Víz- kőzet kölcsönhatások

Kurzusinformációk

A tantárgy címe:
Víz-kőzet kölcsönhatások

Felelős oktató:
Dr. Szanyi János

További oktatók:
Dr. Kovács Balázs
Dr. Schubert Félix
Dr. Bozsó Gábor

A tantárgy típusa:
Szakmai törzstárgy

Leírás

Előfeltételek:
a szeminárium párhuzamos teljesítése a kollokvium előfeltétele

Az előadás rövid ismertetése:

1. Alkalmazott hidrogeológia: Részletesen ismertetésre kerülnek a háromfázisú zónában lejátszódó hidraulikai és transzport folyamatok, a talajvizet érő hatások. Ezen belül fontos szerep jut a belvíz kialakulásának klimatikus és felszín alatti víz-áramlási rendszerhez kapcsolódó okainak tárgyalására, a párolgás-beszivárgás egyensúlyán alapuló vízmérleg-számításra. Ehhez kapcsolódóan ismertetjük a vízszintmérési módszereket, a terepi digitális mérőeszközök alkalmazását. Bemutatásra kerülnek a legfontosabb adatgyűjtési módszerek, a meglévő adatbázisokhoz való hozzáférés lehetőségei. Méréseken alapuló alapvető hidraulikai számításokat végzünk kiértékelő szoftverek segítségével (horizontális és vertikális hidraulikus gradiens meghatározása, szivárgási sebességek meghatározása, kút és galéria körül kialakuló nyomások meghatározása és szivárgási sebességek számítása, stb.) Bemutatjuk a vízkészlet-gazdálkodásban használatos geofizikai módszereket és alkalmazásukat. Esettanulmányokon keresztül vizsgáljuk az emberi hatásokat a természetes felszín alatti víz szivárgásra. Értékeljük ezek következményeit, rávilágítunk a fenntartható vízgazdálkodás legalapvetőbb szabályaira.

2. A tematika a következő alfejezetekre oszlik: Vízszintmérési módszerek és alkalmazásuk, adatgyűjtés, terepi digitális mérőeszközök alkalmazása. Alapvető hidraulikai számítások (horizontális és vertikális hidraulikus gradiens meghatározása, szivárgási sebességek meghatározása, kút és galéria körül kialakuló nyomások meghatározása és szivárgási sebességek számítása). Geofizikai módszerek és alkalmazásuk.

3. Hidrogeokémia: A hidrogeokémiai munka alapja a reprezentatív mintavétel, a minták megfelelő tartósítása és a pontos mérés. Ezért ezek a gyakorlati tudnivalók fontos részét képezik a tematikának. Elméleti oldalról azokat a vizes fázisban lejátszódó homogén, és a víz és ásványok közötti heterogén folyamatokat, valamint határfelületi jelenségeket tekintjük át, melyek felszíni és felszín alatti körülmények között egyaránt meghatározzák a víz-kőzet kölcsönhatást. Ezek a következők: az ásványok oldódása, a redox, az adszorpciós és az ioncsere folyamatok. Mivel földtani rendszerekben az oldódás két különböző mechanizmus szerint megy végbe, ezért a téma tárgyalásánál fontos megkülönböztetni a kongruens és inkongruens oldódást, az egyensúlyi és kinetikus folyamatokat. Az oldódás mindkét típusánál a CO₂ oldódást befolyásoló szerepének részletes ismertetése elősegíti a természetben lejátszódó kémiai folyamatok megértését. A redox folyamatok tárgyalása elsősorban a nitrogén, a vas és a kén vegyületeik példáján keresztül történik, az ioncsere esetében pedig az elméleti alapok mellett a környezeti alkalmazások is bemutatásra kerülnek. Mivel a hidrogeokémiában a víz-kőzet kölcsönhatás fontos indikátorainak tekinthetők az izotópok ezért erre a témakörre is kitérünk. A földtani rendszerek tárgyalása megkívánja a termodinamikai szemléletmód következetes érvényesítését minden reakciótípus esetében.

A tematika a következő alfejezetekre oszlik: Hidrogeokémiai adatok megbízhatósága, mintavétel, tartósítás, analitikai módszerek. Tömeghatás törvény. Koncentráció-aktivitás. Egyensúlyi állandó hőmérsékletfüggése. Kinetika. Ásványok oldhatósága. Kongruens és inkongruens oldódás. CO₂ szerepe az oldódásban. Karbonátok oldódása. Szilikátmállás. Redox reakciók. Ioncsere folyamatok. Izotópgeokémia: stabil-és radioaktív izotópok. Geokémiai és izotópgeokémiai modellezés.

4. Paleohidrogeológia: Egy adott földtani környezetben lejátszódott fluidummigráció fizikai-kémiai körülményeiről, ill. a fluidum összetételéről közvetlen információk kizárólag a migráció során bezáródott fluidumzárványok vizsgálatával szerezhetők. Erre elsősorban az adott kőzettest – mátrix vagy repedezett – pórustereiben, a fluidumból kivált ásványokkal egykorú (elsődleges) fluidumzárvány-generációk, bizonyos esetekben ezen cementásványokban utólagosan bezáródott (másodlagos) zárványegyüttesek használhatók. Mivel a megjelenő cementásványok fajtája nagymértékben a befoglaló kőzet kemizmusának függvénye, a fluidumzárvány vizsgálatok megkezdésének előfeltétele a bezáró kőzet részletes petrográfiai/petrológiai vizsgálata. A fluidumzárványokat bezárni képes ásványok fizikai tulajdonságai rendkívül széles spektrumon változhatnak, ezért a helyes mintaelőkészítés elsajátítása különösen fontos az ásványok belső szerkezetét, ezáltal a zárványok eredeti térfogatát megőrizendő. Tekintve, hogy az elsődleges-, ill. másodlagos genetikájú fluidumzárványok a cementáció/migráció különböző stádiumairól hordoznak információt, ezért a zárványok képződési mechanizmusai és a petrográfia lehatárolás szempontjainak tisztázása a valós földtani információt hordozó következtetések levonásának alapvető feltétele. A bezáródott fluidum laboratóriumi vizsgálata során jelentkező fázisátalakulások értelmezésekor elengedhetetlen a fázisdiagramok, ill. a Gibbs-féle fázisszabály ismerete és ezek rutinszerű alkalmazásának elsajátítása. Szükséges ezentúl a litoszféra magasabb tartományaiban csapdázódó zárványegyüttesek leggyakoribb fluidum típusait alkotó vegyületek (H₂O, CO₂, CH₄), ill. ezek elegyeinek a nyomás-hőmérséklet-sűrűség térben jelentkező fázisegyütteseinek megismerése. Hasonló módon tisztában kell lenni az oldott formában kloridokat tartalmazó vizes flidumok fázisegyütteseinek topológiájával. Ennek elsajátítása a – leggyakoribb – H₂O-NaCl modellrendszer révén történik.

A tematika a következő alfejezetekre oszlik: Mintavétel-mintakészítés. A befoglaló kőzet petrográfiai-petrológiai jellemzésének szempontjai. Fluidumzárvány-petrográfia. A mikrotermometria elmélete, használatának feltételei. A leggyakoribb fluidum típusok jellemzői. A bezáródás alapvető típusai, ill. a bezáródást követő átalakulások felismerése, kezelése. Az alkalmazott analitikai módszerek felhasználhatóságának lehetőségei és korlátai (katódlumineszcens mikroszkópia, UV fluoreszcens, FT-infravörös és Raman mikrospektroszkópia). A kapott adatok értelmezése, a bezáródás körülményeinek modellezése.

5. Geotermikus rendszerek: Ismertetjük a Földi hőáram és a geotermikus gradiens anomáliáit hazai és nemzetközi példákon keresztül. Bemutatásra kerülnek a geotermikus rendszerek tervezésének és a kaszkádrendszerű hasznosításnak az alapjai. Részletesen tárgyaljuk a geotermikus rendszerek létesítésének jogi és gazdasági feltételeit, valamint a geotermikus rendszerek építése és üzemeltetése során felmerülő környezetvédelmi problémákat. Külön kitérünk a kis-, közepes- és nagy-entalpiájú rendszerekkel kapcsolatos szakmai jogosultságok ismertetésére. Tárgyaljuk a geotermikus rendszerek várható meghibásodási lehetőségit, a rendszerek élettartamát növelő legfontosabb intézkedéseket, a rendszeres monitoring fontosságát. A kurzus során mód nyílik a Dél-alföldön működő jelentősebb geotermikus rendszerek megtekintésére.

A tematika a következő alfejezetekre oszlik: Földi hőáram és geotermikus gradiens anomáliái. Geotermikus rendszerek tervezése, a kaszkádrendszerű hasznosítás alapjai. Geotermikus rendszerek építése és üzemeltetése során felmerülő környezetvédelmi problémák.

Szeminárium:

1. Alkalmazott hidrogeológia: A felszín alatti vizek kapcsolata Magyarországon. A hidrogeológiai környezet és az áramlási rendszerek kapcsolata. A felszín alatti víz, mint geológiai tényező. Szennyeződés-terjedés a felszínalatti vizek estében. Konzervatív és nem konzervatív szennyezőanyagok migrációja. A transzportmodellezés elvi alapjai. MODFLOW, AQUIFER Test, programok alkalmazása

2. Hidrogeokémia: A fenti témákhoz kapcsolódó számítások, esettanulmányok. WATEQ, NETPATH, PHREEQC alkalmazása.

3. Paleohidrogeológia: A mintakészítés gyakorlata. A hűthető-fűthető asztal használata. Raman spektrumok kiértékelése, értelmezése. Az orsós tárgyasztal használata. Fázisarány-becslés képanalízis alkalmazásával. Mikrotermometriai adatok értelmezése. Számítások különböző állapotegyenleteket használó szoftverek alkalmazásával.

4. Geotermikus rendszerek: A Földhő kinyerésének alkalmazott módjai (vizes kutak és száraz szondák). Hévíz kinyerési technológiák, lehetőségek és hatásaik (pozitív és negatív kutak). A termelő vízbázis kialakítása, vízgépészeti elrendezése, a hévizek kezelése. A visszasajtoló kutak telepítésének és üzemeltetésének szempontjai. A visszasajtolómű kialakítása, vízgépészeti elrendezése (víz fogadása, kezelése, elhelyezése). Esettanulmányok. FEFLOW, SHEMAT szoftverek alkalmazása.

Ajánlott irodalom:

Kovács, B., Szanyi, J. (2005): Hidrodinamikai és transzport modellezés I-II. Szegedi Tudományegyetem – Miskolci Egyetem – GÁMA-GEO, Szeged-Miskolc
Freeze, R.A. and Cherry, J.A. (1979): Groundwater; Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall, pp. 604
Fetter, C.W. (1994): Applied Hydrogeology; Macmillan College Publishing Company, pp. 633
Appelo, C. A. J., Postma, D. (1993): Geochemistry, groundwater and pollution A.A. Balkema
Clark, I., Fritz, P. (1997): Environmental isotopes in Hydrogeology Lewis Publishers
Ground water modeling short course. Principles and applications of modeling chemical reaction in ground water. ELTE Short Course No 9. 1997
Roedder, E. (1984): Fluid inclusions. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, Vol. 12. Mineralogical Society of America
Shepherd, T. J., Rankin, A. H. eds. (1985): A Practical Guide to Fluid Inclusion Studies. Glasgow and London, Blackie.
Samson, I., & Marshall, D. (eds.) (2003): Fluid Inclusions: Analysis and interpretation. Mineralogical Association of Canada, Short Course Ser. 32.
Diamond, L. W. (2001): Review of the systematics of CO2-H2O fluid inclusions. Lithos 55: 69-99.
Schubert, F., Kóthay, K., Dégi, J., M. Tóth, T., Bali, E., Szabó, Cs., Benkó, Zs., Zajacz, Z. (2007): A szakirodalomban használt fluidum- és olvadékzárványokkal kapcsolatos kifejezések és szimbólumok szótára. Földtani Közlöny, 137/1, 83-102.
Varsányi Zoltánné (2007): A földtudományok kémiai alapjai Egyetemi jegyzet. JATE Press
Juhász J. (1976): Hidrogeológia. Akadémia Kiadó, Budapest
Plummer, L.N. (1997) Ground water modeling short course. Principles and Applications of Modeling Reaction in Ground Water. ELTE, Department of Applied and Environmental Geology, Budapest. Lecture notes 1.
Parkhurst, D.L., Glynn, P.D. (1997) Ground water modeling short course. Principles and Applications of Modeling Reaction in Ground Water. ELTE, Department of Applied and Environmental Geology, Budapest. Lecture notes 2.
Glynn, P.D., Plummer, L.N., Parkhurst, D.L., Révész, K. (1997) Ground water modeling short course. Principles and Applications of Modeling Reaction in Ground Water. ELTE, Department of Applied and Environmental Geology, Budapest. Reprint collection.

Ajánlott oldalak:
www.gama-geo.hu

Segédanyagok: