Földtani ismeretek

1. Földtani ismeretek 12. témakör: Talajtani és mérnökgeológiai fogalmak Előadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

2. Témavázlat • Talajtani alapismeretek • A talaj alkotórészei • A talaj termékenysége • A talajképződés tényezői • A mérnökgeológia alapfogalmak • Mérnök petrográfia (mint anyag): szilárd kőzetek, átmeneti kőzetek, laza és kötött üledékek, különleges képződmények • Geodinamika (mint folyamat): belső erők, és külső erők által kiváltott jelenségek, emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok

3. Talajtani alapismeretek A talaj fogalma: • Talajtani értelemben: a Föld szilárd kérgének legkülső része, amely a növények termőhelyéül szolgál és megkülönböztető jellemzője a termékenysége (A,B,C szintek, közülük az A=termőtalaj). • Földtani értelemben: a Föld legkülső szilárd része, amely a környezeti tényezők hatására és a talajképződési folyamatok kölcsönhatásának eredményeképpen jön létre (helyben maradt mállástermék). A talaj a kőzettől úgy határolható el, hogy a talaj ott végződik, ahol a kőzettel a növényi és állati szervezetek kölcsönhatása megszűnik. • Mérnökgeológiai értelemben: a létesítmény (műtárgy) környezetében lévő kőzetanyag megnevezése. A talaj heterogén, többkomponensű, diszperz rendszer, amelynek tulajdonságai a környezettel (és a létesítménnyel is) való kölcsönhatás függvényében térben és időben változnak. A szárazföld területének kb. 64 %-t borítja talaj. Vastagsága változik belső folyamatok (humuszosodás, mállási kilúgozódás) és külső folyamatok (akkumuláció, erózió) hatására.

4. Atalaj alkotórészei A talaj háromfázisú (szilárd, folyékony, gáz) rendszer: • Szerves (élő és élettelen) szilárd fázis, melyek közül a legfontosabb a humusz (40-60% C, 32–48% O, + N, H, P, S). • Humusz frakciók: humuszsavak és huminok • A humuszképződés: a talajban a szerves-anyag lebomlásnak indul (ez a mineralizáció folyamata)  egyszerűbb szerves anyagok + H2O, CO2, kationok és anionok keletkeznek. A folyamatot (a humuszosodást) befolyásolja a talaj kémhatása, nedvességtartalma és hőmérséklete. • A humusz környezetvédelmi szerepe: adszorpciós és puffer-képesség (kation megkötése) pl. Ca, de fémek és toxikus elemek is!

5. Atalaj alkotórészei Szervetlen szilárd fázis szulfidok: pl. pirit, melynek nagy szerepe van a talajok elsavanyosodásában: FeS2+O2Fe2O3+H2SO4 kvarc: a vázszemcsék zömét alkotja, de lehet allochton, cementáló anyag is (pl. kalcedon) aluminium-oxidok: több ásvány mállási terméke, erősen mállott trópusi és szubtrópusi területeken. A talajban beépül az agyagásvány-rácsokban, önálló ásványként akkor keletkezik, ha az előbbire már nincs lehetőség. vas-oxidok, hidroxidok (magnetit, hematit, goethit). A nagyobb oxidációs fokú ásványok a trópusi és szubtrópusi övezet talajaira jellemző. A goethit/hematit arány a hőmérséklet és az átlagos csapadék függvényében földrajzi zónákra specifikus. Az arány nő a hőmérséklet csökkenésével, a csapadék növekedésével + fokozott vízhatás, szervesanyag-tartalom és csökkenő pH. mangán-oxidok (piroluzit) a savanyú kémhatású vízben, reduktív viszonyok között oldatban van, melynek megváltozása az ásványok kiválásához vezet.

6. Atalaj alkotórészei szilikátsáványok: a rétegszilikátoknak (csillámok és agyagásványok) és a térhálós szilikátoknak van nagy szerepe. csillámok: muszkovit és biotit. A muszkovit ellenálóbb, mint a biotit, de savanyú közegben jobban mállik. agyagásványok (vermikulit=szmektit, szericit=illit, bentonit=montmorillonit) földpátok: a kioldott Na, szikesedéshez vezet, a K-földúsulás termőképesség növekedéshez (makrotápanyag). foszfátok: a leggyakoribb az apatit, mely könnyen mállik, az ionkoncentráció, a kémhatás, a redox viszonyok és a biológiai aktivitás függvényében. szulfátok: gipsz, mely főleg az arid területek talajaiban jellemző ásvány. A savanyú talajokban elterjedt, de lehet a kalcitból is/szikes területeken is. karbonátok: elsődleges (homogén) és másodlagos (biogén) eredetű karbonát ásványok: kalcit, dolomit, ritkán aragonit.

7. Atalajok termékenysége Meghatározás: a talaj ellátja a megtelepült növényzetet a megfelelő időben vízzel és tápanyaggal. Tápanyag = makroelemek (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe)+ mikroelemek (Mn, Cn, Zn, Mo) Termékenységet gátló tényezők: • nagy homoktartalom (rossz vízháztartás, erózióérzékenység, csekély tápanyag) • savanyú kémhatás (az anyagcsere folyamatok gátlása, mérgező vegyületek megjelenése, mikrobiális tevékenység csökkenése) • szikesedés: lúgos kémhatás káros a növények életműködésére, kis vízvezető- és erős víztartó-képesség  kis hasznos víztartalom, duzzadás, zsugorodás. • nagy agyagtartalom: kedvezőtlen vízgazdálkodás, nehéz művelhetőség, gyenge tápanyag feltáródás • láposodás, mocsarasodás: levegőtlenség, redukciós viszonyok • erózió: talajszintek lepusztulása • felszín-közeli tömör kőzet: a gyökerek nem tudnak a talajba behatolni, kedvezőtlen vízgazdálkodás, kis tápanyag készlet.

8. A talajképződés tényezői földtani (alapkőzet, mállás, szállítódás, felhalmozódás, talaj) A talaj a kőzettől úgy határolható el, hogy a talaj ott végződik, ahol a kőzettel a növényi és állati szervezetek kölcsönhatása megszűnik. A kőzet hatása a talajképződésre: • a talajképződés, sebessége függ a kőzet tömörségétől (pl.: tömör kőzeten 30–70 cm, löszön 200 cm) • a talajminősége függ az eredeti kőzettől (pl.: tömör szerves kőzeten – redzina; laza szerves kőzeten – humuszkarbonát; bazalton, andeziten – eurobáz talaj alakul ki). • a talajok termékenysége függ a kőzetek ásványainak kémiai összetételétől, szemcseösszetételétől, porozitásától

9. A talajképződés tényezői éghajlat (hőmérséklet, csapadék, szélviszonyokhőgazdálkodás, vízgazdálkodás, anyagforgalom, erózió) tundra: hosszú tél, rövid, hideg nyár, mohák és zuzmók tundra talaj tajga: hideg tél, esős nyár, fenyves podzol talaj réti sztyepp: hideg tél, meleg nyár, fátlan, füves mezőség déli csernozjom sivatag: éghajlat forró, csapadékmentes, növényzet nincs váztalaj nedves trópus: meleg, száraz tél, forró erősen esős nyár, fás ligetek, füvek sárga földek, lateritek trópusi erdők: meleg (forró) és igen csapadékos, egyenlítői őserdők podzolos vörösföldek

10. A talajképződés tényezői növényzet (a humusz alapanyaga + baktériumok szerepe) • Baktériumok szerepe: tápanyagforgalom – nitrogénforgalom, • cellulóz lebontás: aerob környezetben: a cellulóz luzim hatására  cellobioz  glükóz  CO2+H2Oanaerob környezetben: cellulóz  glükóz  szerves savak (pl. ecet, tejsav)  H2+CH4 • A mikroorganizmusok összetétele függ a környezet pH-jától és hőmérsékletétől is! domborzat (lejtőkitettség + meredekség) • A domborzatnak újraelosztó szerepe van a napenergia + a csapadék beszivárgás és lefolyás tekintetében. A napenergia esetében meghatározó a lejtő kitettsége. A meredeksége az erózió miatt fontos. idő (néhány évtől tízezerig)

11. Az emberi tevékenység hatása a talajra A talaj termőképességének növelése, megőrzése vagy annak pusztulása végbemegy az ember közvetett vagy közvetlen ráhatásával. • Közvetett hatás: az atmoszférán, a hidroszférán, a litoszférán és a bioszférán történő beavatkozás kapcsán. • Közvetlen hatás: • a művelt területek csökkentése a terület más irányú hasznosításával • a talaj degradációjával (erózió, defláció, szikesedés, savanyodás, talajszennyezés, fizikai degradáció)

12. Mérnökgeológiai alapfogalmak Általános (elemző) földtan: az emberi létesítményektől független természeti tényezőkkel foglalkozik Műszaki földtan – mérnökgeológia – geotechnika: az emberi létesítmény és a természeti környezet kettőségét vizsgálja Létesítmény: mesterségesen kialakított tömeghiány (bevágás, üreg), tömegtöbblet (töltés, depó) vagy ezek kombinációja (település, lakótelep). Fajtájuk (pl. vonalas létesítmények, lakótelepek), fontosságuk (panelház, bicikli út) és a kapcsolódó feladatok összetettsége (völgyzárógát, híd) alapján csoportokba oszthatóak. Időbeliségük (az emberi beavatkozás sorrendisége) alapján: tervezés, kivitelezés, fenntartás, megszüntetés, rekultiváció. Természeti környezet: A földkéreg szűk, általában a létesítmények dimenziójával azonos nagyságrendű tartománya.

13. A mérnökgeológia vizsgálatok tárgya • Mérnök petrográfia (mint anyag): szilárd kőzetek, átmeneti kőzetek, laza és kötött üledékek, különleges képződmények • Geodinamika (mint folyamat): belső erők, és külső erők által kiváltott jelenségek, emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok

14. Mérnök petrográfia A mérnökgeológiai kőzetmodell elemei, lehatárolásuk és jellemzésük (a kisebb egységektől a nagyobbak felé): • kőzetalkotók (ásványok, amorf alkotórészek, pórusok, rések) • kőzet- vagy talajtömbök (homogén, tagolatlan és izotróp) • szálban álló kőzetek: • kőzettest (homogén, anizotróp, általában tagolt) • kőzettömeg • földtani formáció (heterogén, anizotróp, tagolt)

15. Fontosabb kőzetminősítő vizsgálatok Szilárd, összeálló kőzetek: nyomószilárdság (légszáraz, vízzel telített, kiszárított és fagyasztás után), kőzet-mállottsági fokozat, vízfelvétel, fagyállóság, stb. Laza kőzetek: * kőzetosztályozás, azonosítás céljára: szemcseeloszlás (háromszög diagram, egyenlőtlenségi együttható, hatékony szemcseátmérő), képlékenységi határok: WF, Wp, Ip (Ip=1–7 homokliszt, 7–15 iszap, 15–25 sovány agyag,  25 kövér agyag), fajsúly * fontosabb állapotjellemzők: víztartalom, relatív konzisztencia index (Ic1 száraz Ic1 nedves, porozitás, relatív tömörség, relatív nedvesség * tervezéseknél alapul szolgáló fizikai jellemzők: térfogatsúly -  (terhelések számításánál), vízáteresztő-képesség - k (cm/sec), egyirányú és háromirányú nyomás, illetve nyírószilárdság vizsgálatnál f, c, ny (szabad rézsűk egyensúly vizsgálata, földnyomás, teherbírás)

16. Mérnökgeológiai folyamatok Az építmények állékonyságát befolyásoló földtani folyamatok, kiváltó okok szerint: • Belső és külső földtani folyamatok • Emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok

17. Belső és külső földtani folyamatok Belső földtani erőműködés hatása • Lassú süllyedés, emelkedés, törések menti elmozdulás • Földrengésveszély Külső földtani erők hatása • Felszínmozgások (omlás, rogyás, suvadás, kúszás, csúszás, sár- és kőfolyás) • Eróziós-deflációs folyamatok • Térfogatváltozó agyag • Szerves talajok és feltöltések • Lösz, roskadás • Építőkövek mállása • Agresszív talajvíz Az emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok: • A domborzat exkavációja (fejtése) • Domborzat állékonyságának deformálása (veszélyeztetése) • Mesterséges feltöltés • Domborzat beépítése

18. A magyarországi felszínmozgások főbb típusai

19. Lejtők állékonyságának javítása