„Lyukak a sajtban” – a keveredési korrózió folyamata

Hazánk kicsiny területe bővelkedik olyan üledékes kőzetekkel borított térszínekben, ahol karsztjelenségek fordulnak elő. A talajra lehulló csapadékvíz szén-dioxidot vesz fel, szénsavassá válik, majd a karbonátos kőzetekben jelentős oldási tevékenyéget kifejtve hoz létre felszíni (dolina, víznyelő, uvala, polje) és felszín alatti (barlangok) karsztformákat. Vannak azonban olyan mélyben áramló karsztvizek is, amelyek már túltelítettek karbonátra, de mégis tudják oldani a mészkövet. Írásunkban a keveredési korrózió jelenségével foglalkozunk alapos részletességgel. Kalandra fel, irány a kövek világa!

Ahhoz, hogy egy mészkő jól oldódjon, azaz karsztosodjon, legfontosabb egy olyan repedésekkel és hasadékokkal átjárt, azaz megfelelő porozitású és permeabilitású (magyarul „likacsosságú” és áteresztőképességű), magas karbonáttartalmú kőzet, amelynek kémiai oldódása során oldási maradék nem keletkezik vagy minimális. Ez utóbbi azért fontos, mert a nem oldódó kőzetalkotó ásványok – például az agyagásványok – málladéka gyakorlatilag eltömné a mészkő repedésrendszerét, és a karsztosodási folyamat lassan megállna. A karbonátos kőzet mellé továbbá kell egy olyan fluidum is, amely képes oldani a mészkövet felépítő karbonátásványokat, majd azok vizes oldatát elszállítani. A természetben ez a kémiai értelemben agresszív oldat úgy születik meg, hogy a légkörből kihulló és a talajon átszivárgó csapadékvíz szén-dioxiddal telítődik, azaz szénsavassá válik. A csapadékvíz a talajban tenyésző élőlények (például baktériumok, gombák, lágy- és fásszárú növények gyökérzete) élettevékenysége során keletkező szén-dioxidból „fegyverkezik” fel. A szénsavas víz reakcióba lép a mészkővel, létrejön egy kalcium-hidrogén-karbonát elnevezésű meszes oldat, amely folyamatos elszállítódásával elkezdődik a mészkő „fogyása” az adott karbonátos térszínen. Természetesen a fent leírt folyamatokhoz egy olyan éghajlat is kell, amely biztosítja a fent nevezett tényezők – például megfelelő mennyiségű csapadék, megfelelő vastagságú és élővilágú talajtakaró – jó hatásfokú működését.
A továbbiakban vizsgáljunk meg egy olyan karsztos térszínt, amely a felszínen található és nem fedi nemkarsztos fedőtakaró. A felszínre lehulló csapadékvíz a jelentős másodlagos porozitású (azaz repedésekkel, üregekkel és kapillárisokkal átjárt) mészkőtömeg belsejébe szivárog. Azt a zónát, ahol a karsztvízzé váló csapadékvíz lényegében gravitációsan lefelé szivárog, és ahol a repedések legnagyobb részét még nem víz, hanem levegő tölti ki, vadózus vagy aerációs zónának nevezzük (lényegében ez a felszín és az összefüggő karsztvízszint között található; más néven beszivárgási zónának is hívjuk). Mivel a lehulló esővíz a talajon átszivárogva kémiai értelemben agresszívvé válik, a vadózus öv ezen felső 5–20 m-es zónájában lesz a legjelentősebb a mészkőben a korróziós üregesedés, azaz a karsztos oldódás. Ezt a gyorsan táguló vízvezető járatokkal átszőtt zónát epikarsztnak vagy korróziós „B” zónának is nevezzük. A beszivárgási zóna alsó részét gravitációs „A” zónának hívjuk, ahol az epikarsztból tovább szivárgó vizek már nem tudnak jelentős oldó hatást kifejteni, a járatrendszert tovább tágítani, hiszen eddigi útjuk során mésszel már javarészt telítődtek. Ez a zóna lesz majd az, ahol a víz korróziós képességét további pótlólagos agressziváló tényezők lesznek képesek csak növelni. Ilyen lesz majd többek között a cikk témájául szolgáló keveredési korrózió is. A vadózus zóna alsó határát az összefüggő karsztvízszint öve jelöli ki, amely alatt az úgynevezett freatikus (vízzel telített) zóna következik, ahol a járatokat már összefüggő karsztvíz tölti ki. A vadózus zóna alsó, a freatikus zóna felső része részben átfedi egymást, amelyet epifreatikus övnek hívunk. Itt a karsztvízszint jelentős ingadozásokat mutathat az alacsony és a magas karsztvízszint között (összefüggésben az adott terület éghajlatával és időjárásával), amelyek „középértéke” a közepes (átlagos) karsztvíznívó. A továbbiakban kanyarodjunk vissza a keveredési korrózió folyamatára, azaz arra, hogy a mélybe leszivárgó, mésszel telített karsztvíz hogyan tud újra agresszívvé és oldóképessé válni?
Fentebb már említettük, hogy a mészkő jó hatásfokú oldódásához kémiai értelemben agresszív szénsavas víz kell, amely az oldatokba kerülő szén-dioxid segítségével jön létre. A szénsav oldja a mészkő kalcium-karbonátját, méghozzá kalcium-hidrogén-karbonát formájában. Ennek az úgynevezett hidrogén- vagy hidro-karbonátos oldódásnak a mértékét a mészkővel érintkezésbe kerülő, vízben elnyelt szén-dioxid mennyisége határozza meg. Itt térnénk ki arra, hogy a vízben elnyelt szén-dioxid milyen formában tud létezni a meszes oldatokban. A kötött szénsav a kalcium-hidrogén-karbonátban található, ezért ez közvetlenül nem vesz részt az oldási folyamatokban. Az egyensúlyi vagy tartozékos (szabad) szénsav a vízben oldott hidrogén-karbonát oldatbeli egyensúlyban tartásához kell. A harmadik szénsavfajta pedig az agresszív szabad szénsav, amely jelentős mészkőoldást tud végezni, egészen a kémiai egyensúly (equilibrium) beálltáig. Ha a kémiai egyensúlyban lévő karsztvíz az egyensúlyi szén-dioxidjának egy részét leadja a levegőbe, az egyensúly megbomlik, kialakítván a korábbi írásainkban már részletesen tárgyalt édesvízi mészkő (travertínó) kiválásokat.
Azt a jelenséget, amikor különböző egyensúlyi állapotban lévő (azaz különböző szén-dioxid-tartalmú) telített karsztvizek találkozásakor az összekeveredő – korábban külön-külön egyensúlyban lévő – karsztvíz ismét oldóképessé válik, keveredési korróziónak nevezzük. A jelenséget először a szovjet Laptyev ismerte fel 1939-ben, de a nyugati karsztmorfológusok körében a svájci Bögli (1964) felismerése óta foglalkoznak a jelenséggel. Ennek magyarázata, hogy a keveredett karsztvizekben az oldott kalcium-hidrogén-koncentráció csökken, az oldatban tartott kötött karbonáthoz kevesebb egyensúlyi szénsav szükséges, tehát a korábban magasabb karbonát-koncentrációjú vízből egyensúlyi szénsav alakul át agresszív szénsavvá. Ezzel a jelenséggel magyarázható a karsztok belsejében korróziós formák (például üregek, barlangtágulatok) keletkezése, noha ezeken a helyeken más szén-dioxid-utánpótlás nem lehetséges.
A továbbiakban egy konkrét példát írnánk le a keveredési korrózió jelenségével kapcsolatban. Adott két karsztvíz, amelyek közül az egyik mésztartalma 20 nk (német keménységi fok) és 220 mg/l CO₂-tartalom, a másiké 50 nk és 1640 mg/l (egy német keménységi fokú az a víz, amelynek 1 litere 10 mg kalcium-oxiddal egyenértékű kalcium- vagy magnézium-vegyületet tartalmaz). Ha a két oldatot 1:1 arányban összekeverjük, akkor mésztartalmuk 35 nk (20 és 50 átlaga), míg CO₂-tartalmuk 930 mg/l (220 és 1640 átlaga) lesz. Viszont 35 nk oldatban tartásához csak 700 mg/l CO₂ szükséges, tehát rendelkezésre áll a továbbiakban 230 mg/l szabad szén-dioxid. Ez lesz az a szabadon rendelkezésre álló, a továbbiakban agresszív szabad szénsav, amely további 5 nk-nak megfelelő mész oldására képes. Így lesz tehát két külön-külön mészre már telített oldat a kőzettestek mélyén újra oldóképes, ha összekeveredik.
Írásunkban bakonyi példákat hozunk, hiszen a keveredési korrózió jelenségét a budai barlangok kapcsán már alaposan kielemeztük. A bakonyi szurdokvölgyek oldalában gyakran találkozhatunk olyan kisebb-nagyobb oldásos jellegű üregekkel, amelyek eredetileg a mészkőtömeg belsejében öblösödtek ki keveredési korrózióval. Ezek a „sajtban lévő lyukak” az erózió hatására nyíltak később a felszínre, alapvetően az emelkedő területbe bevágódó vízfolyások hatására. A völgytalp felett különböző magasságokban elhelyezkedő karsztos üregek kinyílása intenzívebben a jégkorszaktól kezdődött meg, hiszen a pleisztocénben hegységi területeink több száz m-t emelkedtek. A csatolt képen a Kőmosó-szurdok oldalában található Cseszneki-sziklaodú vagy Kecske-lik látható, amely a keveredési korrózió egyik iskolapéldája.

A Kecske-lik pontos helyét és a többi térképi pontot itt találod: Térképnézet

Fotó és szöveg: Veres Zsolt