Hidrológiai Közlöny 2011 (91. évfolyam)
4. szám - Marton Lajos: Felszín alatti vizek hidraulikai vizsgálata az Alföldön – radiokarbon koruk ismeretében
|MARTONL^Felszín^^ 31 Az agyagásványok másodlagos szilikátásványok, melyek talajkémiai mállás során keletkeznek, a talaj ásványi részének legfontosabb alkotói, sajátos rácsszerkezettel, duzzadó és ioncserélő képességgel rendelkeznek. A legtöbb agyagásvány szerkezete két szerkezeti elem segítségével írható le. Az első közülük egy szilícium-oxigén tetraéderekből álló réteg, amely kétdimenziós, hexagonális szimmetriájú hálózatot alkot. Ennek az egységnek kb. 4,7 Á a vastagsága. A második szerkezeti egység szoros illeszkedésü oxigén vagy hídroxil-ionok két rétegéből áll, melyek együttesen oktaédereket alkotnak. Ezek közepén fémelemek, rendszerint alumínium, magnézium vagy vas helyezkedik el. Az oktaéderes réteg torzítatlan vastagsága kb. 5,05 A. A tetraéderes és az oktaéderes kristályszerkezeti egységek különböző elrendeződés szerint kapcsolódhatnak egymáshoz. Viszonylag ritkábbak az amorf agyagásványok, s azok, amelyek kettős tetraéderláncokat alkotnak (Britannica Hungarica 2007). Átlagos feltételek között a tengervízben Mg-montmorillonit keletkezik, félsós vízben a Mg/Ca arány a Ca javára tolódik el, s ehhez nem is szükséges a Ca-ion-koncentráció túlságos növekedése, mert a Ca ionerőssége felülmúlja Mgét, vagyis a montmorillonithoz ez az ion kapcsolódik a legnagyobb affinitással. Édesvízben savanyú plagioklászok mállása folytán Ca-, Mg-szegény és viszonylag Na-gazdag oldat jöhet létre, amely Na-montmorillonit képződésére vezet (Nemecz 1973, p. 470). A nagymélységből származó palás agyagüledékek sajátsága nálunk az ásványos összetétel szerinti feltűnő egyveretűség. Csak az agyagásványokat tartva szem előtt, mindöszsze három ásványból, montmorillonitból, kloritból és csillámból Ciliit) állnak (Nemecz (1973, p. 486). A fentiekben már mondtuk, hogy a szivárgó mozgásokat a Navier-Stokes-féle vagy dinamikai egyenletek a viszkózus folyadék súrlódási ellenállásának figyelembevételével írják 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). 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 Navier-Stokes 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, 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 permeabilitása típusosán alacsonyabb, mint a többi agyagtípusé. Természetes környezetben az agyag permeabilitása 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. Az Észak-Dakotai Állami Egyetemen Na-montmorillonit agyag szivárgási tulajdonságait vizsgálva infravörös színképelemzéses és röntgen-diffrakciós eljárással (infrared spectroscopic and X-ray diffraction techniques) meghatározták, hogy a víz rétegközi szivárgásának sebessége 3,23 * 10"' cm/s, azaz 3,23x10"" m/s volt, mi jól egyezik a más mérések során a szmektit-agyagokra kapott értékekkel (Amarasinghe et al. 2008). 3. Hidraulikai számítások A víznek a 1 4C koncentráció alapján számított kora (groundwater age) lehetőséget ad az aquifer- és aquitard-paraméterek meghatározására. A következőkben erre mutatunk be néhány példát. A vízminták azonosítására a vizsgálatok kódszámait használjuk, ezeket félkövér betűtípussal jelöljük, bár feltüntettük a kutak kataszteri számait is, de ezek csak a település nevével együtt adnak azonosítási lehetőséget. 3.1 Szivárgási vizsgálatok a felsőpleisztocén aquiferben A Dél-Nyírség leáramlási területén Debrecenben létesített figyelő-kutak feltárták a felsőpleisztocén képződmények hidraulikai viszonyait. Az egymás mellett különböző mélységben szűrőzött figyelő-kutak potenciometrikus szintjei teljesen együtt mozognak. Nyári időszakban a talajvíz szintje és a mélyebben, 71,0-75,0 m között szűrőzött kút potenciometrikus szintje között csupán 10-15 cm a különbség. Az őszi, téli és tavaszi időszakban a különbség 30-40 cm-re nő, de még mindig feltűnően kicsi, ezért megállapíthatjuk, hogy ezen a területen 75,0 m mélységig a porózus közeg hidraulikai tekintetben egységes, összefüggő víztestet tárol, a leszivárgás során a nyomásveszteség viszonylag kicsi, emellett a közbetelepült agyagrétegek nem is folytonosak (Marton 2009, p. 436). A megfigyelt vízszintkülönbségek ugyanakkor markánsan jeleznek egy szezonális hatást (január -májusi nagyobb eltérések, nyári-őszi minimális különbségek). A Darcy-törvény szerint a szivárgás sebessége (v) arányos a szivárgási tényezővel (K) és a hidraulikus gradienssel (í). Ez a Darcy-féle szivárgási sebesség nem valóságos, hanem képzelt vagy „térfogati sebesség" („volumetric velocity"). A pórusbeli átlagos v p szivárgási vagy „vonalmenti sebességet" („linear velocity") a Darcy-sebesség és az n 0 szabad hézagtérfogat hányadosaként kapjuk: v P = K±- (1) no Másrészt a pórusbeli szivárgási sebesség számítható a víz korának ismeretében a v p =— (2) f Át összefüggésből, ahol h a szivárgási úthossz (m) A t a víz kora (év) A víz korát a talajvíz és a rétegvíz korának különbségeként értelmezzük, de mivel a talajvíz legfelső szintjének (egyébként nem magas) korát nem ismeijük, azt elhanyagolhatónak tekintjük. A Darcy-féle volumetrikus szivárgási sebesség: v = v pn 0 (3) Izotópos vizsgálatok az 1. táblázat kútjai vizének elemzésével történtek.
