Ács Péter 1, Fedor-Szász Anita 1, Papp Éva 2, Koroncz Péter 1, Fedor Ferenc 1
1 Geochem Földtani és Környezetvédelmi Kutató, Tanácsadó és Szolgáltató Kft.
2 Honorary Senior Fellow, University of Wollongong, Centre for Archaeological Research
2 The Australian National University Research School of Earth Sciences
1acs.peter@geochem-ltd.eu
Összefoglaló
A Lake George Ausztráliában, Canberrától 40 km-re északra, Új Dél Wales-ben található zárt vízgyűjtő medencéjű időszakos tó. 2015 során, egy multidiszciplináris kutatási projekt keretében végzett kutatófúrás 77 méter jó minő-ségű fúrásmagot eredményezett, melyből 17 minta került a GEOCHEM Kft. laboratóriumába részletes elemzés-re. Az előzetes eredmények alapján a He-piknometria, a fiziszorpció és a szemcseméret analízis adták a komplex értelmezéshez leginkább használható információkat. Az alkalmazott módszerek bemutatása céljából három, eltérő mélységből származó minta került kiválasztásra. Az eredmények azt mutatják, hogy bár mindhárom minta nyu-godtvízi, áramlásoktól mentes üledékes lerakódási környezetben képződött, alapvetően különböző pórusszerkezeti tulajdonságokkal bírnak, különösen a mezopórusok tartományában. Ezek a különbségek felhasználhatóak az üle-dékképződés egészen finom változásainak nyomon követésére.
Abstract
Lake George is an intermittent lake within a closed basin 40 km north of Canberra, in New South Wales, Austra-lia. A multidisciplinary research project obtained a good quality 77 meter-long sedimentary core from the lake bed during 2015. 17 clay samples from the core have been sent to and analyzed in the GEOCHEM laboratories to understand sedimentary pore structure and its changes. From several methods tried, He-pycnometry, physisor-ption and grain size analysis provided the most useful information for complex interpretation. Here the applied methodology is demonstrated, on the example of three samples selected from different depth. Although all three samples have been deposited in a calm, flow-free sedimentary environment, the pore structure of each of them is different, particularly on mesopore level. These differences allow a very high-resolution study of past sedimentary environments.
Bevezetés
Az ausztráliai Lake George Canberrától 40 km-re északra található időszakos tó, melyben 160 méteres maximum vastagságával Ausztrália legjelentősebb negyedidőszaki üledéksora található. A 70-es és 80-as években számos rész-letes tanulmány született a tó geomorfológiájáról (Coventry 1976), geológiájáról (Abell 1985), talajvíz kémiájáról (Jacobson 1991). A jelenlegi multi-diszciplináris kutatási program célja, hogy modern módszerekkel újravizsgálja és újraértékelje a korábbi eredményeket. Ennek egyik eleme a talajvíz és rétegvíz kémiai és fizikai viselkedésének pontosabb megértése, amihez az üledékek pórusszerkezetének részletes megismerése jelentős új, eddig nem vizsgált paraméter-rendszert szolgáltathat. Az eredmények komplex értelmezése folyamatban van. Jelen cikk célja az alkal-mazott módszerek bemutatása három különböző mélységből származó, kőzetfizikai tulajdonságaiban eltéréseket mutató mintán.
Módszerek
A fúrásból vett maganyagból kivágott, 5 cm élhosszúságú, kocka alakú mintatestek hűtve érkeztek a laborató-riumba. Három minta került kiválasztásra különböző mélységből GG_01 (3,80 méter) GG_06 (33,80 méter), GG_14 (69,75 méter). Kézi mintavevővel 1” (25,4 mm) és 9 mm átmérőjű hengeres minták lettek kialakítva. A
minták szárítása a mérések előtt minden esetben 12-15 napig 80°C-on légkeveréses szárítószekrényben történt.
A kialakított magminták váztérfogatának és vázsűrűségének (ρváz) meghatározása Quantachrome Pentapyc 5200e (PPY-30T) készülékkel történt 25 °C-on. A geometriai térfogat kiszámításához 11-11 független hossz és átmérő mérés eredményre volt szükség. A geometriai térfogat és a váztérfogat értékek ismeretében a hélium-porozitás (φHe), fajlagos sűrűség (ρfajlagos) és pórustérfogat (Vpórus) számítható. Az adszorpciós-deszorpciós izotermák felvétele Quan-tachrome Autosorb AS-1 készülékkel, N2 (77 K) és CO2 (273 K) gázzal történt. A mintákat szárítás után 1 napig 80°C-on vákuum alatt kigázosítottuk. N2 gáz esetén BET fajlagos felület (SBET) és pórusméret eloszlás (PSD, BJH módszer), valamint a teljes pórustérfogat (Vtot) került meghatározásra. Ez utóbbi a legmagasabb relatív nyomásér-tékhez (P/P0) tartozó térfogatból számolt paraméter. Mérések során a legnagyobb P/P0 érték 0,9941 volt, amely megfelel ~320 nm (dmax) pórusátmérőnek. CO2 gázzal végzett mérésekből Dubinin-Radushkevich módszerrel a minták mikropórus felülete (Smic) és mikropórus térfogata (Vmic) számolható. A mintákon a szemcseméret eloszlás meghatározása CILAS 1180 LD típusú, lézer diffrakció elvén működő műszerrel történt. A mintatestek kialakítása után visszamaradt törmelékből átlagmintavétel, majd desztillált vizes áztatást követően mechanikusan (kézzel, ult-rahangos kezeléssel) dezaggregálás, homogenizálás történt. A mérés előtt minden minta ultult-rahangos kezelésnek volt kitéve 120 s-ig folyamatos keverés mellett, illetve a mérés alatt is ultrahangos kezelés történt. A reprezentativitás biztosítása érdekében egy mintán min. 3 mérés volt szükséges. A mintákhoz tartozó mérések - a GEOCHEM Kft.
által fejlesztett PSDI program segítségével - átlagolást követően kerültek feldolgozásra.
Eredmények
Szárítás során a GG_01, GG_06 és GG_14 minták tömeg- (rendre 38,79%, 12,26% és 24,12%) és térfogat-veszteséget (rendre 46,28%, 4,77% és 21,79%) szenvedtek el. A He-piknometriából számított porozitásértékek nagy bizonytalansággal terheltek a minták duzzadóanyagának víztartalma miatt, mely az eredmények átgondolását igényli (1. táblázat).
1. táblázat. He-piknometria mérésből számított paraméterek
A nitrogén gázzal végzett fiziszorpciós mérések eredményéül kapott adszorpciós-deszorpciós izotermák IV-es típus-ba sorolhatók IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) osztályozás szerint. Ez a típus mezo- és mikropórusos anyagokra jellemző, habár az izotermákon magas relatív nyomásnál (P/P0>0,95) tapasztalható folya-matos növekedés makropórusok jelenlétére is utal (2. táblázat).
Minden izotermán hiszterézis figyelhető meg, a hiszterézis hurok alakja viszont eltérő (1. ábra). A GG_01 minta esetén az IUPAC szerinti H5 típushoz mutat hasonlóságot. Ez a típus elég ritka, olyan pórusszerkezetre jellemző ahol nyitott és részlegesen blokkolt mezopórusok vannak jelen (Thommes 2015). A GG_06 minta esetén a hurok nehezen kategorizálható, leginkább a H2(b) típushoz mutat hasonlóságot. A H2 típusra jellemző a komplex pó-russzerkezet és a network hatás, ezen belül H2(b) a pórustorok által okozott pórusblokkolással kapcsolatos, ahol a pórustorok átmérője széles tartományban van (Thommes 2015). Meghatározott szerkezetű anyagokkal végzett kí-sérletek szerint a deszorpciós ág a pórustorokkal összefüggésben hordoz információt, míg az adszorpciós ág a pórus
„testtel” kapcsolatos (Thommes 2010). A GG_14 minta esetén a hiszterézis hurok H3 típushoz sorolható, amely résszerű pórusokra jellemző (Condon 2006). A CO2 gázzal 0 °C-on (273 K) végzett mérések reálisabb eredményt adnak mikropórus felületre és térfogatra. Magasabb hőmérsékleten és nagyobb abszolút nyomás mellett a CO2 molekulák könnyebben hozzáférnek a mikropórusokhoz, mint a N2 molekula -196 °C-on (77 K). (Cazorla-Amo-ros 1996).
2. táblázat. Fiziszorpció mérésből számított paraméterek, *GG_06 minta esetén ~3 nm pórusátmérőnél is látható egy csúcs
1. ábra. GG_01 N2 adszorpciós-deszorpciós izotermája, b: GG_06 N2 adszorpciós-deszorpciós izotermája, c: GG_14 N2 adszorpciós-deszorpciós izotermája, d: GG_01 minta CO2 adszorpciós-deszorpciós izotermája, a másik két minta izotermája teljesen hasonló
A három mintán elvégzett szemcseméret analízis eredményét a 3. táblázat foglalja össze. Az átlagos szemcseméret a GG_01 minta esetén a legkisebb, míg a legdurvább a GG-06 minta szemcseösszetétele (2. ábra).
3. táblázat. Az átlagos szemcseméret változása a mintákon
Minta neve Xmean X10 X50 X90 Szórás (σ1) Ferdeség
(Sk1) Csúcsosság (KGI)
[µm] [µm] [µm] [µm]
GG_01_D1 9.12 1.130 5.926 21.620 1.651 0.122 0.922 GG_06_D1 11.63 1.710 8.708 25.529 1.511 0.201 0.945 GG_14_D1 9.63 1.518 7.287 21.001 1.467 0.193 0.976
A 3. ábra az egyes frakciók arányát mutatja be az üledékes kőzetek szemcseméret alapján történő, legelterjedtebben használt nevezéktana alapján (Udden, Wentworth 1922).
2. ábra. Szemcseméret eloszlás - kumulatív görbe 3. ábra. A frakciók aránya a mintákban A leggyakoribb frakció az agyag, különösen a GG-01 mintában. A Folk-Ward-féle (1957) osztályozás szerint a minták pozitív ferdeségűek és mezokurtikus csúcsosságúak. Mindhárom minta rosszul osztályozott agyagos aleurit, ahol az agyag/aleurit arány rendre 37,32/62,68; 25,54/74,46; 29,11/70,89. Az átlagos szemcseméret a minták egészére nézve 10,13 µm (3. táblázat), ami a finom aleurit tartományába esik. A Passega-féle értelmezés alapján (Passega 1957, 1964), a minták a pelágikus szuszpenzió tartományba esnek, amely nyugodtvízi, áramlásoktól men-tes üledékképződést jelöl.
Összegzés
A minták pórusszerkezetének elemzése arra enged következtetni, hogy bár szemcseösszetételében mindhárom min-ta nagy hasonlóságot mumin-tat, az üledékek lerakódása, felhalmozódása jelentősen különböző körülmények között történt. Ezek a különbségek változásokat eredményeztek a pórusszerkezetben, főleg a mezopórusok szintjén, mely különbségek kihathatnak az üledékben lejátszódó folyamatokra, különösen a felszín alatti vízmozgás és a víz-kőzet kölcsönhatás szintjén. Az előzetes eredmények alapján az várható, hogy a kidolgozott vizsgálatsor, komplex ásvány-tani értelmezés mellett, lehetővé teszi az üledékképződés egészen finom változásainak nyomon követését.
Irodalom
• Coventry R. L. 1976: Abandoned shorelines and the late Quaternary history of Lake George, New South Wales, Journal of the Geological Society of Australia, 23, pp. 249–273.
• Abell R. S. 1985: Geology of the Lake George Basin, N.S.W.Canberra, ACT: Bureau of Mineral Resources, Geology and Geophysics Record, 1985/4, pp. 1–57.
• Jacobson G., Jankowski J., Abell R. S. 1991: Groundwater and surface water interaction at Lake George, New South Wales, BMR Journal of Australian Geology & Geophysics, 12, pp. 161–190.
• Thommes M., Kaneko K., Neimark A. V., Olivier J. P., Rodriguez-Reinoso F., Rouquerol J., Sing K. S.
W. 2015: Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report), Pure Appl. Chem., 85, pp. 1051–1069.
• Thommes M. 2010: Physical adsorption characterization of nanoporous materials, Chemie Ingenieur Technik, 82, pp. 1059–1071.
• Condon J. B. 2006: Surface area and porosity determinations by physisorption. Elsevier, pp. 6–14.
• Cazorla-Amoros D., Alcaniz-Monje J., Linares-Solano A. 1996: Characterization of Activated Carbon Fibers by CO2 Adsorption, Langmuir, 12, pp. 2820–2824.
• Wentworth C. K. 1922: A scale of grade and class terms for clastic sediments. Journal of Geology, 30, pp.
377–394.
• Udden J. A. 1914: Mechanical composition of clastic sediments. Geological Society of America Bulletin, 25, pp. 655–744.
• Folk R. L. and Ward W. C. 1957: Brazos River bar: A study in the significance of grain size parameters.
Journal of Sedimentary Petrology, 27, pp. 3–26.
• Passega R. 1957: Texture as a characteristic of clastic deposition AAPG Bull., 41. pp. 65–77.
• Passega R. 1964: Grain size representation by CM patterns as a geologycal tool, J. Sed. Petrology, 34, pp.
830–847.