Časopis Quark
https://www.quark.sk

Izotopy zachraňujú unikát

V súčasnosti, keď sa rýchlo pribúdajúce obyvateľstvo vo svetovom meradle väčšmi koncentruje v čoraz väčších aglomeráciách, sa dostatok pitnej vody stáva limitujúcim faktorom udržateľného rozvoja spoločnosti.

Slovensko patrí medzi šťastné krajiny s hojnými zásobami pitnej vody. Podstatná časť obyvateľstva je zásobovaná kvalitnou podzemnou vodou. Pestré príbehy, ktoré píše voda počas svojho obehu pod zemou – preto podzemná voda –, ostávajú pred očami človeka ukryté. Voda vstupuje do podzemia obvykle skrytým spôsobom, jej hlavný zdroj predstavujú také obyčajné veci ako sneh a dážď či prestupy vody z riek do okolitého prostredia. Zjavný vstup vody do podzemia (ponor) je dosť zriedkavý. Jej výstup na povrch býva často zjavný (pramene), ba až spektakulárny (gejzíry). Vo vhodnom horninovom prostredí občas podzemná voda zanecháva obdivuhodné stopy – jaskyne.

Osudy vody

Pre človeka je výhodné, ba priam nutné, aby zdroje podzemnej vody chránil. Preto musí poznávať osud podzemnej vody od miesta infiltrácie cez cesty jej obehu po výver. Na tento účel sa postupne vyvinuli vhodné nástroje – vedomostné i technické. Jedným z nich je izotopová geológia. V oblasti hydrogeológie sa zaoberá najmä distribúciou tzv. environmentálnych izotopov (stabilné izotopy ľahkých prvkov vodík, uhlík, dusík, kyslík, síra) v geologickom prostredí. Poznatky o izotopovom zložení vodíka a kyslíka, ktoré sú základnou zložkou vodnej molekuly, nesú v podstate ako jediný nástroj záznam o histórii vody počas celého hydrologického cyklu – od vody oceánu cez pary, vodu zrážok, podzemnú až povrchovú vodu. Na základe poznatkov o izotopovom zložení ďalších prvkov sa získavajú tiež špecifické informácie o látkach rozpustených vo vode. Už pri vstupe do podzemia – infiltrácii – reaguje zrážková voda najprv s pôdou a pri ďalšom postupe pod povrch s horninami. Takto sa voda reakciou s horninovým prostredím obohacuje o rôzne látky. Nemalú úlohu hrajú plyny prítomné vo vode i okolitom prostredí (pôdny vzduch, CO2 a podobne), Jednu z významných vo vode rozpustených zložiek predstavujú sírany. Ak vieme identifikovať príslušné zdroje síry, vieme lepšie popísať cesty obehu podzemnej vody.

Krasová vyvieračka Buzgó vyvádza na povrch vody hydrologického systému Krásnohorskej jaskyne.

Frakcionácia

Izotopy sú atómy jedného prvku s rozdielnym počtom neutrónov v jadre. Izotopy sa delia na rádioaktívne, teda tie, ktorých jadrá sa samovoľne rozpadajú, a stabilné, pri ktorých nie je možné identifikovať rozpad. Izotopy si zachovávajú chemické charakteristiky daného prvku (počet protónov a počet elektrónov je identický), v dôsledku rôznej hmotnosti (pretože majú v jadre rozdielny počet neutrónov) sa však mierne líšia vo svojich fyzikálno-chemických vlastnostiach. To spôsobuje, že izotopy sa pri reakciách alebo procesoch (napr. chemické a red-ox reakcie, výpar a kondenzácia a iné) rozdeľujú, pričom izotopy s väčšou hmotnosťou prednostne vstupujú do zlúčenín s energeticky náročnejšími väzbami.

Do hlavného podzemného toku Krásnohorskej jaskyne sa v Abonyiho dóme vlieva malý pravostranný prítok.

Takto bude väčšie zastúpenie ťažkých izotopov (2H, 18O) vo vode ako vo vznikajúcej pare, tá je – naopak – bohatšia na ľahšie izotopy (1H, 16O). Toto rozdeľovanie izotopov sa nazýva frakcionácia. Frakcionácia je tým väčšia, čím sú väčšie hmotnostné rozdiely medzi jednotlivými izotopmi: deutérium 2H s jedným neutrónom v jadre je dvakrát ťažšie ako prócium 1H. Pomer hmotností pri najrozšírenejších izotopoch kyslíka je 18/16. Vzhľadom na relatívnu početnosť jednotlivých izotopov sú však tieto rozdiely veľmi malé, napríklad 1H predstavuje 99,984 4, 2H 0,015 6 hmotnostných percent vodíka. Pri kyslíku sú tri stabilné izotopy na Zemi zastúpené takto: 18O predstavuje 99,763 %, 16O 0,199 5 % a 17O 0,037 5 %. Podobne pri síre dominuje izotop 34S s 95,02 %, druhý najrozšírenejší je 32S so 4,21 %, zvyšok tvoria izotopy 33S (0,75 %), 36S (0,017 %) a rádioaktívny izotop 35S. Izotopové zloženie vzoriek sa nemeria priamo. Pri meraní sa vzorky porovnávajú so zložením štandardov, t. j. reprezentatívnych vzoriek. Vedcov zaujímajú práve tieto rozdiely. Tie sa zapisujú v tzv. δ-notácii v promile (‰). Vzorka s rovnakým pomerom izotopov ako štandard má príslušné δ = 0 ‰, s vyšším podielom ťažkých izotopov sa δ vzorky posúva ku kladným hodnotám, s nižším k záporným. Ak poznáme zákonitosti distribúcie izotopov a zároveň sme schopní minimálne rozdiely v rôznych typoch vzoriek presne merať, vznikajú predpoklady na praktické využitie poznatkov o izotopovom zložení v celej škále prírodných i spoločenských vied, v medicíne, forenznej praxi, ale aj v potravinárstve a colnej správe.

Schematický rez krasom

Hojnosť síry

Síra patrí medzi najväčšmi zastúpené prvky na Zemi. Geochemické vlastnosti síry podmieňujú jej prítomnosť v rôznych prostrediach. Je dôležitým biogénnym prvkom, významne je zastúpená v morskej vode a v mnohých typoch hornín, je súčasťou ložísk nerastných surovín. Významne je prítomná v produktoch vulkanizmu. V mineráloch vystupuje najmä vo forme síranov a sírnikov. Vo vodách sa nachádza najmä ako rozpustený síran (SO4 ), sulfid (HS-) a plynný sulfán (H2S). V atmosfére ju nájdeme v plynnej forme, najmä ako oxid siričitý a sulfán, je prítomná aj ako aerosól morských síranov. Síra patrí medzi významné biogénne prvky. Je bežnou zložkou organických zlúčenín, je prítomná v rope a uhlí a je bohato zastúpená v priemyselných produktoch. Oxidáciou týchto zlúčenín vznikajú v pôdnej vrstve tzv. terestrické sírany. Jednotlivé zdroje síry sa vyznačujú charakteristickým izotopovým zložením, čo umožňuje ich identifikáciu. Jeden z hlavných zdrojov síranov na Zemi predstavuje voda svetového oceánu. Izotopové zloženie síranu vo vode súčasného oceánu je uniformné: δ34SSO4 = 21,0 ‰, δ18OSO4 = = 9,6 ‰. Anomálie sú pri ústiach veľkých riek, pri topiacich sa ľadovcoch či aktívnych vulkánoch, hydrotermálnych výveroch, v riftových zónach. Špecifické izotopové zloženie má voda vnútorných morí s významnými prítokmi riečnej vody (Baltické more) alebo v uzavretých moriach, teda tam, kde je kontakt s vodou oceánov obmedzený alebo úplne prerušený. Pomer jednotlivých izotopov síry sa zachováva aj v sedimentárnych (usadených) horninách vyzrážaných z morskej vody pri odparovaní, v evaporitoch; významné sú najmä sadrovec (CaSO4 × nH2O) a bezvodá forma anhydrit. Ich izotopové zloženie zodpovedá pôvodnému zloženiu oceánskych sulfátov. Izotopové zloženie sulfátov prítomných vo vode dávnych oceánov teda ostáva zakonzervované v ich sedimentoch.

Odhaľujúce stopy

Vedecká pracovníčka ŠGÚDŠ odoberá vzorky vody v podzemí.

Analýzou morských evaporitov rôzneho veku sa zistilo, že izotopové zloženie oceánskych sulfátov prešlo v geologickej minulosti významným vývojom, menilo sa v pomerne veľkom rozsahu – v starších prvohorách, pred asi 420 až 360 miliónmi rokov (devón) mali morské sírany hodnoty δ34S okolo 30 ‰, pre sedimenty usadené v moriach pred 250 až 300 miliónmi rokov (perm) boli zaznamenané hodnoty δ34S okolo 10 ‰. Príčinou takýchto významných zmien nemôžu nebyť procesy globálneho charakteru. Napríklad neobvyklý prírastok ľahkého izotopu síry v mladšej časti permu sa pripisuje mimoriadnej vulkanickej aktivite v oblasti terajšej Sibíri. Dôsledkom extrémnej sopečnej činnosti v tomto období bolo aj vymretie takmer 90 % života na Zemi. Pre Západné Karpaty, ktoré budujú väčšinu územia Slovenska, je významný najmä vývoj zloženia morských síranov od permu po súčasnosť. V oblasti Slovenského krasu, kde sa nachádzajú významné zdroje krasových podzemných vôd, však nachádzame najmä usadené horniny veku od 300 do 200 miliónov rokov – vznikli od permu po mladší trias. Vo svetovom oceáne bolo vtedy zaznamenané tzv. permské minimum (δ34S okolo 10 ‰), neskôr postupne začali pribúdať ťažké izotopy síry, v najstaršom triase pred asi 250 miliónmi rokov bolo v síranoch δ34S 12 až 14 ‰. Maximálne zastúpenie ťažkých izotopov síry nastalo pred asi 240 miliónmi rokov, na rozhraní staršieho a stredného triasu, s charakteristickými hodnotami δ34S okolo 25 ‰, lokálne až δ34S ~29 ‰. Potom nastal v síranoch oceánu úbytok ťažkých izotopov síry, δ34S v mladšom triase (pred 230 až 200 miliónmi rokov) klesá na asi 14 až 17 ‰. Tieto poznatky je možné využiť pri identifikovaní ciest, po ktorých sa voda uberá počas svojho podzemného života, od miesta infiltrácie – vstupu do horninového prostredia – po výver.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 06/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

RNDr. Peter Malík, CSc.
RNDr. Juraj Michalko, CSc.
Oddelenie hydrogeológie a geotermálnej energie
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra
Výsledky tejto štúdie sú výsledkom projektu LIFE+ koordinovaného Európskou komisiou pod číslom LIFE11 ENV/SK/001023 s názvom „Zavedenie trvalo udržateľného využívania podzemnej vody v podzemnom krasovom systéme Krásnohorskej jaskyne“ (akronym: KRASCAVE).

Komentáre