Titlul proiectului: Geochimia emisiilor de gaz din mediul vulcano-tectonic al Carpaților Orientali: impact geologic și social

Cod proiect: PN-III-P1-1.1-TE-2019-1908

Acronim proiect: GEVTEC

Durata proiectului: 01.09.2020-31.08.2022

Abstract

Proiectul propune investigarea sistematică a emisiilor de gaz din mediul vulcano-tectonic aflat în partea sudică a Carpaților Orientali. Obiectivele cercetării este cuantificarea fluxului de CO2, originea diferitelor componente din gaze și interacțiunea lor cu geodinamica zonei. Un alt aspect important în cercetarea propusă este cartarea emisiilor de gaze în zonele locuite, identificarea potențialelor hazarde și informarea localnicilor cu această problemă. Propunem o abordare interdisciplinară care îmbină elemente de geochimie, geologie structurală, geofizică, chimie, matematică-informatică și sociologie. Rezultatele obținute pot fi integrate în estimările globale ale emisiilor naturale de carbon, momentan nefiind prezente în evaluările globale și pot prevedea înființarea unui monitoring ale gazelor pe lungă durată pe zona cercetată. Rezultatele nu vor rămâne doar pe plan local, în general vor oferi informații importante despre dinamica gazelor în mediul geologic studiat. Un alt element inovativ al proiectului este prelucrarea și managementul datelor, implicând depozitarea datelor obținute pe o platformă dinamică online, o bază de date care integrează date geochimice și date despre geologia, topografia, tectonica zonei, facilitând analiza și interogarea datelor și care poate fi accesată de comunitatea științifică și de către publicul larg.

Obiectivele proiectului

Un obiectiv fundamental al cercetării este de a defini emisiile de carbon din zona de studiu și originea gazelor prin cartografierea tuturor emisiilor de gaze posibile, inclusiv a gazelor libere și a gazelor care însoțesc apele minerale (bazine și izvoare care prezintă emisii sub formă de bule vizibile) . În unele cazuri, prezența gazelor nu este vizibilă. Obiectivul nostru este de a calcula carbonul total emis derivată din apele subterane, cu o atenție deosebită asupra izvoarelor de apă minerală. Emisiile de gaze sunt prezente și în zonele locuite din pivnițele caselor. Având în vedere pericolele pe care le pot produce concentrațiile mari de CO2 în locurile nesupravegheate, este esențială cartografierea acestor emisii și informarea locuitorilor. În cele din urmă, propunem identificarea punctelor potențiale pentru monitorizarea în viitor.

Raport stiintific pentru anul I

Membrii proiectului

• Boglárka-Mercedesz Kis (project leader, Babeș-Bolyai University, Faculty of Biology and Geology, Department of Geology )
• Dan Mircea Tămaș (researcher, Babeș-Bolyai University, Faculty of Biology and Geology, Department of Geology)
• Andreea-Rebeka Zsigmond (senior researcher, Sapientia Hungarian University of Transylvania, Faculty of Sciences and Arts, Department of Environmental Science)
• István Szöllősi (researcher, Babeș-Bolyai University, Faculty of Mathematics and Computer Science, Department of Mathematics and Computer Science of the Hungarian line)
• Roland Szalay (master student, Babeș-Bolyai University, Faculty of Biology and Geology, Department of Geology)
  
  

Colaboratori

• Szabolcs Harangi 
  MTA-ELTE Volcanology Research Group - https://scholar.google.com/citations?user=UkExFvAAAAAJ&hl=en&oi=sra
• László Palcsu - https://www.researchgate.net/profile/Laszlo_Palcsu
• Antonio Caracausi - https://scholar.google.com/citations?user=M5ciy3AAAAAJ&hl=en&oi=sra

Rezultate:

În următoarele prezentăm cele mai semnificative rezultate obținute.

Mare importanță a fost acordată cartării emisiilor de gaze unde am folosit diferite metode inovative. Unul era utilizarea aparatului Multi-GAS pentru cartarea in situ a gazelor libere. Rezultatele sunt prezentate în următorul articol științific: Compositional measurement of gas emissions in the Eastern Carpathians (Romania) using the Multi-GAS instrument: Approach for in situ data gathering at non-volcanic areas, cu autori, Kis Boglárka-Mercedesz, Szalay Roland, Alessandro Aiuppa, Marcello Bitetto, Palcsu László, Harangi Szabolcs, apărut în revista Journal of Geochemical Exploration în 2022. În studiul nostru am testat utilitatea unui sistem special conceput pentru aparatul Multi-GAS, folosit des în monitorizarea gazelor vulcanice. Acest aparat era echipat cu senzori de CO₂, CH₄ și H₂S, conceput special pentru mărurători în zone cu temperaturi scăzute. Aceste emisii de gaze la temperaturi scăzute, nu sunt direct legate de zone vulcanice active.

În zona de studiu din Carpații Orientali, câteva locații dispuneau de informații anterioare privind compoziția chimică a gazelor, realizate cu ajutorul tehnicilor analitice clasice, de exemplu gaz-cromatograf. Măsurătorile noastre efectuate cu aparatul Multi-GAS au fost comparate cu măsurătorile anterioare. Rezultatele noastre arată că există o bună corelație între metoda de gaz-cromatografie și metoda Multi-GAS, având un coeficient de corelație R = 0.70 pentru CO₂. Măsurătorile noastre au evidențiat anomalii pentru H₂S care, care în unele cazuri, depășesc limita superioară de detecție a senzorului nostru (Fig. 5).  Măsurătorile noastre au dovedit că aparatul Multi-GAS poate fi utilizată în investigațiile privind emisiile de gaze la temperaturi scăzute. Utilizarea Multi-GAS astfel deschide noi perspective în studierea și cartografierea emisiilor de gaze la temperaturi scăzute.

Am folosit și metode noi, inovative pentru cartare precum aplicația unei drone echipată cu o cameră termală. Rezultatele obținute sunt prezentate în articolul Tămas, D.M., Kis, B.M., Tămaș, A., Szalay, R. 2022, Identifying CO2 seeps in a long-dormant volcanic area using uncrewed aerial vehicle-based infrared thermometry: a qualitative study, Sensors, 22, 2719, doi:10.3390/s22072719

Ciomadul este o zonă vulcanică unde ultima erupție a avut loc în urmă cu 32 000 de ani. Locația de studiu, Peștera Puturosul aflat pe muntele cu același denumire, este bine cunoscută pentru emisiile puternice de CO₂ și H₂S. Gazele au un flux mare și sunt de origine magmatică, asociate cu activitatea lui Ciomadul. În acest studiu, vehiculul aerian fără echipaj (dronă) cuplat cu un senzor de infraroșu termic a fost utilizat pentru a identifica noi emisii. Pentru a realiza acest lucru, am efectuat mai multe campanii de teren, am efectuat achiziții de imagini și am creat modele digitale de afloriment. Studiul a fost efectuat la temperaturi ambientale scăzute pentru a identifica anomalii termice puternice din gaze. Folosind această metodă de studiu calitativă, am identificat câteva noi emisii. Aplicarea practică a acestei metode va servi drept ghid pentru o viitoare cartare regională termică în infraroșu și identificarea emissilor de CO₂ din zonă.

Originea gazelor este reflectată în principal de compoziția chimică și izotopică a probelor de gaze colectate la sfârșitul etapei 2. Dar am reușit să colectăm și eșantioane de roci și minerale pentru a analiza ce informații ne dau incluziunile de fluide. Rezultatele obținute au fost publicate în articolul următor: Molnár, K., Czuppon, Gy., Palcsu, L., Benkó Zs., Lukács R., Kis, B-M., Németh B., Harangi, Sz. 2021, Noble gas geochemistry of phenocrysts from the Ciomadul volcanic dome field (Eastern Carpathians), Lithos, 394-395, 106152, doi:10.1016/j.lithos.2021.106152

În acest studiu, am analizat compoziția izotopică a gazelor nobile din incluziuni de fluide din fenocristale de amfiboli, plagioclas și clinopiroxeni din material exploziv și domuri de lavă din complexul vulcanic Ciomadul. Clinopiroxenul din Malnaș prezintă cea mai mare valoare de Rc/Ra (3,2 ± 0,4 Ra), care se încadrează în intervalul de valori ale „end-member”ului caracteristic zonei Ciomadul, valoare definită de emisiile de gaze din prezent (Kis et al., 2019).

Valorile Rc/Ra ale amfibolului cu conținut ridicat de Al (1.16-2.11 Ra) din localitatea Bixad se suprapun, de asemenea, cu semnătura de heliu din emisiile de gaze mofetice actuale.

Contribuțiile din manta sunt rezultatele unei reîncărcări cu magmă proaspătă și a unui timp de rezidență mai scurt înainte de erupție. Amfibolul cu conținut scăzut de Al din localitatea Tușnad prezintă valori Rc/Ra mai mici (0.39-0.77 RA), și prezintă o cantitate mai mică (~20-30%) de contribuție de fluide din manta. Fluidele din plagioclasele din ambele localități sunt definite de origine dominant crustală, având valori Rc/Ra de 0.06-0.12. Amfibolul cu conținut scăzut de Al și fenocristale de plagioclas reprezintă un ansamblu de cristale formate la temperatură scăzută cu un timp de rezidență prelungit în rezervorul de magmă, astfel că semnătura lor primară de gaze nobile ar putea fi modificată de îmbătrânirea magmei, contribuția fluidului din crustă și/sau fracționarea difuză. Noile rezultate întăresc constatările anterioare conform cărora primitivul magme Ciomadul pot fi caracterizate de un R/Ra relativ scăzut ca urmare a metasomatismului intens al mantalei și întăresc concluziile cu privire la rata diferită a metasomatismului mantalei și a eterogenitățile la scară mică ale mantalei litosferice de sub regiune.

În Carpații Orientali găsim, pe lângă izvoarele minerale naturale, foraje/sonde hidrogeologice care au fost create pentru extragerea de apă minerală și CO₂ pentru industria de îmbuteliere. Aceste foraje/sonde pot furniza informații importante despre structura depozitelor geologice, despre adâncimile și sursa gazelor, deoarece sunt adesea situate în locații geologice/tectonice importante. Scopul nostru a fost de a investiga compoziția chimică a gazelor libere din foraje selectate. Investigația noastră era o provocare metodologică din cauza debitului ridicat de apă și gaze, a debitelor intermitente sau din cauza construcției lor, adesea dificil de accesat. Din acest motiv, am aplicat o metodă ieftină și artizanală, un butoi, care a făcut posibilă separarea fazei de gaz și a celei de apă, extragerea gazului și măsurarea cu un dispozitiv portabil special conceput, Multi-GAS. Tehnica butoiului realizat manual și celula închisă pentru separarea fazelor de gaz și apă au oferit posibilitatea de a obține informații despre concentrația de CO₂, CH₄ și H₂S din gazele provenite din foraje/sonde. Rezultatele au fost sumarizate în articulul trimis spre publicare și în prezent în evaluare: Szalay, R., Kis, B.M., Develompement of a low-cost instrumentation for the compositional measurement of gases derived from mineral water wells from the Eastern Carpathians, Trimis la Studia UBB Geologia, în evaluare.

În urma investigațiilor apelor minerale din zona cercetată, am cartat 130 surse naturale și foraje de ape minerale, aproape trei ori mau mult decât numărul estimat la începutul proiectului de cercetare(50). În cazul tuturor probelor de ape minerale am măsurat parametri fizico-chimici (temperatura, pH, conductivitate electrică, salinitate, debit) pe teren cu aparat Multiparametru Thermo Scientific aflată în posesia echipei de cercetare. Am prelevat probe pentru analiza chimică (ioni principali și microelemente, precum izotopi stabili) a apelor minerale. Măsurătorile de laborator au fost efectuate în laboratoarele Universității Babeș-Bolyai, Universitatea Sapientia din Cluj-Napoca, iar analiza izotopică a apei (δ18O și δ2H) și a carbonului inorganic total (TDIC) a fost efectuată în colaborare cu laboratorul Isotope Climatology and Environmental Research Centre, Institute for Nuclear Research (ATOMKI), Debrecen, Ungaria, sub supravegherea colaboratorului nostru, șeful laboratorului, dr. László Palcsu. Din cele 130 ape minerale au fost selectate 64 pentru evaluarea fluxului de carbon dizolvat din zona Ciomadul. Am selectat această zonă deoarece există publicații referitoare la fluxul de CO₂ liber (Kis et al., 2017) și cunoaștem originea gazelor (Kis et al., 2019), Fig. 9. Metoda folosită pentru calculul fluxului de gaz dizolvat este conform metodei descrise de Chiodini et al., 1999 și 2000.

Articole publicate:

1. Molnár, K., Czuppon, Gy., Palcsu, L., Benkó Zs., Lukács R., Kis, B-M., Németh B., Harangi, Sz. 2021, Noble gas geochemistry of phenocrysts from the Ciomadul volcanic dome field (Eastern Carpathians), Lithos, 394-395, 106152, doi:10.1016/j.lithos.2021.106152, IF.4.020, Q1 

2. Tămas, D.M., Kis, B.M., Tămaș, A., Szalay, R. 2022, Identifying CO2 seeps in a long-dormant volcanic area using uncrewed aerial vehicle-based infrared thermometry: a qualitative study, Sensors, 22, 2719, doi:10.3390/s22072719, 3.85, Q1 

3. Kis, B.M, Szalay, R., Aiuppa, A., Bitetto, M., Palcsu, L., Harangi, Sz. 2022, Compositional measurement of gas emissions in the Eastern Carpathians (Romania) using the Multi-GAS instrument: Approach for in situ data gathering at non-volcanic areas, Journal of Geochemical Explotarion, 240, 107051, https://org/10.1016/j.geoexplo.2022.107051 , IF. 4.166, Q2

Capitole de cărți publicate:

1. Jánosi, Cs., Szakáll S., Kis B.M., Kristály F., Harangi Sz., Péter É. 2021, Minerals, Mofettes, Mineral Waters and Spa Culture at Ciomadul, In Karátson D., Veres, D., Gertisser, R., Magyari E.K., Jánosi Cs., Hamback U. Eds., Ciomadul (Csomád), the youngest volcano in the Carpathians, Volcanism, Palaeoenvironment, Human Impact, Springer, Switzerland, pg. 121-145, https://doi.org/10.1007/978-3-030-89140-4 

2. Kis, B.M., Palcsu L. 2022, A Szent Anna-tó vizének stabilizotóp-összetétele, In Máthé I., Vörös L. Eds. A gyorsan változó Szent Anna-tó, Erdélyi Múzeum-Egyesület, Cluj-Napoca, pg. 51-53.

Participări la conferințe:

Am reușit împreună cu membrii echipei să participăm la mai multe manifestări științifice, organizate online datorită pandemiei sau on site în anul 2022. Aceste prezentări erau prezentări orale de 15-20 minute în fața unor audiențe internaționale.

1. Kis, B.M., Zsigmond A.R., Szalay, R., Șuteu-Szöllősi Ș.L., Tămaș, D.M., Harangi, Sz., Palcsu L., Geochemistry of gas emissions in the volcano-tectonic environment of the Eastern Carpathians: preliminary results, Sesiunea Științifică Anuală Ion Popescu Voitești, 11.12.2020, Online 

2. Kis, B. M. Gas emissions on a long dormant volcano. A case study of Ciomadul volcano, Eastern Carpathians, Romania-Geochemistry, Mineralogy, Petrology and Volcanology Online Talks, 17.02.2021, Online. 

3. Szalay, R. Real-time carbon dioxide mapping of the gas vents in the Ciomadul volcano (Eastern Carpathians, Romania), Kárpát-medencei fiatal magyar kutatók konferenciája, 30.03.2021, Online. 

4. Kis, B.M., Zsigmond, A., Urak I., Csucs B., Palcsu L., Mathe I. Seasonal variation of composition on mineral water springs from Szeklerland using chemical and isotopic investigations, 16^th Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences, 30.03-01.04.2021, Online. 

5. Kis, B.M., Palcsu, L., Zsigmond, A., Tamas, D., Suteu-Szollosi, S. L., Harangi, Sz. Geochemistry of gas emissions in the volcano-tectonic environment of the Eastern Carpathians, EGU General Assembly, 28.04.2021, Online 

6. Szalay, R., Kis, B., Harangi, Sz., Palcsu L., Imecs Z., A Csomád gázömléseinek térképezése és CO₂ vizsgálata, 22^th Mining, Metallurgy and Geology Conference, 7-8.05.2021, Online. 

7. Kis, B.M., Harangi, Sz., Palcsu, L., Zsigmond, A., Szalay, R., Tamas, D., Suteu-Szollosi, S. Why study an inactive to long dormant volcanic system? Challenges from a gas geochemical point of view, 1^st CCVG Virtual Workshop, 24-26.05.2021, Online. 

8. Kis, B.M., Zsigmond, A., Baciu, C., Karman K., Kekedy-Nagy L., Constraints ont he hydrogeochemistry and origin of the CO₂-rich mineral waters from the Eastern Carpathians-Transylvanian Basin boundary (Romania), International Symposium on Geofluids, 7-9.07.2021, Online. Premiul pentru cea mai bună prezentare orală. 

9. Tămaș, D.M., Kis, B.M., Tămaș, A., Szalay, R., Identifying CO2 seeps using uncrewed aerial vechicle-based infrareed thermometry, Sesiunea Științifică Anuală Ion Popescu Voitești, 10.12.2021, Online 

10. Kis, B.M., Palcsu, L., Zsigmond, A., Tamas, D., Suteu-Szollosi, S. L., Harangi, Sz. Geochemistry of gas emissions in the volcano-tectonic environment of the Eastern Carpathians, EGU General Assembly, 28.04.2022, Online. 

11. Bakó,G., Kis, B.M., Zsigmond, A.R., Szalay R., The relationship of mineral waters and the geological environment in the Borsec, Bilbor and Tulghes basins, 23^th Mining, Metallurgy and Geology Conference, 12-15.05.2022, Târgu Secuiesc, Premiul pentru cea mai bună prezentare orală, Prezentare Orală. 

12. Zsigmond A.R., Kis, B.M., Szalay, R., András, B., Bakó, G., Palcsu, L., Geochemical study of some mineral waters in the Eastern Carpathians, 17^th Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences, 06-09.04.2022, Cluj-Napoca, Prezentare Orală.