REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

S pomočjo konvencionalnih metod ter z analizo stabilnih izotopov smo tekom triletne študije (2007–2010) ovrednotili hidrološke ter biogeokemične procese v kraškem porečju reke Krke. Mineraloška analiza ter analiza stabilnih izotopov lehnjaka v kombinaciji z analizo kemije vode nam je omogočila oceniti primernost lehnjakov kot paleoindikatorjev. Glavni cilji študije so bili (1) kvantitativno določiti raztapljanje kalcita proti dolomitu, oceniti kinetiko raztapljanja karbonata in posledično porabljanje CO2, (2) podrobno ovrednotiti dinamiko CO2 sistema v porečju ter (3) oceniti možnost uporabe lehnjakov kot paleoindikatorjev.
Geokemijska sestava reke Krke odraža kemijsko raztapljanje karbonatov (kalcita in dolomita) v porečju, ki poteka zaradi delovanja ogljikove kisline. Molarno razmerje Mg2+/Ca2+ v rečni vodi je uporabno orodje za razlikovanje med vodami, ki drenirajo različna litološka območja. Razmerje Mg2+/Ca2+ vzdolž toka pada, kar kaže na to, da se reka v zgornjem delu napaja s podzemnimi vodami, ki drenirajo pretežno dolomitno podlago, medtem ko pritoki in podzemne vode v spodnjem delu toka drenirajo predvsem kalcitno (apnenčasto) podlago. Raztapljanje dolomita prispeva v zgornjem toku več kot 70 % k celotnemu deležu ionov, ki so posledica raztapljanja karbonatne kamnine, medtem ko je ta delež v spodnjem toku samo ~ 50 %. Zaradi dobre topnosti karbonatne podlage, katere je v porečju reke Krke več kot 80 % in zaradi razmeroma dolgih zadrževalnih časov vode v vodonosniku, je ocenjena hitrost raztapljanja karbonata (CWR), ki je med 186 t/km2/leto in 293 t/km2/leto, vključno s pripadajočo porabo CO2 (16x10[SUP]5 mol of C/km2/leto), med najvišjimi na globalni ravni.
Povprečni zadrževalni čas (MRT) v reki Krki je bil ocenjen med 1,3 do 4,7 let; najvišji MRT je bil določen v zgornjem toku (povprečno ~ 3,0 leta) kar kaže na to, da voda odraža izotopsko sestavo podzemnih vod, ki so bile dlje časa v kontaktu z matično kamnino, kot pa vode v spodnjem toku s povprečnim MRT 1,6 let. Visoke koncentracije anorganskega ogljika (3,61–5,94 mM) ter pCO2 (do 10-1.2 bar) kažejo, da so procesi respiracije in razgradnje organske snovi v tleh ter raztapljanje karbonatnih kamnin glavni izvori DIC-a v porečju reke Krke. Na podlagi vrednosti δ13CDIC v zgornjem toku (povp. -13,6 ‰) smo pokazali da raztapljanje kamninske podlage poteka v pogojih odprtega sistema. V primerjavi z δ13CDIC vrednostmi zgornjega toka, odraža DIC v spodnjem toku ter pritokih višje δ vrednosti (povp. -12,6 ‰). Obogatitev DIC s težjim ogljikovim izotopom vzdolž toka je bila med 0,1 ‰ do 2,6 ‰, najverjetneje zaradi izhajanja CO2 v atmosfero, ki je prej posledica ekvilibracije med raztopljenim in atmosferskim CO2, kot pa proces fotosinteze ali pa obarjanje kalcijevega karbonata.
Izračuni masne bilance raztopljenega anorganskega ogljika v porečju reke Krke kažejo, da raztapljanje karbonatne kamnine k celotnemu kroženju DIC-a največ doprinese spomladi in poleti, medtem ko je doprinos z razgradnjo organske snovi največji pozimi in jeseni. Najnižji fluksi DIC-a so bili v poletnih mesecih (povp. 2,0 × 10[SUP]8 mol/mesec), najvišji pa spomladi in jeseni zaradi visokih pretokov (povp. 5,4×10[SUP]8 mol/mesec in 5,5 × 10[SUP]8 mol/mesec). Izhajanje CO2 iz reke je znašalo med 2,0×10[SUP]8 in 3,0×10[SUP]8 mol C/leto; izhajanje je bilo najvišje jeseni in najnižje poleti. Na podlagi modela difuzijske mejne plasti smo ocenili, da se v reki ~ 1,3×10[SUP]8 mol C/leto obori kot CaCO3.
Mineraloško gledano je lehnjak v reki Krki nizko Mg-kalcit z dokaj visoko vsebnostjo (do 19 %) detritične komponente (kalcit, dolomit in kremen). Najočitnejša lastnost lehnjaka v Krki je njegova poroznost; v precipitatu se pojavljajo praznine velikosti od 5 mm do preko 1.5 cm. Notranja struktura je najbolj podobna vakuolarnem faciesu (po Manzo et al., 2012), ki je izredno podobna rasti mahov in alg, ki obraščajo lehnjakove pregrade. Dva tipa kalcitnih kristalov gradita lehnjak: prvi je sparitni kalcit anorganskega nastanka s simetričnimi kristalnimi oblikami in zapolnjuje medzrnske prostore, medtem ko fino-kristalinični mikritni in mikrosparitni kalcit tvorita dendrolitni in laminacijski facies, ki sta po strukturi podobna cianobakterisjkim filamentom. Prazne prostore navadno zapolnjujeta sparitni kalcit in/ali detritični material.
Obarjanje lehnjaka v reki Krki je odvisno predvsem od turbulentnosti vode in visokih temperatur v vodi (> 10 °C) in v le manjši meri od stanja nasičenosti s kalcitom in visokih koncentracij Ca2+ in HCO3 ionov. Hitrosti precipitacije kalcita v reki Krki smo izračunali z modelom, ki predpostavlja difuzijsko mejno plast med precipitatom in vodo (Dreybrodt and Buhmann, 1991). Pri gostoti 2,2 g/cm3, določeni na vzorcih lehnjaka z reke Krke, smo izračunali, da je hitrost obarjanja lehnjaka od 0,7 do 2,1 mm/leto, kar sovpada z opažanji iz preparatov vzorcev lehnjaka pod svetlobnim mikroskopom. Enoletni cikel laminacijskega faciesa sestoji iz temnih in gostih lamin ter svetlih in poroznih lamin, ki nakazujejo na obarjanje v pomladnih in poletnih mesecih, ko je rast cianobakterij najobilnejša. Ponavljajoči se cikli v debelino merijo od 1 do 2 mm.
V kolikšni meri geokemijska sestava lehnjakovih precipitatov odraža okoljske razmere, v katerih se je lehnjak obarjal, je predvsem odvisno od uporabljene teoretične ravnotežne enačbe oz. njenih temperaturnih konstant. Izračuni paleookoljskih razmer se navadno opirajo na določitev temperature v vodi v času precipitacije lehnjaka, pri čemer sta najpogosteje uporabljena geokemijska parametra δ18O in molarno razmerje Mg/Ca v precipitatu in vodi. V primeru reke Krke δ18O in Mg/Ca v vodi nista temperaturno odvisna, zato je njuna uporaba kot temperaturnih indikatorjev vprašljiva in lahko vodi do napačnih interpretacij. Ugotovili smo, da izračunane frakcionacijske obogatitve med kalcitom in vodo odstopajo od vseh ravnotežnih temperaturnih enačb, dostopnih v literaturi. Zato sklepamo, da se lehnjak v reki Krki izloča pod neravnotežnimi pogoji. To je verjetno posledica kompleksnih procesov, povezanih z izotopsko frakcionacijo med izločanjem CaCO3 iz vode, in stalnega napajanja reke s podzemno vodo, kar hitro spreminja kemijsko stanje v reki. Pomembno je tudi omeniti, da δ vrednosti lehnjaka odstopajo od pričakovane vrednosti avtigenega precipitata zaradi prisotnosti detritične komponente v lehnjaku.