13.3 A felszín alatti víz, mint földtani hatótényező

A felszín alatti vizek földtani hatótényező szerepe a hidrogeológiai környezet és a felszín alatti vízrezsim közötti kölcsönhatás következménye. A hosszú, geológiai időskálán keresztül fennálló felszín alatti vízáramlások szisztematikusan átalakítják környezetüket, mely során anyagot oldanak, leraknak, mobilizálnak, energiát szállítanak, kenőhatást fejtenek ki az ásványszemcsék között. Mozgásuk következtében – mint láttuk – módosítják a pórusnyomást. A hatások szempontjából fontos, hogy a felszín alatti vízáramlások a teljes kőzetváz térfogatban működnek, azonban nemcsak a felszín alatt, de a felszínen is befolyásolják környezetüket. A felszín alatti víz által gerjesztett természeti jelenségek nagy számuk és sokszínűségük ellenére viszonylag kis számú alaptípusba, jelenségcsoportba sorolhatók, az egyes típusok variációival egyetemben, ami a hidrogeológiai környezet helyi jellemzőinek köszönhető. Felismerésüket nehezítik az időbeli különbségek, a napi, havi, éves, többéves, földtani időskálán való működésük.

A gravitáció által vezérelt felszín alatti vízáramlások két alapvető okból válnak földtani hatótényezővé. Egyrészt a felszín alatti víz és közvetlen környezete között zajló in situ kölcsönhatás miatt, másrészt a hierarchikus rendszerekbe rendeződött áramlás anyagtranszportja révén.

A víznek a környezetével való kölcsönhatása különféle természeti folyamatokat, termékeket és körülményeket generál. Az áramlási pályák szisztematikus rendszere azonban folyamatosan gondoskodik ezen hatások térbeli elosztásáról és jellemző mintázatba rendezéséről az áramlási tartományon belül. A víz 15-20 km-es mélységig mindenhol jelen van és folyamatosan áramlik a földkéregben, habár különböző intenzitással, a felszín közeli zónákra jellemző 10-3 m/s fluxustól egészen a nagy mélységekre jellemző 10-12–10-14 m/s nagyságrendű fluxusig.

13.3.1 In-situ kölcsönhatás a felszín alatti víz és a közvetlen környezete között

A víz és hidrogeológiai környezetének kölcsönhatását három fő típusba soroljuk: kémiai, fizikai és kinetikus. A kémiai folyamatokhoz az oldódás, hidratáció, hidrolízis, oxidáció-redukció, kémiai kiválás, ioncsere, szulfátredukció, töményedés, membránfiltráció tartoznak, melyeket a 12. fejezetben részletesen áttekintettünk. Fizikai folyamatok alatt a kenő hatást és a pórusnyomás változást értjük. A kinetikus és transzportfolyamatok pedig a víz, a vízzel elegyedő és nem elegyedő anyagok, valamint a hő szállítását foglalják magukban. Az egyensúlyra és energiaminimumra törekvő természetes folyamatok következményeképpen a felszín alatt mozgó víz

1. anyagot és hőt mobilizál és lead,

2. anyagot és hőt szállít,

3. kenőhatást fejt ki a kőzetben levő határfelületeken (ez különösen felszínközeli laza üledékekben fontos),

4. mozgása következében módosítja a pórusnyomásokat.

A felszín alatti víz áramlása tehát különféle in situ hatásokat vált ki, amelyek természetét mindig a helyszín kémiai, fizikai és hidro-kinetikai paraméterei határozzák meg.

13.3.2 Áramlás: a szisztematikus szállítás és elosztás mechanizmusa

Az in-situ környezeti hatások önmagukban nem lennének elegendőek ahhoz, hogy a felszín alatti vizet számottevő geológiai hatótényezővé tegyék, mivel legtöbbjük időben és/vagy térben korlátozott módon jelentkezik. A legtöbb geológiai jelenség – mint például érctelepek, geotermikus anomáliák, wetlandek, karsztosodás stb. – kialakulásához hosszú ideig tartó nem-egyensúlyi állapotra van szükség. Ezek általában kisebb kőzettérfogatra koncentrálódnak vagy nagy forrásrégióval rendelkező területeken alakulnak ki. Más jelenségek, mint pl. a növényzeti mintázatok, talaj- és kőzetmechanikai instabilitások, jégképződés, stb. elsődleges folyamatok következményeképpen kialakuló másodlagos hatások.

Az egyetlen mechanizmus, mely a sokszínű természeti jelenségek létrejöttéhez szükséges nem-egyensúlyi állapot létrehozásáért felelős és fenntartását biztosítani tudja, az a felszín alatti „szállítószalagként működő” szisztematikus vízáramlási rendszer. Az áramlási pályák mentén az in situ folyamatok során képződő termékek elszállítódnak fenntartva a nem – egyensúlyi állapotot, biztosítva az in situ reakciók folyamatos működését. Az elszállított anyag energiaminimum pontokban, hosszú idő alatt történő felhalmozódása pedig tipikus jelenségek létrejöttéhez vezet. Gondoljunk csak az áramtérben az anyagfelhalmozódásért felelős stagnáló pontokra, melyek kialakulásának hidraulikai hátterét a 11. fejezetben áttekintettük.

A gravitációs áramlási rendszerek által meghatározott természeti jelenségek sematikus képét mutatja be a 13.1 ábra. Az idealizált medence bal oldalán az egyenletesen lejtő felszín által meghatározott egyetlen áramlási rendszer, jobb oldalán pedig az összetett topográfia által indukált hierarchikus áramlási rendszer látható. Ez utóbbinál megjelennek a lokális, intermedier és regionális áramlási pályák is. Minden áramlási rendszer – hierarchikus besorolásától függetlenül – rendelkezik egy utánpótlási, átáramlási és egy megcsapolódási területtel. A szállítószallagként működő áramlási rendszerek mentén valósul meg a víz és környezete egymásra hatása. Forrásrégiójuk a mobilizáció, terminális végük a felhalmozódás színtere.

A gravitációs áramlás által kialakított tipikus környezeti hatások és körülmények:

- Szubhidrosztatikus, hidrosztatikus, szuperhidrosztatkus hidraulikus emelkedési magasságok, amelyek az áramlási pálya mentén az utánpótlódási területtől a megcsapolódási terület felé haladva sorban követik egymást.

- Utánpótlódási területeken viszonylag száraz talajok (negatív vízmérleg), megcsapolódási területeken víztöbblet (pozitív vízmérleg), esetleges wetlandek kialakulása.

- A víz anion fáciesének szisztematikus változása HCO3- → SO42- → Cl- irányba, mind az áramlási pályák mentén, mind pedig a mélység szerint haladva (lásd a 12.8. fejezetben részletesen).

- A beáramlási területeken kémiailag kimerült, kilúgzott talajok, míg az áramlási pályák végén megnövekedett sótartalom, sós talajok esetleg sófelhalmozódások.

- Sós mocsarak kialakulása olyan helyeken, ahol az intenzív só felhalmozódás és a wetland kialakulásához szükséges feltételek egyszerre jelentkeznek.

- Beáramlási terülteken negatív, kiáramlási területeken pozitív geotermikus anomáliák.

- A felszín közelben beáramlási területeken oxidatív, kiáramlási területeken reduktív környezet.

- A vegetációborítás típusának és minőségének jellegzetes alakulása a kiáramlási, illetve a beáramlási körülmények által meghatározott tápanyag és nedvesség utánpótlás következtében.

- Kiáramlási területeken a földfelszín talaj- és kőzetállékonyság gyengülésének megnövekedett kockázata (pl. talajerózió, folyós talajok, földcsuszamlások, suvadás)

- A szállított ásványi anyagok akkumulációja: fémionok (vas, urán, fémszulfidok), szénhidrogének, antropogén szennyezők, elsősorban a szembe tartó áramló áramlási pályák találkozásánál (hidraulikus csapdák), illetve azon régiókban, ahol a szállított nem elegyedő fluidumokra (olaj, gáz) nézve folyadékpotenciál minimum alakul ki, pl. szemcseméret határokon illetve adszorpcióra hajlamos ásványokat tartalmazó kőzetekben.

A fent leírt hatások és körülmények kialakulását a gravitáció által hajtott felszín alatti vízáramlásoknak tulajdonítjuk. Mindazonáltal hasonló természetes hatásokat alakítanak ki más erők által előidézett áramlások is, mint az üledék kompakció, tektonikus kompresszió, termikus konvekció, felhajtóerő, ásványok (pl. gipsz) dehidratációja és az ozmózis. A nem gravitáció által hajtott áramlási rendszerek azonban nehezebben követhetőek, ezért egyelőre még nem alkalmasak szisztematikus és általános tárgyalásra.

A gravitációs felszín alatti vízáramlások hatásai és mechanizmusai a földtani folyamatokban

13.1 ábra: A gravitációs felszín alatti vízáramlások hatásai és mechanizmusai a földtani folyamatokban (Tóth J. 2009)