Stabilizotóp-geokémia III Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet forizs@geokemia.hu

Vízkörforgás

Alapfogalmak Frakcionációk Egyensúlyi frakcionáció: a két fázis között izotópcsere játszódik le, az adott izotóp megoszlása a két fázis milyenségétől és a hőmérséklettől függ. Pl. vízpára(felhő)-víz rendszer (kondenzáció, általában zárt rendszer) Alapfogalmak

Alapfogalmak Frakcionációk Kinetikus (nem-egyensúlyi) frakcionáció: a folyamat egyirányú, vagy majdnem teljesen egyirányú, pl. párolgás, kicsapódás: a könnyebb molekulák gyorsabban távoznak. Tisztán kinetikus pl. ha a relatív páratartalom 0. Alapfogalmak

HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Szélességi hatás: az egyenlítőtől a sarkok felé haladva a csapadék izotóposan egyre könnyebb, pl. az Észak-Amerika-i kontinensen a 18O érték változása 0,5 ‰/szélességi fok (Yurtsever, 1975). Magassági hatás: adott helyen (pl. hegységek- ben) egyre magasabban mérve, a csapadék izotóposan egyre "könnyebb", 0,15- 0,5‰/100 m a 18O érték csökkenése, átlagban 0,28‰/100 m (Gat, 1980; Bowen, 1986). HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK

HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Kontinentális hatás: a kontinensek peremétől azok belseje felé haladva a 18O érték változása -2,4‰/1000 km (Bowen, 1986). HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK

Kontinentális hatás d18O

A tengervízből képződött felhőből kicsapó- dó első csapadék d értéke szinte mindig negatívabb mint a tengervíz d értéke, mert párolgáskor nem-egyensúlyi, kicsapódáskor pedig egyensúlyi a frakcionáció.

HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Hőmérsékleti hatás: adott földrajzi helyen a hőmérséklet változásával változik a csapadék izotópos összetétele. Így megfigyelhető az évszakonkénti változás, valamint ezeréves léptékben a klímaváltozás hatása is. A jégkorszakban pl. a Kárpát-medencében a csapadék 18O értéke -11 és -14‰ közötti volt, szemben a mai -9,5‰ átlagos értékkel. HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK

Hőmérsékleti hatás (folyt.) Globális: Yurtsever (1975) az általa vizsgált adathalmazon a következő összefüggést találta: 18O = 0,52*T - 14,96 Lokális – Bécs: (IAEA, 1992) 18O = 0,41*T - 13,90 Lokális – Abádszalók (Alföld): (Deák 1995) 18O = 0,37*T - 12,8 Hőmérsékleti hatás (folyt.)

Hőmérsékleti hatás (folyt.)

Hőmérsékleti hatás (folyt.)

Mi a magyarázata a hőmérsékleti hatásnak? A kicsapódáskori felhő hőmérséklete nem lehet az oka, mert az éppen ellenkező hatású. Ugyanazon d értékű felhőből kisebb hőmérsékleten pozitívabb d értékű csapadék hullik ki. Tehát más d értékű felhő érkezik – pl. Budapestre – nyáron és télen. De miért? Mi a magyarázata a hőmérsékleti hatásnak?

Rayleigh frakcionáció (desztilláció) nyár tél

Hőmérséklet-delta érték összefüggés A felhő keletkezési helye és a csapadékhullás helye közti hőmérséklet- különbség határozza meg a d18O értéket. Minél nagyobb a különbség, annál negatívabb a csapadék d18O értéke. Nyáron kisebb a különbség, mint télen. Hőmérséklet-delta érték összefüggés

Hőmérsékleti hatás (folyt.)

Jég fúrómagok, GISP2 fúráshely 13 és 15

Jég fúró-magok, GISP2 Jég-kor-szak

Jég-fúrómagok Kanada Grönland Antarktisz

A hidrológiai izotópeffektusok egyaránt igazak az oxigénre és a hidrogénre is! Megjegyzés

Izotópos víz-vonalak: csapadékvíz vonal, rétegvíz vonal, stb.

Csapadékvíz vonalak (CsVV) Globális referencia vízvonal: (Craig 1961) Craig, H. (1961) Isotopic variation in meteoric waters. Science, N.Y. 133:1702-1703 δD = 8*δ18O + 10 ‰ Meredekség (8) oka: 25 °C-on Csapadékvíz vonalak (CsVV)

Csapadékvíz vonal (CsVV) Globális: (Różanski et al. 1993) δD = 8,13*δ18O + 10,8 ‰ Kárpát-medencei rétegvíz vonal: (Deák 1995) δD = 7,8*δ18O + 6 ‰ Kelet-Mediterrán: (Gat & Carmi 1970) δD = 8*δ18O + 22 ‰ Csapadékvíz vonal (CsVV)

Elsődleges párolgás: Csapadékvíz vonal (CsVV) Tengervíz 50% 85% 100% Globális CsVV

Másodlagos párolgási hatás: Párolgás tóból 20% 100% 40% 60% 80% 40% 80% 60% 20% Kezdeti víz (jég), pl. tó (hó) GCsVV

Párolgási egyenes meredeksége (m) vs. levegő relatív páratartalma (h)

Párolgási vonal: Csepel-sziget

Párolgás közelről

Párolgási hatások Elsődleges párolgási hatás: vízből pára lesz Másodlagos párolgási hatás: a víz egy része elpárolog, a maradék víz izotópos összetétele megváltozik, izotóposan nehezedik. Párolgási hatások

Másodlagos párolgási hatás a lokális csapadékvíz-vonalon A száraz levegőbe hulló csapadék egy része még a levegőben elpárolog.

Eltérő izotópos vízvonalak

Deutérium többlet = d-többlet Definíció: d = dD – 8×d18O dD = 8×d18O + d A Globális Csapadék-víz Vonal esetében a d- többlet 10. A d-többlet azt mutatja meg, hogy az adott pont hol helyezkedik el a GCsVV- hoz képest (rajta, alatta, fölötte). d>10 d<10 GCsVV

Párolgás: Balaton 2005 Lokális csapadék sokéves becsült átlaga Lokális csapadék sokéves átlaga

Esettanulmány vízizotópokra Újkígyósi Regionális vízmű Fórizs István, Deák József Esettanulmány vízizotópokra

Elérési zónák

Magyarországi tipikus értékek Holocén: d18O=-9 és -10‰ között dD=-60 és -70‰ között Jégkorszak: d18O=-11 és -14‰ között dD=-80 és -104‰ között Magyarországi tipikus értékek

Hogyan lehet számolni a d értékekkel? Mint egy koncentrációval?

Keveredés (víz és oldott bór) d18Ovízminta -30 ‰ RVSMOW 0,002005 Rvízminta 0,001945 Rkeverék 0,001975 dkeverék -15,0005 ‰ d11Bvizes B RSRM951 4,045 RMinta 3,92365 3,983586 -15,1826 ‰ d-val számolva 1:1 arányban keveredik a minta és a definíció szerint d=0‰ nemzetközi sztenderd. -15,0000‰ -15,0000‰

H, C, N, O, S esetében, ahol a nehéz izotópból több nagyságrenddel kevesebb van mint a könnyűből, a δ értékekkel úgy számolhatok, mint a koncentrációkkal. B, Cl esetében, ahol a nehéz és a könnyű izotópok mennyisége azonos nagyságren- dű, a fönti közelítést csak közeli δ értékeknél alkalmazhatom. Következtetés

Számítási feladat 3 Két folyó (A és B) ömlik egy víztárolóba, ahol a két folyó és a tározóból kifolyó víz d18O értékei a következők: -4,5‰, -12,7‰ és -9,2‰. Melyik folyónak van magasabban a vízgyűjtő területe? A tározóban lévő víz hány %-a származik az A és hány a B folyóból, ha nincs párolgás és konstansak a vízhozamok és a d értékek?

Megoldás 3 A B-folyónak van magasabban a vízgyűjtője. dki = xdA + (1-x)dB → x = 43%, (1-x) = 57%

Számítási feladat 4 Mennyiség (%) dD (‰ vs. VSMOW) d18O Óceánok 97,2 0 ± 5 0 ± 1 Jégsapkák, gleccserek 2,15 -230 ± 120 -30 ± 15 Felszín alatti víz 0,62 -50 ± 60 -8 ± 7 Felszíni víz 0,017 Légköri pára 0,001 -150 ± 80 -20 ± 10 Jön a globális fölmelegedés. Ha elolvadna az összes jég, akkor mi lenne a tengervíz (óceánvíz) stabilizotópos összetétele?

Megoldás 4 d18O = [0,972×0‰ + 0,0215×(-30‰)] /(0,972+0,0215)= -0,65‰ dD = [0,972×0‰ + 0,0215×(-230‰)] /(0,972+0,0215)= -4,98‰

Milyen folyamatok változtathatják meg a víz stabilizotópos összetételét a víz-kőzet izotópcserén kívül?

Dehidrációs vagy metamorf víz; diagenetikus víz Agyagásványok dehidrációjakor (metamorfózisakor?) víz keletkezik, ami izotóposan sajátos összetételű Pl. Zuber A, Chowaniec J (2009) Diagenetic and other highly mineralized waters in the Polish Carpathians. Applied Geochemistry 24(10):1889-1900 Dehidrációs vagy metamorf víz; diagenetikus víz

Hévizek d18O érték eltolódása

Hévizek d18O érték eltolódása, Denizli-medence, Törökország Vízhőméreskélet: 38-60 °C. Pozitív d18O érték eltolódás!! Simsek (2003)

Vízáramlási pályák

További példák