GEOFIZIKAI ÜLEDÉKVIZSGÁLATOK A FERTÕ MEDENCÉJÉBEN Szarka László és Wesztergom Viktor MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet, Sopron ÁBRA NÉLKÜLI VÁLTOZAT Víz alatti talajok szerepe a tavak környezetvédelmében c. 1998. október 6-i tud. Konferencián elhangzott elõadások és korreferátumok (szewrk: Anda Anhgéla), Keszthely, 1999, pp. 81-90. Összefoglalás A kontinentális területek kisméretû medencéi igen érzékenyek a környezet, általános értelemben az éghajlat megváltozására. Az üledékek terepi és laboratóriumi fizikai vizsgálata alapján (azaz geofizikai módszerek segítségével) következtetéseket lehet tenni a térbeli és idõbeli változásokra. Osztrák-francia-magyar együttmûködések keretében (MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet, Université Paris Sud, Technische Universitat Wien) keretében elkezdtük a Fertõ geofizikai vizsgálatát. Ebben a tanulmányban - az 1998. október 6-i keszthelyi tudományos ülés geofizikus résztvevõjeként szerzett tapasztalatok alapján - összefoglaljuk legfontosabb módszereinket: (1) a tófenéki geolektromos szondázást, (2) a nagyfelbontású felszínközeli rétegvizsgálatokat, (3) az üledékekbõl vett fúrómagminták laboratóriumi analízisét. Több éves tapasztalatunk szerint a hagyományosnak tekinthetõ ún. "vertikális elektromos szondázás" az a geofizikai módszer, amely az adott problémákban (mind a tófenék kutatásában, mind a felszínközeli rétegek felbontásában) a leginkább hasznosítható. A kutatott féltér felszínérõl szerezhetõ információ jobb egyezést mutat a fúrómagmintákon végzett laboratóriumi vizsgálatok eredményeivel, mint a fúrómagmintákon közvetlenül megfigyelhetõ morfológiai jegyekkel. A környezettudományi vizsgálatokhoz a különbözõ geofizikai módszerek azért is javasolhatók, mert roncsolásmentes, azaz környezetkímélõ módon képesek in-situ információt szolgáltatni.
Bevezetés Tavak, tározók trofitásának fokát, a szennyezettség változását jól jelzik a bakteriológiai indexek és más élõtömeg-mutatók. Ezek a módszerek kiválóan alkalmasak arra, hogy pillanatképet kapjunk, esetleg az antropogén eredetû gyors változásokat felismerjük. A több száz, olykor ezer évig tartó természetes folyamatok felismeréséhez, a várható következmények felméréséhez azonban nem elengedõek. További problémát jelent, hogy az eutrofizálódás mértéke a meder különbözõ részein nagy eltéréseket mutathat. Az eutrofizálódás folyamatának megértéséhez, értékeléséhez közelebb juthatunk egyrészt a hidrogeológiai viszonyok és a fenéküledékek megismerése, másrészt pedig a tó fejlõdéstörténetének rekonstrukciója révén. Az eutrofizáció geofizikai vizsgálatával kapcsolatos feladatokat tehát az alábbi részekre bonthatjuk: - a mederfenék üledékeinek, szerkezeti vonalainak, hidrogeológiájának meghatározása vízen használható speciális geofizikai eszközökkel; - a tó fejlõdéstörténetének rekonstrukciója a hidrogeológiai viszonyok ismeretében, magnetosztratigráfia és a mikrorétegek követésére alkalmas, nagyfelbontású geofizikai módszerek segítségével; - az üledékbõl vett fúrómagminták laboratóriumi analízise. Tanulmányunkban a Fertõ medencéjében alkalmazott alkalmazott legfontosabb terepi és laboratóriumi módszereket foglaljuk össze. Vízi geoelektromos szondázás A geolektromos geofizikai módszerek a fajlagos ellenállás (mint kõzetfizikai paraméter) területi és mélységi eloszlását igyekszenek a felszínrõl feltérképezni. A kõzetek fajlagos ellenállása széles tartományban változik: az agyagoké 2-20 ohmm, a száraz kavicsé és homoké több mint ezer ohmm, a vízzel elárasztott homoké és kavicsé mintegy 20-100 ohmm lehet. A Fertõ eléggé sós vizének fajlagos ellenállása 6 ohmm. A látszólagos fajlagos ellenállás térfogati változásának kimutatásához olyan áramkört kell létrehozni, amelynek egyik eleme a felszín alatti térség. Az egyenáramot a tápelektródák egymástól való eltávolításával egyre mélyebbre lehet kényszeríteni. A felszíni áramsûrûségre, és ebbõl az adott elektróda-konfigurációhoz tartozó látszólagos fajlagos ellenállásra két mérõelektróda közötti potenciálkülönbség-mérésbõl következtethetünk: ha egy viszonylag rövid tápelektróda-távolság esetén a mért potenciálkülönbség nagyobb egy bizonyos várt értéknél, ez megnövekedett felszínközeli áramsûrûségre utal, s ennek az oka az 1. ábrán felvázolt modell esetében egy mélybeli, nagy fajlagos ellenállású réteg, amely az elektromos áramot igyekszik a
felszín és az 1. réteg alja közé szorítani. Amennyiben a potenciálkülönbség a várt értéknél kisebb, ez azt jelenti, hogy a 2. réteg kisebb fajlagos ellenállású, mint az 1. réteg. Nagy tápelektródatávolság esetén már a 3. és az alatti további rétegek is befolyásolják a mérõelektródák közötti potenciálkülönbséget. Ily módon a különbözõ tápelektróda-távolságokhoz tartozó látszólagos fajlagos ellenállás-értékek különbözõ mélységekrõl szolgáltatnak információt. Ennek az eljárásnak a neve: vertikális elektromos szondázás. Amennyiben a felszín alatti térség vízszintesen települt rétegekbõl áll, az egyes rétegekhez tartozó vastagság- és fajlagos ellenállás-értékeket viszonylag könnyen meg lehet határozni. A mérés- és számítástechnika gyors fejlõdésének köszönhetõen a módszernek mára számos változata alakult ki. A vertikális elektromos szondázás tófenéki változatát 1993-ban osztrák-magyar együttmûködés keretében valósítottuk meg (Kohlbeck et al, 1993, Kohlbeck et al., 1994). A szondázó berendezés lényegében egy motorcsónak által, a tófenéken vontatott kábelköteg. Az elektródatávolságokat számítógép-vezérelt automatika változtatta. Ezzel a speciális egyenáramú szondázó berendezéssel a Fertõ nyíltvízi részén mintegy 400 szondázást végeztünk. A mérési helyek koordinátáit GPS-vevõkkel határoztuk meg (Szarka et al., 1994). Tekintve, hogy a tápelektródák legnagyobb távolsága 256 m volt, ezekbõl a mérésekbõl maximálisan 50-60 m-es mélységig lehetett az elektromos fajlagos ellenállás térbeli eloszlására információt kapni. A 2. ábra a látszólagos fajlagos ellenállás területi változását mutatja a Fertõ középsõ részén, körülbelül 50 mélységig terjedõen. Nagy felbontású geoelektromos módszerek Történeti dokumentumok bizonyítják, hogy a jelenleg vízzel borított terület az egykori tónak csak egy kis része. A tó és az attól keletre elterülõ Hanság két medencéje (a lébényi és a kapuvári) többször is egyetlen összefüggõ vízfelületet alkotott. Hogy az együtt több mint 1000 négyzetkilométeres területrõl áttekintõ képet kapjunk, fúrások mellett szükség van kevésbé munkaigényes, rétegkövetõ felszíni geofizikai eljárásokra. Több más geoelektromoselektromágneses módszer közül erre a célra is a vertikális elektromos szondázás nagy felbontóképességû változatát találtuk a legalkalmasabbnak. A tápelektróda-távolság kis lépésekben történõ növelése és a geometriai hibák mm-es nagyságrendûre csökkentése révén eljutottunk a módszer teljesítõképességének határáig. Azt, hogy az ásványanyag-tartalomban és a víztartalomban is felismerhetõ mikrorétegzettség, továbbá a fúrómag fajlagos ellenállása mennyire tükrözõdik vissza a felszínen mért látszólagos fajlagos ellenállásban, a fúrómagminták laboratóriumi analízise technikájának bemutatását követõen szemléltetjük.
Fúrómagminták laboratóriumi analízise A laboratóriumban a fúrómagminták fizikai tulajdonságai (pl. sûrûség, rugalmas állandók, radioaktivitás) között a felszínközeli összletekben nagy jelentõségû mágnesezettségi paraméterek, valamint az elektromos fajlagos ellenállás meghatározásával foglalkozunk. A tavi üledékek mágneses ásványai kiváló indikátorai mind az üledékképzõdés körülményeinek, mind pedig az azt követõ folyamatoknak (ld. pl. Lovley, 1990, Peters és Thompson, 1994). A tavi üledékek laboratóriumi mágneses vizsgálatai (szuszceptibilitás, remanens mágnesezettség, hiszterézis) alapján a legfontosabb környezeti indikátornak tekinthetõ ásványok, mint pl. a magnetit (Fe 3 O 4 ), a maghemit (Fe 2 O 3 ), a greigit (Fe 3 S 4 ) jól elkülöníthetõk. A szerves anyagban gazdag, oxigénszegény (reduktív) környezetben keletkezõ ferrimágneses ásványok elsõsorban: a bakteriális eredetû FeS 2 (szulfátokban gazdag üledékben) és Fe 3 S 4 (szulfátokban szegény üledékben). A meder megfelelõ helyein az üledékbõl vett magminták alapján a tó fejlõdéstörténetének fõ fázisai, így az oxigénben szegény és szerves anyagokban gazdag, reduktív idõszakok elkülöníthetõk az oxigéndús, friss vízzel jellemzett idõszakoktól. Francia partnereink (az Université Partis Sud kutatói) egy kínai tóból (Jelinowska et al., 1995), egy lengyel tó területérõl (Jelinowska et al., 1997a), Afrikából (Jelinowska et al., 1997b), valamint a Kaszpi-tenger üledékeibõl (Jelinowska et al., 1998) közöltek nemzetközi visszhangot kiváltó eredményeket. A Fertõ tágabb értelemben vett medencéjében gyûjtött mintákon a mágneses szuszceptibilitás mellett megmértük - az elektromos fajlagos ellenállás apró változásait is (Kohlbeck et al, 1998). A fajlagos ellenállás-szelvényben a különbözõ kõzettípus-, ásványtartalom- és víztartalom-változások tükrözõdnek. A 3. ábrán a Fertõ keleti medencéjébõl, Lébény környékérõl származó fúrómagminta elemzési eredményeit, valamint a felszínen, a vertikális elektromos szondázás nagy felbontóképességû változatával mért adatok inverzióinak eredményét - Kohlbeck et al (1998) alapján - együttesen mutatjuk be. A különbözõ inverziós eljárások egy-egy fizikailag lehetséges rétegsort adnak meg eredményként. A sok réteget feltételezhetõ ún. Zohdy-módszer az adott esetben igen valósághû képpel szolgál a fúrómagmintán megfigyelt fajlagos ellenállás-változásokról, ugyanakkor a kevés réteget feltételezõ inverziós eljárás nagyon pontos meghatározást ad a legerõsebb fajlagos ellenállás-kontraszt mélységérõl. Látható, hogy az inverziós eredmények nagy hasonlóságot mutatnak a fúrómagminta laboratóriumi vizsgálati eredményeivel. Tekintettel arra, hogy az
elõbbiek kiterjedt térfogatra, míg az utóbbiak csak a minta helyére vonatkoznak, ennél nagyobb hasonlóságot csak kivételes esetekben lehetne tapasztalni. Összefoglaló befejezés A Fertõ medencéjének üledékvizsgálatában különbözõ geofizikai módszereket alkalmaztunk: vizsgáltuk a medence szerkezetét, különös figyelmet fordítva a tavi üledékes rétegekre, amelyekrõl in-situ és laboratóriumi vizsgálati adatokat gyûjtöttünk. E módszerek együtt alkalmazásával - amennyiben projektünk elegendõ idõn át folytatódhat - a tó fejlõdéstörténetének, paleo-klímájának sok kérdésére választ remélünk. Eljárásaink - más geofizikai és egyéb módszerekkel együtt - más tómedencék vizsgálatára is javasolhatók. Irodalomjegyzék Jelinowska A., Tucholka P., Gasse F., Fontes J.C. (1995): Mineral magnetic record of environment in Late Pleistocene and Holocene sediments, lake Mans, Xinjaiang, China. Geophysical Research Letters, 22, 953-956 Jelinowska A., Tucholka P., Wieckowski K. (1997a): Magnetic properties in a Polish lake: evidence of a relation netween the rock-magnetic record and environmental changes in Late Pleistocene and Holocene sediments. Geophysical Journal International, 129, 727-736 Jelinowska A., Tucholka P., Massault M., Gasse F., Mélieres F. (1997b): Environmental changes deduced from magnetic properties of Late Pleistocene and Holocene lake sediments, Lake Faguibine, Mali. European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 2, 191-203 Jelinowska A., Tucholka P., Guichard F., Lefevre I., Badaut-Trauth D., Chalié F., Gasse F., Tribovillard N., Desprairies A. (1998): Mineral magnetic study of Late Quaternary South Caspian Sea Sediments: palaeoenvironmental implications. Geophysical Journal International, 133, 499-509 Kohlbeck F., Szarka L., Steiner T., Holló L., Müller I. (1993): Lake-bottom geoelectric and water-born VLF measurements on the Lake Fertõ (Neusiedlersee). Paper D051, In: Extended Abstract, EAEG 55th Meeting and Technical Exhibition, Stavanger, June Kohlbeck F., Szarka L., Pásztor P., Stallbaumer H. (1994): New geoelectric results from the Lake Fertõ (Neusiedlersee). Paper P131, In: Extended Abstracts of 56th EAEG Meeting, Vienna Kohlbeck F., Szarka L., Jelinowska A., Menvielle M., Schott J-J., Tucholka P., Wesztergom V. (1998): Near-surface resolurion power of the Schlumberger Sounding method: examples from
the Lake Fertõ (Neusiedlersee) region, Austria-Hungary. (A most alakuló Central European Geophysics-hez benyújtott kézirat) Lovley D.R. (1990): Magnetite formation during microbiological dissimilatory iron reduction, in: Iron Biominerals, pp. 151-166, szerk: Frankel R.B. and Blakemore R.P., New York Peters C., Thompson R. (1994): Qualitative and quantitative magnetic identification of iron oxides and sulphides. Annales Geophysicae, 12.(Suppl. 1.), p. 166 L. Szarka L., Kohlbeck F., Stallbaumer H., Holló L., Pásztor P. (1994): A Fertőn végzett geofizikai kutatáshoz alkalmazott GPS-mérések tapasztalatai. Geodézia és Kartográfia, 46, 108-110.