Földtani ismeretek

12. témakör:

Talajtani és mérnökgeológiai fogalmakElőadó: Dr. Cserny Tibor egyetemi docens

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

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.

A talaj 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!

A talaj alkotórészei

Szervetlen szilárd fázisszulfidok: 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.

A talaj 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.

A talajok termékenységeMeghatározás: 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.

A talajképződés tényezőiföldtani (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

A talajképződés tényezőiéghajlat (hőmérséklet, csapadék, szélviszonyokhőgazdálkodás,

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

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)

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)

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.

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

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)

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 (Ic1 száraz Ic1 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 , c, ny (szabad rézsűk egyensúly vizsgálata, földnyomás, teherbírás)

Mérnökgeológiai folyamatok

Az építmények állékonyságát befolyásoló földtani folyamatok, kiváltó okok szerint:

• Belső és külső földtani folyamatok• Emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos

folyamatok

Belső és külső földtani folyamatok

Belső földtani erőműködés hatása• Lassú süllyedés, emelkedés, törések menti elmozdulás• FöldrengésveszélyKülső 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 talajvízAz emberi tevékenységgel kiváltott másodlagos folyamatok:• A domborzat exkavációja (fejtése)• Domborzat állékonyságának deformálása (veszélyeztetése)• Mesterséges feltöltés• Domborzat beépítése

A magyarországi felszínmozgások főbb típusai

Lejtők állékonyságának javítása