Hidrológiai Közlöny 2012 (92. évfolyam)
2. szám - Marton Lajos: Nem-gravitációs felszín alatti vízmozgások a Pannon-medence példáján
^AI^O^^^Nen^ravitációs^els^ 9 ban. Powers (1967) volt az elsők egyike, aki felhívta a figyelmet arra, hogy víz szabadul fel, amikor a montmorillonit illitté alakul át. A folyamatot részletesebben vizsgálta Burst (1969), aki három önálló stádiumot különböztetett meg az agyagrétegek dehidratációjában: (1) A részlegesen kötött (két vízrétegnél több) víz kezdeti kinyomódása 0,71,0 km mélységben a külső terhelés hatására, mely kezdeti kompakció a víztartalmat 80%-ról 30 térfogatszázalékra redukálja. (2) Kb. 1 km-nél nagyobb mélységben megkezdődik a montmorillonit illitté alakulása jelentős mennyiségű, 10-15 térfogatszázalék víz leasásával. (3) Végül a kristályközi víz nagyon lassú kipréselődése megy végbe 10 és 100 millió év alatt. További, ennél differenciáltabb elméletek is napvilágot láttak, de mindegyik lényege az, hogy a diagenezis során az agyagásványok átalakulnak, miközben víz szabadul fel. Rá kell mutatni arra, hogy az agyagszemcsék felületén adszorbeált víz sajátos szerkezetű, csökkent dielektromos állandóval és megnövelt sűrűséggel. Ezért a víz szabaddá válásának stádiumában 40 %-os víztérfogat-növekedés is megfigyelhető, ami megnöveli a feszültségeket az agyagban, és járatokat formál abban, amelyeken keresztül a többletvíz kipréselődik a rezervoárba (Pinneker 1983, p. 55). Következésképpen az üledékes medencékben a formációk kialakulása hatalmas víztömegek külön-válásával és eltemetődésével jár együtt. A kompakció befejeződése és az üledék kőzetté válása után a megmaradó fizikailag kötött víz kb. 5 térfogatszázalék. Amikor az üledékes tömeg belép a progresszív metamorfizmus zónájába, amely a kőzeten belüli átkristályosodást jelenti, nem csupán víztelenítés történik, hanem vízszintézis, azaz új vízmolekulák képződése is, amit szabad vízként tekinthetünk. A metamorfózis során így keletkező vízmennyiség elérheti a 15-25 súlyszázalékot. A víz kiválása a metamorfózis folyamán lassan megy végbe, az ásványok átkristályosodásának mértékétől függően. Végül is, a víz, amely kezdetben az üledékes rétegekben kötött vízként tárolódott, a metamorfózis során fokozatosan teljes mértékben szabad vízzé válik, elfoglalja a kőzetek pórusait és hasadékait, és elkezd felfelé mozogni (Pinneker 1983, p. 56). Boggs (1987) a kompakció mellett további hét díagenetikus folyamatot ismertet, amelyek közül legalább négy kihatással van a porozitás mértékére. Ezek a kicserélődés, melynek során egy ásvány egy másikra cserélődik, az inverzió, amikor egy ásványt annak polimorf változata cserél fel, átkristályosodás, vagy a kristály méretének és alakjának megváltozása, amely általában a szemcsenagyság megnövekedését eredményezi, és az oldódás mint szelektív folyamat, amely eltávolítja az összletből a leginkább oldódó komponenseket adott környezeti feltételek mellett. A diagenezis hidrológiai szempontból az eredeti, a szedimentáció során lerakódott, valamint a hidratáció során keletkezett szabad víz transzportját eredményezi, tehát a pórusvíz intenzív mozgását jelenti. A kompakció és diagenezis során hidraulikai és geokémiai indukációjú vízmozgások keletkeznek, és az utóbbiak egyre erősödnek, ahogy a diagenezis, majd a metamorfózis előrehalad. Vízmozgás az agyagban Az itt közölt rész lényegében rövidített változata egy korábbi közleményben kifejtett kutatási eredménynek, amely az agyagrétegek közötti átszivárgást izotóptechnikai mérésekkel bizonyította (Marton, 2011). Az agyag a 0,005 mmnél kisebb átmérőjű (tehát mikrométer nagyságrendű) talajrészecskékből álló kőzet. A részecskék közötti pórusok mérete ennél is kisebb, nanométer nagyságrendű. A nanométer (jele nm) - a méter milliárdodrésze (1x10 9 m). Mivel az agyag képződmények a maguk speciális részecske- és pórusrendszerével a nano-méretek világába tartoznak, ezért ezek szerkezetét nano-rendszereknek nevezzük. A szivárgó mozgásokat a Navier-Stokes-féle vagy dinamikai egyenletek a viszkózus folyadék súrlódási ellenállásának figyelembevételével íiják le. Már a múlt század első felében kimutatták, hogy a gáz porózus közegen át történő szivárgása során viszkózus áramlásból molekuláris áramlásba megy át, amikor a pórusátmérő mérete összehasonlítható a gázmolekula átlagos szabad úthosszának a méretével (Loeb 1934). Nem sokkal később Carman (1949) különböző gázokkal végzett kísérletei eredményeképpen megerősítette az előbbi állítás helyességét. A közelmúltban végzett kutatások ugyancsak megállapították, hogy a nanométer nagyságrendű pórusokban, tehát a nano-rendszerekben a NavierStokes egyenletek nem érvényesek (Karnidiakis et al. 2005). Ezért a nano-léptékű transzport-folyamatok tanulmányozása molekuláris szemléletet igényel. Régóta ismert, hogy a folyadék-szilárd-fázis kapcsolatban a fal közelében molekuláris átrendeződés történik. A legújabb tudományos beszámolók arról tudósítanak, hogy az 5 nm-nél kisebb pórusok (csatornák) esetében ez a hatás meghatározza az egész rendszer szerkezetét, a folyadék nem kontinuumként mozog, hanem a nyomás-gradiens hatására molekulánkét hagyja el a pórusteret. Azonban egészen a molekula-méretig lemenően megállapították, hogy a nyomásesés arányos az átlagos v z sebességgel, és fordítottan arányos a pórus keresztmetszeti területével, tehát a Darcytörvény érvényben marad (Vrabec et al. 2010). Az agyagrétegek permeabilitását számos fizikai és kémiai tényező határozza meg, úgymint a repedezettség, az iszap és homok aránya, az üledék konszolidációs története, cementáció és kationcsere, a pórusvíz kémizmusa. A szmektit -agyagok permeábilitása típusosán alacsonyabb, mint a többi agyagtípusé. Természetes környezetben az agyag permeábilitása növekszik, ha csökken a kicserélhető Na + koncentráció (növekszik a Ca 2 + és a Mg 2 +), és nő a pórusvíz oldott anyag tartalma (Timms és Acworth 2005). A szmektit ásványok jellegzetes tulajdonsága a feltűnően nagy ioncserélő képesség. A víz sűrűségkülönbsége által indukált vízmozgás Egészen kicsi sűrűségkülönbségek is képesek jelentős áramlási mozgásokat indukálni. Ennek érzékeltetésére Simmons (2005) azt a példát hozza fel, hogy ha a talajvízszint esése kilométerenként 1 méter, ezzel pontosan egyenértékű az, ha a tiszta víz 1000 kg/m 3 sűrűségéhez képest 1,0 kg/m 1 sűrűségkülönbség van, ezt az 1 ezrelék különbséget már csekély mértékű tengervízzel való keveredés is biztosítja. De nem csak a keveredés, hanem a víz hőmérséklet-különbsége is tud ilyen vagy ennél nagyobb sürüségkülönbségeket indukálni. A tiszta víz 15°C és 25°C közötti 10°C hőmérséklet-különbsége 2,1 %o sürűségkülönbséget jelent (999,1 997,0=2,1 kg/m ), amely a hidraulikában 0,0021 gradienssel vagy folyók és a talajvíz esetében kilométerenként 2,1 m eséssel egyenértékű. Ha tovább vezetjük ezt a gondolatmenetet, ez azt jelenti, hogy a felszín alatti vízben a hőmérsékletnövekedés miatti sürűségcsökkenés felhajtóerőként működik. Azonban az, hogy vajon a sűrüségkülönbségből származó erő lesz-e a domináló, több komplex tényezőtől függ, úgymint a folyadék és a porózus közeg kölcsönhatásától, a lehetséges ellenkező irányú hidraulikai gradienstől, és töb-
