hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem
hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem
hipogén barlangok - Eötvös Loránd Tudományegyetem
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)