Müller-Surbeck Hidrogeológiai Labor

2014. május 21-én került sor tanszékünkön a Müller Imre és Heinz Surbeck Hidrogeológiai Laboratórium avatására, melyek a professzorok nagylelkű műszeradományainak köszönhetően jöhetett létre.

Pálfy József és Simon Szilvia felavatja a Müller-Surbeck Hidrogeológiai Laboratóriumot

A Müller-Surbeck Laboratóriumot (1.724) jelző tábla

 

A laboratóriumban található műszerek és terepi felszerelések:

  • VLF-R
  • RMT
  • AMT
  • Alfa-spektrométer
  • spektrofluoriméter
  • oldott CO2 mérő
  • WTW vezetőképesség mérő
  • YSI multielektródás terepi műszer (vezetőképesség, hőmérséklet, pH, oldott oxigén, redox potenciál)
  • dataqua logger (vízszint, vezetőképesség, hőmérséklet)
  • diver logger (vízszint, vezetőképesség, hőmérséklet)
  • bailer
  • vízszintmérő
  • Garmin GPS
  • mintavételi palackok (általános kémia, nyomelem kémia, CO2, stabil izotóp, radon, rádium, urán)

Az elektromágneses geofizikai módszerekről

Elektromágneses módszerek alkalmazása egyre elterjedtebb hidrogeológiai célú vizsgálatokban, ugyanis segítségükkel elkülöníthetők a hidrosztratigráfiai egységek elektromos vezetőképességük alapján, amely szoros összefüggésben áll a porozitással és a hidraulikus vezetőképességgel. Ilyen módszerek a rádió-magnetotellurika (RMT), audio-magnetotellurika (AMT) és alacsonyfrekvenciás ellenállás (VLF-R) mérések. Ezen eszközök kifejlesztését a svájci Centre d’Hydrogéologie et de Géothermie Neuchâtel (CHYN) intézet végezte Müller Imre és Jacques Dupperex vezetésével az utóbbi 20 évben. A műszerek teljes körű leírása és működési elvük megtalálható Pascal Turberg (1994), Wilhelm Stiefelhagen (1998) és Frank P. Bosch (2002) doktori disszertációjában, alábbiakban csak a módszerek alapjait mutatjuk be.

A VLF kutatásokról általában

Alacsonyfrekvenciás (VLF – very low frequency – 10-30 kHz) mérések segítségével gyorsan és hatékonyon térképezhetjük a felszín közeli szerkezeteket maximum 100 m mélységig. Geofizikai kutatásokban az 1960-as évektől használják vezető anyagok kimutatására: kezdetben érckutatás során hívták segítségül, hiszen a potenciális lelőhelyeknél erős anomália jelentkezik a fajlagos elektromos ellenállásban. Az alacsonyfrekvenciájú jeleket távoli katonai, navigációs és óraállító rádióadók szolgáltatják. A módszer az elektromágneses indukciós kutatások közé sorolható: a felszínen haladó elektromágneses hullám hatására örvényáramok indukálódnak a felszín közeli összletekben, létrejön egy másodlagos elektromágneses tér. A földfelszínen több országban elszórtan elhelyezkedő antennáktól kellően nagy távolságban, ha a kőzetváz homogén, akkor nincs különbség a felszín fölött és alatt terjedő hullámok között. Töredezett, pórusfluidummal telített, jól vezető test esetén a váltóáram hatására örvényáramok indukálódnak, létrejön egy másodlagos elektromágneses tér. A vevő az elsődleges (primer) és a gerjesztett (szekunder) tér eredőjét méri. Mivel a primer mező ismert, a fáziskülönbséget mérjük, így a szekunder tér is meghatározható. A kettő segítségével pedig információt kapunk a felszín alatti közeg tulajdonságairól. Pontról pontra haladva egy térbeli modellt állíthatunk fel a vezetőképességre, vagy éppen a fajlagos ellenállásra, hiszen ezek egymásnak reciprokai.

Very Low Frequency – Resistivity (VLF-R) módszer

Az alacsonyfrekvenciás műszer a térkomponensek alapján számolja ki a látszólagos fajlagos elektromos ellenállást és a két tér közötti fáziseltolást, melyek függetlenek az adó jelétől, csak a geológiai felépítés befolyásolja őket. Az eszköz a látszólagos fajlagos elektromos ellenállást méri megközelítőleg a behatolási vagy effektív mélységig, amely a jel frekvenciájától függ: alacsonyabb frekvenciával mélyebbre lehet behatolni.
Mivel a Föld felszínén a VLF adók különböző irányokban helyezkednek el, ezért ugyanazon állomáson több irányban mérve kimutathatók a közeg irányfüggő tulajdonságai (anizotrópiája), valamint a fő repedezettségi irányok. Törések, repedések megváltoztatják a kőzet elektromos tulajdonságait víztartalmuk és/vagy agyagkitöltöttségük miatt, amelyek az egyes irányokban eltérő fajlagos elektromos ellenállást és fázist eredményeznek. Minél eltérőbbek a különböző irányokban mért ellenállásértékek, annál fejlettebb, kiterjedtebb a törésrendszer. Míg 2-3 irányban mérve csak az anizotrópia jelenléte, irányítottsági trendek határozhatók meg, addig 4-6 irányban elvégzett mérésekkel a repedezettség iránya is megadható.

Rádió-magnetotellurika (RMT)

RMT műszer

A skalár RMT lényegében egy továbbfejlesztett VLF-R alacsonyfrekvenciás ellenállásmérő műszer, így működési alapelvük is megegyezik. További előnye, hogy a mérés három különböző frekvencián történik, és a rádióhullámok eltérő behatolási mélységeinek köszönhetően egy pontban három különböző mélységtartományból kapunk információt. 

A szakirodalomban számos fajlagos elektromos ellenállás – szivárgási tényező összefüggés található, melyek közül Zilahi-Sebess et al. (2007) bemutatja, hogy a fajlagos elektromos ellenállás a szivárgási tényező kétértékű függvénye, valamint taglalja a függvény logaritmikusan lineáris természetének fizikai magyarázatát is. A Müller et al. (2008) munkája nyomán készült kalibrációt felhasználva, egy log-log rendszerben lineáris összefüggés alapján a mérések során kapott fajlagosellenállás-értékekhez hidraulikus vezetőképesség-értéket rendelhetünk. Az általunk használt konvertálás empirikus összefüggésen alapul, amelyet 100 szivattyúpróbára illesztettek, ahol a fúrásokat a mért adatokra telepítették.

Audio-magnetotellurika (AMT)

AMT mérés Müller professzor vezetésével

A Föld szerkezetének széleskörűen elterjedt kutatási eszköze a magnetotellurikus módszercsalád (MT), melynek tagjaként az audio-magnetotellurika a sekélyszerkezetek vizsgálatára alkalmas. Segítségével – az alacsonyfrekvenciás ellenállásmérő eszközökhöz hasonlóan – az egyes képződmények között fellépő ellenálláskontrasztot mérhetjük a mélység függvényében. Az audio-magnetotellurika – „hagyományos” alkalmazásán túl – használható hidrogeológiai célú kutatások során is, mivel a fajlagos elektromos ellenállás függ az összlet típusától és víztartalmától, ezért ez a módszer alkalmazható a litológia meghatározására, valamint a vízvezető rétegek kijelölésére és hidrogeológiai tulajdonságainak jellemzésére.

Alfa-spektrométer

A rádium és az urán mint természetes nyomjelző segítségével a különböző áramlási pályákat tudjuk jellemezni, így részletesebb információt kaphatunk a teljes rendszert illetően is. Magasabb rádiumkoncentráció feltételezhető regionális áramlási pályákon, ahol főként reduktív körülmények uralkodnak és magasabb uránkoncentrációt várunk lokális áramlási rendszerek esetén, oxidatív viszonyok mellett. Az urán és rádium mérésekhez két speciális, úgynevezett Nucfilm diszket használunk. A diszkek anyaga polikarbonát az urán esetében és poliamid a rádium esetében, ami még egy speciális réteget (epoxi gyanta és mangán-oxid) kap, így ezeken az urán és rádium részecskék abszorbeálódni tudnak. Az alfa-spektroszkópos módszer során a diszken abszorbeálódott izotópok bomlani kezdenek, a bomlás során kiszabaduló α-részecskét egy detektorba juttatjuk, ahol az ionpárokat fog létrehozni. Ezután egy sokcsatornás analizátor segítségével számszerűsíteni tudjuk a sugárzás mértékét, így kiszámítható, mekkora koncentrációban voltak jelen az izotópok a vízben.

Alfa-spektrométer a laboratóriumban

A mérés elvégzéséhez a diszkek előkészítésére van szükség. Az urán esetében 100 ml vízminta pH-ját kell beállítani 2-3 közé, melyet 86%-os hangyasav segítségével érhetünk el. Ezután a diszket belelógatjuk a 100 ml mintába, amit folyamatos mágneses kevertetés mellett 24 órára ázni hagyunk. A 24 óra elteltével kivesszük a diszket és hagyjuk megszáradni. A száradást követően tudjuk elvégezni a mérést alfa-spektrométer segítségével.

A rádium korong esetében hasonló a helyzet, azonban itt nem kell a pH értékeket lecsökkenti, viszont ha az összes oldottanyag-tartalom 1000 mg/l felett van, EDTA-t (etilén-diamin-tetraecetsav) kell a mintához adni. Ezután kezdődhet a kevertetés és ebben az esetben csak 6 órára kell a korongot 100 ml vízben hagyni. A korong megszáradása után kezdődhet az alfa-spektroszkóppal való mérés.

A alfa-spektroszkópos mérés menete mindkét diszk esetében azonos. A korongot behelyezzük a készülékbe a detektor mellé és a Palmtop MCA nevű program segítségével elindítjuk a mérést, ami 24 óráig tart. A mérés során a detektorba jutó alfa részecskéket egy sokcsatornás analizátor kezeli. Ezután referenciakoncentrációk alapján készített képlet segítségével kiszámítjuk a mintában lévő koncentráció értékeket, amit mBq/l egységben kapunk meg.

Spektrofluoriméter

Spektrofluoriméter

A fluoreszcencia elvén működő spektrofluoriméter a benne található, megfelelően szűrt UV lámpa fénye által gerjesztett festékrészecskék másodlagos emisszióját detektálja. Ennek segítségével a vízbe juttatott mesterséges nyomjelző anyagok koncentrációját tudjuk meghatározni. Tanszékünkön jelenleg Tinopal és Fluoreszcein áll rendelkezésre a mesterséges nyomjelzéshez, melyek koncentrációinak detektálására a műszer képes. A műszer alsó mérési határa 10-9 g/ml Tinopalra. A műszer laboratóriumban és terepen is egyaránt használható.

A mesterséges nyomjelzők használata a hidrogeológiában sokrétű. Segítségükkel a felszín alatti vizek hidraulikai viszonyai könnyen térképezhetők illetve a víztartók közötti kapcsolatok felderíthetők. A nyomjelző anyag megjelenéséig eltelt idő, illetve a nyomjelzés körülményei jól jellemzik a hidrogeológiai környezetet. A felszín alatti vizek mellett felszíni vizek esetében áramlási sebesség mérésére is használhatók.

Oldott CO2 mérő

Oldott szén-dioxid mérő műszer

A vizek oldott CO2-tartalma összefüggésben áll a felszín alatti viszonyokkal. A műszer segítségével a vízben található CO2 koncentrációt mérhetjük, melyet térfogatszázalékban fejezhetünk ki. A terepen speciális légmentes küvettába történik a mintavétel. A mérés során a vízminta buborékoltatása történik, és a felszabaduló CO2 mennyiségét detektáljuk. Fontos a hőmérséklet függvényében való korrekció, ezért folyamatosan mérni kell a környezet hőmérsékletét. Az eredmények alapján az egyes vizek összehasonlíthatók, hidrogeológiai szempontú értékelést adhatunk.

WTW vezetőképesség mérő

A laboratóriumban található vezetőképesség mérő műszer a teljesen hagyományos vezetőképesség mérő műszerek közé tartozik, mely segítségével a vízben oldott ásványi anyagok fajlagos elektromos vezetőképesség-értékét tudjuk meghatározni.