Stabilizotóp-geokémia III

Az előadások a következő témára: "Stabilizotóp-geokémia III"— Előadás másolata:

1 Stabilizotóp-geokémia III
Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet

2 Vízkörforgás

3

4 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

5 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

6 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

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

8 Kontinentális hatás d18O

9 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.

10

11 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

12 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.)

13 Hőmérsékleti hatás (folyt.)

14 Hőmérsékleti hatás (folyt.)

15 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?

16 Rayleigh frakcionáció (desztilláció)
nyár tél

17 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

18 Hőmérsékleti hatás (folyt.)

19 Jég fúrómagok, GISP2 fúráshely 13 és 15

20 Jég fúró-magok, GISP2 Jég-kor-szak

21 Jég-fúrómagok Kanada Grönland Antarktisz

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

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

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

25 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)

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

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

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

29 Párolgási vonal: Csepel-sziget

30

31 Párolgás közelről

32 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

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

34 Eltérő izotópos vízvonalak

35 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

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

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

38

39 Elérési zónák

40

41

42

43

44 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

45 Hogyan lehet számolni a d értékekkel?
Mint egy koncentrációval?

46 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‰

47 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

48 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?

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

50 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?

51 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‰

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

53 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): Dehidrációs vagy metamorf víz; diagenetikus víz

54

55

56

57 Hévizek d18O érték eltolódása

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

59 Vízáramlási pályák

60 További példák