • A szemcsék felületéhez kötött (adszorbeált, gyengén kötött hártyavíz és kapilláris víz) • Szabadvíz (gravitációs): talajvíz, rétegvíz, karsztvíz, hasadékvíz • Források • Darcy törvénye, hidrogeológiai paraméterek (hézagtérfogat, hézagtényező, „k”-tényező, szivárgási sebesség, stb.)

3. A földi vízkészlet eredete, körforgása • A víz kritikus állapota: 374oC alatt és 22 Mpa nyomás mellett már cseppfolyós. • Jelen van: a kéregben és a külső geoszférában • Eredet szerint: juvenilis (ifjú, fiatalos), mely a víz körforgásában nem vesz részt, és vadózus a hidrológiai ciklusban résztvevő típus (kondenzációs, infiltrációs, fosszilis, konszolidációs, vibrációs és izzadmányvíz). • A víz mennyisége: 1,36 Md km3, ennek 97,16%-a a világóceán, 2,22%-a a felszíni víz, 0,62%-a felszínalatti és mindössze ezred %-a a légköri vízkészlet. • A vízkészlet állandó körforgásban van, melyet a Nap hőenergiája és a Föld nehézségi erőtere szabályozza és tartja fenn.

4. A víz körforgása

5. A víz körforgása • Idő (a légkör pillanatnyi fizikai állapota) – időjárás (előbbi változása) - éghajlat (egy adott földrajzi hely időjárási rendszere). • Időjárási (vagy éghajlati) elemek: napsugárzás, léghőmérséklet, légnyomás, légmozgás, légköri vízháztartás, jelenségek). • A hidrogeológiai jelenségek színtere a litoszféra

6. A felszín alatti vizek osztályozása 1. A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett víz • Szerkezeti (OH-) víz és kristályvíz (H2O a kristályrácsban): csak hevítéssel távozik 2. A szemcsék felületéhez kötött víz (a szemcsefelülettől távolodva) • Adszorbeált (erősen kötött) víz: a felületaktív kőzetszemcsékhez kötődik, vékony felszíni hártya formájában, vastagsága néhányszor 10 vízmolekula-átmérő, sűrűsége a kőzethez hasonló, belső nyomása meghaladja a légkör nyomásának negyvenszeresét. • Gyengén kötött víz (hártya és kapilláris víz) • Hártyavíz: vastagsága néhány száz vízmolekula-átmérő, a vízmolekulák irányítottak, az adszorbeált kationok által gerjesztve • Kapilláris: az erősen kötött vízburok és a meniszkuszok által határolt szemcseközi tartomány vize a szegletvíz, ezek összeolvadása a finom kapilláris víz. Függő kapilláris víz: összefüggő vízszál, alul és felül meniszkusszal határolva, ha megindul lefelé – szivárgó, ha megreked támaszkodó. Kapilláris emelkedő víz (alul gravitációs víz, innen felfelé emelkedik). 3. Szabadvíz (gravitációs) víz fajtái: talajvíz, rétegvíz, karsztvíz és hasadék / repedések vize

7. Talajvíz Meghatározása: A felszíntől az első nagy kiterjedésű, hidrogeológiai értelemben vett vízzáróig terjedő víztest, melynek felszínén a mindenkori természetes légnyomás mérhető, vízkémiai tulajdonságai, elhelyezkedése és mozgásának változása viszonylag rövid időn belül követik az időjárás változásait és a mesterséges beavatkozásokat.

8. Talajvíz Talajvízszint: geodéziailag meghatározható, általában a tengerszinthez viszonyított magasság. Piezometrikus (nyomás) szint vagy nyomómagasság nem egyenlő a víztest felső határfelületével. A víztükör nyomásviszonyai szerint: nyílt (szabad) víztükrű és zárt (nyomás alatti) víztükrű lehet. • Nyílt tükrű rendszer: aerációs zóna, kapilláris tartomány, gravitációs tartomány. • Zárt tükrű rendszer: ha a talajvízszint a vízáteresztő réteg felső szintjénél magasabbra emelkedik, azaz a vízzáró leszorítja, nyomás alatt tartja. Ekkor a víztartó réteg fedőszintjén a légnyomásnál nagyobb nyomás van (artézi). • A víztükör geometriai alakja, kissé kisimítva követi a domborzatot. Anomáliák: vízdóm, lebegő talajvíz, általajvíz, talajvíz tó, talajvíz választó.

9. A nyilt tükrű talajvíz

10. Talajvíz Talajvízjárás: napi és évi periodikus vízszint változás, melyet döntően a csapadék, a párolgás, a felszíni és felszínalatti hozzá és elfolyás és a növényzet párologtatása szabályoz. Napi max. nyáron és ősszel 8-10 cm. Évi max. március-május, min szeptember-november, általában 70-90 cm, max. 2-2,5 m. Az ingadozás mértéke függ a talajvízszint mélységétől, a talaj tömörségétől (hézagtérfogat) és vízáteresztő képességétől.

11. Talajvíz • A talajvíz áramlását a topográfia és a földtani adottság, azaz a terepfelszín és a vízzáró fekü lejtése határozza meg. A felszíni és a felszínalatti vízgyűjtő jelentősen eltérhet egymástól. • Az áramlás irányának és sebességének meghatározása fúrásokban történő vízszint és marker észlelés segítségével.

12. Rétegvíz Meghatározása: Az első regionális kiterjedésű vízzáró réteg alatt elhelyezkedő porózus kőzetben tárolt víz, mely rendszerint hidrosztatikus és kőzetnyomás alatt áll. Szerepe az ivóvíz ellátásban, bányászati és alagút építésben van.

13. Rétegvíz típusok • Hőfok szerint: hideg és termális (hévizek) vizek, határ: 30-37oC. Hazánk az átlagos 33 km-esnél vékonyabb kéreg (23-26 km) miatt termális energiában gazdag. Geotermikus gradiens: 1oC emelkedés hány méteren következik be (Mo.-on átlagosan 18 m/oC, a Földön 25 m/oC). • Összetétel szerint: egyszerű, ásvány (1000 mg/l-nél nagyobb oldott só vagy biológiailag aktív elem: jód, bróm) és gyógyvíz (vegyi összetétel és/vagy fizikai tulajdonságai révén bizonyítottan gyógyhatású).

14. Rétegvíz típusok Nyomásának a terepszinthez viszonyított helyzete alapján: nyugalmi vízszint a terepszint alatt akkor negatív, ellenkező esetben pozitív.

15. Rétegvíz típusok Az áramlási rendszer nyomásállapota szerint: a rétegvizek áramlási módja a mikroszivárgás. Megcsapolási (feláramlási) övezet: a piezometrikus nyomás a mélység felé a hidrosztatikusnál nagyobb mértékben növekszik, és beszivárgási (utánpótlódási) régió: ha a nyomás lefelé a hidrosztatikusnál kisebb mértékben nő.

16. A rétegvizek jelentősége • A rétegvizek az ipari és ivóvíz ellátás jelentős bázisai, ezen belül is az 1-2 km vastag felső-pannóniai üledékes rétegek. • Intenzív kitermelésükkor jelentős mértékű felszínsüllyedések tapasztalhatók (pl. Debrecen). Ennek oka a semleges feszültség (a víz által közvetített) csökkenése és a hatékony (fedőrétegek súlya) rétegnyomás növekedése.

17. Karsztvíz Meghatározása: A karsztosodó kőzetek (mészkő, dolomit, kősó, gipsz) hasadékaiban és üregrendszereiben található gravitációs víz. A karsztosodás lényege: kémiai mállás. Karszt-típusok (a kőzet földtani helyzete és településviszonyai alapján): • Leszálló, támaszkodó, szabadtükrű • Sekély és mélykarszt (az erózió bázishoz viszonyított helyzete alapján) • Fedett és nyílt karszt (a vízzáró fedő meglétének függvényében) • Szabadszintű és leszorított szintű karszt

18. A karsztosodás folyamata • a karbonátos kőzetek leülepedése • tektonikai igénybevétel hatására összerepedezése • a földkéreg mozgása következtében a kőzettestek kiemelkedése az erózióbázis fölé • a felszín felől megindul a karsztosodás, mely elsősorban kémiai, másodsorban mechanikai jelenség: • H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2 • utóbbi egy egyensúlyra törekvő reverzibilis folyamat • a vízben oldott szabad CO2 és a víz hőmérsékletének függvényében válik ki/oldódik a karbonát • keveredési korrózió

19. Karsztvíztípusok

20. A karsztvíz jellegzetességei • A karsztvíz mindig kemény víz, benne uralkodnak a hidrogénkarbonátok. Műszakilag kedvezőtlen vízkőlerakódások tapasztalhatók. • A vízmozgások a közlekedőedényben szokásoshoz hasonlítanak, gyakran turbulens a vízáramlás, ezért a Darcy törvény itt nem alkalmazható. • A felszínnel való közvetlen kapcsolata miatt (nyitott karszt esetén) nagyon érzékeny a felszíni utánpótlásra (pl. csapadék) és a szennyeződésekre.

21. Források Meghatározása: A felszín alatti vizek koncentrált természetes felszínre bukkanásait forrásoknak nevezzük, amelyeknek három eleme van: vízgyűjtő terület, vízszállító szakasz és a forráskilépés környezete.

22. Források • hidrogeológiai szempontból a forrásokat osztályozhatjuk a vizet tározó kőzet szerint (pl. karsztforrás, törmelékforrás, rétegforrás, stb.), valamint • a szállítási útvonal és a tápterület egymáshoz viszonyított magassági helyzete alapján (pl. leszálló, átbukó, és felszálló forrásokra.

23. A forrás vízjárása • A források vízjárását befolyásoló tényezők: • A meteorológiai viszonyok • A vízgyűjtő terület nagysága, alakja és kőzetviszonyai • A szállítórendszer hossza és kőzetviszonyai • A forráskörnyék földtani viszonyai • A vízgyűjtő terület és a forrás potenciálkülönbsége

24. A forrás vízjárása • A gyakorlat számára fontos a forrás vízjárásának egyenletessége, melyet a megbízhatósági index-szel (wF) jellemzünk (Kessler H. 1954): wF=Qmax/Qmin • Ha a wF = 1 – 3, akkor a forrás kitűnő, 3 – 5 igen jó, 5 – 10 jó, 10 – 20 mérsékelt, 20 – 100 rossz, >100 igen rossz

25. Darcy törvénye Vsz = k * I • (Vsz = szivárgási sebesség, I = hidraulikus esésgradiens, k = szivárgási tényező, kőzet és folyadékfüggő) • Darcy törvénye csak a lamináris (lineáris) szivárgásra jó, szakmailag értelmetlen a szivárgás nélküli és a mikro szivárgási állapotra (pl. agyagokra) és turbulens folyadék áramlásra (pl. karsztvizeknél)

26. Szivárgási (“k”) tényező • Szivárgási (“k”) tényező - conductivity (cm/sec, m/sec, m/nap):folyadék-függő, más az értéke vízre, illetve más fluidumra, ezért fluidumra a kinematikai viszkozítással és a dielektromos állandóval az értékét korrigálni kell.Erősen függ a szilárd fázis felület-aktivitásától is, azonos szemcseméret mellett nagy különbség van a vezetőképességben az agyagásvány-tartalom minősége és aktiváltsági foka (A) függvényében is (aktiváltság - A– szkempton szám) = Ip/s<2mm). Ez nagyon fontos lehet a környezetföldtanban, a kőolajföldtanban és a termálvizek kutatásánál is). • Áteresztő képesség (“K”- tényező) - permeability (m2):a kőzetre jellemző érték.

27. Szivárgási (“k”) tényező

28. Vízföldtani kulcsparaméterek • Szivárgási sebesség (Vsz): teljes keresztmetszetű folyadékmozgásravonatkozik.A pórusokban szivárgó víz valóságos sebessége ennél nagyobb. Veff = Vsz/ n0 • Víztároló képesség mérőszáma: n – porozitás, vagy hézagtérfogat (egységnyi kőzettérfogatban lévő hézagok össztérfogata) • Szabad hézagtérfogat - no, melyből a garavitációs víz termelhető ki; e- hézagtényező (hézagok és a szilárd alkotók térfogatainak aránya) • Az n és n0 közötti különbség kavicsoknál elhanyagolható, de szemcseméret csökkenésével és az agyagásványok arányának növekedésével rohamosan nő.

29. Vízföldtani kulcsparaméterek A különböző laza törmelékes üledékek vízadó, víztartó képessége és porozitásuk közötti összefüggés