NME Közleményei, Miskolc, I. Sorozat, Bányászat, 33(1986) kötet, 1-4. füzet,
265-272.
A VOLT ÉPÍTŐIPARI ÉS KÖZLEKEDÉSI MŰSZAKI EGYETEM JÓSVAFÓI PAPP FERENC KARSZTKUTATÓ ÁLLOMÁSÁNAK TÖRTÉNETE ÉS EREDMÉNYEI MAUCHA LÁSZLÓ
Összefoglalás A kutatóállomást 1957-ben létesítették dr. Papp Ferenc kezdeményezésére, aki az Aggteleki karsztvidék klimatológiai, hidrológiai, ásvány-és kőzettani kutatását, valamint a karsztfolyamatok és kölcsönhatásainak részletes vizsgálatát tűzte ki az állomás feladatául. A kutatások a szilárd, a folyékony és a légnemű fázis vizsgálatára egyaránt kiterjedtek. A kuta tóállomáson dolgozók tollából összesen 83 publikációjelent meg. A dolgozat a legfontosabb eredmé nyek vázlatos összefoglalását adja meg.
A Kutatóállomási; 1957-ben a Budapesti Műszaki Egyetem létesítette, Dr. Papp Fe renc - az Ásvány és Földtani Tanszék professzora — kezdeményezésére, aki az Aggteleki karsztvidék klimatológiai, hidrológiai és ásványkőzettani kutatását, valamint a karsztfolya matok és kölcsönhatásainak részletes vizsgálatát tűzte ki az állomás feladatául. Az első tíz évben a Kutatóállomás mérőhálózata a Vass Imre-barlangra és a Jósvafő környéki területre terjedt ki. Dr. Papp Ferenc prof. felkérésére az Országos Meteorológiai Intézet 1957-ben létesített felszíni klimaállomást a kutatóház mellett. 1959-ben indult meg a Kistohonya-forrás vízhozamának, hőfokának, vízellenállásának naponkénti mérése, MAUCHA LÁSZLÓ tudományos munkatárs V1TUKI, Budapest Kvassay J. u. 1.
Kézirat beérkezett: 1985. júL 24.
265
valamint a rendszeres hósűrűség-mérés. A műegyetemi barlangkutató csoport ugyanebben az évben távmérő berendezést helyezett üzembe az állomáson a Vass Imre-barlangi mikro klíma és csepegeshozam napi háromszori mérése céljából. 1960-tól kezdődően megindult a környező források időszakos mennyiségi és minő ségi vizsgálata is. 1962-ben a műszerkertben párolgásmérő kádak telepítésére került sor. 1963-tól kezdve Jósvafő környékén a VITUKI közreműködésével sorozatban épültek ki a források bukógátjai és műszeres mérőhelyei a folyamatos vízhozammérés és a hetenkénti vízhőfok és vízellenállás mérések céljából. 1965-ben indikátor-órás mérőhely, 1967-ben elektromos távmérőberendezés épült a Vass Imre-barlangban a kőzet-árapály megfigyelé sére. A kutatási eredmények összefoglalása Az eredeti célkitűzésnek megfelelően a kutatások alapján sikerült olyan átfogó mun kahipotézist kialakítani a lehetséges karsztfolyamatok összességéről, amely logikai alapul szolgál azok feltárására. Az új munkahipotézis kiindulópontja abból az egyszerű meggon dolásból származik, hogy a föld felszínén lejátszódó természeti folyamatok az összes jelen lévő, de különböző fejlettségű anyagi rendszerek kölcsönhatásaiból származnak és a köl csönhatások minden lehetséges relációban érvényesülnek. A karbonátos kőzetek, a felszíni és földalatti törmelékes karsztüledékek és a barlan gi ásványos kitöltések a karszt szilárd-fázisának tekinthetők. Az oldott kőzeteket és ásvá nyokat tartalmazó karsztvíz képviseli a folyékony-fázist, a kalcium, magnézium aeroszol tartalmú barlangi levegő képviseli a légnemű-fázist. Feltétlenül fontos szerepet játszik még a karsztban a földalatti élővilág és az egész földre ható fizikai sugárzások és erőterek anya gi rendszere. E rendszerek bonyolult kölcsönhatásaiból származtathatók a jelenlegi karszt folyamatok. A szilárd-fázis vizsgálata A Kutatóállomás környékének földtani felépítése részletes feltárása céljából 1968—69-ben 1:10.000 méretarányú kőzettani térkép készült a Haragistyai-fennsík és a Nagy oldali-fennsík területéről. Ennek során kimutatták, hogy a mészkő és a dolomit között mindenfajta kémiai átmenet megtalálható a középső triász képződmények sorában. Meg határozták a kőzetcsoport redőzöttségét és a redőtengelyek irányát is. Jósvafő környéké nek dolinakitöltő és barlangi karsztüledékeinek genetikai vizsgálata 1962-ben arra az ered ményre vezetett, hogy ezek a vörös és vörös-barna agyagok részben a középsőtriász mész kövek oldási maradványából, részben reszilifikálódott bauxitos üledékekből, valamint vul káni tufákból, löszből és mai talajok szervesanyag-tartalmából tevődnek össze. A széles ská lájú keveredés oka a karsztos tönkösödéssel együttjáró - földtanilag is hosszú ideig tartó üledék felhalmozódás, speciális típusú karsztos üledékmegőrzés és folytonos áthalmozódás. E képződmények kora egyértelműen nem határozható meg, csupán azt állíthatjuk, hogy ezek a képződmények a krétától máig terjedő időszak poligén eredetű homogenizá lódott termékei. 266
Ásványtani vonatkozásban is új eredményt értek el az állomás munkatársai a barlan gi argonit kalcittá való átalakulásának vizsgálatában. Részletes munkával sikerült kimutat ni a hideg és hévízből kivált pizolitok jellemző összetételbeli különbségeit. Kiderült, hogy a nagyobb aragonit-tartalmú pizolitok Sr-ion-tartalma általában nagyobb, illetve Mg-ion tartalma általában kisebb, mint a kalcitpizolitoké. Az aragonit meghatározások során ész lelt bizonytalanságok miatt külön ellenőrző vizsgálatok folytak az aragonit kimutatására szolgáló reakciók mechanizmusára vonatkozóan. A folyékony karsztfázis szilárd fázisra való hatásának megismerésére szolgált a primer sztalaktitok átlagos növekedési sebességé nek meghatározása a vízhozam és a vízkeménység függvényében. A heliktit-képződés tanulmányozása is új eredményekre vezetett. Fény derült arra, hogy két fő tipus különíthető el: Belső kapillárist tartalmazó, általában görbe heliktitek képviselik az egyik típust. Kapilláris nélküli tűszerű képződmények képviselik a másik tí pust. A tűszerű képződmények képződési mechanizmusát a légnemű-fázis szilárd fázisra való hatásából sikerült levezetni. Sikerrel lehetett alkalmazni a zúzmaraképződés analógiá ját ezekre a típusokra, tekintetbevéve a barlangi levegő kalcium-aerosol-tartalmát. A Kutatóállomás cseppkőszíneződési vizsgálatai a fekete bevonatok eredetére vonat kozóan megerősítették azt a korábbi nézetet, hogy ezek a bevonatok mangán- és vasbak tériumok élettevékenységével állnak kapcsolatban, vagyis az élővilágnak a szilárd fázissal való kölcsönhatását reprezentálják. A sárga és sárgás-barna színű cseppkőkérgek vizsgálata arra az eredményre vezetett, hogy a vas- és mangántartalom kiválása oxidatív zónákhoz van kötve, tehát a szellőzött tág járatrendszerek térségeihez. A vizzel teljesen kitöltött szűk já ratrendszerek térsége a karsztban viszont reduktív-zónának tekinthető, ahol a vas- és man gán-ionok oldatban maradnak. A primer sztalaktitok azért szineződésmentesek, mert a re duktív zóna vizéből válnak ki. A folyékony fázis vizsgálatának eredményeinél fogjuk összefoglalni a karsztvízszint árapály-jelenségeinek kimutatását. E jelenség mechanizmusának vizsgálata tisztázta a föl di gravitációs erőtér luniszoláris változásának hatását a szilárd-karsztfázisra. 1965-ben a Vass Imre-barlangi mérések alapján az állomás munkatársai kimutatták, hogy a karsztvízszint árapály-jellen ségének közvetlen oka a függőleges törések keresztiránya dilatációja (liloklázis fluktuáció), melynek periódus ideje 12 óra, átlagos amplitúdója na ponta fél mikrométer. A tér három irányában végzett mérések során az alábbiakat figyel ték meg: Az É-D-i irányú törésmenti barlangfolyosóban kialakított mérőhelyen a barlang Ny-i és K-i falát alkotó kőzetblokkok vízszintes és függőleges értelmű relatív nyíró elmozdulásai ban csak elmosódottan jelentkezik az árapály ingadozás hatása. Ezzel ellentétben a moz gásokban erőteljesen érvényesül a karsztvízszint-ingadozás kőzetblokk meg- és leterhelő hatása, vagyis a kőzet-víz kölcsönhatás mindkét irányban érvényesül. A vizsgált törés men tén áthaladó földrengés-hullámok, valamint a barlang felett áthaladó légnyomásfrontok szélső esetben mindhárom térirányban 2-5 mikrométeres ugrásszerű és maradó mikrotektonikus változásokat is okozhatnak. A Kutatóállomás szilárd-fázis módszertani eredményei az alábbiak voltak:
267
Új módszereket dolgoztak ki az állomáson a barlangok összehasonlító forrásvizsgálattal va ló kimutatására, a barlangok és zsombolyok fotogrammetrikus keresztszelvényezésére, a barlangok ásványkőzettani viszonyainak számszerű jellemzésére, a sztalaktitok és heliktitek növekedésének egzakt mérésére, valamint a karsztos litoklázis fluktuáció helyszíni és távmérésére. Az Állomás műegyetemi időszakában végzett szilárd-fázis vizsgálatok eredményei ről 37 közlemény látott napvilágot. A légnemű-fázis vizsgálata Az Aggteleki karsztvidéken a légnemű-fázis vizsgálata a felszíni klimán kívül a Vass Imre-barlang mikroklímájának tanulmányozására terjedt ki. Kezdettől fogva arra töreked tek az állomás munkatársai, hogy a legfontosabb klimaelemek: hőmérséklet, páratartalom, légnyomás és légáramlás hosszúlejáratú és lehetőleg folyamatos észlelését szervezzék meg. Kezdetben elektromos távérzékelő berendezés épült a klimaelemek napi háromszori észlelése céljából. A barlangi klimaelemek változásának kis sebessége miatt azonban nem volt szükség ilyen sűrű mérésre. Ezért a Vass Imre-barlangi klimaészlelő állomásokon a hő mérséklet és a relatív páratartalom mérését hagyományos, valamint nagy felbontóképessé gű száraz-nedves Beckmann hőmérő-párokkal oldották meg és hetenkénti, helyszíni meg figyelésekre rendezkedtek be. A légnyomás méréseket hagyományos barográffal végezték. A légáramlás észlelésére frekvencia-mérésen alapuló fotótranzisztoros anonométert fejlesz tettek ki az állomás munkatársai. Az egyetem időszakában végzett barlangi mikroklimamérések eredményeit az aláb biakban foglaljuk össze: A hőmérséklet és a relatív páratartalom mérések alapján meghatározták a felszíni klima be hatolási mélységét az egyes állomásokon észlelt adatok ingadozásának figyelembevételével. A szélső értékek közti különbségek barlanghosszúságmenti eloszlására az irodalomban ta lálható matematikai összefüggésnél pontosabb képletet sikerült levezetni. Kiderült tehát, hogy a téli időszakban a befelé irányuló légáramlás miatt a felszíni levegő kölcsönhatása a bejárattól mintegy 300 m távolságig terjed. A barlang bejárati termében észlelt legkisebb re latív páratartalom érték fenti időszakban 40 r/> volt. A barlangi levegő relatív páratartalma a barlang belső részeiben ténylegesen megközelíti a 100rA-ot. A Vass Imre-barlangra és más horizontális karsztos barlangra is általában jellemző, hogy hegylábi bejáratok közelében a leghidegebb a levegő átlaghőmérséklete. A jelenség azzal magyarázható, hogy a bejárati barlangszakaszokat aszinietrikus hőhatás éri. A légáram lási viszonyokra jellemző, hogy amikor a külső átlagos hőmérséklet a barlang hőmérsékle tével megegyezik, a légáramlás szünetel. Bármely évszakban erős nappali felmelegedés és erős éjszakai lehűlés esetén a barlan gi légáramlásnak napi járás is van. Ennél lényegesen kisebb peródusú változásokat is sike rült megfigyelni a Vass Imre-barlangi légáramlásban. E változásokat az említett fototranzistoros anonométerrel mutatták ki.
268
A külső időjárási elemek közül a légnyomás-változás hatol be legerősebben a bar langba. E változások amplitúdója mintegy 90 %-ban a Vass Imre-barlang belső részeiben is észlelhető volt. A heliktitképződés aeroszol-effektusának kimutatása nyomán felmerült a Ca-aeroszol keletkezésének és élettartamának kérdése is. A Kutatóállomáson folyó elméleti vizs gálatok tisztázták, hogy egy 0,1 mm átmérőjű aeroszol-csepp 90 % nedvesség-tartalmú térben is percekig lebegésben képes maradni, a nélkül, hogy elpárologna. A Ca-aeroszolból való heliktitképződés elmélete szerint valószínűsíthető, hogy az elektrosztatikus csúcs hatás is szerepet játszik az aeroszol-cseppek befogásában. „Geiger-számlálóval történt mérésekkel a Vass Imre-barlangban kimutatták, hogy a ß és 7 -augárzás intenzitása első sorban a barlangi légáramlás intenzitásától és irányától függ; a bejáraton behúzó légáramlás esetén az aktivitás alacsony; gyenge kihúzó és stagná ló légáramlásnál (elsősorban kora ősszel) magas. Legnagyobb aktivitás-értékeket a tartó san légáramlásmentes oldalfülkékben észleltek. A mérések szerint a radioaktivitás jelen tős része a nedves aeroszolhoz kötődik. Más barlangokban végzett vizsgálataik hasonló eredményeket adtak." A légnemű-fázis kutatásával kapcsolatban új eljárásokat dolgoztak ki az állomás mun katársai: Termisztoros pszihrométerek alkalmazására, frekvenciaméréssel működő fototranzisztoros légáramlás-mérésre, fenti műszerekkel kapott információk elektromos távmérésére, valamint Beckmann-hőmérők pszichrométerként való alkalmazására. Az Állomás műegyetemi időszakában végzett légnemű-fázis vizsgálatok eredményei ről 7 közlemény jelent meg. A folyékony-fázis vizsgálata A folyékony-fázis tanulmányozása a Kutatóállomáson a terület hidrográfiai össze függéseinek kísérleti vizsgálatával kezdődött el. A fluoreszceinnel és konyhasóval végzett nyomjelzések új összefüggések kimutatásához vezettek a csehszlovákiai Mii ad a-barlang és a Kistohonya-forrás, a Lófej- és a Nagytohonya-forrás, a Kistohonya-forrás és a Szabókút között, valamint az Alsóhegy zsombolyai és a hegyperemi források között. Jósvafő környékén a felszínalatti vízáramlás látszólagos sebessége mintegy 25 és 100 m/óra érté kű. A kezdeti vizsgálati eredményei mellett a kutatóállomás eredeti tevékenységének egyik legfontosabb részét képezték a műszeres forrásvizsgálatok. A mérések kiterjedtek az állomás környezetében lévő források vízhozamára, hőmérsékletére, a víz kémiai elem zésére, valamint a vizek elektromos vezetőképességére. A kutatóállomás működésének második 5 évében 3 nagyobb karsztforrás folyama tos vízhozamregisztrálásával számos új megfigyelésre nyilt lehetőség. Többek között fény derült arra. hogy a karsztforrások vízhozamváltozásai sokkal differenciáltabbak és több ter mészeti tényezőtől függnek, mint korábban feltételezték. Az ismert klimatikus tényező kön kívül (csapadék, légnyomás, stb.) a több éves vízhozamregisztrátumok a klimatikus 269
változások eddig alig ismert jelenségeire derítettek fényt. A Nagy tohonya- és a Lófej-forrás szivornyás kitörések igen változatos sorozatát hozza napvilágra, emiatt egyedülállóan sok információt sikerült nyerni a karsztos szivornyák működéséről és felépítéséről. Az állomás munkatársai hidraulikai modellkísérletek segítségével meggyőző módon kimutatták, hogy a Lófej-forrás földalatti vízrendszerében három szivornya sajátos kom binációja hozza létre az aklimatikus vízhozamkitörésekei, az ezeket megelőző minimu mokat és a kitörések közötti pulzációkat. Első ízben sikerült megfigyelni, hogy minden szi vornyás kitörés végén utócsúcs, vagy másodcsúcs formájában törvényszerűen vízhozamnö vekedés következik (a vízszál vége átfut a leszívócső csúcsán). Ezáltal kísérleti bizonyíték született arra, hogy a karsztforrások legnagyobb és gyors aklimatikus vízhozamváltozásai valóban szivornyaműködésből származnak. A szivornyás karsztforrások vizsgálata azonban további ismeretlen aklimatikus té nyezők kimutatását is lehetővé tette. A vízhozamgörbék statisztikus feldolgozása feltűnő eredményre vezetett. Kiderült, hogy minkét szivornyás forrás kitöréseinek kezdő időpont ja csaknem pontosan a 6-12-18 vagy 24 órára esik a vizsgált esetek 30 %-ában. Ebből ki indulva különböző és egymástól független statisztikai feldolgozások, valamint a vízhozam görbéknek a gravitációs térerősség luniszoláris változásával való összehasonlítása alapján kimutatták a karsztvíztükör árapály jelenségét. Ez az új felismerés vezetett a korábban em lített litoklácis fluktuáció mérések megszervezésére és ennek alapján a kőzet árapály moz gás megfigyelésére. A karsztos víztározók hézagtérfogatának árapály periódusú változásai miatt a karszt víztükör szintje átlagosan mintegy 10 cm-es ingadozásokat szenved. A tározott vízkészlet ből táplálkozó földalatti vízfolyásokon ezek az áttételezett árapályhullámok nyomáshul lám szerűen gyors vízhozamváltozás formájában terjednek a források felé, ahol átlagosan 6 órás periódusán és mintegy 150 1/p-es amplitúdójú vízhozam-változásokat okoznak. A forrásjáratokban kialakult karsztos szivornyák érzékeny hidraulikai jelfogó gyanánt az esetek mintegy 40 %-ában a dagályhullám beérkezésének hatására kezdik meg ürítésüket. Mivel a luniszoláris gravitációs változások szélső értékei újhold és holdtölte,első ne gyed és utolsó negyed napján 6,12, 18 és 24 órakor valósulnak meg, ezért a karsztos szi vornyák leggyakoribb kitörései is ezekre az időpontokra esnek. (Ezért lehetett a szivornyás karsztforrások vizsgálata alapján kimutatni a karsztvizek árapály mozgását.) A nem szivor nyás forrásoknál a vízhozamváltozásban közvetlenül jelentkező árapály-ingadozást is sike rült megfigyelni, mintegy 30 %-os vízhozamingadozás formájában. Az árapály jelenség meg figyelése alkalmas ezköznek bizonyult a karsztos víztározók szerkezeti viszonyainak fel tárásához. Az árapály eredetű litoklázis fluktuáció és a hozzá tartazó forráshozam-változás kapcsolata alapján lehetőség nyüt a kőzetblokkok közötti törések hézagtérfogatának meg határozására. E vizsgálatok szerint megállapítható volt, hogy csak azokon a forrásokon lehet megfigyelni jelentősebb árapály-ingadozást, melyek vízgyűjtő területén a kőzet kisebb-na gyobb mértékben dolomitosodott, ennek következtében a törések átlagszélessége kisebb, mint mészköves területeken, mivel a törések hézagtérfogata a tározókőzet teljes térfogatá hoz képest 0,05 %-nak adódott.
270
A mélykarsztból is táplálkozó Nagy tohonya-forrás vizsgálata új eredményekre veze tett. Az árvizek levonuló szakaszában a vízhozam és hőmérséklet fordított arányú változá sát lehetett kimutatni. A fajlagos vezetőképesség-hőmérséklet összefüggés alapján fény de rül arra, hogy a mélykarsztvíz komponens keménysége kisebb, mint a leszálló komponen sé. Új eredmények születtek a barlangi csepegővizek vizsgálata terén is. A szivornyás im pulzus üzemű helyszíni észlelőberendezések információit a kutatóállomás laboratóriumá ban felszerelt elektromos regisztrálómű rögzíti. A többéves vízhozam vizsgálatok eredmé nyei elsősorban a beszívárgási viszonyokra derítettek fényt. Bebizonyosodott, hogy a csepegések intenzitása a téli félévben 5-10 mm csapadék hatására is azonnal megnő, a nyári vegetációs időszakban csak 30-50 mm-es csapadék hatására nő meg a vízhozam. A barlan gi csepegővizek kémiai összetételének vizsgálatát és a legfontosabb összetevők változásá nak tanulmányozását a Vass Imre-barlang 50 csepegésmérő helyén 1 évig folytatták. A vizek összes keménysége és fajlagos vezetőképessége között egyértelmű összefüggést lehe tett megállapítani. Kiderült, hogy a barlangi csepegővizek keménység szempontjából két fő típusába sorolhatók. A cseppkövek belsejéből csepegő vizek átlagosan 25 nk°-osak, míg a sztalaktitok felületén szivárgó vizek átlagosan 15 nk° keménységüek. Ki lehetett mutatni, hogy a csepegővizek keménysége a vegetációs időszakban maximális, télen mini mális. A talajnak tehát döntő szerepe van a karsztosodás folyamatában. Nyári időszakban a talajban élő mikroorganizmusok széndioxid termelése jelentősen növeli a beszivárgó csa padékok oldó hatását. Egyik csepegő helyen 8-10 nk° koncentráció különbséget is meg lehetett állapítani a téli és a nyári keménység között. A Kutatóállomás fenti időszakában végzett folyékony-fázis vizsgálatok eredményei ről 39 közlemény jelent meg, összesen 83 publikáció látott napvilágot.
271
THE STORY AND SUCCESS OF THE ,JPAPP FERENC" KARSTRESEARCHING STATION IN JÓSVAFÖ
L. MAUCHA Summary The station was established in 1957 on initiative of F. Papp who set the station the aim of rese arching the Aggtelek-karst climatologicals, hydrologicals, mineralogicals and petrographieals, as well as exact examinations of karst-processes and their interactions. The researches comprise both the solid, the gaseous and the liquid phases' examinations. The workers of the station have written 83 publica tions. The paper gives an outlined summary of the most significant successes.
HISTORIE UND ERGEBNISSEN DER KARSTFORSCHUNGSSTATION „PAPP FERENC" IN JÓSVAFŐ L. MAUCHA Zusammenfassung Aufstellung der Forschungsstation im 1957 hat durch Ferenc Papp angeregt, wer der Station die folgenden Aufgaben zugestellt hatte: klimatologische, hydrologische, mmeralisch-petrographische For schung des Karstgebietes Aggtelek, detallierte Untersuchung der Karstprozesse und ihre Interaktionen. Die Forschungen hatten sich auf die Untersuchung der Gas- und Flüssigkeitsphasen ausbreitet. Insge samt wurden 83 Publikationen herausgegeben. Diese Arbeit gibt eine kurze Zusammenfassung über die wichtigsten Resultate.
ИСТОРИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАРСТООБСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ ИМ. ПАПП ФЕРЕНЦ В ЙОШВАФЕ, ПРИНАДЛЕЖАЩЕЙ К БЫВШЕМУ УНИВЕРСИТЕТУ ТРАНСПОРТА И СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ JF МАУХА Резюме Станция было создана по инициативе д-р Папп Ференцу в 1957 г.; ее целю была постав лена задача раскрытия, а также и климатическое, гидравлическое, карстовое изучение мест ности. Исследования распостранились на твердой, текущий и воздушные фазы. Работающие на исследовательной станции опубликовали 83 публикации. Работа дает обобщение наиболее важных результатов.
272
