10. fejezet - A kőzetváz, mint regionális áramlási közeg és a hidraulikus folytonosság

Tartalom

10.1 A kőzet, mint porózus közeg
10.1.1 A porozitás osztályozása
10.1.2 A porozitás mértékét szabályozó tényezők
10.1.3 A kőzetekben a porozitást kialakító és befolyásoló tényezők
10.1.4 A porozitás mértéke a kőzetekben
10.2 A kőzet, mint regionális áramlási közeg: az átlag-porozitás (n) és a relatív elemi térfogat (REV) fogalma
10.3 A hidraulikus folytonosság
10.3.1 A hidraulikus folytonosság definíciója
10.3.2 A hidraulikus folytonosságot elfedő tényezők
10.3.3 A hidraulikus folytonosság koncepciójának kialakulása
10.3.4 A hidraulikus folytonosság bizonyítékai
10.3.5 A hidraulikus folytonosság következményei
10.4 Ellenőrző kérdések
10.5 A fejezetben felhasznált irodalmak

Tanulmányaink során eddig (ld. 1-9. fejezetek) megismerkedtünk a hidrogeológia alapfogalmaival. A következőkben a korábbi ismeretekre felfűzve tárgyaljuk a modern hidrogeológia (ld. 1. fejezet) elveit és következményeit. Mint már utaltunk rá, ez a szemlélet túlmutat a korábbi, víztartókhoz kötődő gondolkodáson. Ezáltal lehetőséget kínál arra, hogy a felszín alatti vizeket is rendszerelven szemléljük, erre alapozva megértsük a hidrogeológia természettudományos jelentőségét, környezettudományi fontosságát.

10.1 A kőzet, mint porózus közeg

A porozitás eddig mint matematikai fogalom szerepelt. Most kiterjesztjük a porozitás fogalmát formáció szintre. Ez esetben azonban az effektív porozitást (n0) kell alkalmazzuk, ami a porozitásnak az a része, mely lehetővé teszi a folyadék átáramlását („közlekedő” pórusok).

10.1.1 A porozitás osztályozása

A porozitást legalább négyféle szempontból osztályozhatjuk.

Relatív kor alapján megkülönböztetünk elsődleges, vagy eredeti, a kőzettéválás során kialakult porozitást; valamint másodlagos, a kőzettéválást követően létrejött porozitást. Az elsődleges porozitás általában a törmelékes üledékes kőzetekben jelentős, míg értéke a kompakciós, cementációs, és egyéb kőzettéválást követő folyamatok során általában csökken. A másodlagos porozitásnak például karbonátos kőzetekben van jelentősége, amelyek elsődleges porozitása rendszerint nagyon alacsony, a kőzettéválást követő karsztosodási, oldódási, töredezési, stb. folyamatok során azonban számottevő másodlagos porozitás tud kialakulni.

Pórusméret alapján megkülönböztethetünk kristályrács méretű; kolloidális méretű; mikropórus (d<0,1 μm); kapilláris pórus (0,1 μm<d<2,5 mm); és makropórus (d>2,5 mm) porozitást is.

A pórusok hidraulikus kommunikáció-képessége alapján, ami hidrogeológiai szempontból az egyik legfontosabb tényező, megkülönböztetünk nyílt (közlekedő) és zárt porozitást.

A pórusalakító folyamatok jellege alapján elkülöníthető ásványszemcsék közti pórus (kristályközi) (pl: mészkő, dolomit, mélységi magmás kőzetek); klasztok közötti pórus (törmelékes üledékek, törmelékes üledékes kőzetek, bioklasztitok, írókréta); üreg, hólyagüreg (mészkő, bazalt); hasadék; oldódásos üreg (karbonátok, evaporitok).

Végül a pórusokban található víz és a közeg hézagtérfogata alapján beszélhetünk például kristályvízről (ásványszemcsék kristályrácsában kötött víz), pórusvízről (molekuláris erők révén a pórusok falához kötött vagy gravitációsan leürülő víz), és karsztvízről.

10.1.2 A porozitás mértékét szabályozó tényezők

A porozitás mértékét szabályozó tényezők között kell említsük a kőzet alkotórészeinek alakját és illeszkedését.

Azonos szemcseméret esetén összefüggés figyelhető meg a szemcsék rendezettsége és a porozitás között: szabályos elrendeződés esetén n=47,65% (10.1. ábra: A); romboéderes elrendeződés esetén: n=25,95% (10.1. ábra: B). Ugyanakkor egyenlő szemcsenagyságú, rendezett gömbök esetén a porozitás értékek függetlenek a szemcsemérettől. Rendezetlen szemcsék esetén viszont még egyenlő méretű gömbök esetén is kisebb a porozitás.

Összefüggés a szemcsék rendezettsége és a porozitás között

10.1. ábra: Összefüggés a szemcsék rendezettsége és a porozitás között: szabályos elrendeződés (A) esetén n=47,65%; romboéderes elrendeződés (B) esetén: n=25,95% (Fetter, 1994)

Szintén összefüggés figyelhető meg a szövet és a porozitás között (10.2. ábra):

  • Az osztályozott üledékek porozitása rendszerint nagy (10.2. ábra:a).

  • Az osztályozatlan üledékek porozitása általában kicsi, mivel az apróbb szemcsék kitöltik a nagyobbak közti hézagokat (10.2. ábra: b).

  • Osztályozott üledékek önmagukban is porózus szemcsékkel az a) esetnél is nagyobb porozitással bírnak (10.2. ábra: c).

  • Osztályozott üledék porozitását azonban gyakran csökkenti ásványi kitöltés (10.2. ábra: d).

  • Az oldással keletkezett porozitás másodlagos porozitásnak tekinthető és főként karbonátokban jelentős (karsztos porozitás) (10.2. ábra: e).

  • A repedéses porozitás elsősorban merev kristályos kőzetekben (például gránit) kialakuló másodlagos porozitás (10.2. ábra: f).

Összefüggés a szövet és a porozitás között

10.2. ábra: Összefüggés a szövet és a porozitás között (Meinzer, 1923 nyomán)

10.1.3 A kőzetekben a porozitást kialakító és befolyásoló tényezők

A kőzetekben a porozitást kialakító és befolyásoló tényezők közé tartozik mindenek előtt az üledékképződés folyamata, amelynek az elsődleges porozitás szempontjából van kiemelkedő szerepe. Törmelékes üledékes kőzetek eredetét tekintve megkülönböztethetjük a vízben és a térfelszínen (szárazon) felhalmozódott üledékeket. Mindkét esetben jellemző a lerakódó részecskék jelentős hézagtérfogata, az utóbbiak azonban általában nagyobb porozitásúak, mivel a szél által rendkívül jól osztályozott üledékek. Fontos azonban hangsúlyozni, hogy a nagy porozitás nem jelent feltétlen nagy permeabilitást is (ld.: agyagok). A lerakódást követően a pórusokat, vagy legalább a szűkebb pórustorkokat például cementáció eltömítheti. A kőzettéválás és betemetődés során fellépő kompakció szintén csökkenti a porozitást, melynek eredményeként a laza üledékekből konszolidált üledékes kőzet alakul ki. Karbonátos kőzetek esetén a képződést tekintve beszélhetünk biogén vagy vegyi eredetről, a felhalmozódás helyét tekintve pedig a tengerből kiülepedő (vázanyag, oolit, stb.) vagy zátonyépítő karbonátokról. A karbonátos kőzetek oldhatóságának köszönhetően a felszín alatti víz áramlása kiemelkedő szerepet játszik ezen kőzetek porozitás-fejlődésében. A karbonátos kőzetben kialakuló víztartók porozitásának három típusa van: szemcseközi porozitás, repedések és járatok. A járatok mérete a cm széles repedésektől a hatalmas barlangjáratokig terjedhet. Az áramlás a járatokban gyors (akár>100m/h) és gyakran turbulens, míg az áramlási sebességek a szemcseközi porozitással és repedésekkel jellemezhető mátrixban sokkal kisebbek. A mélységi magmás kőzetek kristályosodása, illetve különösen a láva- és iszapfolyásokban kialakuló gáz-expanzió jelentős elsődleges porozitást hozhat létre a mélységi magmás és kiömlési kőzetekben egyaránt. A hólyagüreges bazaltokban például keletkezésüknél fogva találhatók pórusüregek, de csak elszigetelt hólyagüregek formájában, így a permeabilitás végeredményben nagyon alacsony. Ezzel szemben egyes extruzív magmás kőzeteknek lehetnek egymáshoz kapcsolódó rései, mint például a bazaltoszlopok hűlési repedései. Metamorf kőzetekben, az eredeti kőzetszövet nagy nyomás és hőmérséklet hatására történő átalakulása során nagyjából a pórusok is összezárulnak. Másodlagos porozitás kialakulására azonban van lehetőség (a magmás kőzetekben is), tektonikai hatásra vagy a fedő kőzet eróziója révén sekélyebb mélységbe kerülve a csökkent nyomás (feszültség) viszonyok között felnyíló repedések, törések révén.

További, elsősorban az elsődleges porozitást befolyásoló folyamat az üledékek vertikális kompakciója. A rétegterhelés hatására bekövetkező tömörödés, avagy mechanikai kompakció lényegében a teljes feszültség megnövekedése miatti effektív feszültség növekedés következménye. A folyamat során a szemcsék átrendeződnek és összetöredeznek, ezáltal csökkentve a porozitást. Emellett üledékes medencékben, átlag 2-3 km mélységtől jelentkezik a kémiai kompakció is, ami az ásványok oldódása és újbóli kicsapódása révén, jellemzően csökkenti a porozitást. Ezeket a folyamatokat a hőmérséklet kontrollálja egy magasabb fokú termodinamikai egyensúly elérése érdekében, különösen a szilikát ásványok esetén.

A különböző kémiai folyamatok, oldódás és cementáció a porozitást rendre növelik, illetve csökkentik (már sekélyebb mélységben is). Ezekről részletesebben a 12. fejezetben lesz szó. Érdemes azonban már most megjegyezni, hogy a cementáció 30%-ról akár 1-5%-ra tudja csökkenteni a porozitást.

Az átkristályosodás, dolomitosodás, diagenezis szintén kiemelkedő jelentőségű porozitás formáló folyamatok. Érdemes itt kiemelni a karbonátos kőzeteket. Bár egyes karbonátüledékek jelentős elsődleges porozitással rendelkeznek, karbonátos kőzetek porozitásának jelentős része a diagenezis során oldódással jön létre, mely másodlagos porozitásnak tekintendő. A karbonátos kőzetek képződési környezete meghatározó jelentőségű a későbbi oldódással kialakuló másodlagos porozitás szempontjából, hiszen ettől függ a kőzet ásványtani szempontú tisztasága (oldhatatlan elegyrészek aránya), a szemcsemérete, szövete, a rétegvastagság és számos egyéb karsztosodást befolyásoló tényező. Zátony mészkövek sok apró pórusának köszönhetően a beszivárgó víz diffúz módon áramlik át a kőzeten, ezért oldó hatása is diszperz lesz, az oldat hamar telítetté válik. Lagúnákban képződő vastagpados mészkőre ellenben intenzív karsztosodás jellemző. Tehát a nagy léptékű, összekapcsolt, nem szövetfüggő porozitás (üregek, repedések, réteghatárok) kedvez leginkább a karsztosodásnak.

Szemcsés aggregátumok, mint például az agyagok, szuszpenzióból (olyan oldatban, melynek alkotóelemei nem szolvatáltak, az alkotóelemek között nem lép fel oldódás) pelyhek formájában kiülepedve (flokkuláció) szintén csökkentik a porozitást. Ez a folyamat abban különbözik a kicsapódástól, hogy a részecskék a folyadékban szuszpendáltan, és nem oldva vannak jelen.

A metamorfózis, amint korábban már írtuk, csökkenti a porozitást. Kialakulhat azonban másodlagos porozitás is a metamorf kőzetekben klivázs, törés, palásság, foliáció, stb. révén.

A törések, mechanikai szakadások általában növelik a porozitást. Ezek közé tartoznak a törések, vetők, földcsuszamlások, lávafolyás által előidézett törések, hűlési repedések, terheléscsökkenés hatására kialakult tágulási repedések, térfogatcsökkenés hatására létrejövő repedések (diagenezis, száradás nyomán). Érdemes még kiemelni a nyírási zónákat, amelyekben sok kis párhuzamos törés mentén zajlik az elmozdulás, nagy átlag porozitást eredményezve.

A telítetlen zónában jellemző különböző mállási folyamatok általában növelik a porozitást magmás és metamorf kőzetekben, de csökkentik agyagos üledékekben (a mállás során képzdő agyagásványok általában nagyobb térfogatúak a kiindulási ásványoknál). Megkülönböztethetünk fizikai mállást, ami a kőzetek aprózódását, és kémiai mállást, ami a kőzetkomponensek oldódását és/vagy kémiai átalakulását jelenti.

Végül az élő szervezetek tevékenysége szintén befolyásolhatja a porozitást, természetesen sekély mélységben. A bioturbáció, állatok által létrehozott üregek, gyökerek feszítő hatása a porozitás növekedését eredményezi.

10.1.4 A porozitás mértéke a kőzetekben

A hidrogeológiai gyakorlatban általában használt porozitás minősítés a következő: n0=0-5% elhanyagolható, n0=5-10% alacsony, n0=10-15% közepes, n0=15-20% jó, n0=20-25% nagyon jó. Érdemes megjegyezni, hogy mivel a lineáris áramlási sebesség a fluxus és porozitás hányadosa (v=q/n), ezért minél kisebb a porozitás – azonos áramlási intenzitás mellett – annál nagyobb a vonalmenti sebesség, tehát annál rövidebb az elérési idő.

Laza üledékekre jellemző átlag porozitás értékek: kavics 25-40%, homok 25-50%, kőzetliszt 35-50%, agyag 40-70%. Konszolidált kőzetekre: repedezett bazalt 5-50%, karsztosodott mészkő 5-50%, homokkő 5-30%, mészkő, dolomit 0-20%, pala 0-10%, repedezett kristályos kőzetek 0-10%, tömör kristályos kőzetek 0-5%.

Amint az átlag porozitás értékekből is látható, a kompakció (tömörödés) során az agyagok porozitás csökkenése a legnagyobb mértékű. Az inkább másodlagos porozitással jellemezhető kőzetek (például repedezett bazalt, karsztosodott mészkő) esetén pedig eleve széles skálán változik a porozitás a másodlagos porozitás kialakultságának függvényében.