A MOFETTA-JELENSÉGKÖR A GÁZÜLEDÉKEK METEOROLÓGIAI ÉS GEODINAMIKAI FÜGGŐSÉGÉNEK SZEMSZÖGÉBŐL VIZSGÁLVA

Átírás

1 A MOFETTA-JELENSÉGKÖR A GÁZÜLEDÉKEK METEOROLÓGIAI ÉS GEODINAMIKAI FÜGGŐSÉGÉNEK SZEMSZÖGÉBŐL VIZSGÁLVA MOFETTES: STUDY ON THE METEOROLOGICAL AND GEODYNAMICAL EFFECTS ON GEOGAS SEDIMENTS Gyila Sándor 1, Dr. Csige István 2 1 Dr. Benedek Géza Szívkórház, Orvosmeteorológiai és CO2-laboratórium, Kovászna, Eminescu u Románia; gyilasandor@gmail.com 2 MTA Atomki, 4026 Debrecen, Bem tér 18/c; csige@atomki.hu Abstract Carbon dioxide of post-volcanic origin (or occasionally of thermal dissociation of carbonate rocks) is one of the typical but not fully used subsoil riches of Romania. The so-called: mofette-aureola (Airinei et al. 1975) marks a km 2 great geographical surface in the central zone of Romania. The CO 2 geogas-emanations can form sediments (named mofettes) in natural or artificially created hollows, but the stability of the gas in these depressions presents a multilateral dependence on meteorological and geodynamical parameters. In this work we analyze the behavior of CO 2 in pools and conclude that meteorological factors, especially the outdoor and the soil temperatures are the two decisive parameters influencing the vertical profile of the gas sediments. Covasna spa is situated in close proximity of the famous Vrancea geotectonic subduction zone. We describe a method that makes in evidence the geodynamically modulated state of the non-post-volcanic CO 2 -emanations of Covasna. Kulcsszavak: mofetta, geogáz-üledékek, Vrancea tektonikai szubdukció, radon Keywords: mofetta, geogas-sediments, Vrancea geotectonic subduction, radon Bevezetés Románia központi térségében egy közel 13 ezer km 2 -es területen, melyet mofettás aureola néven ismerünk, utóvulkáni jellegű, köpenyeredetű, vagy esetenként üledékes kőzetek bomlásából származtatható szén-dioxid tör a felszínre kén-hidrogén, kén-dioxid, metán, hélium, argon, radon kíséretében. Természetes, vagy ember alkotta mélyedésekben a levegőnél másfélszer nehezebb geogáz-elegy különleges üledéket képezhet, melyet elsősorban gyógyászati célokra alkalmaznak gázfürdőként (orvosi mofetták). A jelenség ugyanakkor használható pl. a Föld nagy CO 2 -tartalmú őslégkörének szimulációjára, vagy akár a magashegyi atmoszférák fiziológiai hatásának tanulmányozására, az üvegházhatás laboratóriumi modellezésére, de lemeztektonikai mozgások következményeinek megfigyelésére is. A mofettakutatások romániai úttörői (Airinei és Pricăjan 1975) elsősorban Hargitafürdőn, de az általuk megrajzolt aureola-térkép sok távolabbi pontján is a gázüledékek 12% CO 2 -nak megfelelő lángpróbás szintjét követték éveken

2 át. Harmonikus analízissel több, különböző periódusú hullámzás egymásra helyezkedését sikerült kimutatniuk. A korabeli kutatók egyértelműen mélyszerkezeti okokra gyanakodtak, meteorológiai hatásra nem gondoltak. Dolgozatunk célja: kovásznai tapasztalataink alapján (Csige és Gyila ) bemutatni a mofetták gázterének kettős érzékenységét, melyet egyrészt valóban mélyszerkezeti (lemeztektonikai, szeizmológiai) másrészt az előbbinél sokkal erősebb, meteorológiai behatások tartanak folyamatos moduláció alatt. A mofetták meteo-függősége Kísérleti eredményeink egyértelműen igazolják, hogy a mofettagáz molekulatömegének levegőhöz viszonyított 1,5 körüli aránya (a CO 2 javára) szükséges, de nem elégséges feltétel a nehezebb gáz üledékének kialakításához. Fontos, hogy a mélyedés, mint nagy hőkapacitású (termikus tehetetlenségű) edény lokális termikus inverzió segítségével menedéket nyújtson a mofettagáznak az atmoszférából eredő turbulenciákkal szemben. Az üledékképződés erőteljes meteo-függőségére az 1980-as évek elején derült fény, amikor a kovásznai szívkórház hatalmas térfogatú, gyógyászati CO2-gázfürdőjét egy mélyfúrásról sikerült úgy működtetni, hogy a mesterségesen betáplált gáz hozama időben állandó volt. A feltételezett geológiai modulációkat ezzel kizártuk. Az elvárásokkal ellentétben azonban a 100 m 2 felületű, közel 250 m 3 -es üregben (1. ábra) a gázüledék télen továbbra is labilisnak bizonyult, (a leghidegebb éjszakákon pedig el is tűnt a medencéből), és nyáron is érzékeny maradt a hidegfront-betörésekre. A jelenség könnyen modellálható. Ha egy külső légtérnél hűvösebb talajba mélyített üreget CO 2 -palackról állandó hozammal, turbulencia-mentesen táplálunk, rövidesen kialakul a gázüledék és dinamikus egyensúlyba kerül a felső légtérrel a szedimentáció Maxwell-Boltzmann törvénye szerint, tehát rétegeződik. Ideális mofettában az izokoncentrációs felületek párhuzamosak, a vízszintes koncentráció-gradiens zéró. Eközben a gáz függőleges profilja jó megközelítéssel az (1) összefüggés szerint alakul. C = C 0 e αh (1) A képletben C 0 a mélyedés alján mért koncentráció, C pedig az ehhez viszonyított h magasságban mért megfelelő érték. Az exponensben szereplő α együttható a mofetta egyéniségét fejezi ki, mely kapcsolatban áll a dinamikus egyensúlyt fenntartó gázhozammal, annak hőmérsékletével, a mélyedés geometriai adataival, a talaj hőmérsékletével, de elsősorban

3 a medence S felületével, ugyanis Fick I. törvényében a stacionárius diffúzió egyenletében ez a paraméter különös jelentőséggel bír. 1.ábra: A kovásznai szívkórház amfiteátrumszerű gyógyászati gázfürdője. A CO 2 betáplálása a padló alatt történik egy kültéri mélyfúrásból. Figure 1. The amphitheatric mofetta-pool (Dr. Benedek Géza Cardiologic Hospital Covasna) is artificially fed from an outdoor borehole Miközben a földbe mélyülő medence hatalmas termikus tehetetlensége a mofettás üledék ideális kialakításán munkálkodik, a felső gáztér a levegő ennek folyamatos megbontását, oldását, elszállítását végzi. Eközben a függőleges termikus profil erősen befolyásolja a CO 2 levegőhöz viszonyított diffúziós állandóját, de pl. a nedvességtartalom is arányosan alakul. Emiatt a mofettás üledékek kutatásához elengedhetetlenül szükséges egy külső meteorológiai állomás is. A szén-dioxid függőleges eloszlását az idő függvényében és a környezeti hőmérséklet alakulásával párhuzamban regisztrálva azonnal megfigyelhető az egyértelmű összefüggés a kettő közt. Hideg évszakban, amikor a talajbemélyedés melegebb a külső atmoszféránál, mofetta gázüledék értelemben nem jöhet létre benne. Létezik empirikus népi tapasztalat is ezzel kapcsolatban. A régebbi időkben, Kovásznán, Európa leggazdagabb szén-dioxid feltöréseinek színhelyén (Hankó 1896) még kézzel ásták a kutakat. Nyáron különösen veszélyes volt a mélyben dolgozni, mert az emanációgáz azonnal befeküdt a hűvös üregbe, és színültig töltötte azt. A CO 2 -tartalmú levegőben 5 tf % körül már nehéz a légzés, 12%-on kialszik a láng, 40%-os, vagy annál töményebb CO 2 tüdőre szívása pedig azonnali halált okoz (Haldane 1919). Télen a kútásót nem fenyegette veszély, mert a 8-10 ºC-on feltörő talajgázt a fagypont alatti, fentről lezúduló és kellő lendületet vevő levegő azonnal kihelyettesítette. A mofetták eme féléves, szezonális periódusán kívül megfigyelhető az effektus finomszerkezete is, ha a gáztérbe automata mérőműszert állítunk. A szívkórház mofettáját tápláló mélyfúrás 222 Rn-t is hoz a felszínre.

4 Méréstechnikai okokból az ebből eredő radioaktivitást használtuk nyomjelzőként arra a tapasztalati tényre alapozva, hogy a CO 2 -lángszintek és a gázüledék függőleges 222 Rn-profiljának változásai szinkronban, sőt fázisban vannak (Csige 2009). Függőleges 222 Rn profilokat Radamon-típusú (Csige és Csegzi 2001) nyomdetektorokkal több rendben is mértünk. A 2. ábrán egy július közt, Alphaguard márkájú műszerrel végzett mérés eredményét láthatjuk. A legfelső görbe a légnyomást, a következő a kbqm -3 dimenzióban kifejezett 222 Rn-aktivitáskoncentrációt szemlélteti, majd a hőmérséklet és a relatív nedvességtartalom alakulását vizsgálhatjuk. 2.ábra: Alphaguard műszerrel végzett mérés eredménye. Jól követhető a 222 Rn aktivitáskoncentráció változó tendenciája az időjárás függvényében és a folyamat kb. egynapos tehetetlensége is Figure 2. Results of measurements with an AlphaGUARD instrument in the mofettapool make in evidence the diminution of 222 Rn activity concentration in correlation with the decrease of external temperature, and the inertia of the system, too. Minden paraméteren megfigyelhető a napi ritmus. A július 19- én érkezett hidegfront és a 222 Rn-aktivitáskoncentráció csökkenő tendenciája közti összefüggés (a napi ritmusok hátterén), de a rendszer termikus tehetetlensége is megfigyelhető. Megjegyezzük, hogy a mélyfúrásból ~10 C-on érkezik a CO 2 a felszínre. Az igen bonyolult, sokkomponensű diffúziós folyamatban alapjában

5 minden gáz másként viselkedik, ugyanis a diffúziós állandó erősen függ a gázmolekula tömegétől is. Továbbá nemcsak a transzportált tömeggel, hanem a mozgási energiákkal is számolnunk kell a hőmérséklet-gradiensek okán. Emiatt tehát modellkísérletünkben hiába tápláljuk a mofetta üregét éjjel-nappal állandó CO 2 -hozammal, a gázvesztés csak rövid időközökre nézve írható le stacionárius folyamatként. Finomszerkezetére tehát a nem stacionárius diffúzió egyenletének (Fick II. törvénye) szemszögéből is oda kell figyelnünk. Fejezetet záró konklúzióként megállapíthatjuk: a meteorológiai hatás a mofetták gázvesztésének (output) hozamát modulálja. Mofetták gáznyerésének (input) geodinamikai eredetű modulációi A mofettás aureola Kovászna-Hargita megyei vidékén a talajgázok vizes szerkezeteken át törnek a felszínre. A vízkészletek utánpótlása csapadékból valósul meg néhány hetes-hónapos reakcióidőkkel. Már itt is felfedezhetünk egy újabb meteorológiai behatást, de a Kovászna-vidék helyzetét komplikálja a Világ harmadik legenergikusabb szeizmikus övezetének (Gutenberg és Richter 1952); a Vrancea szubdukciós zónának a közelsége. Itt feszül egymásnak három földlemez úgy, hogy a tektonikai stressz iránya ÉNY-DK (Kovásznát a Kárpát-könyök túloldalán fekvő Dumitreşti községgel összekötő vonal), az elliptikus epicentrális zóna ezen, erre merőlegesen fekszik. Évente itt ~3, erg energia szabadul fel. Eközben (szeizmikus szelvényezések eredményei szerint) a Kárpát-kanyar belső területein (Háromszék, Barcaság) a kéreg annyira töredezett, hogy ez a vidék aszeizmikus. Innen tehát nem pattanhat ki földrengés, annál is inkább, mert a törések frissek, nem tudnak beforrni a Vrancea felől érkező mindennapos szeizmikus nyugtalanság miatt. A szénsavas vízzel telt repedésszerkezetek erőteljesen csillapítják a rengéshullámok terjedését. Szeizmikus szelvényezéskor pl. egy Brassó vidékén robbantott földalatti töltet hullámait nem sikerült detektálni Kovásznán (Mocanu 1998). Ezzel magyarázható a CO 2 feltörések gazdagsága és az ásványvizek sokfélesége. A kovásznai szívkórház mofettáját egy 168 m mély fúrásból tápláljuk. A ~ mg/liter szárazanyag-tartalmú vizet, 1,5% metánt, 4,5 ppm He-t, 10 ºC-on telített vízgőzt és ~97% arányban, CO 2 -t adó horizont m közti mélységintervallumban van. Ide helyeztek be lyuggatott csövet. Oligocén korabéli márgás- és agyagpalák, szürkésfehéres homokkövek repedéseiből táplálkozik a fúrás egy koaxiálisan behelyezett tubing segítségével. Furatátmérő 0-97 m-en Ø140 mm (eddig nyúl le a tubing), ettől lefelé Ø 90. A kutat sikerült úgy beállítanunk (akusztikus hangolás módszerével), hogy a megközelítőleg szabályos lefolyású gejzírkitörések 85 másodpercenként

6 kövessék egymást. A mélyben telítettségi értéken oldott CO 2 -mennyiség a felszínen azonnal kibomlik a magas sótartalom miatt. A vizet és az azt felemelő gázkomponenst szétválasztjuk, a gázt a mofettába vezetjük. A kitörési ciklusok folyamatos felügyeletét komputerhez kapcsolt traduktorral oldottuk meg. A szonda gyűrűs terében uralkodó nyomás egy manométeren követhető. A periódusonként felszínre hozott víz- illetve gázmennyiség, sőt a víz össz-ásványi sótartalma, de tetszés szerint pl. a bikarbonát-, vagy a vastartalom is periodikusan ellenőrizhető. Ciklusonként 6-8 liter vizet és liter gázt termel a kút. A felsorolt paraméterek folyamatos megfigyelése alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy igenis léteznek mélyszerkezeti modulációk és esetünkben összefüggésben állhatnak a tektonikai stressz változásaival, a Vrancea-vidék szeizmikus eseményeivel. A vulkáni eredetű Szent Anna tó (Csomád hegység) tövében mw m -2 a geotermikus fluxus (Rădulescu 1983), jelentős H 2 S és SO 2 emanáció is kíséri a szén-dioxidot. Kovásznára (amely légvonalban 45 km-re fekszik), ezen utóvulkáni jegyek közül egyik sem jellemző. A szívkórházi mofetta tápforrásán végzett δ 13 C, δ 18 O, δ 3 He stabilizotóp arány-eltolódási mérések (Szántó Zs MTA Atomki) is arra a feltételezésre bátorítanak, hogy a Kovásznaközeli CO 2 karbonátok bomlásából származik, nem utóvulkáni eredetű. A Kárpát-kanyar évi 4-5 mm-t emelkedik, a könyök belső medencéi süllyednek. Ez a folyamat újabb dinamikai jegyeket ad a CO2- emanációnak. A közelmúltban, a városban egykoron gondosan feltérképezett (Georgescu 1978), ősidők óta ismert CO 2 feltörési helyek vándorlását tapasztaltuk. A gáz betört olyan kutakba, pincékbe, sőt lakásokba (!) is, ahol eddig nem érezték a jelenlétét. E tényállás miatt Kovászna radontérképe (Csige, Csegzi 2008) is revízióra szorul. Ami a CO 2 keletkezését illeti alágyűrt üledékes kőzetekből, a hatalmas nyomás hatására, már a Vrancea-övezet szeizmicitásának hipocentrumaiban ( km mélységintervallum) feltételezhetünk gáztermelődést és hozamingadozásokat a tektonikai stressz változásaival összefüggésben, de ezt kimutatni képtelenség a felszínre vezető repedésszerkezet/térfogat integráló hatása miatt. Kisebb mélységintervallumban (31 ºC-nál alacsonyabb hőmérsékleten, 73 atm-nál nagyobb nyomáson) azonban létezhet egy olyan övezet, ahol a CO 2 cseppfolyós állapotban található. Ennek a Kárpát-kanyar alacsony geotermikus gradiense is kedvez. Jelen dolgozat szerzőinek véleménye szerint a felszínen tapasztalt gázhozam-ingadozásokat, a Kovászna főterén működő Pokolsár (CO 2 -iszapvulkán) ritka, de látványos kitöréseit, sőt az említett CO 2 - vándorlásokat is első megközelítésben számottevő,

7 cseppfolyós CO 2 készletek létével magyarázhatjuk a legplauzibilisebb módon. Fejezetünk záró konklúziójaként elmondhatjuk: az atmoszférikus körülmények közt ülepedő, s emiatt erősen meteofüggő CO 2 (mofetták) megfigyelése nem alkalmas a geodinamikai modulációk kutatására. Ezen utóbbihoz kőzet-környezetben (pl. mélyfúráson) végzett geofizikai mérések szükségesek szeizmo-tektonikai és egyéb adatokkal egybevetve. Irodalom Airinei Şt., Pricăjan A., Ştefănescu M., Setel M. 1975: Variaţia manifestării bioxidului de carbon mofetic de la Băile Pucioasa- Sântimbru şi Harghita In: Stud.cerc. geol. geofiz. geogr., Geologie, Bucureşti, 20/1, Airinei Şt., Pricăjan A. 1975: Some geological connections between the mineral carbon and thermal waters and the postvolcanic manifestations correlated with the deep geological structure of the East Carpathians territory-romania In: Stud. tehn., econom, Seria E (Hidrogeologie), Bucureşti, XII, Csige I., Csegzi S. 2001: The Radamon radon detector and an example of application. Radiation Measurements, 34/1-6., Csige I., Gyila S. 2006: Spatial variation of 222 Rn activity concentration in dry carbon dioxide spas In: Atomki Annual Report, Debrecen. Gutenberg B., Richter G. 1952: Seismicity of the Earth and associated phenomena. Princeton University Press. Gyila S. 2006: A mofetták kérdésköre interdiszciplináris vetületekben In: III. Nemzetközi Tud. Konferencia, Sapientia Egyetem Csíkszereda, konferenciakötet, Gyila S., Csige I. 2008: Mérési nehézségek a mofetták kutatásában In: X. Bányászati, kohászati és földtani konferencia, Nagyszeben, EMTkonferenciakötet. Mészáros E. 2008: Az élet keletkezése az őslégkör összetétele és az éghajlat tükrében. Magyar Tudomány, 2008/06, 656.