Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00435 007405 12237684 na godz. na dobę w sumie
Pochodzenie węgla nieorganicznego w wodach podziemnych strefy hipergenezy w warunkach naturalnych - ebook/pdf
Pochodzenie węgla nieorganicznego w wodach podziemnych strefy hipergenezy w warunkach naturalnych - ebook/pdf
Autor: Liczba stron:
Wydawca: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-235-2419-9 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> naukowe i akademickie >> geologia i geografia
Porównaj ceny (książka, ebook, audiobook).

W monografii przedstawiono metodę określenia genezy węgla nieorganicznego w wodach podziemnych strefy hipergenezy oraz ilościowego oszacowania jego udziału w zależności od źródła pochodzenia. Badania prowadzono na dwóch poligonach – w środowisku naturalnym (torfowisko) i przekształconym antropogenicznie (nieczynne składowisko odpadów komunalnych). Wykazano, że przedstawiona procedura badawcza do określenia pochodzenia węgla w wodach podziemnych ma charakter uniwersalny i może być stosowana w różnych środowiskach hydrogeochemicznych.

Publikacja adresowana jest głównie do hydrogeologów oraz przyrodników zajmujących się badaniami izotopowymi węgla w środowisku wodnym. Rozdziały wprowadzające w omawianą tematykę pozwalają na korzystanie z książki studentom oraz wszystkim czytelnikom pasjonującym się naukami przyrodniczymi.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

1. WSTĘP I CEL BADAŃ Określenie genezy węgla w wodach podziemnych strefy hipergenezy wymaga identyfikacji źródeł węgla, które oddziałują na wody podziemne. Zagadnienie to jest ciekawe i jednocześnie skomplikowane, ponieważ węgiel jest pierwiastkiem wszechobecnym w przyrodzie, gdzie podlega ciągłej wymianie pomiędzy litosferą, atmosferą, oceanem i biosferą. Wyjątkowość tego pierwiastka wynika z faktu, iż węgiel, zaraz po wodorze, helu i tlenie, jest najczęściej występującym pierwiast- kiem we wszechświecie, posiada odmiany alotropowe i tworzy więcej związków niż inne pierwiastki chemiczne. Powszechnie znany jest w czystej postaci jako dia- ment i grafit, a od niedawna (od 1985 r.) również jako fuleren. Występuje w po- staci związków chemicznych nieorganicznych (np. węglany, węgliki, tlenki) oraz organicznych (białka, tłuszcze, cukry, węglowodory, alkohole, estry itp.). Najwięk- sze ilości węgla nieorganicznego występują w skałach węglanowych (wapieniach i dolomitach) oraz w postaci dwutlenku węgla, natomiast znaczne ilości węgla organicznego znajdują się w paliwach kopalnych (gaz ziemny, ropa naftowa, torf, węgiel brunatny i kamienny). Najprostszą, a zarazem dobrze znaną formą węgla organicznego jest metan, zawierający w swojej strukturze atom węgla i atomy wodoru. W warunkach natu- ralnych gaz ten powstaje w wyniku przekształcenia substancji organicznej w śro- dowisku pozbawionym tlenu (np. Whiticar i in., 1986; Hornibrook i in., 2000a, b). Wydziela się w kopalniach węgla kamiennego, skąd zyskał nazwę gazu kopal- nianego. Znajduje się również w strukturach bogatych w związki organiczne or- dowicko-sylurskich łupków, określony mianem gazu z łupków. Tworzy złoża lub powstaje współcześnie w warunkach redukcyjnych, czego przykładem jest metan biogeniczny towarzyszący złożom torfów, w języku potocznym nazywany gazem błotnym. W obszarach torfowisk i podmokłości metan jest powszechnie wystę- pującym gazem, a strefa maksymalnej jego produkcji znajduje się kilka (lokalnie kilkanaście) centymetrów poniżej zwierciadła wody (Sundh i in., 1994; Clymo, Pearce, 1995). Dostęp tlenu lub związków chemicznych o właściwościach utlenia- jących skutkuje powstawaniem dwutlenku węgla (Barker, Fritz, 1981; Valentine, 2002). Dwutlenek węgla występujący w formie gazowej w kontakcie z wodą ulega rozpuszczeniu do wolnego dwutlenku węgla, jonu wodorowęglanowego i jonu wę- glanowego (w zależności od odczynu środowiska) (Fetter, 1994). Po osiągnięciu stanu przesycenia roztworu następuje wytrącanie faz mineralnych, np. kalcytu, sy- derytu lub innych minerałów węglanowych. Metan może mieć także pochodzenie antropogeniczne. Jest składnikiem bio- gazu, potocznie nazywanego gazem wysypiskowym, który powstaje w wyniku oddziaływania szeregu czynników naturalnych na biomasę organiczną zdepo- nowaną w składowisku odpadów komunalnych. W zależności od naturalnych warunków, właściwości zdeponowanych odpadów oraz wieku składowiska, bio- gaz podczas fazy metanogenezy w znaczącej ilości zawiera gazowy metan i dwu- 8 1. Wstęp i cel badań tlenek węgla (np. Farquhar, Rovers, 1973; Rees, 1980; Bogner, Spokas, 1993; Walsh i in., 1993; Börjesson, Svensson, 1997; Boltze, de Freitas, 1997; Kjeldsen i in., 2002; Bogner, Matthews, 2003; Hedge i in., 2003). Powstały w składowi- sku metan może ulatniać się do atmosfery lub migrować w środowisku grunto- wo-wodnym (Ward i in., 1996; Christophersen, Kjeldsen, 2000b, 2001; Nastev i in., 2001; Aelion i in., 2009), gdzie przy dostępności tlenu ulega utlenieniu (np. Whalen i in., 1990; Börjesson, Svensson, 1997; Chanton i in., 1999, 2008; Christophersen, Kjeldsen, 2000a; Börjesson i in., 2001, 2007; Christophersen i in., 2001; Grossman i in., 2002; Watzinger i in., 2005; Abichou i in., 2006; Ma- hieu i in., 2008; Rachor i in., 2011), a następnie rozpuszczeniu, analogicznie jak gaz powstający w torfowisku. Zawartość związków węgla w wodach podziemnych w warunkach naturalnego i antropogenicznego występowania może być podobna. Analizując ilość rozpusz- czonego węgla występującego w postaci nieorganicznej (DIC) i organicznej (DOC) nie ma możliwości określenia źródła jego pochodzenia. Sposobem umożliwiają- cym rozróżnienie pochodzenia węgla w wodach podziemnych jest interpretacja oparta na analizie składu izotopowego węgla (δ13CDIC) w wodach oraz składu izoto- powego węgla pochodzącego z poszczególnych źródeł. Należy mieć na uwadze, że węgiel w wodach podziemnych ma zazwyczaj złożoną genezę i pochodzi jednocze- śnie z kilku źródeł. Oprócz wspomnianej genezy organicznej, węgiel stwierdzany w wodach podziemnych może pochodzić z rozpuszczania minerałów i skał wę- glanowych (bądź ich okruchów, w przypadku utworów sypkich), z rozpuszczania gazowego dwutlenku węgla dyfundującego z atmosfery lub pochodzącego z oddy- chania glebowego w zasięgu strefy korzeniowej oraz, w niewielkim stopniu, z in- filtracji wód opadowych (np. Walsh i in., 1993; Wachniew, Różański, 1997; Aucour i in., 1999; Hellings i in., 2000; Lee, Krothe, 2001; Palmer i in., 2001; Zimnoch i in., 2004; Kortelainen, Karhu, 2006; Dobrzyński, 2008; Porowska, 2015a). Udział każdego ze źródeł w ogólnej puli węgla w wodach podziemnych oszacować moż- na na podstawie analizy, której podstawą są oznaczenia ich składu izotopowego. Możliwość określenia genezy węgla w wodach podziemnych na podstawie ozna- czeń izotopowych wynika z faktu znacznego zróżnicowania wartości δ13C z po- szczególnych źródeł. Osady węglanowe powstałe w środowisku słodkowodnym wykazują wartości δ13C od ‒15 do +1‰, lecz zazwyczaj są one ujemne (Cerling, 1984; Clark, Fritz, 1997). Węglany pochodzące ze środowiska morskiego osiąga- ją wartości δ13C oscylujące wokół 0‰ (Fritz, Fontes (red.), 1986; Clark, Fritz, 1997). Atmosferyczny dwutlenek węgla wykazuje wartości δ13C około ‒8‰ (Mook (red.), 2001), podczas gdy skład węgla rozpuszczonego w wodach opadowych osiąga od około ‒9,1‰ (przy odczynie około 5, gdy główną formą występowania węgla jest wolny CO2) do około 0‰ (pH zbliżone do 7, gdy węgiel występuje w formie jonu wodorowęglanowego). Skład izotopowy węgla w dwutlenku węgla pochodzącym z oddychania korzeniowego osiąga wartość δ13C około ‒23‰ (Fritz i in., 1985; Clark, Fritz, 1997). Na zbliżonym poziomie kształtuje się wartość δ13C glebowego CO2. Z tego powodu węgiel pochodzący z obu źródeł często rozpatry- wany jest wspólnie jako biogeniczny CO2. Przebieg biodegradacji w warunkach tlenowych powoduje, że δ13CCO2 wykazuje wartości zbliżone do składu izoto- 1. Wstęp i cel badań 9 powego substancji organicznej (Walsh i in., 1993; Bogner i in., 1996; Wimmer i in., 2013). W środowiskach beztlenowych, gdzie rozkład substancji organicznej następuje w wyniku metanogenezy (np. w składowisku odpadów), powstaje izo- topowo lekki metan (o niskich, ujemnych wartościach; δ13CCH4 wynosi od ‒65 do ‒47‰; Whiticar i in., 1986; Grossman i in., 1989; Coleman i in., 1993; Hackley i in., 1996; van Breukelen, 2003; North i in., 2004) i izotopowo ciężki dwutle- nek węgla (o dodatnich wartościach δ13CCO2 sięgających nawet +20‰; Hackley i in., 1996), co wynika ze znacznego frakcjonowania izotopowego podczas procesu metanogenezy (Baedecker, Cozzarelli, 1992). Rozpuszczanie izotopowo ciężkiego dwutlenku węgla sprawia, że skład izotopowy odcieków powstających w składo- wiskach odpadów charakteryzuje się wartościami dodatnimi, sięgającymi nawet +38‰ (Grossman, 1997). W wodach podziemnych wykazujących zanieczyszcze- nie odciekami stwierdzane są pośrednie wartości δ13CDIC pomiędzy wodami znaj- dującymi poza strefą oddziaływania składowiska a odciekami. W zależności od ilo- ściowego udziału węgla z poszczególnych źródeł, wody podziemne w warunkach naturalnych osiągają wartość δ13CDIC około ‒15‰ (Clark, Fritz, 1997), natomiast w strefie oddziaływania składowiska wartości te są wyższe, przekraczają nawet +10‰ (Cozzarelli i in., 2000, 2011; Grossman i in., 2002; van Breukelen, 2003). Biorąc pod uwagę możliwość szczegółowego określenia wpływu substan- cji organicznej o różnej genezie (oraz innych źródeł węgla) na zawartość i skład izotopowy węgla w wodach podziemnych (i możliwość ilościowego oszacowania udziału poszczególnych źródeł), zaplanowano i wykonano badania na dwóch po- ligonach. Podstawą wyboru poligonów badawczych było występowanie (w po- dobnych warunkach klimatycznych i hydrogeologicznych) substancji organicznej różniącej się genezą. Poligon Pożary, który położony jest w zasięgu torfowiska, stanowi przykład oddziaływania substancji organicznej pochodzenia naturalnego na chemizm i skład izotopowy węgla w wodach podziemnych strefy hipergene- zy. Poligon Otwock zlokalizowany jest w sąsiedztwie nieczynnego składowiska odpadów; prowadzone tam badania odzwierciedlają wpływ substancji organicznej pochodzenia antropogenicznego na zawartość i skład izotopowy węgla w wodach podziemnych płytkiego krążenia. Podobne warunki geologiczne (utwory klastyczne w dolinie Wisły) i hydrogeo- logiczne (płytko występujące wody podziemne strefy hipergenezy) na badanych poligonach przyczyniły się do podobieństw pod względem ilościowym poszczegól- nych form węgla nieorganicznego w wodach podziemnych. Przy odczynie pH oscy- lującym wokół obojętnego, główną formą węgla był jon wodorowęglanowy, którego zawartość sięgała od kilkudziesięciu do kilkuset mg/dm3 w wodach podziemnych na obu poligonach. Wolny dwutlenek węgla osiągał wartości znacznie niższe, się- gające od kilku do kilkunastu mg/dm3. Jednak w przypadku oznaczeń izotopowych węgla stwierdzono znaczące różnice. W Pożarach oraz w warunkach naturalnych w Otwocku wartości δ13CDIC w wodach podziemnych były ujemne i mieściły się odpowiednio w zakresach od ‒24,7 do ‒17,2‰ i od ‒20,7 do ‒12,4‰, podczas gdy w strefie oddziaływania składowiska były one wyraźnie wyższe, lokalnie do- datnie, sięgały od ‒10,9 do +3,6‰. Stwierdzone zróżnicowanie składu izotopo- wego węgla stanowiło podstawę do dalszych badań zmierzających do identyfikacji 10 1. Wstęp i cel badań źródeł węgla i jego udziału w badanych wodach. W przypadku obu poligonów roz- patrywano dyfuzję dwutlenku węgla z atmosfery, rozkład substancji organicznej naturalnie nagromadzonej w utworach warstwy wodonośnej, rozpuszczanie (lub wytrącanie) minerałów węglanowych występujących w warstwie wodonośnej oraz biodegradację substancji organicznej pochodzenia antropogenicznego (zdepono- wanej w składowisku jako odpad). Celem badań było stworzenie procedur identyfikacji źródeł pochodzenia węgla pod kątem określenia jego genezy w wodach podziemnych strefy hi- pergenezy w środowisku naturalnego i antropogenicznego występowania sub- stancji organicznej oraz ilościowe oszacowanie udziału poszczególnych źródeł w składzie izotopowym węgla w wodach podziemnych tych środowisk hydro- geochemicznych. Istotne znaczenie poznawcze miała również ocena wpływu substancji organicznej naturalnego i antropogenicznego pochodzenia na za- wartość i skład izotopowy węgla nieorganicznego w wodach podziemnych. Nowym aspektem pracy jest zastosowanie metody Keelinga i modelu mieszania do określenia genezy węgla wraz z ilościowym oszacowaniem jego udziału z różnych źródeł, ze szczególnym uwzględnieniem faktu, że jednym z tych źródeł jest substan- cja organiczna, która powstała w wyniku antropogenicznego składowania odpadów komunalnych. Analizy parametrów fizykochemicznych wód podziemnych i składu litologicznego profilu skalnego, zastosowane do określenia genezy węgla w bada- nych środowiskach, mają charakter badań podstawowych, jednak wykorzystanie ich w przyjętej interpretacji razem z badaniami składu izotopowego węgla, a także z ba- daniami fazy gazowej w strefie aeracji i w składowisku, stwarza nowe możliwości poznawcze, które pozwalają nie tylko na określenie genezy węgla w wodach bada- nych poligonów, lecz służą również oszacowaniu ich ilościowego udziału w ogólnej puli węgla. Ma to z kolei duże znaczenie w zrozumieniu intensywności procesów hydrogeochemicznych w środowiskach występowania substancji organicznej. Nowym ujęciem wykorzystanym w pracy jest zastosowanie modeli hydro- chemicznych z użyciem oznaczeń izotopowych węgla do oceny zmiany składu izotopowego węgla podczas rozpuszczania węglanów w warstwie wodonośnej (na poligonie w Pożarach i w strefie poza zasięgiem oddziaływania składowiska w Otwocku) oraz do oceny zmiany składu izotopowego węgla podczas wytrącania się minerałów węglanowych oraz do oceny wielkości wzbogacenia izotopowego towarzyszącego temu procesowi (w zanieczyszczonej strefie w Otwocku). Modele te, łącznie z interpretacją wskaźników nasycenia względem minerałów węglano- wych, pozwoliły na weryfikację udziału węglanów, jako jednego ze źródeł węgla w badanych wodach podziemnych. Nowością stworzonej interpretacji opartej na oznaczeniach izotopowych węgla jest wykazanie możliwości zastosowania jej do celów praktycznych, na przykład do oceny lokalnych warunków krążenia wód podziemnych, do oceny aktywności składo- wiska odpadów oraz wyznaczenia zasięgu jego oddziaływania na wody podziemne. Metoda bazująca na interpretacji wyników badań izotopowych węgla może być wykorzystana do wyznaczenia stref zanieczyszczonych nie tylko wokół składowisk odpadów, ale także innych ognisk zanieczyszczeń, powodujących zmiany w natu- ralnym składzie izotopowym węgla w wodach podziemnych.
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Pochodzenie węgla nieorganicznego w wodach podziemnych strefy hipergenezy w warunkach naturalnych
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: