Stabilizotóp-geokémia III Dr. Fórizs István MTA Geokémiai Kutatóintézet
[email protected]
Vízkörforgás
Alapfogalmak Frakcionációk • Egyensúlyi frakcionáció: a két fázis között izotópcsere játszódik le, az adott izotóp megoszlása a két fázis milyenségétıl és a hımérséklettıl függ. Pl. vízpára(felhı)-víz rendszer (kondenzáció, általában zárt rendszer)
Alapfogalmak Frakcionációk • Kinetikus (nem-egyensúlyi) frakcionáció: a folyamat egyirányú, vagy majdnem teljesen egyirányú, pl. párolgás, kicsapódás: a könnyebb molekulák gyorsabban távoznak. • Tisztán kinetikus pl. ha a relatív páratartalom 0.
HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Szélességi hatás: az egyenlítıtıl a sarkok felé haladva a csapadék izotóposan egyre könnyebb, pl. az Észak-Amerika-i kontinensen a δ18O érték változása 0,5 ‰/szélességi fok (Yurtsever, 1975). Magassági hatás: adott helyen (pl. hegységekben) egyre magasabban mérve, a csapadék izotóposan egyre "könnyebb", 0,15-0,5‰/100 m a δ18O érték csökkenése, átlagban 0,28‰/100 m (Gat, 1980; Bowen, 1986).
HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Kontinentális hatás: a kontinensek peremétıl azok belseje felé haladva a δ18O érték változása -2,4‰/1000 km (Bowen, 1986).
Kontinentális Kontinentális hatás hatás
δ18O
A tengervízbıl képzıdött felhıbıl kicsapódó elsı csapadék δ értéke szinte mindig negatívabb mint a tengervíz δ értéke, mert párolgáskor nem-egyensúlyi, kicsapódáskor pedig egyensúlyi a frakcionáció.
HIDROLÓGIAI IZOTÓPEFFEKTUSOK Hı
Hımérsékleti hatás (folyt.) Globális: Yurtsever (1975) az általa vizsgált adathalmazon a következı összefüggést találta: δ18O = 0,52*T - 14,96 Lokális – Bécs: (IAEA, 1992) δ18O = 0,41*T - 13,90 Lokális – Abádszalók (Alföld): (Deák 1995) δ18O = 0,37*T - 12,8
Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék, Abádszalók 1977-1988 (Deák 1995) -3
18 δ O [‰]VSMOW
-5 -7
-9 -11 -13 -15 -5
0
5
10
Hımérséklet °C
15
20
25
Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék, Abádszalók 1977-1988 (Deák 1995) -3
18 δ O [‰]VSMOW
-5 -7 -9 -11 -13 -15 0
1
2
3
4
5
6
7
Hónapok
8
9
10
11
12
13
Mi a magyarázata a hımérsékleti hatásnak? • A kicsapódáskori felhı hımérséklete nem lehet az oka, mert az éppen ellenkezı hatású. Ugyanazon δ értékő felhıbıl kisebb hımérsékleten pozitívabb δ értékő csapadék hullik ki. • Tehát más δ értékő felhı érkezik – pl. Budapestre – nyáron és télen. De miért?
Rayleigh frakcionáció (desztilláció) nyár tél
Hımérséklet-delta érték összefüggés • A felhı keletkezési helye és a csapadékhullás helye közti hımérsékletkülönbség határozza meg a δ18O értéket. Minél nagyobb a különbség, annál negatívabb a csapadék δ18O értéke. • Nyáron kisebb a különbség, mint télen.
Hımérsékleti hatás (folyt.) Csapadék Budapesten (VITUKI telephely) 0
18 δ O [‰]VSMOW
-2 -4
Nyár
Nyár
Nyár
-6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 1997 febr
Tél
Tél Tél 1997 jún
1997 okt
1998 febr
1998 jún
1998 okt
Dátum
1999 febr
1999 jún
1999 okt
2000 febr
2000 jún
Jég fúrómagok, GISP2 fúráshely 13 és 15 GISP2 program 1980 1979 1978 1977 1976
13-as hely
1975
15-ös hely
1974 1973 1972
Év
1971 1970 1969 1968 1967 1966 1965 1964 1963 1962 1961 1960 -50
-45
-40
-35 18
δ O [‰]VSMOW
-30
-25
-20
δ18O [‰]VSMOW -45
-40
-35
-30
-25
0
5000
10000
kor [év]
Jég fúrómagok, GISP2
15000
20000
25000
30000
Jégkorszak
Jég-fúrómagok
Megjegyzés • A hidrológiai izotópeffektusok egyaránt igazak az oxigénre és a hidrogénre is!
Izotópos víz-vonalak: csapadékvíz vonal, rétegvíz vonal, stb.
Elsıdleges párolgás: Csapadékvíz vonal (CsVV) 40 20 0
Tengervíz
δ D [‰]
-20 -40 -60
50%
-80
85%
-100
100%
Globális CsVV
-120 -140 -18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
δ18O [‰]
-4
-2
0
2
4
Csapadékvíz vonalak (CsVV) Globális referencia: (Craig 1961) Craig, H. (1961) Isotopic variation in meteoric waters. Science, N.Y. 133:1702-1703
δD = 8*δ18O + 10 ‰ Meredekség (8) oka: meredekség ≈
1000 ln α víz − pára ( H ) 1000 ln α víz − pára (O )
= 8,2
25 °C-on
Csapadékvíz-vonal (CsVV) Globális: (RóŜanski et al. 1993) δD = 8,13*δ18O + 10,8 ‰ Kárpát-medencei rétegvíz vonal: (Deák 1995) δD = 7,8*δ18O + 6 ‰ Kelet-Mediterrán: (Gat & Carmi 1970) δD = 8*δ18O + 22 ‰
Másodlagos párolgási hatás: Párolgás tóból 40 20 0
δ D [‰]
-20
20%
-40
100%
-60
40%
-80 -100
80%
60%
40%
80%
60% 20%
Kezdeti víz (jég), pl. tó (hó)
-120
GCsVV
-140 -18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
δ18O [‰]
-4
-2
0
2
4
Párolgási egyenes meredeksége (s) vs. levegı relatív páratartalma (h) 40
75%, s=5,2
20 0
95%, s=6,8
δD [‰]
-20 -40 -60 -80
25%, s=4,2
-100
0%, s=3,9
-120 -140 -18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
18 δ O [‰]
-4
-2
0
2
4
Párolgási vonal: Csepel-sziget 0 -10
Helyi csapadékvízvonal
-20
Kavicsos-tó
δD [‰]VSMOW
-30
Tavi üledék
-40 Párolgási vonal
-50
M07
-60
M06 M04 M09 M02 M05 M03 M01 M08
-70 -80 -90 -100 -13
-11
-9
-7
-5
δ18O [‰]VSMOW
-3
-1
1
Párolgás közelrıl
Homogén légoszlop
h << 100%
Átmeneti zó na
h < 100%
Határréteg
h = 100%
Levegı
Víz
Homogé n vízoszlop
Párolgási hatások • Elsıdleges párolgási hatás: vízbıl pára lesz
• Másodlagos párolgási hatás: a víz egy része elpárolog, a maradék víz izotópos összetétele megváltozik, izotóposan nehezedik.
Másodlagos párolgási hatás a lokális csapadékvíz-vonalon 50
Csapadék Debrecen környékén (20012004) GCsVV L
0
δD [‰]VSMOW
• A száraz levegıbe hulló csapadék egy része még a levegıben elpárolog.
y = 6,6966x - 11,569 R2 = 0,8665
-50
-100
-150
-200 -25,0
-20,0
-15,0
-10,0 18
-5,0
δ O [‰]VSMOW
0,0
5,0
10,0
Eltérı izotópos vízvonalak Hortobágy-Üveghuta -40
-50
δD [‰]VSMOW
-60 Nyírılapos
-70
Üveghuta
-80
-90
-100 -13,0
-12,0
-11,0
-10,0
-9,0
δ18O [‰]VSMOW
-8,0
-7,0
-6,0
Deutérium többlet = d-többlet Definíció: d = δD – 8×δ18O •
δD = 8×δ18O + d 40
d>10
0 -20
δ D [‰]
• A Globális Csapadék-víz Vonal esetében a dtöbblet 10. A d-többlet azt mutatja meg, hogy az adott pont hol helyezkedik el a GCsVV-hoz képest (rajta, alatta, fölötte).
20
-40 -60 -80 -100
d<10
-120 -140 -18
-16
-14
-12
-10
-8 18
-6
δ O [‰]
GCsVV
-4
-2
0
2
4
Párolgás: Balaton 2005 20
Lokális csapadék sokéves becsült átlaga
0
Globális csapadékvízvonal
δD [‰]
-20
δ18O = -9,5‰
-40
y = 5,212x - 13,742 2 R = 0,8588
δD = -67,5‰
-60
-80
-100 -10
-9
-8
-7
-6
-5 18 δ O [‰]
δ18O = -8,5 ‰ δD = -57,8 ‰ Lokális csapadék sokéves átlaga
-4
-3
-2
-1
0
Esettanulmány vízizotópokra Újkígyósi Regionális vízmő Fórizs István, Deák József
Elérési zónák
Újkígyósi Regionális Vízmővek Sokéves csapadékvíz átlag 0 -50
Mélység [m]
-100 A beszivárgó modern és a föláramló idıs víz keveredése.
-150 -200 -250
Föláramló, zavartalan idıs víz.
-300 -350 -400 -14
-13
-12
-11
-10
δ18O [‰]VSMOW
-9
-8
0
-50
-100
Mélység [m]
-150
-200
-250
-300
-350
-400 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Vezetıképesség [µ µS/cm]
4000
4500
5000
Újkígyósi Regionális Vízmővek -8
18 δ O [‰]VSMOW
-9
-10
-11
-12
-13
-14 0
500
1000
1500
2000
Elektromos vezetıképesség [µ µS/cm]
2500
Újkígyósi Regionális Vízmővek -8
-9
Az elsı vízzáró fölött aquitard
18 δ O‰
-10
-11
R2 = 0,6934
A vízzárón áthatoló figyelıkút
-12
R2 = 0,729
-13
Az elsı vízzáró alatt aquitard
-14 0
10
20
30
40
50
60
(Na+K)/(Na+K+Ca+Mg) eé%
70
80
90
100
Hogyan lehet számolni a δ értékekkel? Mint egy koncentrációval?
Keveredés (víz és oldott bór) δ18Ovízminta
1:1 arányban keveredik a minta és a definíció szerint δ=0‰ nemzetközi sztenderd. δ keverék
δ minta + δ sztenderd = 2
δ minta = 2
-30 ‰
RVSMOW
0,002005
Rvízminta
0,001945
Rkeverék
0,001975
δkeverék
-15,0005 ‰
δ11Bvizes B
-30 ‰
RSRM951
4,045
RMinta Rkeverék δkeverék
δ-val számolva
-15,0000‰
3,92365 3,983586 -15,1826 ‰
-15,0000‰
Számítási feladat 3 • Két folyó (A és B) ömlik egy víztárolóba, ahol a két folyó és a tározóból kifolyó víz δ18Ο értékei a következık: -4,5‰, -12,7‰ és -9,2‰. • Melyik folyónak van magasabban a vízgyőjtı területe? • A tározóban lévı víz hány %-a származik az A és hány a B folyóból, ha nincs párolgás és konstansak a vízhozamok és a δ értékek? • Nyáron párolog: víz és pára közti frakcionáció 9‰. Kifolyó víz δ18Ο értéke -4,9‰. A víz hány százaléka párolog el?
Megoldás 3 • A B-folyónak van magasabban a vízgyőjtıje. • δki = xδA + (1-x)δB → x = 43%, (1-x) = 57% • δbe= -9,2‰. δpára = -4,9 + (-9) = -13,9‰. δki = δkifoly + δpára • A fönti egyenletet alkalmazva x=48% az elpárolgott víz aránya.
Számítási feladat 4 Mennyiség (%)
δD (‰ vs. VSMOW)
δ18Ο (‰ vs. VSMOW)
Óceánok
97,2
0±5
0±1
Jégsapkák, gleccserek
2,15
-230 ± 120
-30 ± 15
Felszín alatti víz
0,62
-50 ± 60
-8 ± 7
Felszíni víz
0,017
-50 ± 60
-8 ± 7
Légköri pára
0,001
-150 ± 80
-20 ± 10
Jön a globális fölmelegedés☺. Ha elolvadna az összes jég, akkor mi lenne a tengervíz (óceánvíz) stabilizotópos összetétele?
Megoldás 4 • δ18Ο = [0,972×0‰ + 0,0215×(-30‰)] /(97,2+2,15)= -0,65‰ • δD = [0,972×0‰ + 0,0215×(-230‰)] /(97,2+2,15)= -4,98‰
Számítási feladat 5 • A Potomac-folyóból vett vízbıl készült az amerikai NBS-1 sztenderd, ahol az NBS-1 és a SMOW közötti kapcsolat a következı. • (18O/16O)SMOW = 1,008 (18O/16O)NBS-1 • (D/H)SMOW = 1,050 (D/H)NBS-1 • δ18ΟNBS-1 vs. SMOW = ? • δDNBS-1 vs. SMOW = ? • Rajta van a globális csapadék-vízvonalon?
Megoldás 5 18O 18O 16 = 1,008 16 O SMOW O NBS −1 18
δ
R NBS-1 ONBS-1 vs. SMOW = R SMOW − 11000 = -7,937 ‰
D D = 1,050 H SMOW H NBS −1
18O 16 O NBS −1 = 1 = RNBS −1 1,008 RSMOW 18O 16 O SMOW D H NBS −1 = 1 = RNBS −1 D 1,050 RSMOW H SMOW
R NBS-1 = − 11000 = -47,62 ‰ δDNBS-1 vs. SMOW R SMOW
δD = 8*δ18O + 10
δD = 8*(-7,937) + 10 = -53,5‰, fölötte van.
Milyen folyamatok változtathatják meg a víz stabilizotópos összetételét a víz-kızet kölcsönhatáson kívül?
