Az Alföld rétegvizeinek eredete, utánpótlódása vízkormeghatározások. alapján. Dr. Deák József. geofizikus, hidrogeológus Ph.D

Átírás

1 Az Alföld rétegvizeinek eredete, utánpótlódása vízkormeghatározások alapján Dr. Deák József geofizikus, hidrogeológus Ph.D GWIS (Ground Water Isotope Studies) Kft. VIZEK KUTATÁSA IZOTÓPOS MÓDSZEREKKEL AZ MTA ATOMKIBAN Workshop Debrecen, 2013.május 17.

2 Felszín alatti vizek kora: a víz felszín alá kerülése óta eltelt idő

3 Az egységmedence és a felszín alatti vizek áramlási képe (Tóth 1984) v = s/ t A beáramlási területen beszivárgott rétegvíz kora fokozatosan nő az áramlási pályák mentés a kiáramlási területek felé

4 Az izotóphidrológiai vizsgálatok szerepe, jelentősége Az utóbbi negyven évben végzett v izotóphidrol phidrológiai kutatások lehetővé teszik a koncepcionális modellek ellenőrz rzését, illetve számszer mszerűsítését. t.

5 Radiokarbon ( 14 C) víz-kormeghatározás év v közötti k vízkorok v vertikális és s rétegirr tegirányú vízáramlási sebességek regionális szivárg rgási tényezt nyezők becslése se

6 A felszín alatti vizek 14 C kormeghatározásának alapja a radioaktív bomlás egyenlete: ahol A = A 0 * e - t A a vízmintában mért 14 C koncentráció [pmc] A 0 a kiindulási 14 C koncentráció [pmc] a 14 C bomlási állandója; = 1,2 *10-4 [év] -1 t a beszivárgás óta eltelt idő [év]

7 Stabil vízizotv zizotóp p arányok ( (, 18 O) beszivárgáskori klíma becslése se jégkorszaki eredetű felszín n alatti vizek kimutatása 14 C vízkorok v kontrollja

8 Az Alföld rétegvíz áramlási rendszerei

9 Az Alföld vízföldtani felépítése (Alföldi L.)

10 Koncepcionális modellek az alföldi rétegvíz áramlási rendszerek működésére gravitációs vezérlésű rétegvíz áramlási rendszerek (Tóth J.) a rétegvr tegvíz áramlást a víztermelés indította el, természetes állapotban nem volt vízmozgás (küszöb-gradiens!) a rétegvizek túlnyomó része nagyobb mélységből feláramló vízből származik

11 Az alföldi ldi rétegvr tegvíz áramlási rendszerek koncepcionális modelljét Erdélyi M. (1972) készk szítette el. Az áramlási régiók jellegét a következők jelzik nyomásviszonyok a víz vegyi összetétele geotermális viszonyok természetes izotópok

12 A m mélységű rétegvíz eredeti nyomásszintje [mbf] (Erdélyi 1972) és a felszíni domborzat összefüggése A talajvíz és a m mélységű rétegvíz eredeti nyomásszintjének különbsége

13 A regionális rétegvíz áramlási rendszerek utánpótlási és megcsapolási területei

14 Az Erdélyi által szerkesztett vízföldtani szelvény nyomvonala

15 Az Alföld regionális rétegvíz áramlási rendszereinek koncepcionális modellje (Erdélyi M.)

16 Az Erdélyi féle modell verifikálása izotóp adatokkal A rendelkezésre álló több mint ezer izotóphidrol phidrológiai adat bizonyítja a modell érvényességét.

17 Legfontosabb alapelv: az izotóp (és vízkémiai) adatokból nem vonhatók le közvetlenül vízföldtani következtetések, csupán a koncepcionális és/vagy számítógépes modellek verifikálására ra alkalmasak.

18 A koncepcionális/matematikai modellekhez hozzárendelhet rendelhető egy számított (elméleti) leti) izotóp p eloszlás, s, amelyet összevethetünk a mért m izotóp adatokkal. Cél: a számított és mért izotóp adatok eltérésének csökkentése a modell paraméterek és/vagy a határfeltételek változtatásával.

19 Az alsó-pleisztoc pleisztocén rétegvizek radiokarbon kora

20 14 C vízkorok v változv ltozása egy regionális áramlási pálya p mentén n (Duna-Tisza köze) k

21 Rétegvíz áramlási irányok Székely F. modellezése (2004) szerint 14 C vízkorok

22 Felszín alatti vizeink 14 C korának verifikálása az Alföldön, stabil izotóp arányok ( 2 H és 18 O) alapján

23 A paleoklíma változása a csapadék és a tengervíz 18 O idősora alapján (IAEA 2008)

24 A magyarországi csapadék hőmérsékletváltozás alapján a 18 O = 0,42 * T( o C) 13,5 [ ] képlettel becsült 18 O idősora -8-9 annual mean d18o of precipitation years before present

25 Az alsó-pleisztoc pleisztocén n rétegvizek r 18 O izotópar paránya

26 A modell adatainak számszerűsítése A víz v z kormeghatároz rozások alapján becsülhet lhető paraméterek: beszivárg rgás le- és s feláraml ramlási sebesség rétegirányú áramlási sebesség

27 Beszivárgás Miskolci Egyetem ATOMKI GWIS Kft együttm ttműködés. IAEA CRP és s TÁMOP T program keretében. Módszer: természetes nyomjelzők k (trícium, 3 He, 36 Cl, CFC, SF 6, vízkv zkémia) vertikális rétegződéséből l leszivárg rgási sebessége alapján n kalibrált lt beszivárg rgási modellek.

28 Első eredmény: Méntelek (volt VITUKI, Komlósi telep) a beszivárgás 53 mm/év

29 Vertikális le- és s feláraml ramlási sebesség, és szivárg rgási tényezt nyező becslése se izotóp p adatok felhasználásával

30 t 0 t 1 t 2 felszín t 0 t 1 t h v 2 2 z = (z 2 z 0 )/(t 2 t 0 ) = z/ t h 1 felszín v z2 = (z 2 z 1 )/(t 2 -t 1 ) V Z1 h 0 h 1 h 2 talajvíz Z 0 Z 1 h 0 talajvíz Darcy: q = k*i ahol q = v*n V k = v*n/i Z1 k z = n*v z /I z I z = h/ z k z = n*( z/ t)/( h/ z) V Z V Z2 V Z k z = n*( z) 2 /( h* t) V Z2 Z 2

31 Z 0 Regionális feláramlási területeken Z 1 Z 2

32 A vertikális rétegvíz áramlás sebessége a pleisztocén rétegösszletben 14 C vízkorok alapján

33 Rétegirányú áramlás az alsó-pleisztocén rétegekben

34

35 A vízkorok alapján becsült átlagos regionális áramlási sebességek és szivárgási tényezők az Alföld pleisztocén rétegösszletében v z k z k z v h k h k h [m/év] [m/nap nap] [m/s] [m/év] [m/nap nap] [m/s] * * ,5 4 4,6 * * 103

36 Probléma Az Alföld ld legmélyebb lyebb területein (Nagykunság, g, BékésiB si-süllyedék) találhat lható,, több t mint 30 ezer éves rétegvizek (a pleisztocén n rétegekben r is) anomálisan nagy hélium h tartalma rendkívül l idős s vízkorra v utal.

37 14 C vízkor Hélium anomália Stabil szénizotóp ( 13 C) Nátrium tartalom

38 Ezen a területen a kiugróan negatív v stabil szénizot nizotóp összetétel tel (szerves eredetű CO 2 ), valamint a kémiai k anomáli liák k miatt valósz színűsíthető a nagy mélységből feláramló rétegvíz uralkodó jellege.

39 Az Alföld regionális rétegvíz áramlási rendszereinek koncepcionális modellje (Erdélyi M.)

40 Összefoglalás Az izotóphidrol phidrológiai vizsgálatok igazolták az Alföld ldön n a gravitáci ciós s vezérl rlésű regionális rétegvr tegvíz áramlási rendszerek működését A vízkor v adatok alapján n becsült áramlási sebesség és s szivárg rgási tényezt nyező adatok hasznos informáci ciókat adnak az áramlási modellek kalibrálásához

41 Köszönöm a figyelmet!

42

43

44 A környezeti izotóp adatok eloszlása a Fehérgyarmat- Debrecen-Kisújszállás szelvény mentén

45

46 Várható vízkor- 18 O összefüggés a hazai felszín alatti vizekre

47

48

49

50

51 Friss víz v z hozzákevered keveredés A verifikált modell szerint az alföldi ldi rétegvizek védettek, v ezért méternél l mélyebb m kutak vizében nem szabadna mérhetm rhető (>0,5 TU) tríciumot találni. lni. Ennek ellenére több, t m mély kútban k is mértm rtünk hátth ttér r feletti trícium tartalmat. Ebből l nagyon fontos vízföldtani következtetk vetkeztetések vonhatók k le, elsősorban sorban a rétegvizek r védettsv dettségére vonatkozóan. an.

52 A messzemenő következtetések levonása előtt azonban meg kell vizsgálni a mintavétel/m tel/mérés s megbízhat zhatóságát, t, illetve a kút k t műszaki m állapotát. t.

53 A rendelkezésre álló több ezer izotóphidrol phidrológiai adat összegyűjtése és feldolgozása folyamatban van. Újabb adatokkal törtt rténő kiegész szítését és együttes értékelését esetleg matematikai modell verifikálását OTKA pályázat keretében tervezzük k elvégezni.

54 Az Alföld ld hidrogeológia gia felépítése Az Alföld ld egy nagy üledékes medence, amely a harmad- és s negyedkorban alakult ki. A pannóniai niai rétegr tegösszletben találhat lható termálvizes víztartót egy gyakorlatilag vízzv zzáró réteg választja v el a felette lévől negyedkori rétegekben r kialakult hidegvizes rétegvíz áramlási rendszerektől Az intenzív v ivóvíz z termelés s főf forrása az alsó quarter rétegekben tárolt t rétegvr tegvíz

55 Az Alföld regionális rétegvíz áramlási rendszereinek koncepcionális modellje (Erdélyi M.)

56

57 A vízföldtani kutatások során leggyakrabban vizsgált környezeti izotópok: Trícium ( 3 H) 50 évnél l fiatalabb felszín n alatti víz v z (ill.( ilyen komponens) kimutatása, vízbv zbázisok zisok védettsége Felszín n közeli k vízáramlv ramlási sebességek számítása sa Beszivárg rgás s becslése se

58 13 C) Stabil szénizot nizotóp p arány ( ( 13 C) 14 C vízkorok korrekciója Mélységi széndioxid eredete Édesvízi mészkm szkő eredete, kiválási hőmérséklete

59 3 He/ 4 He izotóp p arány Földköpeny eredetű komponens Mélyrehatoló törésvonalak 1945 után n beszivárgott vizek korának meghatároz rozása ( 3 H/ 3 He)

60 Stabil nitrogén n izotóp p arány ( 15 N) A vízben oldott nitrát t eredete (szerves vagy szervetlen) Ammónium eredete (természetes vagy mezőgazdas gazdasági gi szennyezés) s)

61 36 Cl Nagyon idős s vizek korának becslése se 1945 után n beszivárgott víz v z kimutatása

62 egyéb nyomjelzők Nemesgázok (Ne, Ar, Kr, He, Xe) beszivárg rgáskori hőmérséklet Rn: mély m törésvonalak, t vízkeveredv zkeveredés Hélium: vízkor v becslése se Freonok (CFC-k) ovízkor becslése se o Friss komponens kimutatása

63 Lajosmizsei rétegvizek

64 A Primavera és a Mizse kutakhoz a rétegvíz átlagosan 30 mm/év vertikális sebességgel áramlik a talajvíz irányából. Ennél lényegesen kisebb (mindössze 6 mm/év) a Zafir kúthoz továbbáramló rétegvíz sebessége. Ez arra utal, hogy a m mélységbe leszivárgott rétegvíz nagyobb része a Zafír és a Mizse kutak között lévő, rossz vízvezető réteg miatt - nem lefelé folytatja útját, hanem oldalirányban eláramlik a területről.

65 Látszólagos ellentmondás A beszivárg rgás s becslése se trícium profil alapján n (Duna-Tisza közi k hátsh tság): mm/év A vertikális rétegvr tegvíz áramlás s a pleisztocén n rétegr tegösszletben ( 14 C vízkorok v alapján): mm/év

66 A lokális lis áramlások szerepe a Duna-Tisza közi k hátságon

67 Az Alföld regionális rétegvíz áramlási rendszereinek koncepcionális modellje (Erdélyi M.)??

68 A talajvíz-rétegvíz keveredés elvi modellje

69

70 A radioaktív v bomlás s folyamata

71 18 O térkép bizonyítja a vízkor adatok megbízhatóságát; a holocénben beszivárgott rétegvizek ( 18 O > - 10,5 %o) az utánpótlódási területeken találhatók, ahol a vízkorok a legfiatalabbak (<tízezer év) ugyanakkor a jégkorszakban beszivárgott rétegvizek ( 18 O = -11 to -14 %o) az idős vízkorral jellemezhető megcsapolási területeken találhatók

72 Köszönöm a figyelmet!