Földtani ismeretek Alkalmazott földtani alapfogalmak 9. témakör: Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens
Témavázlat Az alkalmazott földtanról általában Vízföldtani alapfogalmak Mérnökgeológiai alapok Környezetföldtani alapfogalmak
A földtani kutatás A földtani kutatás célja: tudományos módszerek segítségével felderítse a Föld és az élővilág történetét térben és időben, továbbá tisztázza a változások okait és kölcsönhatásait A földtani vizsgálódás tárgya: az anyag (ásványok, kőzetek, ősmaradványok), a külső (exogén) és belső (endogén) építő és pusztító folyamatok és jelenségek, a kialakított felszíni formák vizsgálata
A földtani tudományok
A földtani tudományok
A földtani tudományok
A földtani tudományok
Vízföldtani alapok A földi vízkészlet eredete A földi vízkészlet körforgása A felszín alatti vizek osztályozása Talajvíz Rétegvíz Karsztvíz hasadékvíz Források
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.
A víz körforgása
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
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
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.
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.
A nyílt tükrű talajvíz
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.
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).
Rétegvíz típusok Nyomásának a terepszinthez viszonyított helyzete alapján: nyugalmi vízszint a terepszint alatt akkor negatív, ellenkező esetben pozitív.
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
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
Karsztvíztípusok
Források Meghatározása: A felszín alatti vizek koncentrált természetes felszínre bukkanásait forrásoknak nevezzük, amelyeknek három eleme van: vízgyűjtő terület, vízszállító szakasz és a forráskilépés környezete.
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.
A forrás vízjárása wF=Qmax/Qmin 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
Mérnökgeológia alapok A mérnökgeológia (műszaki földtan) tárgya Mérnök petrográfia (mint anyag): szilárd kőzetek, átmeneti kőzetek, laza és kötött üledékek, különleges képződmények Geodinamika (mint folyamat): belső erők, és külső erők által kiváltott jelenségek, emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok
Mérnökgeológiai alapfogalmak Általános (elemző) földtan: az emberi létesítményektől független természeti tényezőkkel foglalkozik Műszaki földtan – mérnökgeológia – geotechnika: az emberi létesítmény és a természeti környezet kettőségét vizsgálja Létesítmény: mesterségesen kialakított tömeghiány (bevágás, üreg), tömegtöbblet (töltés, depó) vagy ezek kombinációja (település, lakótelep). Fajtájuk (pl. vonalas létesítmények, lakótelepek), fontosságuk (panelház, bicikli út) és a kapcsolódó feladatok összetettsége (völgyzárógát, híd) alapján csoportokba oszthatóak. Időbeliségük (az emberi beavatkozás sorrendisége) alapján: tervezés, kivitelezés, fenntartás, megszüntetés, rekultiváció. Természeti környezet: A földkéreg szűk, általában a létesítmények dimenziójával azonos nagyságrendű tartománya.
A mérnökgeológia vizsgálatok tárgya Mérnök petrográfia (mint anyag): szilárd kőzetek, átmeneti kőzetek, laza és kötött üledékek, különleges képződmények Geodinamika (mint folyamat): belső erők, és külső erők által kiváltott jelenségek, emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok
Fontosabb kőzetminősítő vizsgálatok Szilárd, összeálló kőzetek: nyomószilárdság (légszáraz, vízzel telített, kiszárított és fagyasztás után), kőzet-mállottsági fokozat, vízfelvétel, fagyállóság, stb. Laza kőzetek: * kőzetosztályozás, azonosítás céljára: szemcseeloszlás (háromszög diagram, egyenlőtlenségi együttható, hatékony szemcseátmérő), képlékenységi határok: WF, Wp, Ip (Ip=1–7 homokliszt, 7–15 iszap, 15–25 sovány agyag, 25 kövér agyag), fajsúly * fontosabb állapotjellemzők: víztartalom, relatív konzisztencia index (Ic1 száraz Ic1 nedves, porozitás, relatív tömörség, relatív nedvesség * tervezéseknél alapul szolgáló fizikai jellemzők: térfogatsúly - (terhelések számításánál), vízáteresztő-képesség - k (cm/sec), egyirányú és háromirányú nyomás, illetve nyírószilárdság vizsgálatnál f, c, ny (szabad rézsűk egyensúly vizsgálata, földnyomás, teherbírás)
Mérnökgeológiai folyamatok Az építmények állékonyságát befolyásoló földtani folyamatok, kiváltó okok szerint: Belső és külső földtani folyamatok Emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok
Belső és külső földtani folyamatok Belső földtani erőműködés hatása Lassú süllyedés, emelkedés, törések menti elmozdulás Földrengésveszély Külső földtani erők hatása Felszínmozgások (omlás, rogyás, suvadás, kúszás, csúszás, sár- és kőfolyás) Eróziós-deflációs folyamatok Térfogatváltozó agyag Szerves talajok és feltöltések Lösz, roskadás Építőkövek mállása Agresszív talajvíz Az emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok: A domborzat exkavációja (fejtése) Domborzat állékonyságának deformálása (veszélyeztetése) Mesterséges feltöltés Domborzat beépítése
A magyarországi felszínmozgások főbb típusai
Környezetföldtani alapok A környezetföldtan Meghatározása a kutatás fontosabb módszerei és mozgásterületei A talajok szerepe a környezetföldtanban: az emberi tevékenység hatása a talajra szennyezőanyag a talajban a talajok funkciói a környezetvédelemben Az agyagok szerepe a környezetföldtanban az agyagásványok felépítése környezetföldtani jelentősége Földtani érzékenység, sérülékenység, környezet-érzékenység, geokémiai gátak
Környezetföldtan Meghatározása * a geológia és a környezettudományok határterülete * fiatal tudomány, mely integrálja: az elemző és az alkalmazott földtan tudományágait * szerves részei: a geomorfológia, a vízföldtan és a mérnökgeológia tudományterületei * fontosabb társtudományai és kutatási módszerei: geofizika, geokémia, biokémia, mikrobiológia A környezetföldtani kutatás fontosabb módszerei: * komplex környezetföldtani állapotfelmérés (térképezés), különböző méretarányban * esettanulmányok elvégzése komplex in situ, laboratóriumi és modell módszerekkel
A környezetföldtan fontosabb mozgásterületei * tájak, körzetek, régiók környezetállapotának felmérése * települések fejlesztésének és területek rendezésének környezetföldtani megalapozása * vonalas létesítmények (utak, vasutak, alagutak) környezetföldtani kérdéseinek megoldása * mezőgazdasági területek környezeti problémái * a földtani természetvédelem megalapozása * a bányászat (külfejtés, mélyművelés, meddőhányók, rekultiváció) környezeti problémái * felszínalatti régió környezetföldtani állapota * hulladék elhelyezés (kommunális, veszélyes) környezetföldtani vonatkozásai * radioaktív hulladékok elhelyezésének környezetföldtani megalapozása * felszínalatti vizek és vízbázisok védelmének kérdései * limno-geológia (tavak, lápok, mocsarak, ún. wetland területek) * környezeti károk lokalizálása és elhárítása * felszínalatti üregek (pincék, barlangok, vágatok) megkutatása
A talajok szerepe a környezetföldtanban Az emberi tevékenység hatása a talajra A talaj termőképességének növelése, megőrzése vagy annak pusztulása végbemegy az ember közvetett vagy közvetlen ráhatásával. Közvetett hatás: az atmoszférán, a hidroszférán, a litoszférán és a bioszférán történő beavatkozás kapcsán. Közvetlen hatás: a művelt területek csökkentése a terület más irányú hasznosításával a talaj degradációjával (erózió, defláció, szikesedés, savanyodás, talajszennyezés, fizikai degradáció)
Szennyezőanyag a talajban Fajtái: szervetlen anyagok: toxikusak Pb, Cd, As szerves anyagok: illó és nem illó alifás és aromás CH (kerozin, gázolaj, benzol, poliaromás CH) és halogénezett szerves vegyületek (triklóretilén, penklóretilén, peszticidek) radioaktív anyagok: 137Cs és 90Sr
A szennyeződését befolyásoló tényezők a szennyezett csapadék mennyisége a domborzat (pl. a völgyek talpán fokozott felhalmozódás) a talaj szemcseösszetétele (pl. az agyag jobban megköti, adszorbeálja a radioaktív anyagokat) a talaj vízgazdálkodási sajátságai (pl. jó vízvezető-képességű talaj + nagy vízmennyiség => talajvízbemosás talajkémiai jellemzők (pl. Sr a Ca-hoz, a Cs a K-hoz hasonlóan viselkedik) ion adszorpció (pl. a radioaktív anyagok megkötődését csökkentik a Na, K, Ca, Mg ionok) kémhatás (pl. lúgos közegben csökken a Sr-felvétel (oldhatóság), mert rosszul oldódó SrCO3 keletkezik) agrokémia (pl. meszezéssel csökkenthető a Sr, kálium műtrágyázással a Cs oldhatósága)
A talajok funkciói a környezetvédelemben tárolás (szennyező anyagokat) elbontás és átalakítás (a szerves-anyagot) tompítás (sav, bázis) megkötés: tartósan a nagy molekulájú szerves-anyagot, korlátozottan a nehézfémeket, kevéssé a radioaktív szennyeződést, kicserélhetően kationokat, anionokat A talajok környezeti puffer képessége = az ásványi frakció (a szénsavas mész és az agyagásvány) + a humusz puffer-kapacitása homokhátak talajai alacsony pufferképességűek löszhátak csernozjom talajai közepesek erdőtalajok, réti és szikes talajok pufferképessége összetett
Az agyagok szerepe a környezetföldtanban Az agyagásványok felépítése • az agyagok a rétegszilikátok csoportjába tartoznak • a SiO4 – tetraéder egyik pólusa szabad, ezzel kötődnek össze más rétegekkel, illetve más elemmel (pl. Al). Ezek összeépülve rétegeket alkotnak. • A töltésfeleslegek kiegyenlítésére kationok és vízmolekulák lépnek be. • Az agyagásványok legtöbbször keverednek egymással. Ez a keveredés lehet valamilyen szabály szerint vagy kaotikusan.
Az agyagásványok környezetföldtani jelentősége • a rétegek közötti tér • a térben előforduló víz és kationok minősége és mennyisége befolyásolja az agyag fizikai tulajdonságait. Molekuláris és pórusvíz jelenléte esetén szilárd vizsgálati rendszerről beszélünk, ha az agyag van a vízben, akkor kolloidális rendszerről. • Az agyagásványokon adszorbeálódott kationok és vizek helyzete: — a rácsok alkotta rétegek lapjain — a rétegek közötti térben — a rétegek szabad végeinél • Ionok liotrop sora (relatív kicserélhetőségi sorrend): Li, Na, K, Mg, Cu, Co, Mn, Cd, Ca, Hg, Pb, Al, Fe (a könnyen lecserélhetőtől az egyre nehezebben lecserélhető felé) • A szerves anyagok hasonlóképpen be tudnak épülni a rácsok közé
A földtani érzékenység alapjai földtani érzékenység (s.l.) érzékenység (s.str.) - sensibility migrációs érzékenység (lehetővé teszi a szennyeződés továbbterjedését) akkumulációs érzékenység (felhalmozza a szennyeződést) => CTB effect (chemical time bombs) a migrációs és az akkumulációs érzékenység szelektív a szennyező anyag tulajdonságai szerint, ezért kisegítő értékeket használunk (a kőzettest vízvezető-képessége, „k”–tényező)
A földtani érzékenység alapjai földtani érzékenység (s.l.) a sebezhetőség - sérülékenység térbeli helyzet alapján értelmezhető (a fedőhöz, illetve a többi földtani alakzathoz képest) kiegészítendő a hidrodinamikai hatásokkal a sebezhetőség időben is változik, főleg antropogén hatásokra a sebezhetőség kiterjeszthető a mélységi víztartókra is a kőzettestek belső tulajdonságaiban bekövetkező változások is módosítják a sebezhetőséget
A környezetérzékenység tradicionális szemlélet: a földtani adottságokból levezetett kategóriák a "potenciális, pontszerű szennyeződésforrásból kiinduló konvektív anyagmozgás a folyadékfázisban, a talajvíz felé" elvet veszi figyelembe geokémiai szemlélet: figyelembe veszi a vezető közeg anyaga és a mozgó szennyezők kölcsönhatását is (pl. adszorbció, fiziko-kémiai tényezők szennyezés visszatartó hatása)
A geokémiai környezetérzékenységi szemlélet mozgástere a folyadékmozgás (=anyagáram) és a terjedési közeg (=geokémiai tér) kölcsönhatása. Pl.: szerves/szervetlen szennyezők stabilitása, illetve mobilitása a változó ásvány-kőzettani, fizikai-kémiai és liotológiai adottságok közepette. A tradicionális tényezők mellett fontos: pH és Eh, melyek befolyásolják a geokémiai gátak (csapdák) kialakulását. az anyagforgalom, terjedést alapvetően befolyásoló, tradicionális tényezők: térszíni helyzet, morfológia, földtan, vízföldtani viszonyok. a szennyeződési pontok és a víztartó közötti talaj és mállási szelvény.
A környezeti elemek (közegek) szennyeződésérzékenysége A környezeti elemek (közegek) szennyeződésérzékenysége az érzékenység meghatározó tényezőkön keresztül értékelhető, kategorizálható, illetve szennyező-anyagok szerint specifikálható. * környezeti elemek (közegek) felszínalatti és felszíni vizek a víztartó üledékek, alluviális, illetve mederüledékek a talaj, illetve mállási szelvény (mint telítetlen zóna) bioszféra a mesterséges környezeti alakzatok * érzékenység-meghatározó tényezők kémhatás (pH) – a talajtani normák redoxipotenciál (Eh) Eh = f (pH) diagramok => geokémiai gátak a térszín morfológiája (befolyásolja a beszivárgás és a lefolyás arányát, a felszíni szennyeződés terjedését)
A geokémiai gátak Geokémiai gátak (csapdák) meghatározása: amely mellett az elemek mobilitása csökken és immobilis formában koncentrálódik Geokémiai gátak típusai: savas/bázisos geokémiai gát (karbonátos térszín/tőzeges terület => savanyú talaj/lúgos aljzatkőzet) oxidatív/reduktív geokémiai gátak (a lejtők oxidatív és a völgy reduktív felszíni, illetve felszínalatti anyagáramának találkozásánál) adszorpciós geokémiai gátak (a szemcseméret finomodása => a szivárgási tényező csökkenése és a fajlagos felület növekedése (adszorpció) szulfátos geokémiai csapda (szulfidos ásványok oxidatív közegben => savas oldat, mely kicsapja a Ca, Ba, Pb, Sr) potenciális geokémiai csapda (pl. karbonátos, egyveretű mállási szelvény => savas eső, antropogén savas behatás => pufferkapacitás)