5. TK. A víz és a kőzetek viszonya, porozitás, felszín alatti vizek nevezéktana

Átírás

1 Bevezetés a hidrogeológiába Kreditkód: gg1n1k34 Földtudomány és környezettudomány BSc 3. szemeszterben meghirdetett kurzus 5. TK. A víz és a kőzetek viszonya, porozitás, felszín alatti vizek nevezéktana Előadó és az elektronikus tananyag összeállítója: Mádlné Dr. Szőnyi Judit egyetemi docens társelőadó:zsemle Ferenc tanársegéd

2 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

3 Telítetlen (háromfázisú) zóna: a földkéreg felső, a földfelszínhez közvetlenül csatlakozó része, ahol a pórusok részben vízzel, részben pedig levegővel vannak kitöltve. Telített (kétfázisú) zóna: csak kőzet és folyadék van jelen. Addig a mélységig tart, ameddig a kőzetekben folytonossági hiányok vannak és a víz folyékony fázisú. Talajvíztükör: az a kitüntetett felület, ahol a pórusnyomás egyenlő az atmoszferikus nyomással. (Price, 1986) telítetlen zóna kút folyó mocsár víztükör telített zóna

4 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf.2.3. Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

5 Magmás kőzetek repedezett/résvíz tárolók magma hűlésével és megszilárdulásával keletkeznek mélységi vagy kiömlési változatban hólyagüreges bazalt: a keletkezésüknél fogva nagyon kevés pórusüreg található bennük elszigetelve hólyagüregek formájában (gázbuborékok) egyes extruzív magmás kőzeteknek lehetnek egymáshoz kapcsolódó rései: pl.: bazaltoszlopok egymástól hűlési repedésekkel elválasztva hólyagüreges bazalt halápi bazaltoszlopok

6 Metamorf kőzetek a metamorf kőzetek egyéb (üledékes vagy magmás) kőzetek nyomás és/vagy hőmérséklet hatására bekövetkező átalakulása révén jönnek létre az eredeti kőzet porozitása kontakt metamorfózis hatása után kis valószínűséggel marad meg. a nagy nyomás hatására az eredeti kőzetszövet átalakul, a pórusok összezárulnak a legtöbb metamorfit a földkéreg mélyebb zónáiban fordul elő repedezett/résvíz tárolók másodlagos porozitás kialakulására a fedő kőzetek eróziója révén, a felszín közelbe jutva van lehetőség akárcsak a magmás kőzetek esetében Gyűrt eklogit Nordfjord, Norvégia

7 Üledékes- porózus, repedezett, karsztos víztárolók egyéb kőzetek mállástermékéből keletkező részecskék lerakódásával keletkeznek a sziliciklasztos üledékek a részecskék között pórusok találhatók, amelyek mérete függ a részecskék nagyságától és az osztályozottságától a nagy porozitás nem jelent nagy permeabilitást (pl.: agyagok) a lerakódás után a pórusokat cementáció eltömítheti a kőzetté válás és a betemetődés során fellépő kompakció csökkenti a porozitást: a folyamat révén a laza üledékből konszolidált üledékes kőzet alakul ki Piliscsaba-I dolomit-murva bánya homokkő

8 A kőzetek porozitása/permeabilitása az idő folyamán növekedhet: mállás révén bizonyos ásványi összetevők oldódhatnak a lemeztektonikai mozgások során repedések, törések keletkezhetnek másodlagos porozitás

9 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

10 Jól oldható kőzetek: evaporitok: kősó, anhidrit, gipsz karbonátok: mészkő, dolomit A karsztosodás A csapadékvíz oldott széndioxidot tartalmaz, amely lehetővé teszi, hogy a mészkő fő összetevőjét, a CaCO 3 -ot oldja. Már a légkörben hulló esővíz kezdi magába oldani a CO 2 -ot, és a talajba beszivárgó csapadék pedig még többet old. A szén-dioxidnak azonban csak egy része lép reakcióba vízzel, a nagyobb része vízben oldott gáz, azaz gázbuborékok. A vízben oldott CO 2 szénsavat eredményez: H 2 O+CO 2 =H 2 CO 3 A karsztterületekre hulló csapadék a hasadékokon és repedéseken keresztül szivárog le, és lassan oldja a kőzetet a szénsavtartalma révén: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca HCO 3 - Az oldódás intenzívebb, ha humusztakaró, azaz talaj fedi a karbonátos kőzetet. Ez annak köszönhető, hogy a humuszréteg kedvezően befolyásolja a CO 2 produkciót és akkumulációt (gyökerek respirációja, állatok légzése, szerves anyag bomlása). Ezenkívül a talajban lévő szerves savak is oldanak!

11 Karsztjelenségek Felszíni karsztjelenségek: - karr, karrmező: oldódásos lineáris elemek - dolina: tál alakú, zárt depresszió - polje: talajjal fedett nagykiterjedésű medencék - víznyelő (ponor): ahol a víz eltűnik a felszín alá - száraz völgy: állandó vízfolyás nélküli völgy Felszínalatti karsztjelenségek: barlangok, források szelektív folyamat kezdeti állapot: repedezett karbonátos kőzet ez a repedés csak egy kicsivel szélesebb, mint a többi néhány évvel később karsztos víztartó válik belőle de csak ez a repedés fejlődik karsztjárattá

12 Karrok Rovátkakarrok Lekerekített formák england/karst.htm

13 Barlangok Mammoth Cave System of Kentucky (USA): világ legnagyobb barlangrendszere 560km)

14 Carlsbad Cavern of New Mexico, USA: mélyből származó folyadékok oldó hatására

15 sztalagtit függő cseppkő Cseppkőoszlopok:sztalagmit és sztalagtit összeérésével sztalagmit álló cseppkő

16 Reverzibilis reakció oldódás-kiválás: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - Egerszalók Travertínó (édesvízi mészkő) A 410 m mély kútból feltörő C-os melegvíz egy 1200 m 2- es mésztufadombot Kiválást segítő folyamatok: alakított ki. evaporáció, nyomás csökkenés, hőmérséklet növekedés

17 1853-ban egy férfi és egy női kalapot helyeztek el a lefolyó kalcium karbonátban gazdag vízbe. A tárgyakat a kiváló karbonát bekérgezte. Petrifying Well Mother Shipton's Cave, Knaresborough, England

18 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf.2.3. Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

19 Felületi feszültség Tiszta víz tiszta üvegen: a víz egy vékony filmet képez. A vízmolekulák és az üveg között fellépő vonzóerő nagyobb, mint az vízmolekulák között jelentkező vonzás. A víz szétterül az üvegen, a két felület által bezárt szög nulla. A folyadék nedvesítő. Víz a viaszos felületen: a vízmolekulák között fellépő vonzóerő nagyobb, mint a vízmolekulák és a szilárd felület közötti vonzás. A folyadék és a szilárd felület által bezárt szög nagyobb 90 foknál. A folyadék a viaszos felületre vonatkozóan nem nedvesítő.

20 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf.2.3. Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

21 A ban a meniszkusz konkáv oldalán, a nyomás nagyobb mint a konvex oldalon, D-ben. p A =p B (atmoszférikus) Kapillaritás vagy hajszálcsövesség Meniszkusz C-ben a kapilláris csőben történő nyomásesés kompenzálja a nyomást a meniszkuszon keresztül atmoszferikussá. Tiszta vízre, tiszta üvegcsőben: h=15/r C és D között a nyomás mindenhol kisebb, mint az atmoszferikus, Ha a vízfelszín és az üvegfelület által bezárt kontaktus szöge nulla, akkor a a gömb sugara megegyezik a kapilláris cső sugarával, és a meniszkusz félgömb alakú lesz.

22 σ felületi feszültség R a meniszkusz sugara ρ a folyadék sűrűsége g gravitációs együttható h folyadékoszlop-magasság r kapilláriscső sugara a folyadék és a kapilláriscső által bezárt szög h A nyomásesés a gömbalakú gáz/folyadék határfelületen: h 2 gh R A nyomáshiánynak, a meniszkusz görbületéből, egyenlőnek kell lenni p C- vel. 2 R g h 2 0, r 10 9,81 h 15 r 2 cos r g 1,5 10 r mm 5 m r R cos 0 cos 1 R r N 10 C 0, 074 m kg 1000 m 3 m g 9,81 2 s

23 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf.2.3. Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

24 Az egymással összeköttetésbe lévő pórusok hajszálcsövekként viselkednek. Kapilláris öv: a talajvíztükör fölött a víz a kapilláris erőknek köszönhetően található meg. Az itt tárolt vizet nevezéktanilag is elkülönítjük a felszín alatti víztől: kapilláris víznek hívjuk. Fúrás Felszín Kapilláris öv Víztükör

25 porozitás a térfogat sűrűség víztelítettségi aránya - pórusnyomás + higroszkópos víz a szemcsék körül levegő TELÍTETLEN ZÓNA porozitás atmoszferikus nyomás pórusvíz KAPILLÁRIS ZÓNA ásványszemcsék talajvíztükör TELÍTETT ZÓNA Pórusvíz a telítetlen zónában (Price, 1985) Kapilláris öv: a pórusok a talajvíztükör felett is telítetté válhatnak a kapilláris vízemelésnek köszönhetően. Energetikailag mégis különbözik a telített zónától, mert a tényleges pórusnyomás kisebb az atmoszférikus nyomásnál. p<0 szívás (suction) érvényesül a kapilláris erők révén.

26 5.TK. A víz és a kőzetek viszonya 5.1. A kőzetek és a víz viszonya Víztároló kőzettípusok Magmás Metamorf.2.3. Üledékes A karsztosodás 5.2. Felületi feszültség és kapcsolódó jelenségek Kapillaritás Kapilláris öv Telítetlen, kapilláris, telített zóna és talajvíztükör

27 pórus- a pórusnyomás nagyobb az atmoszferikus nyomásnál a p ó rusnyom á s é s az á atmoszferikus nyom s megegyezik higroszkópikus víznyomás kisebb az atmoszferikus nyomásnál Telítetlen, kapilláris és telített zóna, talajvíztükör földfelszín telítetlen zóna kapilláris zóna talajvízszint telített zóna (Fetter, 1994) Telítetlen (háromfázisú) zóna: a földkéreg felső, a földfelszínhez közvetlenül csatlakozó része, ahol a pórusok részben vízzel, részben pedig levegővel vannak kitöltve. Telített (kétfázisú) zóna: csak kőzet és folyadék van jelen. Addig a mélységig tart, ameddig a kőzetekben folytonossági hiányok vannak és a víz folyékony fázisú. Talajvíztükör: az a kitüntetett felület, ahol a pórusnyomás egyenlő az atmoszferikus nyomással.

28 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

29 POROZITÁS (n) POROZITÁS (n): a pórusüregek térfogatának (Vv) és a minta teljes térfogatának (Vt) a hányadosa százalékban kifejezve. a minta teljes térfogata (Vt) a pórustér térfogata (Vv) a szilárd kőzetváz térfogata (Vs) n Vv 100% Vt

30 Hézagtérfogati tényező (e): a pórusüregek térfogatának (Vv) és a szilárd kőzetváz térfogatának (Vs) a hányadosa százalékban kifejezve. Porozitás n V V v t Hézagtérfogati tényező e V V v s a minta teljes térfogata (V t) a pórustér térfogata (V v) a szilárd kőzetváz térfogata (V s) n 0 1 e 0 3 (általában) n 1 e e e 1 n n

31 Üledékek és kőzetek jellemző porozitásértékei (Freeze and Cherry, 1979) Konszolidálatlan üledékek Kőzetek n (%) kavics homok kőzetliszt agyag repedezett bazalt 5-50 karsztos mészkő 5-50 homokkő 5-30 mészkő, dolomit 0-20 agyagpala 0-10 töredezett kristályos kőzet 0-10 tömör kristályos kőzet 0-5

32 Összefüggés a szövet és a porozitás között (Meinzer, 1923 után) ELSŐDLEGES MÁSODLAGOS a ) Jól osztályozott üledék nagy porozitással. b ) Rosszul osztályozott üledék kis porozitással. c ) Jól osztályozott üledék porózus szemcsékkel, összességében nagyon nagy porozitás. d ) Jól osztályozott üledék, amelynek porozitását a szemcsék közötti ásványi anyag kiválása korlátozza. e ) Oldódási porozitás. f ) Tektonikai eredetű porozitás.

33 A porozitás osztályozása Relatív kor alapján: elsődleges (eredeti); másodlagos (kőzetté válást követően létrejött) Pórusméret alapján: kristályrács méretű; kolloidális méretű; mikropórus (d<0,1 m); kapilláris pórus (0,1 m<d<2,5 mm); makropórus (d>2,5 mm) A pórusok hidraulikus kommunikációképessége alapján: nyílt (effektív) porozitás; zárt porozitás Pórusalakító folyamatok jellege alapján: ásványszemcsék közti pórus (kristályközi) (pl: mészkő, dolomit, mélységi magmás kőzetek); klasztok közötti pórus (törmelékes üledékek, törmelékes üledékes kőzetek, bioklasztitok, írókréta); üreg, hólyagüreg (mészkő, bazalt); hasadék; oldódásos üreg (karbonátok, evaporitok) A pórusokban található víz a közeg hézagtérfogata alapján: - kristályvíz: ásványszemcsék kristályrácsában kötött víz - pórusvíz: molekuláris erők révén a pórusok falához kötött (Sr); gravitációsan leürülő (Sy) - hasadékvíz - karsztvíz

34 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

35 Fajlagos hozam A a víztartó felülete Δh vízszintsüllyedés mértéke n - porozitás A h n nem termelhető ki ekkora mennyiségű atmoszferikus nyomás alatt álló víztartóból a felületi feszültség és a molekuláris erők miatt A h S y kitermelhető vízmennyiség A felületi feszültség és a molekuláris erők révén visszatartott víz a gravitáció ellenében (Price, 1985) S y fajlagos hozam S y n

36 Definíciók FAJLAGOS HOZAM (specific yield, S y ): A telített kőzetből a gravitáció hatására leürülő víztérfogat és a teljes kőzettérfogat aránya százalékban megadva. S y Vw 100 Vt [%] V w leürülő víztérfogat V t teljes telített kőzettérfogat

37 Definíciók FAJLAGOS VISSZATARTÁS (specific retention, S r ): A kőzet által a gravitáció ellenében visszatartott víz térfogatának aránya a teljes kőzettérfogathoz viszonyítva. Vr Sr 100 [%] V V t teljes telített kőzettérfogat n = S y + S r t V r visszatartott víztérfogat n porozitás Az S y jelenti a közlekedő porozitást ez az effektív porozitás (n eff )

38 Anyag Fajlagos hozam (S y ) maximum minimum átlagos Agyag Homokos agyag Kőzetliszt Finomszemű homok Középszemű homok Durvaszemű homok Kavicsos homok Finomszemű kavics Középszemű kavics Durvaszemű kavics Különböző kőzetekre jellemző fajlagos hozam értékek

39 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

40 A talaj és a talajnedvességi öv Talajnedvességi öv: a telítetlen zóna felső része, a kapilláris zóna feletti öv. Talajnedvesség (soil moisture): az a vízmennyiség, ami ebben az övben ténylegesen jelen van. Általában a teljes pórustérfogatra (V t ) szokás vonatkoztatni. Pl. n=20%, ennek 50%-a van vízzel kitöltve, akkor a talajnedvesség 50%. A talaj összetétele: ásványok, ásványi törmelékek elhalt szerves anyagok élő szervezetek víz levegő

41 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

42 Felszín alatti vizek nevezéktana Zónák Vizek nevezéktana Szilárd kőzetváz zónája Telítetlen (vadózus) zóna Telített (freatikus) zóna Kőzetfolyás zónája Talajnedvességi öv Átmeneti öv Kapilláris öv Talajvíztükör p=p atm Talajnedvesség Átmeneti vadózus víz Kapilláris víz Higroszkóposan kötött víz, (vadózus) víz Felszín alatti (freatikus) víz Kristályvíz (kémiai kölcsönhatásban van a kőzettel) Szemcseközi víz Az összes felszín alatt található víz

43 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

44 Vízvezető (aquifer; ferro, ferre ): vizet tároló és továbbító képződményeket (pl. kavics, homok, dolomit, mészkő) jelent. Gazdaságilag fontos mennyiségben szolgáltatnak vizet Vízfogó/vízlassító (aquitard; tardo, tardere ): víztárolásra és vízvezetésre képesek, nagyságrendekkel kisebb mértékben, mint a vízvezetők (pl. bazalt, kőzetliszt, agyag ). Gazdaságos mennyiségben nem tudnak vizet szolgáltatni. Vízzáró (aquiclude; cludo, cludere ): csak elméletben létezik a modern hidrogeológiai felfogás szerint. Minden kőzetnek van valamilyen mértékű hidraulikus vezetőképessége. Abszolút impermeabilitást kizárólag hidraulikai problémák matematikai megoldásakor, (tehát hidraulikai modellezés során) feltételezzük. A vízzáró határfeltétel kielégítésére használjuk.

45 5.TK. Porozitás, víz-rétegtan, felszín alatti vizek nevezéktana 5.3. A felszín közelben található víz tározódása és leürülése Porozitás fogalma és típusai A fajlagos hozam és visszatartás 5.4. Felszín közeli vízövek nevezéktana A talajnedvességi öv Felszín alatti vizek nevezéktana 5.5. Vízrétegtani kategóriák 5.6. Vízadók térbeli helyzete

46 Fedetlen, nyílt tükrű (unconfined) víztartó: a víztartó rétegben előforduló víz felszínére atmoszferikus nyomás hat. A víztartóban kialakuló nyílt tükrű talajvíz, a víztartó felső szintje alatt található. Fedett (confined) víztartó: két vízfogó közti víztartó réteg. Ha h a víztartó felső szintje alatt található fedett nyílt tükrű a víztartó, ha h a víztartó felső szintje felett található fedett leszorított tükrű a víztartó. Ezekben a víztartókban potenciometrikus szintről beszélünk. Amennyiben a h magasabb mint a felszín, a víztartóba mélyített kutak túlfolyóak, ilyen esetben artéziek a vízviszonyok. (Price, 1986)

47 A KÖVETKEZŐ ÓRÁN (október 26.): ZH!!! Részletekről értesítés kurzusmailban