Hidrológiai Közlöny 2012 (92. évfolyam)

2. szám - Marton Lajos: Nem-gravitációs felszín alatti vízmozgások a Pannon-medence példáján

6 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2012. 92. ÉVF. 2. SZ. gravitációs hajtóerővel általánosságban nem képzelhető el. Léteznie kell tehát egy másféle hajtóerők által indukált folyadékmozgásnak is, amely lehetővé teszi a tapasztalt jelenség fizikai bekövetkezését. Ezt egyik megnevezés szerint nem-gravitációs vízmozgásnak, más szóhasználat szerint geológiai vízmozgásnak nevezzük. A következőkben az ilyen nem-gravitációs vízmozgások kialakulásával és a folyamatok néhány kérdésével kívánok foglalkozni. Nem-gravitációs vízmozgások A hidrológiában jól ismert néhány nem-gravitációs mozgásijelenség, amelyek közül legrégebben ismert a kapilláris erő. A kapilláris erő a víz felületi feszültségének és az adhéziónak a kombinációja. Az adhézió az érintkezésbe hozott felületek anyagi részecskéi (ionok, molekulák, atomok) közötti vonzóerővel magyarázható. Ahogy az ember kezdte megismerni a földtani üledékképződés folyamatát, újabb nem-gravitációs vízmozgási jelenségekkel találkozott. Az egyik általánosan ismert jelenség az üledékes kőzetek kompakciója, amelynek során a diagenezisnek nevezett folyamat végbemegy. A geológiai vízmozgásokat befolyásoló tényezők és folyamatok közül a diagenezis mellett meg kell említeni a kompressziót, a földrengéseket, de ide sorolható a Föld belsejében keletkező földi hőáram is, amely rendívül jelentős hatással van a felszín alatti vizek mozgására. A vízmozgást módosító további geológiai folyamatok között említhetők a tektonikai mozgások és általában a morfológiai változások hatása, valamint a víz természetes eredetű gáztartalma. Egy másik méretarányú jelenségcsoport a hidrogeoszféra egészen mély zónáiban végbemenő kémiai és termodinamikai folyamatok sorozata, amelyek mechanizmusát még alig ismeijük. A nem-gravitációs vízmozgások egyik formája az ozmózis, amely megjelenését tekintve víz vagy más oldószer átáramlása (diffúziója) két különböző koncentrációjú oldatot elválasztó féligáteresztő hártyán. Az ozmózis fogalmát Thomas Graham vezette be 1854-ben. Ha egy oldatot a tiszta oldószertől féligáteresztő hártya (membrán) választ el, akkor az átáramló oldószertől az oldat egyre hígabbá válik. Féligáteresztő (szemipermeábilis) hártyának nevezik azt a membránt, amelyen csak az oldószer molekulái képesek áthatolni, az oldott anyagéi nem. A biológiában rendkívül fontos ozmózis jelenségét mélyrehatóan először Wilhelm Pfeffer német növény-fiziológus tanulmányozta 1877-ben (Britannica Hungarica, 2007). Valóság-közeli megfigyelés, hogy az ember ujjai ráncosak lesznek hosszabb tengeri fürdés után, mert bőrünk is membránként működik. Agyagrétegek mint geológiai membránok A mélységbeli vizek ion-koncentrációjának eloszlása arra mutat, hogy a nagykiteijedésű alacsony permeabilitású agyagrétegek szemipermeábilis membránként viselkednek. A membrán szó latin eredetű, (membrana), eredeti jelentése bőr, hártya, héj. A membrán napjainkban technológiai fogalommá vált. Olyan technológiai válaszfalat jelöl, amely szelektív áteresztőképességénél fogva az anyagok szétválasztását többnyire kémiai átalakulás nélkül teszi lehetővé. A membránfolyamatot élesen meg kell különböztetni a hozzá látszólag igen hasonló szűréstől. Szűréskor az elválasztandó keveréknek legalább egy komponense a szűrő belsejében vagy felületén gyűlik össze, ezért a szűrő fokozatosan eltömődik. Ellentétben a szűrővel, a membrán az eredeti anyagáramot két részre osztja: az egyik közülük átmegy a membránon, a másik visszamarad. A folyamat lényegéből következik, hogy a membrán nem tömődik el, élettartama elvileg meghatározatlanul hosszú idő. Az ipari membrántechnológiában azt a membrános elválasztási módszert, amely az oldószer molekuláinál lényegesen nagyobb molekulák vagy részecskék elválasztását nyomáskülönbség és porózus membránok segítségével oldja meg, általában ultraszűrésnek nevezik. Az ultraszürés elnevezés, bár így honosodott meg, nem szerencsés, mivel az ultraszűrés, mint membrános elválasztási folyamat lényegét tekintve különbözik a szűréstől. Az ipari membrán-technológia részleteiről és a víztisztításban alkalmazott lehetőségekről Öllős és Kollár (1982) tanulmánya ad tájékoztatást. A természetes geológiai képződmények közül az agyagés palarétegek membránként való viselkedését sok helyen megfigyelték. Olyan eseteknél, ahol a sós fosszilis felszín alatti vizeket (angolul: brackish water = 0,5-30 g/liter, saline water = 30-50 g/liter, brine >50 g/liter sótartalommal) az édesvizektől agyagpalák vagy hasonlóan alacsony permeabilitású képződmények választják el, megvan a feltétele az ozmotikus áramlásnak az édes víztől a sós víz felé. Ha a sós víz jó vízzáró agyagpalák között helyezkedik el, abnormálisan nagy nyomások alakulhatnak ki. Kazmann (1972) az ozmózissal kapcsolatos tudományos eredményeket a következőképpen foglalja össze. Az 1960as évek vége felé a U.S. Geological Survey egyes geológusai egész sor adatot halmoztak fel a víz-gradiensek és a vízhozamok összefüggéséről, amit nem tudtak csupán a gravitációs erő hatásaként értelmezni. A választ a geokémiai hidrodinamikának nevezett tudomány adja meg. A piezometrikus szintek különbségeit termikus, elektromos és kémiai ozmotikus erők generálhatják. Ilyen körülmények között az agyagréteg a szemipermeábilis vagy ioncserélő membrán szerepét játssza. Az így geijesztett nyomásszint-különbség vízátáramlást idéz elő az agyagrétegen keresztül egyik vízadóból (aquifer) a másikba. A fent említett erők közül az ozmózisnak tulajdonítanak legdöntőbb hatást. Glasstone (in: Kazmann 1972, p. 176) az ozmózist így definiálja: „a víz spontán áramlása egy oldatba vagy egy hígabb oldatból egy töményebb oldatba, ha egy alkalmas membránnal vannak egymástól elválasztva". Glasstone szerint az ozmotikus nyomás (miközben a hőmérséklet konstans marad) majdnem egyenesen arányos a koncentráció-különbséggel. Adott koncentráció-különbségnél az ozmotikus nyomás nő az abszolút hőmérséklettel. Az ozmotikus erők által keltett potenciál-különbségek meglepően nagyok. Például, ha egy édesvizet tartalmazó vízadó réteget agyagréteg választ el egy 50 mg/liter koncentrációjú sósvizű vízadótól, az édesvízben 488 m vízoszlopnak megfelelő nyomáskülönbség hajtja át a vizet a sós aquiferbe. Még akkor is, ha az agyagréteg vastag, és ha a sósvizű aquifer (salaquifer) potenciometrikus szintje magasabb, mint az édesvizű aquiferé, a víz át tud szivárogni az agyagon a sósvíz felé a geokémiai ozmotikus erő következtében (Kazmann 1972, p. 176). Másrészről azonban édesvíz tud kipréselődni a sósvizü aquiferből az édesvizű aquiferbe, a fordított ozmózisnak nevezett folyamat során. Ha a túlterhelés súlya olyan feszültséget hoz létre a sósvizü aquiferben, amely meghaladja az ozmotikus feszültséget, iható édesvíz-táplálás indulhat az édesvizű aquifer felé, amíg az erők egyensúlyba nem jutnak. Az ozmózis hatásának következményeivel találkozhatunk a Magyar Alföld néhány fosszilis vizet tároló részmedencéjében is. Ezt a jelenséget olyan esetekben tapasztaltuk, amelyeknél geológiai és kémiai adatok birtokában tudjuk, hogy idős (többnyire termál-) vizekről van szó, mégis mérnek a vízben radiokarbon korokat. Azt már tudjuk, hogy az