Földtani ismeretek

Földtani ismeretek

11. témakör:

Vízföldtani alapfogalmakElőadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

Témavázlat

• A földi vízkészlet eredete, körforgása• A felszín alatti vizek osztályozása

– A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett (szerkezeti és kristályvíz)

– A szemcsék felületéhez kötött (adszorbeált, gyengén kötött hártyavíz és kapilláris víz)

– Szabadvíz (gravitációs): talajvíz, rétegvíz, karsztvíz, hasadékvíz• Források• Darcy törvénye, hidrogeológiai paraméterek

(hézagtérfogat, hézagtényező, „k”-tényező, szivárgási sebesség, stb.)

A földi vízkészlet eredete, körforgása

• A víz kritikus állapota: 374oC alatt és 22 Mpa nyomás mellett már cseppfolyós.

• Jelen van: a kéregben és a külső geoszférában• Eredet szerint: juvenilis (ifjú, fiatalos), mely a víz

körforgásában nem vesz részt, és vadózus a hidrológiai ciklusban résztvevő típus (kondenzációs, infiltrációs, fosszilis, konszolidációs, vibrációs és izzadmányvíz).

• A víz mennyisége: 1,36 Md km3, ennek 97,16%-a a világóceán, 2,22%-a a felszíni víz, 0,62%-a felszínalatti és mindössze ezred %-a a légköri vízkészlet.

• A vízkészlet állandó körforgásban van, melyet a Nap hőenergiája és a Föld nehézségi erőtere szabályozza és tartja fenn.

A víz körforgása

A víz körforgása

• Idő (a légkör pillanatnyi fizikai állapota) – időjárás (előbbi változása) - éghajlat (egy adott földrajzi hely időjárási rendszere).

• Időjárási (vagy éghajlati) elemek: napsugárzás, léghőmérséklet, légnyomás, légmozgás, légköri vízháztartás, jelenségek).

• A hidrogeológiai jelenségek színtere a litoszféra

A felszín alatti vizek osztályozása1. A kőzetanyaggal szingenetikusan keletkezett víz• Szerkezeti (OH-) víz és kristályvíz (H2O a kristályrácsban): csak hevítéssel

távozik2. A szemcsék felületéhez kötött víz (a szemcsefelülettől

távolodva)• Adszorbeált (erősen kötött) víz: a felületaktív kőzetszemcsékhez kötődik,

vékony felszíni hártya formájában, vastagsága néhányszor 10 vízmolekula-átmérő, sűrűsége a kőzethez hasonló, belső nyomása meghaladja a légkör nyomásának negyvenszeresét.

• Gyengén kötött víz (hártya és kapilláris víz)– Hártyavíz: vastagsága néhány száz vízmolekula-átmérő, a vízmolekulák

irányítottak, az adszorbeált kationok által gerjesztve– Kapilláris: az erősen kötött vízburok és a meniszkuszok által határolt

szemcseközi tartomány vize a szegletvíz, ezek összeolvadása a finom kapilláris víz. Függő kapilláris víz: összefüggő vízszál, alul és felül meniszkusszal határolva, ha megindul lefelé – szivárgó, ha megreked támaszkodó. Kapilláris emelkedő víz (alul gravitációs víz, innen felfelé emelkedik).

3. Szabadvíz (gravitációs) víz fajtái: talajvíz, rétegvíz, karsztvíz és hasadék / repedések vize

Talajvíz

Meghatározása: A felszíntől az első nagy kiterjedésű, hidrogeológiai értelemben vett vízzáróig terjedő víztest, melynek felszínén a mindenkori természetes légnyomás mérhető, vízkémiai tulajdonságai, elhelyezkedése és mozgásának változása viszonylag rövid időn belül követik az időjárás változásait és a mesterséges beavatkozásokat.

Talajvíz

Talajvízszint: geodéziailag meghatározható, általában a tengerszinthez viszonyított magasság.

Piezometrikus (nyomás) szint vagy nyomómagasság nem egyenlő a víztest felső határfelületével. A víztükör nyomásviszonyai szerint: nyílt (szabad) víztükrű és zárt (nyomás alatti) víztükrű lehet.

• Nyílt tükrű rendszer: aerációs zóna, kapilláris tartomány, gravitációs tartomány.

• Zárt tükrű rendszer: ha a talajvízszint a vízáteresztő réteg felső szintjénél magasabbra emelkedik, azaz a vízzáró leszorítja, nyomás alatt tartja. Ekkor a víztartó réteg fedőszintjén a légnyomásnál nagyobb nyomás van (artézi).

• A víztükör geometriai alakja, kissé kisimítva követi a domborzatot. Anomáliák: vízdóm, lebegő talajvíz, általajvíz, talajvíz tó, talajvíz választó.

A nyilt tükrű talajvíz

Talajvíz

Talajvízjárás: napi és évi periodikus vízszint változás, melyet döntően a csapadék, a párolgás, a felszíni és felszínalatti hozzá és elfolyás és a növényzet párologtatása szabályoz.

Napi max. nyáron és ősszel 8-10 cm. Évi max. március-május, min szeptember-november, általában 70-90 cm, max. 2-2,5 m.

Az ingadozás mértéke függ a talajvízszint mélységétől, a talaj tömörségétől (hézagtérfogat) és vízáteresztő képességétől.

Talajvíz

• A talajvíz áramlását a topográfia és a földtani adottság, azaz a terepfelszín és a vízzáró fekü lejtése határozza meg. A felszíni és a felszínalatti vízgyűjtő jelentősen eltérhet egymástól.

• Az áramlás irányának és sebességének meghatározása fúrásokban történő vízszint és marker észlelés segítségével.

Rétegvíz

Meghatározása: Az első regionális kiterjedésű vízzáró réteg alatt elhelyezkedő porózus kőzetben tárolt víz, mely rendszerint hidrosztatikus és kőzetnyomás alatt áll. Szerepe az ivóvíz ellátásban, bányászati és alagút építésben van.

Rétegvíz típusok

• Hőfok szerint: hideg és termális (hévizek) vizek, határ: 30-37oC. Hazánk az átlagos 33 km-esnél vékonyabb kéreg (23-26 km) miatt termális energiában gazdag. Geotermikus gradiens: 1oC emelkedés hány méteren következik be (Mo.-on átlagosan 18 m/oC, a Földön 25 m/oC).

• Összetétel szerint: egyszerű, ásvány (1000 mg/l-nél nagyobb oldott só vagy biológiailag aktív elem: jód, bróm) és gyógyvíz (vegyi összetétel és/vagy fizikai tulajdonságai révén bizonyítottan gyógyhatású).

Rétegvíz típusokNyomásának a terepszinthez viszonyított helyzete alapján: nyugalmi vízszint a terepszint alatt akkor negatív, ellenkező esetben pozitív.

Rétegvíz típusokAz áramlási rendszer nyomásállapota szerint: a rétegvizek áramlási módja a mikroszivárgás. Megcsapolási (feláramlási) övezet: a piezometrikus nyomás a mélység felé a hidrosztatikusnál nagyobb mértékben növekszik, és beszivárgási (utánpótlódási) régió: ha a nyomás lefelé a hidrosztatikusnál kisebb mértékben nő.

A rétegvizek jelentősége

• A rétegvizek az ipari és ivóvíz ellátás jelentős bázisai, ezen belül is az 1-2 km vastag felső-pannóniai üledékes rétegek.

• Intenzív kitermelésükkor jelentős mértékű felszínsüllyedések tapasztalhatók (pl. Debrecen). Ennek oka a semleges feszültség (a víz által közvetített) csökkenése és a hatékony (fedőrétegek súlya) rétegnyomás növekedése.

Karsztvíz

Meghatározása: A karsztosodó kőzetek (mészkő, dolomit, kősó, gipsz) hasadékaiban és üregrendszereiben található gravitációs víz.

A karsztosodás lényege: kémiai mállás.Karszt-típusok (a kőzet földtani helyzete és településviszonyai

alapján):• Leszálló, támaszkodó, szabadtükrű• Sekély és mélykarszt (az erózió bázishoz viszonyított

helyzete alapján)• Fedett és nyílt karszt (a vízzáró fedő meglétének

függvényében)• Szabadszintű és leszorított szintű karszt

A karsztosodás folyamata

– a karbonátos kőzetek leülepedése– tektonikai igénybevétel hatására összerepedezése– a földkéreg mozgása következtében a kőzettestek

kiemelkedése az erózióbázis fölé– a felszín felől megindul a karsztosodás, mely elsősorban

kémiai, másodsorban mechanikai jelenség:• H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2 • utóbbi egy egyensúlyra törekvő reverzibilis folyamat• a vízben oldott szabad CO2 és a víz hőmérsékletének

függvényében válik ki/oldódik a karbonát • keveredési korrózió

Karsztvíztípusok

A karsztvíz jellegzetességei

• A karsztvíz mindig kemény víz, benne uralkodnak a hidrogénkarbonátok. Műszakilag kedvezőtlen vízkőlerakódások tapasztalhatók.

• A vízmozgások a közlekedőedényben szokásoshoz hasonlítanak, gyakran turbulens a vízáramlás, ezért a Darcy törvény itt nem alkalmazható.

• A felszínnel való közvetlen kapcsolata miatt (nyitott karszt esetén) nagyon érzékeny a felszíni utánpótlásra (pl. csapadék) és a szennyeződésekre.

ForrásokMeghatározása: A felszín alatti vizek koncentrált természetes

felszínre bukkanásait forrásoknak nevezzük, amelyeknek három eleme van: vízgyűjtő terület, vízszállító szakasz és a forráskilépés környezete.

Források

• hidrogeológiai szempontból a forrásokat osztályozhatjuk a vizet tározó kőzet szerint (pl. karsztforrás, törmelékforrás, rétegforrás, stb.), valamint

• a szállítási útvonal és a tápterület egymáshoz viszonyított magassági helyzete alapján (pl. leszálló, átbukó, és felszálló forrásokra.

A forrás vízjárása

• A források vízjárását befolyásoló tényezők:– A meteorológiai viszonyok– A vízgyűjtő terület nagysága, alakja és kőzetviszonyai– A szállítórendszer hossza és kőzetviszonyai– A forráskörnyék földtani viszonyai– A vízgyűjtő terület és a forrás potenciálkülönbsége

A forrás vízjárása

• A gyakorlat számára fontos a forrás vízjárásának egyenletessége, melyet a megbízhatósági index-szel (wF) jellemzünk (Kessler H. 1954):

wF=Qmax/Qmin

• Ha a wF = 1 – 3, akkor a forrás kitűnő, 3 – 5 igen jó, 5 – 10 jó, 10 – 20 mérsékelt, 20 – 100 rossz, >100 igen rossz

Darcy törvénye

Vsz = k * I

– (Vsz = szivárgási sebesség, I = hidraulikus esésgradiens, k = szivárgási tényező, kőzet és folyadékfüggő)

– Darcy törvénye csak a lamináris (lineáris) szivárgásra jó, szakmailag értelmetlen a szivárgás nélküli és a mikro szivárgási állapotra (pl. agyagokra) és turbulens folyadék áramlásra (pl. karsztvizeknél)

Szivárgási (“k”) tényező • Szivárgási (“k”) tényező - conductivity (cm/sec,

m/sec, m/nap): folyadék-függő, más az értéke vízre, illetve más fluidumra, ezért fluidumra a kinematikai viszkozítással és a dielektromos állandóval az értékét korrigálni kell. Erősen függ a szilárd fázis felület-aktivitásától is, azonos szemcseméret mellett nagy különbség van a vezetőképességben az agyagásvány-tartalom minősége és aktiváltsági foka (A) függvényében is (aktiváltság - A– szkempton szám) = Ip/s<2mm). Ez nagyon fontos lehet a környezetföldtanban, a kőolajföldtanban és a termálvizek kutatásánál is).

• Áteresztő képesség (“K”- tényező) - permeability (m2): a kőzetre jellemző érték.

Szivárgási (“k”) tényező

Vízföldtani kulcsparaméterekSzivárgási sebesség (Vsz): teljes keresztmetszetű folyadékmozgásra vonatkozik. A pórusokban szivárgó víz valóságos sebessége ennél nagyobb. Veff = Vsz / n0 Víztároló képesség mérőszáma: n – porozitás, vagy hézagtérfogat (egységnyi kőzettérfogatban lévő hézagok össztérfogata)Szabad hézagtérfogat - no, melyből a garavitációs víz termelhető ki; e- hézagtényező (hézagok és a szilárd alkotók térfogatainak aránya) Az n és n0 közötti különbség kavicsoknál elhanyagolható, de szemcseméret csökkenésével és az agyagásványok arányának növekedésével rohamosan nő.

Vízföldtani kulcsparaméterek

A különböző laza törmelékes üledékek vízadó, víztartó képessége és porozitásuk közötti összefüggés