Skip to main content

Dinamika in porazdelitev CO2 v kraški vadozni in epifreatični coni (CARDIKARST)

Opis

Za kraška območja so značilne izrazite površinske in podpovršinske oblike, ki nastanejo z raztapljanjem  karbonatnih  kamnin v  vodi.  Približno  15%  svetovnega  celinskega  območja  brez ledu in  skoraj  22%  Evrope pokrivajo zakrasele karbonatne kamnine (Goldscheider in sod., 2020). Zakrasevanje karbonatov  ima velik pomen pri  preučevanju globalnega cikla ogljika in pri iskanju manjkajočih ponorov ogljika (Liu  in sod., 2018). Zakrasevanje karbonatnih območij je pogojeno s količino vode in CO2. Kompleksnost   strukture kraških vodonosnikov in procesov v njih, se odraža tudi v kompleksnosti dinamike CO2. Glavni  viri  CO2  na  krasu  so  blizu  površine,  v  tleh  in  v  epikrasu,  kjer  CO2  nastaja  z  dihanjem  korenin  ali  delovanjem mikrobov ter z razpadom organske snovi. Del CO2 se takoj vrne v ozračje, drug del potuje  v vadozno cono, bodisi v raztopljeni obliki z infiltriranimi padavinami bodisi v plinasti obliki z difuzijo in  advekcijo. Pri prenosu skozi kras se CO2 večkrat  pretvori; ko je raztopljen v vodi, prispeva k raztapljanju  karbonatov, pri čemer se porabi en mol CO2 za en mol raztopljenega kalcita in tako raztapljanje deluje  kot neto ponor CO2. Ko voda naleti na dobro prezračene jame z nižjimi ravnmi CO2 kot v okoliški vadozni  coni, se sproži izločanje kalcita, pri čemer se za vsak mol izločenega  kalcita v jamski zrak vrne en mol  CO2. Del  tega CO2 se z naravnim prezračevanjem vrne v zunanjo atmosfero. Načeloma so  ti procesi  dobro  razumljeni  in  raziskani,  zlasti  v  zvezi  z  rastjo  stalagmitov,  ki  so  pomembni  arhiv  preteklega  podnebja (Fairchild in Baker, 2012).  

Vendar so učinki naravnega prezračevanja na nivoju kraškega masiva (in uskladiščenega CO2 v vadozni  coni)  kljub  pomembnosti  še  vedno  slabo  raziskani.  Poleg  tega  izmenjava  ogljikovega  dioksida  med  zrakom in vodo v epifreatični coni še vedno precejšnja neznanka. CO2 iz jamskega zraka se lahko raztopi  v podzemni vodi in spodbuja nadaljnje raztapljanje in razvoj jamskih rovov. Če je epifreatično območje  dobro prezračeno in ima nizko vsebnost CO2, se izmenjava obrne; CO2 se razplini, kar lahko povzroči  izločanje kalcita (White, 2013). Čeprav so ti procesi tudi konceptualno razumljeni, je bilo opravljenih le  omejeno število opazovanj s hkratnimi meritvami v vodi in zraku (Covington in sod., 2021). Seveda je  zanimivo tudi vprašanje kaj se dogaja z ogljikom, ki na izviru zapusti kraški sistem. Kolikšen del se vrne  v ozračje kot CO2 in koliko ogljika uskladiščijo vodne rastline. 

Glavni cilji predlaganega projekta so: 

1) Kako  je  prostorska  in  časovna  heterogenost  koncentracije  CO2  v  vadozni  coni  povezana  s  strukturo vadozne cone in zunanjimi vremenskimi spremembami. 

2) Preučevanje izmenjave CO2 med zrakom in podzemno vodo v epifreatični coni ‐ njena velikost  in pomen za speleogenezo in tok ogljika skozi kraški masiv. 

3) Ocena uskladiščenega CO2 v vadozni coni krasa na ravni posameznega masiva in ekstrapolacija  na širše območje. 

4) Razvoj metodologije, tehnik merjenja in opazovanja, javno dostopne okoljske baze podatkov  in ozaveščanje javnosti. 

Idealiziran prerez kraškega sistema, ki prikazuje območja in procese študije.
Idealiziran prerez kraškega sistema, ki prikazuje območja in procese študije. Levi krog prikazuje  izmenjavo  CO2  med  prezračenim  kraškim  rovom  in  razpoklinskin  sistemom.  Desni  krog  prikazuje  izmenjavo CO2 v epifreatični coni. 

 


Faze projekta

DS0  vsebuje naloge upravljanja projekta in diseminacije znanja. Rezultate projekta bomo v različnih  oblikah  predstavljali  raziskovalcem,  študentom  na vseh  stopnjah izobrazbe,  upravljavcem parkov in  širši javnosti. Obe ekipi imata izkušnje in veščine potrebne za promocijo znanosti. Člani slovenske in  hrvaške skupine so sodelovali v dosedanjih bilateralnih projektih. Bili so skupni mentorji študentom in  skozi  dolgoletne  raziskovalne in  družabne  stike vzpostavili  prijateljski in  profesionalen  odnos, ki  bo  projektu zagotovo v korist. Vsi smo izkušeni jamarji in imamo dobre odnose z upravljalci parkov in jam. 

DS1 vključuje  terensko in laboratorijsko  delo, kar vključuje  tudi namestitev in  vzdrževanje merilnih  postaj, vzorčenja, meritve in analize. Te aktivnosti so ključnega pomena za uspeh projekta. Vsi imamo  več kot 15 let izkušenj pri postavljanju opazovanj in meritev v težkih jamskih okoljih.  V nekaterih jamah že potekajo meritve mikroklime (vključno s CO2) v vadozni coni. Nabor samodejnih  postaj bomo v projektu ohranili in dodali nova merilna mesta. Prostorsko porazdelitev CO2 v vadozni  coni  bomo  merili  z  cenovno  ugodnimi  merilniki,  ki  jih  bomo  razvili  v  tem  projektu.  Pri  tem  bomo  uporabili  izkušnje  grške  in  ameriške  sodelujoče  skupine,  ki  so  takšne  instrumente  že  izdelale  in  uporabile.  Epifreatično  cono  bomo  preučevali  s  (1)  hidrološkimi  meritvami  (pretok,  specifična  električna  prevodnost  (SEP),  temperature),  (2)  hidrokemičnimi  meritvami  (koncentracije  glavnih  ionov)  ter  meritvami  CO2  v  vodi  in  zraku.  Temperatura  vode  in  SEC  bomo  beležili  s  samodejnimi  merilniki,  v  vzorcih,  ki  jih  bomo  odvzemali  dovolj  pogosto,  bomo  določali  koncentracije  glavnih  ionov,  pH  in  alkalnost.  Meritve v epifreatični coni so zahtevne. Območje je pogosto poplavljeno, zato morajo biti  vsi inštrumenti neprepustni ali/in nameščeni na mestu, ki ga visoka voda ne more doseči. Inštrumenti,  ki se uporabljajo za hidrološke študije, kot so registratorji tlaka, temperature in prevodnosti, so lahko  pod vodo nekaj deset metrov. Raztopljeni CO2 bomo merili z novo generacijo potopljivih senzorjev CO2.  Podatkovno  bazo  meritev  bomo  polnili  z  zveznimi  samodejnimi  meritvami  in  občasnimi  ročnimi  meritvami. 

DS2  vsebuje  modelske  raziskave.  Te  bodo  tesno  povezane  z  analizo  in  interpretacijo  podatkov.  Uporabili  bomo  dve  vrsti  modelov:  1)  Model  prezračevanja  in  izmenjave  plinov  v  vadozni  coni.  Z  modelom  bomo  raziskovali  kako  zunanja  klima,  struktura  vadozne  cone  in  izmenjava  CO2  med  prezračenimi rovi in okoliškim sistemom vpliva na dinamiko in heterogenost CO2 v vadozni coni. Model  smo  razvili  v  okviru  preteklih  projektov  in  je  pripravljen  za  nadgradnjo  in  uporabo.  2)  Z  modelom  razvoja  jam v turbulentnem toku bomo ocenili pomen izmenjave CO2 med zrakom za speleogenezo in  tok CO2 v kraškem masivu. Model je razvila sodelujoča raziskovalna skupina na Univerzi v Arkansasu,  ZDA. 

DS3 nas bo pripeljal do rezultatov. Z združevanjem analize podatkov in rezultatov modeliranja bomo  izdelali kvantificiran model toka CO2/ogljika znotraj izbranega masiva na podlagi dobrega razumevanja  osnovnih procesov.  Predlagana študija  pokriva  geografska območja z različnimi podnebnimi, hidrološkimi in okoljskimi  razmerami. Čeprav so vse lokacije na Dinarskem krasu, so med seboj dovolj raznolike. Cilj projekta je   razširiti  oceno  uskladiščenega  CO2  na  širše  območje.  Zato  bomo  pridobljene  podatke  združili  z  že  obstoječimi podati meritev v jamah  z  različnimi geološkimi, podnebnimi in hidrološkimi  razmerami.   Primerjava meritev v velikem številu jam oz. meta‐analiza obstoječih podatkov in sinteza podatkov v  obliki geopodatkovne baze bo omogočila boljše  razumevanje dejavnikov, ki vplivajo na skladiščenje  CO2 v različnih okoljih. Taki pristopi na globalni ravni so vse pogostejši (npr. SISAL ‐ Speleothem Isotopes  Synthesis and AnaLysis, (Atsawawaranunt in sod., 2018)). 


Rezultati

Atsawawaranunt, K., Comas‐bru, L., Mozhdehi, S.A., Deininger, M., 2018. The SISAL database: a global resource to  document oxygen and carbon isotope records from speleothems 1687–1713. 

Baldini, J.U.L., Bertram, R.A., Ridley, H.E., 2018. A first approximation of the Earth’s second largest reservoir of carbon  dioxide gas. Sci. Total Environ. 616–617, 1007–1013. 

Benavente, J., Vadillo, I., Carrasco, F., Soler, A., Liñán, C., Moral, F., 2010. Air carbon dioxide contents in the vadose  zone of a Mediterranean karst. Vadose Zo. J. 9, 126.  

Benavente, J., Vadillo, I., Liñán, C., del Rosal, Y., Carrasco, F., 2015. Influence of the ventilation of a karst show cave  on the surrounding vadose CO2 reservoir (Nerja, South Spain). Environ. Earth Sci. 74, 7731–7740.  

Bergel, S.J., Carlson, P.E., Larson, T.E., Wood, C.T., Johnson, K.R., Banner, J.L., Breecker, D.O., 2017. Constraining the  subsoil carbon source to cave‐air CO2 and speleothem calcite in central Texas. Geochim. Cosmochim. Acta 217,  112–127.  

Blackstock, J.M., Covington, M.D., Perne, M., Myre, J.M., 2019. Monitoring Atmospheric, Soil, and Dissolved CO2 Using a Low‐Cost, Arduino Monitoring Platform (CO2‐LAMP): Theory, Fabrication, and Operation. Front. Earth  Sci. 7, 1–19.  

Blatnik, M., Mayaud, C., Gabrovšek, F., 2019. Groundwater dynamics between planinsko polje and springs of the  ljubljanica river, Slovenia. Acta Carsologica 48, 199–226.  

Bourges, F., Genty, D., Perrier, F., Lartiges, B., Régnier, É., François, A., Leplat, J., Touron, S., Bousta, F., Massault, M.,  Delmotte, M., Dumoulin, J.P., Girault, F., Ramonet, M., Chauveau, C., Rodrigues, P., 2020. Hydrogeological  control on carbon dioxide input into the atmosphere of the Chauvet‐Pont d’Arc cave. Sci. Total Environ. 716.  

Covington, M.D., Gabrovšek, F., 2020. Modeling the impacts of cave ventilation and CO2 dynamics on speleogenesis,  in: EGU General Assembly Conference Abstracts, EGU General Assembly Conference Abstracts. p. 18738. 

Covington, M.D., Knierim, K.J., Young, H.A., Rodriguez, J., Gnoza, H.G., 2021. The impact of ventilation patterns on  calcite dissolution rates within karst conduits. J. Hydrol. 593, 125824.  

Covington, M.D., Prelovšek, M., Gabrovšek, F., 2013. Influence of CO2 dynamics on the longitudinal variation of  incision rates in soluble bedrock channels: Feedback mechanisms. Geomorphology 186, 85–95.  

Fairchild, I., Baker, A., 2012. Speleothem Science: From Process to Past Environments, Quaternary geosciences series.  

Gabrovšek, F., Peric, B., Kaufmann, G., 2018. Hydraulics of epiphreatic flow of a karst aquifer. J. Hydrol. 560, 56–74.  

Goldscheider, N., Chen, Z., Auler, A.S., Bakalowicz, M., Broda, S., Drew, D., Hartmann, J., Jiang, G., Moosdorf, N.,  Stevanovic, Z., Veni, G., 2020. Global distribution of carbonate rocks and karst water resources. Hydrogeol. J.  28, 1661–1677.  

James, E.W., Banner, J.L., Hardt, B., 2015. A global model for cave ventilation and seasonal bias in speleothem  paleoclimate records. Geochemistry, Geophys. Geosystems 16, 1044–1051.  

Johnson, M.S., Billett, M.F., Dinsmore, K.J., Wallin, M., Dyson, K.E., Jassal, R.S., 2010. Direct and continuous  measurement of dissolved carbon dioxide in freshwater aquatic systems—method and applications.  Ecohydrology 3, 68–78.  

Kaufmann, G., Gabrovšek, F., Turk, J., 2016. Modelling flow of subterranean Pivka river in Postojnska jama, Slovenia.  Acta Carsologica 45, 57–70.  

Kaufmann, G., Mayaud, C., Kogovšek, B., Gabrovšek, F., 2020. Understanding the temporal variation of flow direction  in a complex Karst system (Planinska Jama, Slovenia). Acta Carsologica 49, 213–228.  

Kaufmann, G., Mayaud, C., Kogovšek, B., Gabrovšek, F., 2020. Understanding the temporal variation of flow direction  in a complex Karst system (Planinska Jama, Slovenia). Acta Carsologica 49, 213–228. 

Kowalczk, A.J., Froelich, P.N., 2010. Cave air ventilation and CO2 outgassing by radon‐222 modeling: How fast do  caves breathe? Earth Planet. Sci. Lett. 289, 209–219. 

Krajnc, B., Ferlan, M., Ogrinc, N., 2017. Soil CO2 sources above a subterranean cave—Pisani rov (Postojna Cave,  Slovenia). J. Soils Sediments 17, 1883–1892. 

Kukuljan, L., Gabrovšek, F., Covington, M.D., Johnston, V.E., 2021a. CO2 dynamics and heterogeneity in a cave  atmosphere: Role of ventilation patterns and airflow pathways. Theor. Appl. Climatol. 146, 91–109.  

Kukuljan, L., Gabrovšek, F., Covington, M.D., 2021b. The relative importance of wind‐driven and chimney effect cave  ventilation: Observations in Postojna Cave (Slovenia). Int. J. Speleol. 50, 275–288.  

Kukuljan, L., Gabrovšek, F., Johnston, V.E., 2021c. Low‐calcium cave dripwaters in a high CO2 environment: Formation  and development of corrosion cups in postojna cave, slovenia. Water 13, 8–16.  

Lang, M., Faimon, J., Godissart, J., Ek, C., 2017. Carbon dioxide seasonality in dynamically ventilated caves: the role of  advective fluxes. Theor. Appl. Climatol. 129, 1355–1372. 

Liu, Z., Macpherson, G.L., Groves, C., Martin, J.B., Yuan, D., Zeng, S., 2018. Large and active CO2 uptake by coupled  carbonate weathering. Earth‐Science Rev. 182, 42–49. 

Mattey, D.P., Atkinson, T.C., Barker, J.A., Fisher, R., Latin, J.P., Durrell, R., Ainsworth, M., 2016. Carbon dioxide,  ground air and carbon cycling in Gibraltar karst. Geochim. Cosmochim. Acta 184, 88–113. 

Milanolo, S., Gabrovšek, F., 2015. Estimation of carbon dioxide flux degassing from percolating waters in a karst cave:  Case study from Bijambare cave, Bosnia and Herzegovina. Chemie Der Erde‐Geochemistry 75, 465–474. 

Noronha, A.L., Johnson, K.R., Southon, J.R., Hu, C., Ruan, J., McCabe‐Glynn, S., 2015. Radiocarbon evidence for  decomposition of aged organic matter in the vadose zone as the main source of speleothem carbon. Quat. Sci.  Rev. 127, 37–47.  

Prelovšek, M., 2012. The Dynamics of the Present‐Day Speleogenetic Processes in the Stream Caves of Slovenia, ZRC  SAZU. 

Prelovšek, M., Šebela, S., Turk, J., 2018. Carbon dioxide in Postojna Cave (Slovenia): spatial distribution, seasonal  dynamics and evaluation of plausible sources and sinks. Environ. Earth Sci. 77. 

Sánchez‐Cañete, E.P., Oyonarte, C., 

Serrano‐Ortiz, P., Curiel Yuste, J., Pérez‐Priego, O., Domingo, F., Kowalski, A.S.,  2016. Winds induce CO2 exchange with the atmosphere and vadose zone transport in a karstic ecosystem. J.  Geophys. Res. Biogeosciences 121, 2049–2063.  Serrano‐Ortiz, P., Roland, M., Sanchez‐Moral, S., Janssens, I.A., Domingo, F., Goddéris, Y., Kowalski, A.S., 2010.  Hidden, abiotic CO2 flows and gaseous reservoirs in the terrestrial carbon cycle: Review and perspectives.  Agric. For. Meteorol. 150, 321–329. 

White, W.B., 2013. Carbon fluxes in karst aquifers: sources sinks, and the effect of storm flow. Acta Carsologica 42(2– 3), 177–186. 

Wood, W.W., 1985. Origin of caves and other solution openings in the unsaturated (vadose) zone of carbonate rocks:  A model for CO2 generation. Geology 13, 822–824.


Raziskovalni projekt