12.5 A felszín alatti vizek összetételét, a vízkémiai fáciest befolyásoló tényezők

12.5.1 A folyamatokat szabályozó tényezők

A felszín alatti vizek kémiai összetételét, vízkémiai fáciesét befolyásoló legfontosabb tényezők közé tartozik az elemek mobilitása, a hőmérséklet, a nyomás, a kőzet és víz kontaktusának felülete, a kontaktusra és a reakciók lefolyására rendelkezésre álló idő, az áramlási útvonal hossza, a kőzetváz ásványos összetétele és a beszivárgó víz összetétele. Lássuk ezeket részletesen!

Az elemek mobilitása adott elem adott kémiai közegben történő mobilitásra való hajlamát jelenti, mely függ az elem vegyületeinek oldhatóságától, az ionok részvételétől az ioncserében, az adott elem élőlények általi felvételétől. Ebből következően, a különböző elemek megjelenése a felszín alatti vizekben nem csak a kőzetekbeni előfordulásuktól függ. A Si, Al, Fe kőzetekben gyakori, vízben azonban ritka és kevéssé mobilis; a Ca, Mg kőzetekben közepesen gyakori, vízben gyakori és mobilis; a Cl kőzetekben ritka, vízben gyakori és nagyon mobilis.

A hőmérséklet és ezzel együtt a mélység közvetlenül az oldhatóságot befolyásolja. Ha a hőmérséklet nő a sók legtöbbjének nő az oldhatósága. Ez alól kivétel a CaCO3 és (Ca,Mg)CO3, melyek ún. retrográd oldhatósággal jellemezhetők, azaz a hőmérséklet csökkenésével oldódnak jobban.

A nyomás szintén az oldhatóságra van hatással. A sók oldhatósága mellett a gázok parciális nyomását is meghatározza. A CO2 parciális nyomása például a karbonátok oldódását befolyásolja.

A kőzet és víz kölcsönhatására rendelkezésre álló felület nagyságát a kőzet szemcsemérete és diszkontinuitásainak eloszlása (törések, pórusok, vetők) befolyásolják. Ha az érintkezési felület nagy, az oldódás gyorsabb és hatékonyabb, azaz adott elem koncentrációja növekszik a vízben.

A kőzet és víz kölcsönhatására rendelkezésre álló idő is fontos, ugyanis ha elegendően hosszú idő van a kőzet-víz kölcsönhatásra, nő az oldat oldott anyag tartalma, telítettsége is.

Az áramlási út hosszával mind a kontaktus felülete, mind a kontaktus ideje nő, azaz a víz hosszabb ideig, nagyobb összfelületen érintkezik a szilárd fázissal. Ezért minél távolabb kerül a víz a beáramlási területtől, annál gazdagabb lesz oldott ásványi anyagokban.

Az oldható sók mennyisége és eloszlása a kőzetekben is meghatározó a felszín alatti vizekben található oldott anyagok szempontjából. Ha az egész formáció jól oldható sókból áll (karbonátok, kősó, gipsz), akkor bármely ion koncentrációja a vízben arányos az ion kőzetben való előfordulásával. Ha azonban a jól oldható sók rosszul oldódó mátrixba vannak ágyazva, akkor csak a mátrix oldódása után juthatnak az ionjai a vízbe.

A víz eredeti összetétele, azaz az az összetétel, ami kialakul az adott kőzettípussal adott időpillanatban való érintkezésig, meghatározza az adott ponton végbemenő kémiai reakciók típusát, arányát és irányát.

12.5.2 A geológia hatása a vízkémiára

Mivel a felszín alatti vizek kémiai karakterét nagyban befolyásolja az adott földtani környezet, ezen belül azoknak a kőzeteknek az összetétele, melyekkel a felszín alatti víz áramlása során kapcsolatba került, ezt részletesen tárgyaljuk.

Magmás kőzetek esetében a jellemző összetétel általában a káliföldpát és plagioklász, kvarc és Fe/Mn-szilikátok, melyeknek oldhatóság kicsi. A kőzetek porozitása kicsi, így kicsi lesz a kőzet-víz kontaktus felülete is. Ezekre általában alacsony oldott anyag tartalom, magas vas és relatív magas szilícium-tartalom jellemző.

Az üledékes kőzetek közül a homokkövek és konglomerátumok vizének összetétele főleg a cementanyag kioldásából származik, jellemző ionok a Ca2+, Mg2+, Na+, SO42-, HCO3-, CO32-, kevés SiO2. A kémiai kiválással keletkezett kőzetek, például az evaporitok, megfelelő körülmények közé kerülve ismét oldatba mehetnek. Ebben az esetben vizek magas SO42-, esetenként magas Na+ és Cl- koncentrációval, valamint nagyobb nyomelem (Sr+, Ba2+, F-) tartalommal jellemezhetőek. Az említett főionok gipszből, anhidritből és halitból, míg a nyomelemek cölesztinből, baritból és fluoritból oldódhatnak ki. Az utóbbiakon kívül előfordulhat Mn, Ni, Cd és Cu, ezek karbonátokból, foszfátokból és szulfidok oxidációjából származhatnak.

A karbonátok esetében a HCO3-, Ca2+ és Mg2+ ionok mennyisége domináns, a többi ion (SO42-, Cl-, Na+) koncentrációja kicsi. A mészkövek és a dolomitok oldódási sebessége eltérő, a mészkőé gyorsabb, a dolomité lassabb folyamat. A dolomit lassú oldódása következtében a Mg2+ koncentrációt a víz felszín alatti tartózkodási idejének indikátoraként használják (bár az abszolút idő meghatározása ezzel a módszerrel nehéz, mivel az oldódást sok egyéb tényező is befolyásolja).

Az agyagokban, palákban az oldott anyag tartalom nagy (a kis szemcseméret miatti nagy érintkezési felület és kis áramlási intenzitás miatt), a domináns ionok a Cl-, Na+; és SO42-, a HCO3- mennyisége általában kicsi.

Részben a kis kontaktfelület, részben pedig a metamorf kőzetekre jellemző kevéssé oldható ásványok miatt kicsi oldott anyag tartalom jellemző a metamorf kőzetekből származó vizekre.

12.5.3 Az éghajlat hatása a vízkémiára

Az éghajlati tényezők főleg a felszínhez közeli vizek összetételét befolyásolják. A csapadék mennyisége a rendelkezésre álló „oldószer” mennyiségét határozza meg, eloszlása a csapadékesemények között eltelt időben lejátszódó folyamatokat határozza meg. A beszivárgó csapadék (és összetétele) felelős a felszín közeli zóna kilúgzásáért. Sok csapadék hatására a felszíni kőzetekben/talajban kevés jól oldódó komponens marad, ezért a felszín alatti vizek oldott anyagban szegényednek. Az esőzések közötti erőteljes párolgás (evaporáció) sókiválást eredményezhet, melyek a következő csapadékesemény hatására a talajvízbe mosódhatnak, emiatt magas oldott anyag tartalom, SO42-, Cl- koncentráció jellemző ezeken a területeken a felszín alatti vizekre. Olyan területeken ahol az erőteljes párolgás kevés csapadékkal párosul sós talajok, playák alakulhatnak ki, amelyek esetében a kicsapódási sorrend: CaCO3 → SO42- → Cl-. A magas hőmérséklet a karbonátok kivételével az oldódást segíti, de a mikroorganizmusok aktivitására is hatással van, melynek eredményeképpen több szerves anyag és CO2 termelődik, mely az oldódást segíti elő.