Vplyv komunálnych odpadov na horninové prostredie
Kvalita životného prostredia (5.)
 
Od modelov  - k poznaniu reakcií
    Sedimentárny bazén vyplnený sedimentami sa začne ponárať do hlbších častí zemskej kôry. S postupným nárastom teploty a tlaku dôjde k začatiu diagenetických reakcií v týchto sedimentoch, ako aj k premene organickej hmoty v nej obsiahnutej. V prípade, že v sedimentárnej výplni tohto bazéna sa striedajú vrstvy sedimentov s vysokým obsahom organickej hmoty, napr. ílovcov (ďalej označených ako materské horniny)  s vrstvami sedimentov so zvýšenými hodnotami primárnej pórovitosti, napr. pieskovcov (ďalej označených ako kolektorské horniny), ako aj pri splnení predpokladu, že tieto sedimenty sa ponoria do hĺbok > 2km, intervalu teplôt 80 - 1300C (oblasť tzv. „intermediálnej diagenézy"), vytvoria sa ideálne podmienky na proces generovania ropy, resp. zemného plynu z ich materských hornín. Za predpokladu, že nadložné formácie spomínaného sedimentárneho bazéna sú dostatočne nepriepustné, a teda sú schopné zabrániť možnému úniku takto vzniknutých uhľovodíkov smerom k zemskému povrchu, tieto sa začnú akumulovať v priľahlých kolektorských horninách.
    Počas vyššie uvedeného diagenetického vývoja sedimentárnych hornín dochádza k zásadnej premene (transformácii) organickej hmoty. Táto s nárastom teploty podlieha premenám uvedeným v tab* (viď. tab. Enviromagazín č.4/97), počas ktorých z tejto hmoty vzniká  komplikovaná polymolekulárna hmota so zložitou štruktúrou, nazývaná kerogén. V momente, kedy kerogén vstúpi do oblasti intermediálnej diagenézy (tab.*), dochádza k jeho ďalšej premene, pri ktorej sa v ňom znižujú pomery O/C a H/C. Vedľajším produktom takejto transformácie kerogénu sú karboxylové kyseliny, ktoré sa z neho uvoľňujú do okolitých sedimentárnych roztokov, znižujú ich pH a začínajú kontrolovať alkalitu (pH) týchto roztokov. Z pôvodných sedimentárnych roztokov takto vznikajú tzv. formačné vody roponosných terénov s vysokým obsahom organických komponentov a výraznou agresivitou vzhľadom k nestabilným minerálom v okolitom horninovom prostredí. Následný proces rozpúšťania týchto minerálov doprevádzaný odnosom prvkov, vedie k vzniku tzv. sekundárnej pórovitosti po týchto mineráloch.  V závislosti od zloženia agresívnych roztokov a zvlášť pomeru koncentrácii CO2/organických kyselín v týchto roztokoch, sekundárna pórovitosť môže vznikať  v rôznych mineráloch. Výsledky experimentálneho štúdia rozpustnosti minerálov skupiny alumosilikátov organickými kyselinami viedli k zisteniu, že karboxylové kyseliny môžu viesť k uvoľňovaniu Al3+ zo štruktúry alumosilikátov, k vytváraniu organokomplexných zlúčenín hliníka a  k jeho mobilizácii  a následnej migrácii v systéme.
    Proces uvoľňovania karboxylových kyselín z kerogénu v oblasti intermediálnej diagenézy vedie  na strane druhej k jeho postupnému obohacovaniu o alifatické a aromatické uhľovodíky. Týmto spôsobom je možné objasniť fakt, že z takto modifikovaného kerogénu v oblasti tzv. ropného okna  možno vyextrahovať pri dostatočnej  teplote plynné a kvapalné uhľovodíky. V tejto súvislosti si treba uvedomiť, že (tab.*): maximálne koncentrácie karboxylových kyselín sa uvoľňujú do koexistujúcich sedimentárnych roztokov na začiatku diagenetického okna  (t.j. pred etapou ropného okna); plynné a kvapalné uhľovodíky sa  v maximálnej koncentrácii uvoľňujú z reliktného kerogénu v etape ropného okna, t.j. v časovom intervale nasledujúcom po extrakcii karboxylových kyselín z kerogénu. Z vyššie uvedených údajov možno zároveň pochopiť skutočnosť, že ropa a zemný plyn sú v kolektorských horninách naakumulované v tých pórových priestoroch, ktoré vznikli rozpúšťaním minerálnych fáz v týchto horninách (t.j. sekundárnou porogenézou) ešte v štádiu pred uvoľnením ropy, resp. zemného plynu z priľahlých materských hornín. Inými slovami, príroda najprv zariadi prípravu pórových priestorov v kolektoroch, do ktorých neskôr umiestni  ropu a zemný plyn. Mineralogické dôsledky týchto procesov možno zdokumentovať prostredníctvom mikrofotodokumentácie získanej štúdiom pieskovcov (kolektorských hornín), ktoré vstúpili do oblasti intermediálnej diagenézy, a teda v ktorých sa odohrali procesy sekundárnej porogenézy.
    Identickým spôsobom sa formuje aj sekundárna pórovitosť po karbonátoch. Na rozdiel od alumosilikátových minerálov však na formovanie sekundárnej pórovitosti po karbonátoch je potrebná len vyššia aktivita CO2, nakoľko pri zvyšovaní koncentrácií CO2 v sedimentárnych roztokoch dochádza k znižovaniu hodnôt ich pH a týmto spôsobom aj k zvyšovaniu rozpustnosti koexistujúcich karbonátov. Spomínaný scenár sa však v zásadnej miere zmení v prípade, keď v sedimentárnych roztokoch je  taká koncentrácia karboxylových kyselín, že alkalita (pH) týchto roztokov začína byť  kontrolovaná týmito kyselinami. Za týchto podmienok nárast koncentrácie CO2 v sedimentárnych roztokoch s vysokými koncentráciami organických kyselín vedie k postupnej stabilizácii karbonátov, a teda aj k ich postupnému vylučovaniu zo sedimentárnych roztokov.  Na základe týchto skutočností špecialisti z oblasti ropnej geológie vedia zrekonštruovať vývoj procesov sekundárnej porogenézy v kolektorských horninách a posúdiť, či tieto procesy sa odohrávali za pôsobenia organických kyselín prítomných v sedimentárnych roztokoch alebo nie. V prvom prípade výsledky geochemicko-petrografického štúdia tohto pieskovca, v kontexte štruktúrno-geologických a sedimentologických poznatkov, ako aj výsledkov štúdia organickej hmoty v predmetnom sedimentárnom bazéne viedli k zisteniu, že jeho štruktúra bola pôvodne cementovaná kalcitom a pôvodná pórovitosť tohto pieskovca bola minimálna. Súčasná anomálna pórovitosť tohto pieskovca je dôsledkom rozpustenia a odnosu spomínaného kalcitového cementu, teda procesov, ktoré prebehli alebo pod vplyvom zvýšenej aktivity CO2 v koexistujúcich sedimentárnych roztokoch, alebo pri aktivite sedimentárnych roztokov obsahujúcich karboxylové kyseliny s nízkym parciálnym tlakom CO2. V druhom prípade tým, že sekundárnou porogenézou boli postihnuté zrná živcov, ako aj na základe faktu, že v týchto pórových priestoroch nenachádzame reliktnú prítomnosť Al-minerálov (napr. kaolinitu) možno predpokladať, že proces rozpúšťania živcov sa odohral za zvýšenej aktivity karboxylových kyselín v koexistujúcich sedimentárnych roztokoch,  vedúcej k mobilizácii a migrácii Al3+.
    Záverom tejto kapitoly možno konštatovať, že pri procesoch transformácie organickej hmoty v sedimentárnych bazénoch v podmienkach diagenézy dochádza k uvoľňovaniu karboxylových kyselín do okolitých sedimentárnych roztokov. Týmto spôsobom tieto roztoky nadobúdajú agresívny charakter vzhľadom k okolitým nestabilným minerálom, čoho dôsledkom je formovanie sekundárnej pórovitosti po týchto mineráloch a v konečnom dôsledku zvýšenie  pórovitosti a permeability hornín.
 
Aplikácia poznatkov ropno-ložiskovej geológie pri identifikácii ekologických rizík

    Ak poznatky ropno-ložiskovej geológie extrapolujeme do oblasti procesov odohrávajúcich sa pri skládkovaní komunálnych odpadov, potom môžeme konštatovať, že:

Závery a doporučenia

    V predloženom príspevku sa zdokumentovala  skutočnosť, že v istom štádiu vývoja komunálnych odpadov dochádza ku vzniku agresívnych roztokov s vysokou koncentráciou organických kyselín, s obsahom ťažkých kovov a iných toxických látok. Vodné výluhy vytekajúce z týchto skládok môžu za určitých podmienok vyvolať v okolitom horninovom prostredí procesy rozpúšťania nestabilných minerálov. Spomínaný proces rozpúšťania (porogenézy) doprevádzaný  mobilizáciou ťažkých kovov a iných toxických látok z prostredia skládky, ako aj okolitého horninového prostredia môže ohroziť environmentálnu rovnováhu okolitej krajiny, vrátane kvality povrchových a podzemných vôd. Tieto skutočnosti sú nepopierateľným dôkazom toho, že aj niečo tak navonok pevné a trvalé, ako je horninové prostredie, nie je imúnne voči procesom podmieneným ľudskou aktivitou. Naopak, aj neživá príroda citlivo reaguje na tieto aktivity, avšak na rozdiel od živej prírody táto nie je schopná reprodukovať samú seba, resp. prispôsobovať sa zákonom evolúcie živej hmoty.
    V súvislosti s riešenou problematikou je pozoruhodné, že reakcie prebiehajúce v "prírodnom laboratóriu" a pod kontrolou prírody (ako sú tie, ktoré vedú k vzniku ropy a zemného plynu) vedú  k odlišným výsledkom, ako je tomu naopak u procesov podmienených  ľudskou aktivitou (skládky komunálnych odpadov). Kým v prvom prípade tieto reakcie prebiehajú v hlbších častiach zemskej kôry v rámci uzavrených systémov v jednotkách geologickej časomiery (105 rokov a viac) za neustáleho udržiavania dynamickej rovnováhy v systéme, potom nie je prekvapujúce, že spomínaný vývoj vedie k vzniku  ložísk plynných a kvapalných uhľovodíkov. Naopak, ak  analogické  reakcie aktivizuje človek na úrovni zemského povrchu v podmienkach otvorených systémov, v oblasti biosferického obehu prvkov, v časových jednotkách týždňov až rokov,  potom tieto reakcie príroda nie je schopná sama o sebe zvládnuť a zneutralizovať tak, aby nenarušili ekologickú rovnováhu v okolitej krajine.
    Poznatky uvedené v tejto práci možno zároveň extrapolovať aj do iných oblastí ochrany životného prostredia. Kyslé dažde v rozvinutých priemyselných aglomeráciách môžu vyvolať problémy pri ochrane kultúrneho dedičstva v týchto oblastiach,  a to práve v dôsledku procesov rozpúšťania (sekundárnej porogenézy) nestabilných zložiek kameniva týchto pamiatok, pamätníkov, sôch a pod., ktoré sa začínajú mrviť a rozpadať. V podstate analogické problémy môžu v krajine vyvolať banské vody vyvierajúce z opustených banských diel, ako aj  dažďové vody infiltrujúce cez haldovinu v banských oblastiach. Tieto staré banské záťaže predstavujú riziko pre okolitú krajinu, predovšetkým v dôsledku prítomnosti reliktnej sulfidickej a sulfosolovej mineralizácie v haldovom materiále, ktorá po ich reakcii s vodou v aeróbnych podmienkach vedie k vzniku roztokov s extrémne nízkymi hodnotami pH. Podobne výsledky experimentov a praktických pozorovaní v oblastiach kontaminácie podzemných vôd ropnými produktami poukazujú na skutočnosť, že oxidačno-redukčné reakcie medzi týmito ropnými látkami (reduktantami) a okolitým horninovým prostredím (oxidantami) môžu viesť k procesom sekunárnej porogenézy v týchto horninách a k vylúhovaniu ťažkých kovov z hornín do podzemných vôd.
Vodné výluhy vyvierajúce z neriadených skládok odpadov (hlavne komunálnych) by mali byť predmetom celoplošného monitorovania tak, ako je tomu vo vyspelých krajinách sveta. V rámci tohto procesu by mala byť vo výluhoch sledovaná prítomnosť ťažkých kovov, obsah a zloženie organických zložiek. Súčasná environmentálna legislatíva v SR len čiastočne rieši problematiku monitorovania týchto výluhov. Ohniskovými problémami v tejto oblasti sú: prevádzkovatelia tohto monitoringu (vo väčšine prípadov súkromné organizácie); kvalita analytických prác, variabilita sledovaných ukazovateľov a  rôzna periodicita meraní; absencia celoplošného zberu a vyhodnocovania týchto výsledkov. Na základe týchto skutočností preto nie je prekvapujúce konštatovanie, že stupeň ohrozenia životného prostredia v konkrétnych oblastiach SR vodnými výluhami vyvierajúcimi z neriadených  skládok  nemožno v súčasnosti bližšie konkretizovať, aj keď tieto možno považovať za konkrétny parameter stavu environmentálneho indikátora OECD Odpady, v modeli tlak - stav - odozva.

( Poďakovanie: Predložený príspevok vznikol v Geologickom ústave SAV Bratislava, pracovisko Banská Bystrica v rámci riešenia projektu GAV 5305/520 financovaného  grantovou agentúrou VEGA.)

RNDr. Juraj Bebej, CSc.
SAŽP Banská Bystrica
 
 


Obr.5. Sekundárna pórovitosť (políčka modrej farby) vzniknutá 
v pieskovcoch procesmi rozpúšťania karbonátového cementu (a), 
resp. plagioklasov (b). Modrá farba predstavuje umelý artefakt, 
vzniknutý vtláčaním sfarbených organických živíc do pieskovcov 
za účelom zvýraznenia ich pórovej siete (foto: autor článku). 
(a) vrt Š-1 NB III/1291 m. 
(b) vrt Zboj-1/4055 m
Obr. 4. Sekundárna pórovitosť po 
plagioklasoch vzniknutá v štádiu intenzívnej 
diagenézy agresívnymi roztokmi s rôznou 
koncentráciou organických kyselín 
( mikrofotografie  zhotovené pomocou 
JSM-840 v LSEM GS SR): 
vrt Ďurkov-3/1205 m. Sekundárne pórové 
priestory (sp) po plagioklase s kostrovitými 
reliktami po tomto minerále (plg). Absencia 
kaolinitu (Al - bohatej fázy) v pórovej 
výplni svedčí o tom, že  rozpúšťanie 
minerálu prebiehalo za aktivity organických
kyselín, a teda Al3+ bol mobilizovaný zo 
štruktúry tohto minerálu