A VOLT ÉPÍTŐIPARI ÉS KÖZLEKEDÉSI MŰSZAKI EGYETEM JÓSVAFÓI PAPP FERENC KARSZTKUTATÓ ÁLLOMÁSÁNAK TÖRTÉNETE ÉS EREDMÉNYEI MAUCHA LÁSZLÓ

Átírás

1 NME Közleményei, Miskolc, I. Sorozat, Bányászat, 33(1986) kötet, 1-4. füzet, A VOLT ÉPÍTŐIPARI ÉS KÖZLEKEDÉSI MŰSZAKI EGYETEM JÓSVAFÓI PAPP FERENC KARSZTKUTATÓ ÁLLOMÁSÁNAK TÖRTÉNETE ÉS EREDMÉNYEI MAUCHA LÁSZLÓ Összefoglalás A kutatóállomást 1957-ben létesítették dr. Papp Ferenc kezdeményezésére, aki az Aggtelekikarsztvidék klimatológiai, hidrológiai, ásvány-és kőzettani kutatását, valamint a karsztfolyamatok és kölcsönhatásainak részletes vizsgálatát tűzte ki az állomás feladatául. A kutatások a szilárd, a folyékony és a légnemű fázis vizsgálatára egyaránt kiterjedtek. A kutatóállomáson dolgozók tollából összesen 83 publikációjelent meg. A dolgozat a legfontosabb eredmények vázlatos összefoglalását adja meg. A Kutatóállomási; 1957-ben a Budapesti Műszaki Egyetem létesítette, Dr. Papp Ferenc - az Ásvány és Földtani Tanszék professzora kezdeményezésére, aki az Aggtelekikarsztvidék klimatológiai, hidrológiai és ásványkőzettani kutatását, valamint a karsztfolyamatok és kölcsönhatásainak részletes vizsgálatát tűzte ki az állomás feladatául. Az első tíz évben a Kutatóállomás mérőhálózata a Vass Imre-barlangra és a Jósvafő környéki területre terjedt ki. Dr. Papp Ferenc prof. felkérésére az Országos Meteorológiai Intézet 1957-ben létesített felszíni klimaállomást a kutatóház mellett ben indult meg a Kistohonya-forrás vízhozamának, hőfokának, vízellenállásának naponkénti mérése, MAUCHA LÁSZLÓ tudományos munkatárs V1TUKI, Budapest Kvassay J. u. 1. Kézirat beérkezett: júl

2 valamint a rendszeres hósűrűség-mérés. A műegyetemi barlangkutató csoport ugyanebben az évben távmérő berendezést helyezett üzembe az állomáson a Vass Imre-barlangi mikroklíma és csepegeshozam napi háromszori mérése céljából tól kezdődően megindult a környező források időszakos mennyiségi és minőségi vizsgálata is ben a műszerkertben párolgásmérő kádak telepítésére került sor tól kezdve Jósvafő környékén a VITUKI közreműködésével sorozatban épültek ki a források bukógátjai és műszeres mérőhelyei a folyamatos vízhozammérés és a hetenkénti vízhőfok és vízellenállás mérések céljából ben indikátor-órás mérőhely, 1967-ben elektromos távmérőberendezés épült a Vass Imre-barlangban a kőzet-árapály megfigyelésére. A kutatási eredmények összefoglalása Az eredeti célkitűzésnek megfelelően a kutatások alapján sikerült olyan átfogó munkahipotézist kialakítani a lehetséges karsztfolyamatok összességéről, amely logikai alapul szolgál azok feltárására. Az új munkahipotézis kiindulópontja abból az egyszerű meggondolásból származik, hogy a föld felszínén lejátszódó természeti folyamatok az összes jelenlévő, de különböző fejlettségű anyagi rendszerek kölcsönhatásaiból származnak és a kölcsönhatások minden lehetséges relációban érvényesülnek. A karbonátos kőzetek, a felszíni és földalatti törmelékes karsztüledékek és a barlangi ásványos kitöltések a karszt szilárd-fázisának tekinthetők. Az oldott kőzeteket és ásványokat tartalmazó karsztvíz képviseli a folyékony-fázist, a kalcium, magnézium aeroszoltartalmú barlangi levegő képviseli a légnemű-fázist. Feltétlenül fontos szerepet játszik még a karsztban a földalatti élővilág és az egész földre ható fizikai sugárzások és erőterek anyagi rendszere. E rendszerek bonyolult kölcsönhatásaiból származtathatók a jelenlegi karsztfolyamatok. A szilárd-fázis vizsgálata A Kutatóállomás környékének földtani felépítése részletes feltárása céljából ben 1: méretarányú kőzettani térkép készült a Haragistyai-fennsík és a Nagyoldali-fennsík területéről. Ennek során kimutatták, hogy a mészkő és a dolomit között mindenfajta kémiai átmenet megtalálható a középső triász képződmények sorában. Meghatározták a kőzetcsoport redőzöttségét és a redőtengelyek irányát is. Jósvafő környékének dolinakitöltő és barlangi karsztüledékeinek genetikai vizsgálata 1962-ben arra az eredményre vezetett, hogy ezek a vörös és vörös-barna agyagok részben a középsőtriász mészkövek oldási maradványából, részben reszilifikálódott bauxitos üledékekből, valamint vulkáni tufákból, löszből és mai talajok szervesanyag-tartalmából tevődnek össze. A széles skálájú keveredés oka a karsztos tönkösödéssel együttjáró - földtanilag is hosszú ideig tartó - üledék felhalmozódás, speciális típusú karsztos üledékmegőrzés és folytonos áthalmozódás. E képződmények kora egyértelműen nem határozható meg, csupán azt állíthatjuk, hogy ezek a képződmények a krétától máig terjedő időszak poligén eredetű homogenizálódott termékei. 266

3 Ásványtani vonatkozásban is új eredményt értek el az állomás munkatársai a barlangi argonit kalcittá való átalakulásának vizsgálatában. Részletes munkával sikerült kimutatni a hideg és hévízből kivált pizolitok jellemző összetételbeli különbségeit. Kiderült, hogy a nagyobb aragonit-tartalmú pizolitok Sr-ion-tartalma általában nagyobb, illetve Mg-iontartalma általában kisebb, mint a kalcitpizolitoké. Az aragonit meghatározások során észlelt bizonytalanságok miatt külön ellenőrző vizsgálatok folytak az aragonit kimutatására szolgáló reakciók mechanizmusára vonatkozóan. A folyékony karsztfázis szilárd fázisra való hatásának megismerésére szolgált a primer sztalaktitok átlagos növekedési sebességének meghatározása a vízhozam és a vízkeménység függvényében. A heliktit-képződés tanulmányozása is új eredményekre vezetett. Fény derült arra, hogy két fő tipus különíthető el: Belső kapillárist tartalmazó, általában görbe heliktitek képviselik az egyik típust. Kapilláris nélküli tűszerű képződmények képviselik a másik típust. A tűszerű képződmények képződési mechanizmusát a légnemű-fázis szilárd fázisra való hatásából sikerült levezetni. Sikerrel lehetett alkalmazni a zúzmaraképződés analógiáját ezekre a típusokra, tekintetbevéve a barlangi levegő kalcium-aerosol-tartalmát. A Kutatóállomás cseppkőszíneződési vizsgálatai a fekete bevonatok eredetére vonatkozóan megerősítették azt a korábbi nézetet, hogy ezek a bevonatok mangán- és vasbaktériumok élettevékenységével állnak kapcsolatban, vagyis az élővilágnak a szilárd fázissal való kölcsönhatását reprezentálják. A sárga és sárgás-barna színű cseppkőkérgek vizsgálata arra az eredményre vezetett, hogy a vas- és mangántartalom kiválása oxidatív zónákhoz van kötve, tehát a szellőzött tág járatrendszerek térségeihez. A vizzel teljesen kitöltött szűk járatrendszerek térsége a karsztban viszont reduktív-zónának tekinthető, ahol a vas- és mangán-ionok oldatban maradnak. A primer sztalaktitok azért szineződésmentesek, mert a reduktív zóna vizéből válnak ki. A folyékony fázis vizsgálatának eredményeinél fogjuk összefoglalni a karsztvízszint árapály-jelenségeinek kimutatását. E jelenség mechanizmusának vizsgálata tisztázta a földi gravitációs erőtér luniszoláris változásának hatását a szilárd-karsztfázisra ben a Vass Imre-barlangi mérések alapján az állomás munkatársai kimutatták, hogy a karsztvízszint árapály-jellen ségének közvetlen oka a függőleges törések keresztiránya dilatációja (liloklázis fluktuáció), melynek periódus ideje 12 óra, átlagos amplitúdója naponta fél mikrométer. A tér három irányában végzett mérések során az alábbiakat figyelték meg: Az É-D-i irányú törésmenti barlangfolyosóban kialakított mérőhelyen a barlang Ny-i és K-i falát alkotó kőzetblokkok vízszintes és függőleges értelmű relatív nyíró elmozdulásaiban csak elmosódottan jelentkezik az árapály ingadozás hatása. Ezzel ellentétben a mozgásokban erőteljesen érvényesül a karsztvízszint-ingadozás kőzetblokk meg- és leterhelő hatása, vagyis a kőzet-víz kölcsönhatás mindkét irányban érvényesül. A vizsgált törés mentén áthaladó földrengés-hullámok, valamint a barlang felett áthaladó légnyomásfrontok szélső esetben mindhárom térirányban 2-5 mikrométeres ugrásszerű és maradó mikrotektonikus változásokat is okozhatnak. A Kutatóállomás szilárd-fázis módszertani eredményei az alábbiak voltak: 267

4 Új módszereket dolgoztak ki az állomáson a barlangok összehasonlító forrásvizsgálattal való kimutatására, a barlangok és zsombolyok fotogrammetrikus keresztszelvényezésére, a barlangok ásványkőzettani viszonyainak számszerű jellemzésére, a sztalaktitok és heliktitek növekedésének egzakt mérésére, valamint a karsztos litoklázis fluktuáció helyszíni és távmérésére. Az Állomás műegyetemi időszakában végzett szilárd-fázis vizsgálatok eredményeiről 37 közlemény látott napvilágot. A légnemű-fázis vizsgálata Az Aggteleki karsztvidéken a légnemű-fázis vizsgálata a felszíni klimán kívül a Vass Imre-barlang mikroklímájának tanulmányozására terjedt ki. Kezdettől fogva arra törekedtek az állomás munkatársai, hogy a legfontosabb klimaelemek: hőmérséklet, páratartalom, légnyomás és légáramlás hosszúlejáratú és lehetőleg folyamatos észlelését szervezzék meg. Kezdetben elektromos távérzékelő berendezés épült a klimaelemek napi háromszori észlelése céljából. A barlangi klimaelemek változásának kis sebessége miatt azonban nem volt szükség ilyen sűrű mérésre. Ezért a Vass Imre-barlangi klimaészlelő állomásokon a hőmérséklet és a relatív páratartalom mérését hagyományos, valamint nagy felbontóképességű száraz-nedves Beckmann hőmérő-párokkal oldották meg és hetenkénti, helyszíni megfigyelésekre rendezkedtek be. A légnyomás méréseket hagyományos barográffal végezték. A légáramlás észlelésére frekvencia-mérésen alapuló fotótranzisztoros anonométert fejlesztettek ki az állomás munkatársai. Az egyetem időszakában végzett barlangi mikroklimamérések eredményeit az alábbiakban foglaljuk össze: A hőmérséklet és a relatív páratartalom mérések alapján meghatározták a felszíni klima behatolási mélységét az egyes állomásokon észlelt adatok ingadozásának figyelembevételével. A szélső értékek közti különbségek barlanghosszúságmenti eloszlására az irodalomban található matematikai összefüggésnél pontosabb képletet sikerült levezetni. Kiderült tehát, hogy a téli időszakban a befelé irányuló légáramlás miatt a felszíni levegő kölcsönhatása a bejárattól mintegy 300 m távolságig terjed. A barlang bejárati termében észlelt legkisebb relatív páratartalom érték fenti időszakban 40 r /> volt. A barlangi levegő relatív páratartalma a barlang belső részeiben ténylegesen megközelíti a 100 r A-ot. A Vass Imre-barlangra és más horizontális karsztos barlangra is általában jellemző, hogy hegylábi bejáratok közelében a leghidegebb a levegő átlaghőmérséklete. A jelenség azzal magyarázható, hogy a bejárati barlangszakaszokat aszinietrikus hőhatás éri. A légáramlási viszonyokra jellemző, hogy amikor a külső átlagos hőmérséklet a barlang hőmérsékletével megegyezik, a légáramlás szünetel. Bármely évszakban erős nappali felmelegedés és erős éjszakai lehűlés esetén a barlangi légáramlásnak napi járás is van. Ennél lényegesen kisebb peródusú változásokat is sikerült megfigyelni a Vass Imre-barlangi légáramlásban. E változásokat az említett fototranzistoros anonométerrel mutatták ki. 268

5 A külső időjárási elemek közül a légnyomás-változás hatol be legerősebben a barlangba. E változások amplitúdója mintegy 90 %-ban a Vass Imre-barlang belső részeiben is észlelhető volt. A heliktitképződés aeroszol-effektusának kimutatása nyomán felmerült a Ca-aeroszol keletkezésének és élettartamának kérdése is. A Kutatóállomáson folyó elméleti vizsgálatok tisztázták, hogy egy 0,1 mm átmérőjű aeroszol-csepp 90 % nedvesség-tartalmú térben is percekig lebegésben képes maradni, a nélkül, hogy elpárologna. A Ca-aeroszolból való heliktitképződés elmélete szerint valószínűsíthető, hogy az elektrosztatikus csúcshatás is szerepet játszik az aeroszol-cseppek befogásában. Geiger-számlálóval történt mérésekkel a Vass Imre-barlangban kimutatták, hogy a ß és 7 -augárzás intenzitása első sorban a barlangi légáramlás intenzitásától és irányától függ; a bejáraton behúzó légáramlás esetén az aktivitás alacsony; gyenge kihúzó és stagnáló légáramlásnál (elsősorban kora ősszel) magas. Legnagyobb aktivitás-értékeket a tartósan légáramlásmentes oldalfülkékben észleltek. A mérések szerint a radioaktivitás jelentős része a nedves aeroszolhoz kötődik. Más barlangokban végzett vizsgálataik hasonló eredményeket adtak." A légnemű-fázis kutatásával kapcsolatban új eljárásokat dolgoztak ki az állomás munkatársai: Termisztoros pszihrométerek alkalmazására, frekvenciaméréssel működő fototranzisztoros légáramlás-mérésre, fenti műszerekkel kapott információk elektromos távmérésére, valamint Beckmann-hőmérők pszichrométerként való alkalmazására. Az Állomás műegyetemi időszakában végzett légnemű-fázis vizsgálatok eredményeiről 7 közlemény jelent meg. A folyékony-fázis vizsgálata A folyékony-fázis tanulmányozása a Kutatóállomáson a terület hidrográfiai összefüggéseinek kísérleti vizsgálatával kezdődött el. A fluoreszceinnel és konyhasóval végzett nyomjelzések új összefüggések kimutatásához vezettek a csehszlovákiai Mii ad a-barlang és a Kistohonya-forrás, a Lófej- és a Nagytohonya-forrás, a Kistohonya-forrás és a Szabókút között, valamint az Alsóhegy zsombolyai és a hegyperemi források között. Jósvafő környékén a felszínalatti vízáramlás látszólagos sebessége mintegy 25 és 100 m/óra értékű. A kezdeti vizsgálati eredményei mellett a kutatóállomás eredeti tevékenységének egyik legfontosabb részét képezték a műszeres forrásvizsgálatok. A mérések kiterjedtek az állomás környezetében lévő források vízhozamára, hőmérsékletére, a víz kémiai elemzésére, valamint a vizek elektromos vezetőképességére. A kutatóállomás működésének második 5 évében 3 nagyobb karsztforrás folyamatos vízhozamregisztrálásával számos új megfigyelésre nyilt lehetőség. Többek között fény derült arra. hogy a karsztforrások vízhozamváltozásai sokkal differenciáltabbak és több természeti tényezőtől függnek, mint korábban feltételezték. Az ismert klimatikus tényezőkön kívül (csapadék, légnyomás, stb.) a több éves vízhozamregisztrátumok a klimatikus 269

6 változások eddig alig ismert jelenségeire derítettek fényt. A Nagy tohonya- és a Lófej-forrás szivornyás kitörések igen változatos sorozatát hozza napvilágra, emiatt egyedülállóan sok információt sikerült nyerni a karsztos szivornyák működéséről és felépítéséről. Az állomás munkatársai hidraulikai modellkísérletek segítségével meggyőző módon kimutatták, hogy a Lófej-forrás földalatti vízrendszerében három szivornya sajátos kombinációja hozza létre az aklimatikus vízhozamkitörésekei, az ezeket megelőző minimumokat és a kitörések közötti pulzációkat. Első ízben sikerült megfigyelni, hogy minden szivornyás kitörés végén utócsúcs, vagy másodcsúcs formájában törvényszerűen vízhozamnövekedés következik (a vízszál vége átfut a leszívócső csúcsán). Ezáltal kísérleti bizonyíték született arra, hogy a karsztforrások legnagyobb és gyors aklimatikus vízhozamváltozásai valóban szivornyaműködésből származnak. A szivornyás karsztforrások vizsgálata azonban további ismeretlen aklimatikus tényezők kimutatását is lehetővé tette. A vízhozamgörbék statisztikus feldolgozása feltűnő eredményre vezetett. Kiderült, hogy minkét szivornyás forrás kitöréseinek kezdő időpontja csaknem pontosan a vagy 24 órára esik a vizsgált esetek 30 %-ában. Ebből kiindulva különböző és egymástól független statisztikai feldolgozások, valamint a vízhozamgörbéknek a gravitációs térerősség luniszoláris változásával való összehasonlítása alapján kimutatták a karsztvíztükör árapály jelenségét. Ez az új felismerés vezetett a korábban említett litoklácis fluktuáció mérések megszervezésére és ennek alapján a kőzet árapály mozgás megfigyelésére. A karsztos víztározók hézagtérfogatának árapály periódusú változásai miatt a karsztvíztükör szintje átlagosan mintegy 10 cm-es ingadozásokat szenved. A tározott vízkészletből táplálkozó földalatti vízfolyásokon ezek az áttételezett árapályhullámok nyomáshullám szerűen gyors vízhozamváltozás formájában terjednek a források felé, ahol átlagosan 6 órás periódusán és mintegy 150 1/p-es amplitúdójú vízhozam-változásokat okoznak. A forrásjáratokban kialakult karsztos szivornyák érzékeny hidraulikai jelfogó gyanánt az esetek mintegy 40 %-ában a dagályhullám beérkezésének hatására kezdik meg ürítésüket. Mivel a luniszoláris gravitációs változások szélső értékei újhold és holdtölte,első negyed és utolsó negyed napján 6,12, 18 és 24 órakor valósulnak meg, ezért a karsztos szivornyák leggyakoribb kitörései is ezekre az időpontokra esnek. (Ezért lehetett a szivornyás karsztforrások vizsgálata alapján kimutatni a karsztvizek árapály mozgását.) A nem szivornyás forrásoknál a vízhozamváltozásban közvetlenül jelentkező árapály-ingadozást is sikerült megfigyelni, mintegy 30 %-os vízhozamingadozás formájában. Az árapály jelenség megfigyelése alkalmas ezköznek bizonyult a karsztos víztározók szerkezeti viszonyainak feltárásához. Az árapály eredetű litoklázis fluktuáció és a hozzá tartazó forráshozam-változás kapcsolata alapján lehetőség nyüt a kőzetblokkok közötti törések hézagtérfogatának meghatározására. E vizsgálatok szerint megállapítható volt, hogy csak azokon a forrásokon lehet megfigyelni jelentősebb árapály-ingadozást, melyek vízgyűjtő területén a kőzet kisebb-nagyobb mértékben dolomitosodott, ennek következtében a törések átlagszélessége kisebb, mint mészköves területeken, mivel a törések hézagtérfogata a tározókőzet teljes térfogatához képest 0,05 %-nak adódott. 270

7 A mélykarsztból is táplálkozó Nagy tohonya-forrás vizsgálata új eredményekre vezetett. Az árvizek levonuló szakaszában a vízhozam és hőmérséklet fordított arányú változását lehetett kimutatni. A fajlagos vezetőképesség-hőmérséklet összefüggés alapján fény derül arra, hogy a mélykarsztvíz komponens keménysége kisebb, mint a leszálló komponensé. Új eredmények születtek a barlangi csepegővizek vizsgálata terén is. A szivornyás impulzus üzemű helyszíni észlelőberendezések információit a kutatóállomás laboratóriumában felszerelt elektromos regisztrálómű rögzíti. A többéves vízhozam vizsgálatok eredményei elsősorban a beszívárgási viszonyokra derítettek fényt. Bebizonyosodott, hogy a csepegések intenzitása a téli félévben 5-10 mm csapadék hatására is azonnal megnő, a nyári vegetációs időszakban csak mm-es csapadék hatására nő meg a vízhozam. A barlangi csepegővizek kémiai összetételének vizsgálatát és a legfontosabb összetevők változásának tanulmányozását a Vass Imre-barlang 50 csepegésmérő helyén 1 évig folytatták. A vizek összes keménysége és fajlagos vezetőképessége között egyértelmű összefüggést lehetett megállapítani. Kiderült, hogy a barlangi csepegővizek keménység szempontjából két fő típusába sorolhatók. A cseppkövek belsejéből csepegő vizek átlagosan 25 nk -osak, míg a sztalaktitok felületén szivárgó vizek átlagosan 15 nk keménységüek. Ki lehetett mutatni, hogy a csepegővizek keménysége a vegetációs időszakban maximális, télen minimális. A talajnak tehát döntő szerepe van a karsztosodás folyamatában. Nyári időszakban a talajban élő mikroorganizmusok széndioxid termelése jelentősen növeli a beszivárgó csapadékok oldó hatását. Egyik csepegő helyen 8-10 nk koncentráció különbséget is meg lehetett állapítani a téli és a nyári keménység között. A Kutatóállomás fenti időszakában végzett folyékony-fázis vizsgálatok eredményeiről 39 közlemény jelent meg, összesen 83 publikáció látott napvilágot. 271

8 THE STORY AND SUCCESS OF THE,JPAPP FERENC" KARSTRESEARCHING STATION IN JÓSVAFÖ L. MAUCHA Summary The station was established in 1957 on initiative of F. Papp who set the station the aim of researching the Aggtelek-karst climatologicals, hydrologicals, mineralogicals and petrographieals, as well as exact examinations of karst-processes and their interactions. The researches comprise both the solid, the gaseous and the liquid phases' examinations. The workers of the station have written 83 publications. The paper gives an outlined summary of the most significant successes. HISTORIE UND ERGEBNISSEN DER KARSTFORSCHUNGSSTATION PAPP FERENC" IN JÓSVAFŐ L. MAUCHA Zusammenfassung Aufstellung der Forschungsstation im 1957 hat durch Ferenc Papp angeregt, wer der Station die folgenden Aufgaben zugestellt hatte: klimatologische, hydrologische, mmeralisch-petrographische Forschung des Karstgebietes Aggtelek, detallierte Untersuchung der Karstprozesse und ihre Interaktionen. Die Forschungen hatten sich auf die Untersuchung der Gas- und Flüssigkeitsphasen ausbreitet. Insgesamt wurden 83 Publikationen herausgegeben. Diese Arbeit gibt eine kurze Zusammenfassung über die wichtigsten Resultate. ИСТОРИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАРСТООБСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ ИМ. ПАПП ФЕРЕНЦ В ЙОШВАФЕ, ПРИНАДЛЕЖАЩЕЙ К БЫВШЕМУ УНИВЕРСИТЕТУ ТРАНСПОРТА И СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ JF МАУХА Резюме Станция было создана по инициативе д-р Папп Ференцу в 1957 г.; ее целю была поставлена задача раскрытия, а также и климатическое, гидравлическое, карстовое изучение местности. Исследования распостранились на твердой, текущий и воздушные фазы. Работающие на исследовательной станции опубликовали 83 публикации. Работа дает обобщение наиболее важных результатов. 272