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

Átírás

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 milyenségétıl és a hımérséklettıl függ. Pl. vízpára(felhı)-víz rendszer (kondenzáció, általában zárt rendszer)

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.

6 HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Szélességi hatás: az egyenlítıtıl a sarkok felé haladva a csapadék izotóposan egyre könnyebb, pl. az Észak-Amerika-i kontinensen a δ 18 O érték változása 0,5 /szélességi fok (Yurtsever, 1975). Magassági hatás: adott helyen (pl. hegységekben) egyre magasabban mérve, a csapadék izotóposan egyre "könnyebb", 0,15-0,5 /100 m a δ 18 O érték csökkenése, átlagban 0,28 /100 m (Gat, 1980; Bowen, 1986).

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

8 δ 18 O Kontinentális hatás

9 A tengervízbıl képzıdött felhıbıl kicsapódó elsı csapadék δ értéke szinte mindig negatívabb mint a tengervíz δ értéke, mert párolgáskor nem-egyensúlyi, kicsapódáskor pedig egyensúlyi a frakcionáció.

10

11 HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Hı

12 Hımérsékleti hatás (folyt.) Globális: Yurtsever (1975) az általa vizsgált adathalmazon a következı összefüggést találta: δ 18 O = 0,52*T - 14,96 Lokális Bécs: (IAEA, 1992) δ 18 O = 0,41*T - 13,90 Lokális Abádszalók (Alföld): (Deák 1995) δ 18 O = 0,37*T - 12,8

13 Hımérsékleti hatás (folyt.) -3 Csapadék, Abádszalók (Deák 1995) -5 δ 18 O [ ] VSMOW Hımérséklet C

14 Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék, Abádszalók (Deák 1995) -3-5 δ 18 O [ ] VSMOW Hónapok

15 Mi a magyarázata a hımérsékleti hatásnak? A kicsapódáskori felhı hımérséklete nem lehet az oka, mert az éppen ellenkezı hatású. Ugyanazon δ értékő felhıbıl kisebb hımérsékleten pozitívabb δ értékő csapadék hullik ki. Tehát más δ értékő felhı érkezik pl. Budapestre nyáron és télen. De miért?

16 Rayleigh frakcionáció (desztilláció) nyár tél

17 Hımérséklet-delta érték összefüggés A felhı keletkezési helye és a csapadékhullás helye közti hımérsékletkülönbség határozza meg a δ 18 O értéket. Minél nagyobb a különbség, annál negatívabb a csapadék δ 18 O értéke. Nyáron kisebb a különbség, mint télen.

18 Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék Budapesten (VITUKI telephely) δ 18 O [ ] VSMOW Nyár Tél Nyár Tél Nyár Tél 1997 febr 1997 jún 1997 okt 1998 febr 1998 jún 1998 okt 1999 febr 1999 jún 1999 okt 2000 febr 2000 jún Dátum

19 Jég fúrómagok, GISP2 fúráshely 13 és 15 GISP2 program as hely 15-ös hely Év δ 18 O [ ] VSMOW

20 δ 18 O [ ] VSMOW GISP2 kor [év] Jég fúrómagok, Jég- kor- szak 30000

21 Jég-fúrómagok

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

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

24 Elsıdleges párolgás: Csapadékvíz vonal (CsVV) Tengervíz -20 δd [ ] % 85% 100% Globális CsVV δ 18 O [ ]

25 Csapadékvíz vonalak (CsVV) Globális referencia: (Craig 1961) Craig, H. (1961) Isotopic variation in meteoric waters. Science, N.Y. 133: δd = 8*δ 18 O + 10 Meredekség (8) oka: meredekség 1000 lnα 1000 lnα víz pára víz pára ( H ) ( O) = 8,2 25 C-on

26 Csapadékvíz-vonal (CsVV) Globális: (RóŜanski et al. 1993) δd = 8,13*δ 18 O + 10,8 Kárpát-medencei rétegvíz vonal: (Deák 1995) δd = 7,8*δ 18 O + 6 Kelet-Mediterrán: (Gat & Carmi 1970) δd = 8*δ 18 O + 22

27 40 Másodlagos párolgási hatás: Párolgás tóból 20 0 δd [ ] % 20% 60% GCsVV 80% 100% 80% 60% Kezdeti víz (jég), pl. tó (hó) 40% 20% δ 18 O [ ]

28 Párolgási egyenes meredeksége (s) vs. levegı relatív páratartalma (h) %, s=5, %, s=6,8 δd [ ] %, s=3,9 25%, s=4, δ 18 O [ ]

29 Párolgási vonal: Csepel-sziget Helyi csapadékvízvonal Kavicsos-tó δd [ ] VSMOW M04 M06 M09 M02 M05 M03 M01 M08 M07 Tavi üledék Párolgási vonal δ 18 O [ ] VSMOW

30 Párolgás közelrıl Homogén légoszlop h << 100% Átmeneti zóna h < 100% Levegı Határréteg h = 100% Víz Homogén vízoszlop

31 Párolgási hatások Elsıdleges párolgási hatás: vízbıl pára lesz Másodlagos párolgási hatás: a víz egy része elpárolog, a maradék víz izotópos összetétele megváltozik, izotóposan nehezedik.

32 Másodlagos párolgási hatás a lokális csapadékvíz-vonalon A száraz levegıbe hulló csapadék egy része még a levegıben elpárolog. δd [ ] VSMOW Csapadék Debrecen környékén ( ) GCsVV L y = 6,6966x - 11,569 R 2 = 0, ,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 δ 18 O [ ] VSMOW

33 Eltérı izotópos vízvonalak Hortobágy-Üveghuta δd [ ] VSMOW Nyírılapos Üveghuta ,0-12,0-11,0-10,0-9,0-8,0-7,0-6,0 δ 18 O [ ] VSMOW

34 Deutérium többlet = d-többlet Definíció: d = δd 8 δ 18 O δd = 8 δ 18 O + d 40 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). δd [ ] 20 0 d> d< δ 18 O [ ] GCsVV

35 Párolgás: Balaton Globális csapadékvízvonal Lokális csapadék sokéves becsült átlaga δd [ ] -40 y = 5,212x - 13,742 R 2 = 0,8588 δ 18 O = -9,5 δd = -67, δ 18 O = -8,5 δd = -57,8 Lokális csapadék sokéves átlaga δ 18 O [ ]

36 Esettanulmány vízizotópokra Újkígyósi Regionális vízmő Fórizs István, Deák József

37

38 Elérési zónák

39 Újkígyósi Regionális Vízmővek 0 Sokéves csapadékvíz átlag -50 Mélység [m] A beszivárgó modern és a föláramló idıs víz keveredése Föláramló, zavartalan idıs víz δ 18 O [ ] VSMOW

40 Mélység [m] Vezetıképesség [µs/cm]

41 Újkígyósi Regionális Vízmővek -8-9 δ 18 O [ ] VSMOW Elektromos vezetıképesség [µs/cm]

42 Újkígyósi Regionális Vízmővek -8-9 Az elsı vízzáró fölött -10 R 2 = 0,6934 δ 18 O R 2 = 0,729 A vízzárón áthatoló figyelıkút Az elsı vízzáró alatt (Na+K)/(Na+K+Ca+Mg) eé%

43 Hogyan lehet számolni a δ értékekkel? Mint egy koncentrációval?

44 Keveredés (víz és oldott bór) δ 1:1 arányban keveredik a minta és a definíció szerint δ=0 nemzetközi sztenderd. keverék = = δ minta + δ 2 δ minta 2 sztenderd δ 18 O vízminta -30 R VSMOW R vízminta 0, R keverék 0, , δ keverék -15,0005 δ 11 B vizes B -30 R SRM951 R Minta 4,045 R keverék 3, , δ keverék -15,1826 δ-val számolva -15, ,0000

45 Számítási feladat 3 Két folyó (A és B) ömlik egy víztárolóba, ahol a két folyó és a tározóból kifolyó víz δ 18 Ο értékei a következık: -4,5, -12,7 és -9,2. Melyik folyónak van magasabban a vízgyőjtı területe? A tározóban lévı víz hány %-a származik az A és hány a B folyóból, ha nincs párolgás és konstansak a vízhozamok és a δ értékek? Nyáron párolog: víz és pára közti frakcionáció 9. Kifolyó víz δ 18 Ο értéke -4,9. A víz hány százaléka párolog el?

46 Megoldás 3 A B-folyónak van magasabban a vízgyőjtıje. δ ki = xδ A + (1-x)δ B x = 43%, (1-x) = 57% δ be = -9,2. δ pára = -4,9 + (-9) = -13,9. δ ki = δ kifoly + δ pára A fönti egyenletet alkalmazva x=48% az elpárolgott víz aránya.

47 Számítási feladat 4 Mennyiség (%) δd ( vs. VSMOW) δ 18 Ο ( vs. VSMOW) Óceánok 97,2 0 ± 5 0 ± 1 Jégsapkák, gleccserek 2, ± ± 15 Felszín alatti víz 0,62-50 ± 60-8 ± 7 Felszíni víz 0, ± 60-8 ± 7 Légköri pára 0, ± ± 10 Jön a globális fölmelegedés. Ha elolvadna az összes jég, akkor mi lenne a tengervíz (óceánvíz) stabilizotópos összetétele?

48 Megoldás 4 δ 18 Ο = [0, ,0215 (-30 )] /(97,2+2,15)= -0,65 δd = [0, ,0215 (-230 )] /(97,2+2,15)= -4,98

49 Számítási feladat 5 A Potomac-folyóból vett vízbıl készült az amerikai NBS-1 sztenderd, ahol az NBS-1 és a SMOW közötti kapcsolat a következı. ( 18 O/ 16 O) SMOW = 1,008 ( 18 O/ 16 O) NBS-1 (D/H) SMOW = 1,050 (D/H) NBS-1 δ 18 Ο NBS-1 vs. SMOW =? δd NBS-1 vs. SMOW =? Rajta van a globális csapadék-vízvonalon?

50 δ 18 O D H δd O O SMOW NBS-1 vs.smow SMOW = 1,008 = R R = 1,050 R R NBS-1 SMOW D H Megoldás 5 O O NBS = -7,937 NBS 1 NBS-1 = = -47,62 NBS -1 vs.smow SMOW O O O O D H D H NBS 1 1 RNBS 1 = = SMOW 1,008 R SMOW NBS 1 1 RNBS 1 = = SMOW 1,050 R SMOW δd = 8*δ 18 O + 10 δd = 8*(-7,937) + 10 = -53,5, fölötte van.

51 Milyen folyamatok változtathatják meg a víz stabilizotópos összetételét a víz-kızet kölcsönhatáson kívül?