Karsztfejlődési modell

Új irányzat a felszínalaktanban (XX. közepétől) kvalitatív földrajz (leírások, jellemzések) kvantitatív forradalom: mennyiségi jellemzések, fizikai magyarázatok morfometria számítógépes szimuláció céljai: absztrakt „játék” (matematikai gondolkodásmód) természetleírás egy módja (fizikai gondolkodásmód) emberi beavatkozások hatásának elemzése (meddőhányó tervezése, erdőirtás hatása,...) (mérnöki gondolkodásmód) globális modellek eleme (megageomorfológia, klímaváltozás) oktatás (folyamatok képszerű, „átélt” megértését segíti) tudományos hipotézisek vizsgálata

Karsztfejlődési elméletek I. Mindenki: kőzettani, szerkezeti alapok Grund (1914): davisi ciklustan alkalmazása a karsztokra folyamatos fejlődési sor: töbrös karszt cockpit karszt fengcong fenglin korróziós síkság Lehmann, Jakucs, Balázs: Klimatikus geomorfológiai keret az eltérő formakincs oka alapvetően az éghajlat!!! (corbeli tévedés) újabb kiemelkedés megfiatalodás policiklikus fejlődés lehet poligenetikus

Karsztfejlődési elméletek II. Bárány-Kevei, Zámbó, Pfeffer: karsztökológiai rendszer légkör (makro-, mikroklíma) talaj (víz elosztása, CO2-termelés) törmelékes zóna Ford-Williams: hidrológiai megközelítés vízvezető járatok, barlangok fejlődése Jakucs, Hevesi:karsztos - nem karsztos környezet viszonya önálló (autogén) - nem önálló (allogén) karsztok Smith, Brook, Kirkby, Dreybrodt, Palmer, Szunyogh, Péntek: matematikai modellek (fizikai, kémiai alapokon) Ahnert-Williams: számítógépes szimuláció

A karsztos felszínfejlődési modell térbeli szerkezete CB

A modellben számításbavett folyamatok 1. Csapadékhullás 2. Evapotranszspiráció 3. Beszivárgás a talajba 4. Beszivárgás az alapkőzetbe 5. Karsztos oldás 6. Lefolyás 7. Erózió és akkumuláció 8. Szivárgás a talajban 9. Lejtős tömegmozgások

A modell folyamatábrája lefolyási (rövid) időlépték(DtS) ~ min szivárgási (közepes) időlépték (DtM) ~ 10 min geomorfológiai (hosszú) időlépték(DtL) ~ 1000 év

Szivárgás modellezése

Talaj beszivárgási képességének változása (Horton-modell)

Talajba beszivárgó vízmennyiség fogyása az evapotranszspiráció miatt

Járatkitöltöttségi index hatása a kőzet beszivárgási képességének időbeli alakulására Szomszédokra is hat: DICB(szomszéd(x,y)) = kIN · DICB(x,y)

Oldat koncentrációja az idő függvényében C: koncentráció (feloldott CaCO3-ra számítva, mg/l); A’: vízzel érintkező kőzetfelület (m2); V: víz térfogata (mm·m2); kc: reakció együtthatója (); nc: reakció rendje (dimenzió nélkül); Ceq: egyensúlyi koncentráció (mg/l)

Talaj alatti egyensúlyi koncentráció függése a hőmérséklettől

Egyensúlyi koncentráció függése a kitettségtől

Egyéb folyamatok Lefolyás: legnagyobb meredekség irányába, sebessége: Erózió és akkumuláció: csak a regolitot képes elmozdítani, a szálkőzetet nem DHe=ke·Qm·(tg a)n Lejtős tömegmozgások (derázió): DHd=kd·sin a Tektonika dH dl

Kezdeti feltételek és folyamatszabályozók beállítása: Egy konkrét töbörfejlődési szimuláció elemzése Kezdeti feltételek és folyamatszabályozók beállítása: Véletlenszerűen megadott "hullámos" felszín 1 km x 1 km-es terület; 20 m-es felbontás Egyenletes vastagságú talajtakaró (1 m) Egyenletes kőzet beszivárgási képesség (0,05 mm/min) Talaj kezdeti beszivárgási képessége (1 mm/min) Csapadék: 1000 mm/év Egyensúlyi koncentráció: 300±150 mg/l (talaj alatt); 100 mg/l (nyílt) Az oldásos lepusztulás nagyságrendje az eróziós, deráziós folyamatok nagységrendjét sokszorosan meghaladja A vízszintes szivárgási együttható többszöröse a függőlegesnek, hogy a cellák közti oldalirányú szivárgás számottevő legyen 400.000 éves felszínfejlődés

Kezdeti felszín és a szimuláció végeredménye

Észak-déli irányú keresztszelvény kezdeti és végállapota

Észak-déli irányú keresztszelvény változása 500 éves felbontással

Töbrök fejlődése a szimuláció során

Morfometriai jellemzők a szimuláció során

Töbörsűrűség időbeli változásai

Töbörsűrűség és átlagos alapterület kapcsolata

Töbörsűrűség és átlagos alapterület kapcsolata, aggteleki mérési eredményekkel kiegészítve

Felszínfejlődési idősorok OLDÁS BESZIVÁRGOTT VIZ LEPUSZTULÁS KITAKARÓZOTT TERÜLET DERÁZIÓ Felszínfejlődési idősorok (0-400.000 év) ERÓZIÓ

Lepusztulási térképek a, lepusztulási ütem a 25.000 évi és a 10.000 évi domborzat különbsége alapján b, lepusztulási ütem a 45.000 évi és a 25.000 évi domborzat különbsége alapján

Oldásos lepusztulás és a beszivárgott vízmennyiség összefüggése

Következtetések I. 0. A modell segítségével számos terepi tapasztalat, vizsgálat igazolható, értelmezhető. I. Felszínalaktani jellegű következtetések: A töbrök alján felhalmozódó üledékes kitöltésben végbemenő oldalirányú szivárgás a beszivárgó vízmennyiséget egyenletesebben osztja el, ezzel járul hozzá a dolinák szélesedéséhez, "tányérosodásához” A lejtős tömegmozgások a túl meredekké váló töbör-oldallejtők ellankásításával segítik a mélyedések tágulását. A felszínfejlődés kezdeti szakaszát leszámítva a töbörsűrűség enyhe, fokozatos csökkenést mutat, ami a töbrök összenövésére vezethető vissza. Az összenövéssel párhuzamosan az égtáji kitettségnek köszönhető aszimmetrikus lepusztulás miatt a töbrök "hátravágódnak" észak felé. A töbör hossztengely irányok alapvetően a kiindulási domborzat jellemző DNy-ÉK-i irányát tükrözik („átöröklődés”), a kitettség szerinti aszimmetria hatása ebben nem mutatkozik meg.

Következtetések II. II. Felszínfejlődés dinamikájára vonatkozó következtetések A külső feltételek (csapadék, egyensúlyi koncentráció, stb.) változatlansága ellenére önszabályozó ritmusok (töbör-mélyülési és szélesedési szakaszok) alakulnak ki a karsztfejlődés során. Az önszabályozás a domborzat, a talajtakaró és a beszivárgási képesség időbeli változásával összefüggő pozitív és negatív visszacsatolások révén valósul meg. A szimulációs idősorok segítségével jól nyomon követhető, hogy a kitakarózás milyen alapvető, többszöri áttételen keresztül is érvényesülő változásokat idézhet elő a felszínfejlődés folyamatában. Az oldásos lepusztulást döntő mértékben a beszivárgott vízmennyiség határozza meg, azonban az egész terület átlagos egyensúlyi koncentrációjának hosszútávú változásai ezt „cifrázzák”.

Fennsíkperem oldásos fejlődése

Szerkezet hatása a karrfejlődésre

Domborzat hatása a karrfejlődésre

Kúpkarsztos fejlődési sor Feltételek: Sok (évi 3000 mm) és intenzív csapadék Korróziós bázisszint Inkább függőleges irányú szivárgás