Anyagfizikai Tanszék és a Nagyműszer Centrum közös szemináriuma. 2012. március 6. Termálvíz megcsapolódáshoz köthető karsztosodás extrém geomikrobiológiai környezetben avagy az aranyszög beverésének jelentősége nano skálán zajló anyagtudományi kutatásokban Mádlné Szőnyi Judit Hidrogeológia és Geotermia Műhely Molnár János-barlang, Budapest (Foto: Egri Csaba)
A téma háttere Felszín alatti vízáramlások és hatásaik A talajvíztükör magasságkülönbségei vagy egyéb hajtóerő (hőmérséklet különbség, tektonikai kompresszió, sűrűség különbség) által energetikailag vezérelt, geometriailag is leírható vízmozgás zajlik a felszín alatt (Tóth 2009) A mozgó felszín alatti víz, geológiai időskálán működve szisztematikusan átalakítja környezetét, földtani hatótényező (Tóth 1984,1999; Ingebritsen et al. 2006) BE: oldás ÁT: anyagtranszport - KI: anyag és energia felhalmozódás a medencén belül, szisztematikus módon (Tóth 1999, Fig. 1, modified after Tóth 1980, Fig.10) (Tóth 1999, Fig. 1, modified after Tóth 1980, Fig.10)
Hidrogeológiai Környezet (HK) Domborzat: a gravitációs hajtóerő forrása Földtan: meghatározza a vízáramlások kőzetvázát és hajtóerejét és mindezek geológiai változását (Tóth, 1970) Ezek a paraméterek, jellemzők meghatározzák az áramló víz által előidézett folyamatokat és jelenségeket. Esetünkben a karsztosodási jelenségeket. Felszín alatti vízrezsim (FAVR) Hidraulikai Hőmérsékleti Geokémiai jellemzők Klíma: meghatározza a rendelkezésre álló víz mennyiségét és minőségét (módosítva Tóth, 1980, Tóth 2009) stb.
A felszín alatt szisztematikusan zajló fluidum áramlások, különböző kémiai és fizikai paraméterű folyadékokkal jellemezhetők. Folyamatnak működnie kell reginális karsztrendszereknél is. Az epigén, csapadék beszivárgásból származó karsztosodás mellett, a mélyben található fluidumok is okozhatnak ún. hipogén karsztkorróziót.
Itt az üregképződés a mélyből a felszínre jutó, megcsapolódó vizekhez ill. a mélybeli, különböző összetételű vizek diffúziós keveredéséhez vagy az oldott gázok, (H 2 S, CO 2 ) aktivitásához köthető. EPIGÉN HIPOGÉN (Erőss et al 2008)
A hipogén karsztosodást előidéző geokémiai folyamatok Keveredési korrózió Savak oldó hatása (Goldscheider et al. 2010) A kénsavas oldás a hipogén karsztokon mikrobák közvetítésével is megvalósulhat (Engel 2007). Evaporit (gipsz) oldódás, kalcit kiválás és dolomit oldódás Alultelített vizek mélybe hatolása Hűléshez köthető oldódás-zárt rendszerben
A különböző áramlások határfelületi zónáiban (diffúzió) és ott, ahol vizük ismét a felszínre kerül (megcsapolódás), olyan különleges geokémiai környezetet teremtenek, melyek a mikrobiális közösség sajátos környezeti adaptációjához vezethetnek. (módosítvatóth, 1980, Tóth 2009)
A hipogén karsztosodási folyamatok megértésének jelentősége A karbonátos (mészkő, dolomit, evaporit) víztartók sokoldalú gazdasági hasznosítása Termálvíz balneológiai és fűtési hasznosítás Hipotézis: A felszín alatti vízáramlások megértése új megvilágításba helyezheti a hipogén karsztosodásra vonatkozó ismereteinket. Mind alaptudományos, mind alkalmazott kutatási szempontból lényeges téma. (Goldscheider et al. 2010) Mélységi geotermikus hasznosítás CO 2 felszín alatti elhelyezése Karbonátos, eltemetett szénhidrogén rezervoárok kiaknázása
Előadás célkitűzései Bemutatni, hogy termálvíz megcsapolódáshoz köthető biofilmkiválás, sok más egyéb hatás mellett hipogén karsztosodáshoz (kénsavas oldáshoz) is vezet. Esettanulmány: Gellért-hegy megcsapolódási terület (Budai Termálkarszt), amely egy öt éve zajló hidrogeológiai indíttatású interdiszciplináris kutatás egyik mintaterülete volt. Ismertetni a témához kötődő 2012. március 1-től induló NK OTKA kutatás főbb célkitűzéseit.
Esettanulmány: Gellért-hegy Kutatási megcsapolódás Cover of USGS Episodes, Vol. 17, No. 4, 1994: előzmények: Erőss A PhD kutatásai (Shell-ELTE Projekt 2007-2010, téma felelős MSZJ) Erőss A. TÁMOP posztdoktori pályázat, témavezető: Mindszenty A Közreműködő kutatók: Borsodi Andrea Horváth Ákos Homonnay Zoltán Havancsák Károly és még sokan mások Paralell kutatás: Poros Zs PhD (Eni ELTE Projekt tf: Mindszenty A) Szintézis alapja vízáramlási rendszer szemlélet
Hidrogeológiai környezet Gellért-hegy Utánpótlódási terület: P-T1 karbonátos evaporitos összlet, a fővíztároló uralkodóan T3 dolomit, amely harmadidőszaki üledékes képződményekkel fedett Megcsapolódás terület: fedetlen víztározó, tektonikailag meghatározott, természetes megcsapolódás. (Fodor után módosítva (nem publikált), Poros 2011) Módosítva Fodor et al 2000
Felszín alatti vízrezsimek a Budai Termálkarszton 1. Hideg karsztvíz 2. Termál karsztvíz + medence komponens A medencekomponens: NaCl-os Fő ionok: Na +, Cl -, SO 4 2- nyomelemek: Ba, Sr, F, B, Li, gázok: H 2 S, CO 2 + CH 4 és CH-ek, Sótartalom: ~ 40 000 mg/l (?), (Erőss, 2010, Erőss 2012) Fő ionok: Ca 2+, HCO 3 - Sótartalom: 775 mg/l T=12 C Fő ionok: Ca 2+ +Mg 2+( Na + +K + ), Cl - +SO 4 2- +HCO 3 - Sótartalom: 1440 mg/l T= 76.5 C Vízhajtó erők a rendszerben HIDEG - gravitáció, - hőmérséklet különbség, - tektonikai kompresszió TERMÁL MEDENCE (Erőss et al. 2010)
Felszín alatti vízrezsim és a termálvíz megcsapolódás, Gellért-hegy Szerkezetekhez köthetően kizárólag termálvíz megcsapolódás zajlik (nincs befolyásoló hideg karsztvíz komponens) Medencebeli fluidumok hozzájárulása Intenzív vasoxi-hidroxidos biofilmképződés a karsztvíz szintjében, a telítetlen zóna és a megcsapolódó termálvíz redox határfelületén. Foto : Kraus Hipogén karsztosodási folyamatok: - a karsztvíz szintben lencsés recens forrásbarlangok, - mikrobiálisan segített kénsavas oldás - a víz agresszivitának megújulása az evaporit oldódás miatt, amely dolomit oldódáshoz vezet, (?) a vizek SO 4 2- tartalma is jelzi - a feltörő melegvizek hűlésének hatása (?) (Erőss 2010)
A termálvíz megcsapolódáshoz köthető: oldás és kiválás a karsztvízszintben A megcsapolódó víz a szállított anyagot lerakja: kalcitlemez és gipszkéreg A forrásbarlangokban a vízszintben gyengén kristályos ferrihidrit kiválás (Mössbauer spektroszkópiával) (ERŐSS et al. 2010; ERŐSS 2010), megfeleltethető volt a szakirodalomból termálforrásoknál leírt biofilmnek (Fujisawa and Tazaki 2003; Tazaki 2009) A biofilmek mikrobiológiai elemzése anaerob ferri(iii), szulfát redukáló és aerob ferro (II) szulfid oxidáló metabolizmusú közösségeket mutatott ki (Borsodi et al in press 2012) A minta EDS spektruma, mutatja a vas dominanciát (Erőss 2010) gipszkéreg 1 m vasoxihidroxid kalcitlemez SEM felvétel szőlőfürt megjelenésű baktérium kolóniákról (Erőss 2010) (Erőss et al 2008)
E baktériumok magasabb taxonómiai szinten megfeleltethetők azoknak a baktérium közösségeknek, melyek a világ különböző területein a mikrobiálisan segített kénsavas barlangképződésért felelősek (Engel, 2007 nyomán) Következtetés: A karsztvízszintben kénsavas oldás, ásványkiválás és biofilm képződés zajlik a karsztvíz megcsapolódásnak köszönhetően (Erőss et al. 2010, Erőss 2010)
Biofilm: Ra és nyomelem akkumuláció (Erőss et al. 2010, Erőss 2010) A biofilm ásványos összetétele uralkodóan, karbonát (és szilikát) fázis a vasoxihidroxid fázis: néhány százalék A biofilm 226 Ra aktivitása:1460-1870 (± 10%) Bq/kg - a dolomit háttérérték: 44 Bq/kg; - a megcsapolódó termálvíz: 220-870 mbq/l (Erőss 2010, Erőss et al 2012) Megállapítást nyert, hogy a termálforrások emelkedett (Erőss 2010, Erőss et al 2012) 222 Rn tartalmának :50-960 Bq/l forrása a biofilm akkumulálódott 226 Ra tartalma Ugyanakkor a 222 Rn megemelkedése csak akkor tapasztalható, ha a biofilm közvetlenül a forráskilépési hely közelében található. A biofilmen a Ra és Fe mellett Mn, As, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, Mo, U akkumuláció is megfigyelető a vízhez képest 3-5 szörös mértékben (Erőss et al 2010, Erőss 2010). Nyomelemek forrása: medencekomponens As: Cw 0.011354 (mg/l) Cih 1354 (mg/kg) Cih/Cw 119253 Következtetés: - a biofilm extrém határfelületi környezet geokémiai, radiokémiai értelemben, - felépülési mechanizmusa nem ismert - biomineralizáió - nem imert a mikróbák adaptációs mechanizmusa sem (Erőss A. TÁMOP, 2011) Vas a fonalas baktériumokhoz kötődően CaCO 3 -ot tartalmazó közegben visszaszórt elektronképen
Biofilm: megcsapolódási és karsztkorróziót bizonyító jellemző. Fosszilizálódhat-e? Igen! Az Aragonit-barlang a recens forrásbarlangok fölötti első a hegység kiemelkedése miatt már szárazra került - barlang a Gellérthegyen karfiol kalcit egykori karsztvízszint Gőtit, kalcit lemezek aragonit kéreg Bizonyítékok a fosszilizálódásra: - az üreg jelenléte - morfológiai hasonlóság a recens forrás barlangokhoz. -ásványtani hasonlóság, - ritkaföldfém tartalom. (Erőss et al. 2010, Erőss 2010)
Mi történik a hegység emelkedésével? Szárazra került üregek és fosszilizálódott biofilm... A Gellért-hegy eróziós fala számos apró, a jelenlegi forrásbarlangokhoz hasonló lencsés megjelenésű kis száraz barlangot tár fel Legmagasabb szinten Citadella-barlang Amit ma látunk, az függ az eróziótól... (Leél-Őssy et al. 2007) fosszilis barlangok (AFTER LEÉL-ŐSSY ET AL., 2007) aktív forrásbarlang (KARDOS, 2011)
Következtetések A Budai Termálkarszton, mint a Dunántúliközéhegységi hipogén karsztrendszer egyik peremi megcsapolódási területén a hidrogeológiai környezet jellemzőiből és a vízáramlások hidraulikai, hőmérsékleti és kémiai jellemzőiből levezethetően hideg-, termálvíz és medencekomponens van jelen. A Gellért-hegy rész-megcsapolódási területén csak termálvíz megcsapolódás történik medencekomponens hozzájárulással. A megcsapolódáshoz ásványkiválások (kalcitlemez, gipsz) köthető, de emellett a telítetlen zóna és a karsztvíz redox határfelületén biofilmkiválás is történik. Bizonyítást nyert, hogy az aktív biofilmkiválás mellett a karsztvízszinten mikrobiális kénsavas karsztkorrózió is zajlik egyidejűleg.
A baktériumközösség megfeleltethető más hipogén barlangok kénsavas oldásért felelős közösségeinek. E biofilm adszorpciós képessége folytán környezetéhez képest magas Ra és nyomelemtartalommal rendelkezik. E mechanizmusok alapján a vizsgált megcsapolódási zónában a karsztvízszint: extrém geomikrobiológiai környezetnek tekinthető. Fosszilizációja is fontos, mert segít az üregek képződése, eltömődése geológiai folyamatainak megértésében, mely alkalmazott kutatási jelentőségű. Az eredmény - az áramlási rendszer megközelítés révén - általánosítható egyéb hipogén karsztokra. Lényeges alaptudományos és alkalmazott jelentőségű kérdés megfogalmazása: tudományterületek közötti átjárás + új szemlélet alkalmazása Az aranyszög beverésének jelentősége
Pályázat, projekt fő adatai azonosító 101356 típus pénzügyi forrás pályázat nyelve vezető kutató neve drótpostacím NK OTKA 69,87 millió HUF angol / English Mádlné Szonyi Judit madlszonyi.judit@gmail.com kutatóintézeti tel. szám +36(1)381-2129 kutatóintézeti fax szám +36(1)381-2130 cím Mádlné Szonyi Judit Eötvös Loránd Tudományegyetem Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék Budapest Pázmány Péter stny. 1/C. 1117 OTKA Pályázat NK 101356 Hipogén karsztosodási folyamatok tanulmányozása különös tekintettel a mikrobák szerepére Munkaterület: Budai Termálkarszt résztvevők Makk Judit Leél-Őssy Szabolcs Erőss Anita posztdok Mindszenty Andrea Czauner Brigitta Kériné Borsodi Andrea Homonnay Zoltán Havancsák Károly Krett Gergely predok Horváth Ákos Diák 1 Diák 2 a pályázat címe magyarul Hipogén karsztosodási folyamatok tanulmányozása különös tekintettel a mikrobák szerepére Kutatóhely neve Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem) projekt kezdete 2012-03-01 lezárás dátuma 2016-02-29
Kutatási terv A Budai Termálkarszt jelenleg is aktív hipogén karsztterület, ahol a fluidumok, dinamikájuk és hatásaik együtt vizsgálhatók. A hipogén karsztok fejlődése és a bennük zajló folyadékáramlás által előidézett jelenségek regionális áramlási rendszerek keretében érthetők meg. A tervezett átfogó kutatás áttekintést nyújt a hipogén karsztosodási folyamatokat befolyásoló tényezőkről. (Klimchouk, 2012)
Tágítja ismereteinket a mikrobák barlangképződésben betöltött szerepéről. Az eredmények általánosítása hasonló hidrogeológiai helyzetű területek megértését segíti. Az ELTE kutatóinak interdiszciplináris alapkutatási pályázata elősegíti a résztvevő kutatók szakmai valamint az intézmény infrastrukturális fejlődését. (Erőss et al, 2011 TÁMOP) Élő biofilm mintáról környezeti üzemmódban készült pásztázó elektronmikroszkópos felvétel Vasoxi-hidroxid burokot növesztett, fonalas baktériumok FIB-el létrehozott keresztmetszete
Munkafázisok I. Hidraulikai kutatások Regionális és lokális mintaterületi feldolgozások (MSZJ) II. Mikrobiológia-atomfizika-hidrogeológia Biofilmek és víz: térbeli és időbeli változékonyság kémiai, radionuklid és mikrobiológiai (EA és BA) Biofilm felépülése és hatásai kísérleti vizsgálat (MSZJ) Extrém környezet és bakteriális adaptáció (BA) III. Geológiai hatások és megőrződési potenciál A fluidumok múltbeli karsztosodást kiváltó hatására utaló ásványtani és biológiai indikációk (MA és MSZJ)
Tervezett (műszeres) mérések, elemzések: 7,3 millió HUF Hydrogeochemistry: High-resolution and standard ICP-MS analysis ph, conductivity, sulphate, alkalinity Isotopes in water Alpha spectrometry Water analysis: S, N forms: nitrate, sulphate, NH 3, phosphorous; TOC, O 2, DGGE fingerprint method for taxons 16S rdna for phylogenetic identification Cell counting SEM-FIB Preparation of thin sections Trace element analysis Stable isotope analysis Mössbauer spectroscopy Fluid inclusion analysis Raman analysis X-ray powder diffraction TEM
Részletes tervek és hozzárendelt költségek kidolgozása folyamatban... Molnár János-barlang, Budapest (Foto: Kalinovits Sándor)