Stabilizotóp-geokémia III Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet forizs@geokemia.hu
Vízkörforgás
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)
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.
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).
HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Kontinentális hatás: a kontinensek peremétıl azok belseje felé haladva a δ 18 O érték változása -2,4 /1000 km (Bowen, 1986).
δ 18 O Kontinentális hatás
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.
HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Hı
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
Hımérsékleti hatás (folyt.) -3 Csapadék, Abádszalók 1977-1988 (Deák 1995) -5 δ 18 O [ ] VSMOW -7-9 -11-13 -15-5 0 5 10 15 20 25 Hımérséklet C
Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék, Abádszalók 1977-1988 (Deák 1995) -3-5 δ 18 O [ ] VSMOW -7-9 -11-13 -15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Hónapok
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?
Rayleigh frakcionáció (desztilláció) nyár tél
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.
Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék Budapesten (VITUKI telephely) δ 18 O [ ] VSMOW 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16-18 -20 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
Jég fúrómagok, GISP2 fúráshely 13 és 15 GISP2 program 1980 1979 1978 1977 1976 1975 1974 13-as hely 15-ös hely 1973 1972 1971 Év 1970 1969 1968 1967 1966 1965 1964 1963 1962 1961 1960-50 -45-40 -35-30 -25-20 δ 18 O [ ] VSMOW
δ 18 O [ ] VSMOW -45-40 -35-30 -25 0 5000 GISP2 kor [év] 10000 15000 20000 25000 Jég fúrómagok, Jég- kor- szak 30000
Jég-fúrómagok
Megjegyzés A hidrológiai izotópeffektusok egyaránt igazak az oxigénre és a hidrogénre is!
Izotópos víz-vonalak: csapadékvíz vonal, rétegvíz vonal, stb.
Elsıdleges párolgás: Csapadékvíz vonal (CsVV) 40 20 0 Tengervíz -20 δd [ ] -40-60 -80-100 50% 85% 100% -120-140 Globális CsVV -18-16 -14-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 δ 18 O [ ]
Csapadékvíz vonalak (CsVV) Globális referencia: (Craig 1961) Craig, H. (1961) Isotopic variation in meteoric waters. Science, N.Y. 133:1702-1703 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
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
40 Másodlagos párolgási hatás: Párolgás tóból 20 0 δd [ ] -20-40 -60-80 -100-120 -140 40% 20% 60% GCsVV 80% 100% 80% 60% Kezdeti víz (jég), pl. tó (hó) 40% 20% -18-16 -14-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 δ 18 O [ ]
Párolgási egyenes meredeksége (s) vs. levegı relatív páratartalma (h) 40 20 75%, s=5,2 0-20 95%, s=6,8 δd [ ] -40-60 -80-100 -120 0%, s=3,9 25%, s=4,2-140 -18-16 -14-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 δ 18 O [ ]
Párolgási vonal: Csepel-sziget 0-10 -20 Helyi csapadékvízvonal Kavicsos-tó δd [ ] VSMOW -30-40 -50-60 -70-80 M04 M06 M09 M02 M05 M03 M01 M08 M07 Tavi üledék Párolgási vonal -90-100 -13-11 -9-7 -5-3 -1 1 δ 18 O [ ] VSMOW
Párolgás közelrıl Homogén légoszlop h << 100% Átmeneti zóna h < 100% Levegı Határréteg h = 100% Víz Homogén vízoszlop
Párolgási hatások Elsıdleges párolgási hatás: vízbıl pára lesz Másodlagos párolgási hatás: a víz egy része elpárolog, a maradék víz izotópos összetétele megváltozik, izotóposan nehezedik.
Másodlagos párolgási hatás a lokális csapadékvíz-vonalon A száraz levegıbe hulló csapadék egy része még a levegıben elpárolog. δd [ ] VSMOW 50 0-50 -100 Csapadék Debrecen környékén (2001-2004) GCsVV L y = 6,6966x - 11,569 R 2 = 0,8665-150 -200-25,0-20,0-15,0-10,0-5,0 0,0 5,0 10,0 δ 18 O [ ] VSMOW
Eltérı izotópos vízvonalak Hortobágy-Üveghuta -40-50 -60 δd [ ] VSMOW -70-80 Nyírılapos Üveghuta -90-100 -13,0-12,0-11,0-10,0-9,0-8,0-7,0-6,0 δ 18 O [ ] VSMOW
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>10-20 -40-60 -80-100 d<10-120 -140-18 -16-14 -12-10 -8-6 -4-2 0 2 4 δ 18 O [ ] GCsVV
Párolgás: Balaton 2005 20 0-20 Globális csapadékvízvonal Lokális csapadék sokéves becsült átlaga δd [ ] -40 y = 5,212x - 13,742 R 2 = 0,8588 δ 18 O = -9,5 δd = -67,5-60 -80-100 -10-9 -8-7 -6-5 -4-3 -2-1 0 δ 18 O = -8,5 δd = -57,8 Lokális csapadék sokéves átlaga δ 18 O [ ]
Esettanulmány vízizotópokra Újkígyósi Regionális vízmő Fórizs István, Deák József
Elérési zónák
Újkígyósi Regionális Vízmővek 0 Sokéves csapadékvíz átlag -50 Mélység [m] -100-150 -200-250 A beszivárgó modern és a föláramló idıs víz keveredése. -300-350 Föláramló, zavartalan idıs víz. -400-14 -13-12 -11-10 -9-8 δ 18 O [ ] VSMOW
0-50 -100-150 Mélység [m] -200-250 -300-350 -400 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Vezetıképesség [µs/cm]
Újkígyósi Regionális Vízmővek -8-9 δ 18 O [ ] VSMOW -10-11 -12-13 -14 0 500 1000 1500 2000 2500 Elektromos vezetıképesség [µs/cm]
Újkígyósi Regionális Vízmővek -8-9 Az elsı vízzáró fölött -10 R 2 = 0,6934 δ 18 O -11-12 R 2 = 0,729 A vízzárón áthatoló figyelıkút -13-14 Az elsı vízzáró alatt 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (Na+K)/(Na+K+Ca+Mg) eé%
Hogyan lehet számolni a δ értékekkel? Mint egy koncentrációval?
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 0,002005 R keverék 0,001945 0,001975 δ keverék -15,0005 δ 11 B vizes B -30 R SRM951 R Minta 4,045 R keverék 3,92365 3,983586 δ keverék -15,1826 δ-val számolva -15,0000-15,0000
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?
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.
Számítási feladat 4 Mennyiség (%) δd ( vs. VSMOW) δ 18 Ο ( vs. VSMOW) Óceánok 97,2 0 ± 5 0 ± 1 Jégsapkák, gleccserek 2,15-230 ± 120-30 ± 15 Felszín alatti víz 0,62-50 ± 60-8 ± 7 Felszíni víz 0,017-50 ± 60-8 ± 7 Légköri pára 0,001-150 ± 80-20 ± 10 Jön a globális fölmelegedés. Ha elolvadna az összes jég, akkor mi lenne a tengervíz (óceánvíz) stabilizotópos összetétele?
Megoldás 4 δ 18 Ο = [0,972 0 + 0,0215 (-30 )] /(97,2+2,15)= -0,65 δd = [0,972 0 + 0,0215 (-230 )] /(97,2+2,15)= -4,98
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?
δ 18 O D H 18 16 δd O O SMOW NBS-1 vs.smow SMOW = 1,008 = R R = 1,050 R R NBS-1 SMOW D H 18 16 Megoldás 5 O O NBS 1 1 1000 = -7,937 NBS 1 NBS-1 = 1 1000 = -47,62 NBS -1 vs.smow SMOW 18 16 18 16 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.
Milyen folyamatok változtathatják meg a víz stabilizotópos összetételét a víz-kızet kölcsönhatáson kívül?