20.11.2012 Views

hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem

hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem

hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

Anyagfizikai Tanszék és a Nagyműszer Centrum<br />

közös szemináriuma. 2012. március 6.<br />

Termálvíz megcsapolódáshoz köthető<br />

karsztosodás „extrém geomikrobiológiai<br />

környezetben”<br />

avagy az „aranyszög” beverésének jelentősége nano<br />

skálán zajló anyagtudományi kutatásokban<br />

Mádlné Szőnyi Judit<br />

Hidrogeológia és Geotermia Műhely<br />

Molnár János-barlang, Budapest (Foto: Egri Csaba)


A téma háttere<br />

Felszín alatti vízáramlások<br />

és hatásaik<br />

�A talajvíztükör<br />

magasságkülönbségei<br />

vagy egyéb hajtóerő<br />

(hőmérséklet különbség,<br />

tektonikai kompresszió, sűrűség<br />

különbség) által energetikailag<br />

vezérelt, geometriailag is<br />

leírható vízmozgás zajlik a felszín<br />

alatt (Tóth 2009)<br />

�A mozgó felszín alatti víz,<br />

geológiai időskálán működve<br />

szisztematikusan átalakítja<br />

környezetét, földtani<br />

hatótényező (Tóth 1984,1999; Ingebritsen et al.<br />

2006)<br />

BE: oldás – ÁT: anyagtranszport -<br />

KI: anyag és energia felhalmozódás a<br />

medencén belül, szisztematikus módon<br />

(Tóth 1999, Fig. 1,<br />

modified after Tóth<br />

1980, Fig.10)<br />

(Tóth 1999, Fig. 1,<br />

modified after Tóth<br />

1980, Fig.10)


Hidrogeológiai Környezet Felszín alatti vízrezsim<br />

Domborzat: a<br />

gravitációs hajtóerő<br />

forrása<br />

Földtan:<br />

meghatározza a<br />

vízáramlások<br />

kőzetvázát és<br />

hajtóerejét és<br />

mindezek geológiai<br />

változását<br />

Klíma: meghatározza<br />

a rendelkezésre álló<br />

víz mennyiségét és<br />

minőségét<br />

(HK) (FAVR)<br />

(Tóth, 1970)<br />

Ezek a paraméterek, jellemzők<br />

meghatározzák az áramló víz<br />

által előidézett folyamatokat és<br />

jelenségeket. Esetünkben a<br />

karsztosodási jelenségeket.<br />

(módosítva Tóth, 1980, Tóth 2009)<br />

Hidraulikai<br />

Hőmérsékleti<br />

Geokémiai<br />

jellemzők<br />

stb.


� A felszín alatt szisztematikusan zajló fluidum áramlások, különböző kémiai<br />

és fizikai paraméterű folyadékokkal jellemezhetők.<br />

� Folyamatnak működnie kell reginális karsztrendszereknél is. Az epigén,<br />

csapadék beszivárgásból származó karsztosodás mellett, a mélyben<br />

található fluidumok is okozhatnak ún. <strong>hipogén</strong> karsztkorróziót.


� Itt az üregképződés a mélyből a felszínre jutó, megcsapolódó vizekhez ill.<br />

a mélybeli, különböző összetételű vizek diffúziós keveredéséhez vagy az<br />

oldott gázok, (H 2S, CO 2) aktivitásához köthető.<br />

EPIGÉN<br />

HIPOGÉN<br />

(Erőss et al 2008)


A <strong>hipogén</strong> karsztosodást előidéző geokémiai folyamatok<br />

Keveredési korrózió<br />

Alultelített vizek mélybe hatolása<br />

Savak oldó hatása<br />

(Goldscheider et al. 2010)<br />

• A kénsavas oldás a <strong>hipogén</strong> karsztokon mikrobák közvetítésével is<br />

megvalósulhat (Engel 2007).<br />

Evaporit (gipsz)<br />

oldódás, kalcit<br />

kiválás és<br />

dolomit oldódás<br />

Hűléshez köthető oldódás-zárt rendszerben


� A különböző áramlások határfelületi zónáiban (diffúzió) és ott,<br />

ahol vizük ismét a felszínre kerül (megcsapolódás), olyan<br />

„különleges geokémiai környezetet” teremtenek, melyek a<br />

mikrobiális közösség sajátos környezeti adaptációjához<br />

vezethetnek.<br />

(módosítvaTóth, 1980, Tóth 2009)


A <strong>hipogén</strong> karsztosodási folyamatok megértésének jelentősége<br />

A karbonátos (mészkő, dolomit, evaporit) víztartók sokoldalú gazdasági<br />

hasznosítása<br />

�Termálvíz balneológiai<br />

és fűtési hasznosítás<br />

• Hipotézis: A felszín alatti vízáramlások megértése új megvilágításba helyezheti<br />

a <strong>hipogén</strong> karsztosodásra vonatkozó ismereteinket.<br />

• Mind alaptudományos, mind alkalmazott kutatási szempontból<br />

lényeges téma.<br />

(Goldscheider et al. 2010)<br />

•Mélységi geotermikus hasznosítás<br />

•CO 2 felszín alatti elhelyezése<br />

• Karbonátos, eltemetett szénhidrogén rezervoárok kiaknázása


Előadás célkitűzései<br />

� Bemutatni, hogy termálvíz megcsapolódáshoz<br />

köthető biofilmkiválás, sok más egyéb hatás mellett<br />

<strong>hipogén</strong> karsztosodáshoz (kénsavas oldáshoz) is<br />

vezet.<br />

Esettanulmány: Gellért-hegy megcsapolódási terület<br />

(Budai Termálkarszt), amely egy öt éve zajló<br />

hidrogeológiai indíttatású interdiszciplináris kutatás<br />

egyik mintaterülete volt.<br />

� Ismertetni a témához kötődő 2012. március 1-től<br />

induló NK OTKA kutatás főbb célkitűzéseit.


Esettanulmány: Gellért-hegy Kutatási megcsapolódás<br />

Cover of USGS Episodes, Vol. 17, No. 4, 1994:<br />

Erőss A. TÁMOP posztdoktori pályázat, témavezető: Mindszenty A<br />

előzmények:<br />

Erőss A<br />

PhD kutatásai<br />

(Shell-ELTE Projekt<br />

2007-2010, téma<br />

felelős MSZJ)<br />

Közreműködő<br />

kutatók:<br />

Borsodi Andrea<br />

Horváth Ákos<br />

Homonnay Zoltán<br />

Havancsák Károly<br />

és még sokan<br />

mások<br />

Paralell kutatás:<br />

Poros Zs PhD<br />

(Eni –ELTE<br />

Projekt<br />

tf: Mindszenty A)<br />

Szintézis alapja<br />

„vízáramlási<br />

rendszer<br />

szemlélet”


Hidrogeológiai környezet<br />

Gellért-hegy<br />

Utánpótlódási terület: P-T1 karbonátos<br />

evaporitos összlet, a fővíztároló<br />

uralkodóan T3 dolomit, amely<br />

harmadidőszaki üledékes<br />

képződményekkel fedett<br />

Megcsapolódás terület: fedetlen<br />

víztározó, tektonikailag meghatározott,<br />

természetes megcsapolódás.<br />

(Fodor után módosítva (nem publikált), Poros 2011)<br />

Módosítva Fodor et al 2000


Felszín alatti vízrezsimek a Budai Termálkarszton<br />

1. Hideg karsztvíz<br />

2. Termál karsztvíz + medence<br />

komponens<br />

A medencekomponens: NaCl-os<br />

Fő ionok: Na + , Cl - , SO 4 2- nyomelemek: Ba, Sr, F, B, Li,<br />

gázok: H 2S, CO 2 + CH 4 és CH-ek,<br />

Sótartalom: ~ 40 000 mg/l (?), (Erőss, 2010, Erőss 2012)<br />

HIDEG<br />

TERMÁL<br />

• Fő ionok: Ca 2+ , HCO 3 -<br />

• Sótartalom: 775 mg/l<br />

• T=12°C<br />

• Fő ionok: Ca 2+ +Mg 2+( Na + +K + ), Cl - +SO 4 2- +HCO3 -<br />

• Sótartalom: 1440 mg/l<br />

• T= 76.5 °C<br />

MEDENCE<br />

Vízhajtó erők a<br />

rendszerben<br />

- gravitáció,<br />

- hőmérséklet különbség,<br />

- tektonikai kompresszió<br />

(Erőss et al. 2010)


Felszín alatti vízrezsim és a termálvíz megcsapolódás, Gellért-hegy<br />

� Szerkezetekhez köthetően kizárólag<br />

termálvíz megcsapolódás zajlik (nincs<br />

befolyásoló hideg karsztvíz komponens)<br />

� Medencebeli fluidumok hozzájárulása<br />

Intenzív<br />

vasoxi-hidroxidos<br />

biofilmképződés<br />

a karsztvíz szintjében,<br />

a telítetlen zóna és a<br />

megcsapolódó<br />

termálvíz<br />

Foto : Kraus<br />

redox határfelületén.<br />

(Erőss 2010)<br />

Hipogén karsztosodási folyamatok:<br />

- a karsztvíz szintben lencsés recens<br />

forrás<strong>barlangok</strong>,<br />

- mikrobiálisan segített kénsavas oldás<br />

- a víz agresszivitának megújulása az<br />

evaporit oldódás miatt, amely<br />

dolomit oldódáshoz vezet, (?)<br />

a vizek SO 4 2- tartalma is jelzi<br />

- a feltörő melegvizek hűlésének<br />

hatása (?)


A termálvíz megcsapolódáshoz köthető: oldás és kiválás<br />

a karsztvízszintben<br />

• A megcsapolódó víz a szállított anyagot lerakja: kalcitlemez és gipszkéreg<br />

• A forrás<strong>barlangok</strong>ban a vízszintben gyengén kristályos ferrihidrit kiválás<br />

(Mössbauer spektroszkópiával) (ERŐSS et al. 2010; ERŐSS 2010), megfeleltethető volt<br />

a szakirodalomból termálforrásoknál leírt biofilmnek (Fujisawa and Tazaki 2003; Tazaki 2009)<br />

• A biofilmek mikrobiológiai elemzése anaerob ferri(III), szulfát redukáló és aerob<br />

ferro (II) szulfid oxidáló metabolizmusú közösségeket mutatott ki (Borsodi et al in press 2012)<br />

SEM –felvétel szőlőfürt megjelenésű baktérium<br />

kolóniákról (Erőss 2010)<br />

A minta EDS spektruma, mutatja a vas dominanciát<br />

(Erőss 2010)<br />

gipszkéreg<br />

kalcitlemez<br />

1 m<br />

vas-<br />

oxihidroxid<br />

(Erőss et al 2008)


E baktériumok magasabb taxonómiai szinten megfeleltethetők azoknak a<br />

baktérium közösségeknek, melyek a világ különböző területein a<br />

mikrobiálisan segített kénsavas barlangképződésért felelősek (Engel, 2007 nyomán)<br />

(Erőss et al. 2010, Erőss 2010)<br />

Következtetés:<br />

A karsztvízszintben<br />

kénsavas<br />

oldás,<br />

ásványkiválás és<br />

biofilm képződés<br />

zajlik a<br />

karsztvíz<br />

megcsapoló-<br />

dásnak<br />

köszönhetően


Biofilm: Ra és nyomelem akkumuláció (Erőss et al. 2010, Erőss 2010)<br />

A biofilm ásványos összetétele uralkodóan, karbonát (és szilikát) fázis a vasoxihidroxid<br />

fázis: néhány százalék<br />

A biofilm 226 Ra aktivitása:1460-1870 (± 10%) Bq/kg<br />

- a dolomit háttérérték: 44 Bq/kg;<br />

- a megcsapolódó termálvíz: 220-870 mBq/l (Erőss 2010, Erőss et al 2012)<br />

Megállapítást nyert, hogy a termálforrások emelkedett (Erőss 2010, Erőss et al 2012)<br />

222 Rn tartalmának :50-960 Bq/l forrása a biofilm akkumulálódott 226 Ra tartalma<br />

Ugyanakkor a 222 Rn megemelkedése csak akkor tapasztalható, ha<br />

a biofilm közvetlenül a forráskilépési hely közelében található.<br />

A biofilmen a Ra és Fe mellett Mn, As, Pb, Cr, Cu, Ni, Zn, Mo, U akkumuláció is<br />

megfigyelető a vízhez képest 3-5 szörös mértékben (Erőss et al 2010, Erőss 2010).<br />

Nyomelemek forrása: medencekomponens<br />

As: Cw 0.011354 (mg/l)<br />

Cih 1354 (mg/kg)<br />

Cih/Cw 119253<br />

Következtetés: - a biofilm”extrém határfelületi környezet” geokémiai,<br />

radiokémiai értelemben,<br />

- felépülési mechanizmusa nem ismert - biomineralizáió<br />

- nem imert a mikróbák adaptációs mechanizmusa sem<br />

(Erőss A. TÁMOP, 2011) Vas a fonalas baktériumokhoz kötődően CaCO 3-ot tartalmazó közegben<br />

visszaszórt elektronképen


Biofilm: megcsapolódási és karsztkorróziót bizonyító<br />

jellemző. Fosszilizálódhat-e?<br />

Igen! Az Aragonit-barlang a recens forrás<strong>barlangok</strong> fölötti első – a<br />

hegység kiemelkedése miatt már szárazra került - barlang a Gellérthegyen<br />

karfiol kalcit aragonit<br />

kéreg<br />

egykori karsztvízszint<br />

Gőtit, kalcit lemezek<br />

Bizonyítékok a<br />

fosszilizálódásra:<br />

- az üreg jelenléte<br />

- morfológiai<br />

hasonlóság<br />

a recens forrás<br />

<strong>barlangok</strong>hoz.<br />

-ásványtani<br />

hasonlóság,<br />

- ritkaföldfém tartalom.<br />

(Erőss et al. 2010, Erőss 2010)


Mi történik a hegység emelkedésével? Szárazra került<br />

üregek és fosszilizálódott biofilm...<br />

• A Gellért-hegy eróziós fala számos apró, a<br />

jelenlegi forrás<strong>barlangok</strong>hoz hasonló lencsés<br />

megjelenésű kis száraz barlangot tár fel<br />

• Legmagasabb szinten Citadella-barlang<br />

• Amit ma látunk, az függ az eróziótól...<br />

fosszilis <strong>barlangok</strong><br />

aktív forrásbarlang<br />

(Leél-Őssy et al. 2007)<br />

(AFTER LEÉL-ŐSSY ET AL., 2007)<br />

(KARDOS, 2011)


Következtetések<br />

� A Budai Termálkarszton, mint a Dunántúliközéhegységi<br />

<strong>hipogén</strong> karsztrendszer egyik<br />

peremi megcsapolódási területén a<br />

hidrogeológiai környezet jellemzőiből és a<br />

vízáramlások hidraulikai, hőmérsékleti és kémiai<br />

jellemzőiből levezethetően hideg-, termálvíz<br />

és medencekomponens van jelen.<br />

� A Gellért-hegy rész-megcsapolódási területén<br />

csak termálvíz megcsapolódás történik<br />

medencekomponens hozzájárulással.<br />

� A megcsapolódáshoz ásványkiválások<br />

(kalcitlemez, gipsz) köthető, de emellett a<br />

telítetlen zóna és a karsztvíz redox<br />

határfelületén biofilmkiválás is történik.<br />

� Bizonyítást nyert, hogy az aktív biofilmkiválás<br />

mellett a karsztvízszinten mikrobiális kénsavas<br />

karsztkorrózió is zajlik egyidejűleg.


� A baktériumközösség megfeleltethető más <strong>hipogén</strong><br />

<strong>barlangok</strong> kénsavas oldásért felelős közösségeinek.<br />

� E biofilm adszorpciós képessége folytán<br />

környezetéhez képest magas Ra és nyomelemtartalommal<br />

rendelkezik.<br />

� E mechanizmusok alapján a vizsgált<br />

megcsapolódási zónában a karsztvízszint: „extrém<br />

geomikrobiológiai” környezetnek tekinthető.<br />

� Fosszilizációja is fontos, mert segít az üregek<br />

képződése, eltömődése geológiai folyamatainak<br />

megértésében, mely alkalmazott kutatási<br />

jelentőségű.<br />

� Az eredmény - az áramlási rendszer megközelítés<br />

révén - általánosítható egyéb <strong>hipogén</strong> karsztokra.<br />

Lényeges alaptudományos és alkalmazott jelentőségű<br />

kérdés megfogalmazása: tudományterületek közötti<br />

átjárás + új szemlélet alkalmazása<br />

Az „aranyszög” beverésének jelentősége…


azonosító 101356<br />

típus NK<br />

pénzügyi forrás OTKA 69,87 millió HUF<br />

pályázat nyelve angol / English<br />

vezető kutató neve Mádlné Szonyi Judit<br />

Pályázat, projekt fő adatai<br />

drótpostacím madlszonyi.judit@gmail.com<br />

kutatóintézeti tel. szám +36(1)381-2129<br />

kutatóintézeti fax szám +36(1)381-2130<br />

cím<br />

résztvevők<br />

Makk Judit<br />

Leél-Őssy Szabolcs<br />

Erőss Anita posztdok<br />

Mindszenty Andrea<br />

Czauner Brigitta<br />

Diák 1<br />

Mádlné Szonyi Judit<br />

<strong>Eötvös</strong> <strong>Loránd</strong> <strong>Tudományegyetem</strong><br />

Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék<br />

Budapest<br />

Pázmány Péter stny. 1/C.<br />

1117<br />

Kériné Borsodi Andrea<br />

Homonnay Zoltán<br />

Havancsák Károly<br />

Krett Gergely predok<br />

Horváth Ákos<br />

Diák 2<br />

a pályázat címe magyarul Hipogén karsztosodási folyamatok tanulmányozása<br />

különös tekintettel a mikrobák szerepére<br />

Kutatóhely neve Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék (<strong>Eötvös</strong><br />

<strong>Loránd</strong> <strong>Tudományegyetem</strong>)<br />

projekt kezdete 2012-03-01<br />

lezárás dátuma 2016-02-29<br />

OTKA Pályázat<br />

NK 101356<br />

Hipogén karsztosodási<br />

folyamatok tanulmányozása<br />

különös tekintettel a mikrobák<br />

szerepére<br />

Munkaterület: Budai Termálkarszt


Kutatási terv<br />

� A Budai Termálkarszt jelenleg is aktív <strong>hipogén</strong> karsztterület,<br />

ahol a fluidumok, dinamikájuk és hatásaik együtt vizsgálhatók.<br />

� A <strong>hipogén</strong> karsztok fejlődése és a bennük zajló<br />

folyadékáramlás által előidézett jelenségek regionális áramlási<br />

rendszerek keretében érthetők meg.<br />

� A tervezett átfogó kutatás áttekintést nyújt a <strong>hipogén</strong><br />

karsztosodási folyamatokat befolyásoló tényezőkről.<br />

(Klimchouk, 2012)


� Tágítja ismereteinket a mikrobák barlangképződésben<br />

betöltött szerepéről.<br />

� Az eredmények általánosítása hasonló hidrogeológiai helyzetű<br />

területek megértését segíti.<br />

� Az ELTE kutatóinak interdiszciplináris alapkutatási pályázata<br />

elősegíti a résztvevő kutatók szakmai valamint az intézmény<br />

infrastrukturális fejlődését.<br />

Élő biofilm mintáról környezeti üzemmódban készült<br />

pásztázó elektronmikroszkópos felvétel<br />

(Erőss et al, 2011 TÁMOP)<br />

Vasoxi-hidroxid burokot növesztett, fonalas baktériumok<br />

FIB-el létrehozott keresztmetszete


Munkafázisok<br />

� I. Hidraulikai kutatások<br />

� Regionális és lokális mintaterületi feldolgozások (MSZJ)<br />

� II. Mikrobiológia-atomfizika-hidrogeológia<br />

� Biofilmek és víz: térbeli és időbeli változékonyság –<br />

kémiai, radionuklid és mikrobiológiai (EA és BA)<br />

� Biofilm felépülése és hatásai – kísérleti vizsgálat (MSZJ)<br />

� Extrém környezet és bakteriális adaptáció (BA)<br />

� III. Geológiai hatások és megőrződési potenciál<br />

� A fluidumok múltbeli karsztosodást kiváltó hatására<br />

utaló ásványtani és biológiai indikációk (MA és MSZJ)


Tervezett (műszeres) mérések, elemzések: 7,3 millió HUF<br />

� Hydrogeochemistry:<br />

� High-resolution and standard ICP-MS analysis<br />

� pH, conductivity, sulphate, alkalinity<br />

� Isotopes in water<br />

� Alpha spectrometry<br />

�<br />

� Water analysis: S, N forms: nitrate, sulphate, NH 3 , phosphorous; TOC, O 2,<br />

� DGGE fingerprint method for taxons<br />

� 16S rDNA for phylogenetic identification<br />

� Cell counting<br />

� SEM-FIB<br />

� Preparation of thin sections<br />

� Trace element analysis<br />

� Stable isotope analysis<br />

� Mössbauer spectroscopy<br />

� Fluid inclusion analysis<br />

� Raman analysis<br />

� X-ray powder diffraction<br />

� TEM


� Részletes tervek és hozzárendelt költségek<br />

kidolgozása folyamatban....<br />

Molnár János-barlang, Budapest (Foto: Kalinovits Sándor)

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!