Amiről a kőzetek nyomelemei és izotópjai vallanak
Amiről a kőzetek nyomelemei és izotópjai vallanak
A geológiai folyamatok, amelyek valamely képződményt létrehoznak, valamilyen formában rögzülnek az ásványokban és kőzetekben. Ilyen kódokat rejtenek például a geokémiai adatok. A puszta számok (koncentrációértékek) közötti összefüggések feltárásával ezek a kódok megfejthetők, s a számok elkezdenek mesélni: hol, mikor és hogyan keletkezett a vizsgált kőzet. A kódfejtés eszközei a laikus számára egyhangú diagramok, a geokémikus szemében azonban ezek megelevednek és értékes információk sorát mutatják. Nézzük sorra, mit tudhatunk meg a geokémiai adatok értelmezésével!
A jelenleg vagy a közelmúltban keletkezett vulkáni kőzetek kemizmusát jól ismerjük. Ebből kiindulva megfejthetjük, hogy egy akár több száz millió évvel ezelőtt képződött magmás kőzet is milyen körülmények között alakult ki (lásd a Mezozoikumi magmatizmus és lemeztektonika című részt). Az inkompatibilis nyomelemek, valamint a radiogén izotóparányok segítségével az is megtudható, hogy hol és milyen típusú kőzet részleges megolvadásával jött létre a vulkáni kőzet elsődleges magmája. A nagyszámú geokémiai adat alapján ma már biztosan állíthatjuk, hogy nemcsak a földkéreg, hanem a földköpeny is heterogén összetételű. A Föld fejlődésének első egy milliárd évében a szilikátos ősköpenyből alakult ki az első kéreg. Akkor a Föld hőmérséklete magasabb volt, mint a mai, így jóval intenzívebb magmás tevékenység folyt. Az olvadás során a magmában feldúsultak az inkompatibilis elemek, a visszamaradt köpenyanyag viszont elszegényedett (kimerült) ezekben az elemekben. A magma kikristályosodásával folyamatosan épült az új földöv, a földkéreg. Ezzel két jelentős geokémiai rendszer jött létre: egy ún. „gazdagodott” földkéreg, valamint egy ún. „kimerült” felső-köpeny. A geokémikusok között nincs egyetértés abban, hogy vajon van-e olyan része a földköpenynek, ami még őrzi az ősköpeny geokémiai bélyegeit. Egyesek úgy gondolják, hogy az alsó-köpeny nem vett részt ebben a globális differenciációs folyamatban. Az azonban bizonyosnak tűnik, hogy a litoszféra-lemezek (legyen akár óceáni, akár kontinentális lemez) alatt nagy horizontális kiterjedésű „kimerült” földköpeny-zóna húzódik. Ez a zóna részlegesen olvadt állapotban lehet, mivel a földrengés-hullámok sebessége ebben a mélységközben lecsökken (alacsony sebességű zónának vagy ismertebb nevén asztenoszférának nevezik). Innen származnak az óceánközépi hátságok mentén feltörő bazaltmagmák. A forráskőzet jellege a bazalt kemizmusában is tükröződik: a kőzet inkompatibilis elemekben szegény (lásd a Kelet-pacifikus hátság bazaltjának nyomelem-eloszlási görbéjét az ábrán). Közeledő lemezszegélyek mentén az óceáni litoszféra-lemez szubdukálódik, alábukik a földköpenybe. Mintegy 80–100 km mélységben a lefelé hatoló kőzetlemezből és a felületén magával sodort üledékes kőzetanyagból eltávoznak az illó fázisok (pl. víz), és magukkal viszik a könynyen mobilizálható elemeket. Ezek éppen a nagy ionsugarú és kis iontöltésű nyomelemek, mint pl. a rubídium, a kálium, a bárium, amelyek egyúttal a leginkább inkompatibilis nyomelemek is. A nehezen oldatba lépő elemek (pl. nióbium, tantál, titán, cirkónium) viszont bennmaradnak a szubdukálódó lemezben. Az eltávozó oldatok átjárják a felső-köpeny anyagát, lecsökkentik az ásványok olvadáspontját, ami részleges olvadáshoz vezethet. A szubdukciós övek vulkáni kőzeteiben ezért általában viszonylag magas az erősen inkompatibilis nyomelemek koncentrációja, valamint jellemző rájuk a viszonylagos nióbium-, tantál- és titánhiány (lásd a Szunda-szigetív bazaltandezitjének görbéjét az ábrán). A földköpenyben azonban vannak „gazdagodott” területek is. Az óceáni szigetek bazaltjai vagy a kontinentális riftekhez kapcsolódó bazaltok (ún. lemezen belüli bazaltok) kemizmusában ez világosan tükröződik. Ezek a bazaltok vagy a litoszféra alsó részének részleges megolvadásával képződnek, vagy forró, mélyről (a mag és köpeny vagy az alsó- és felső-köpeny határáról) jövő köpenyáram (ún. köpenycsóva) hatására alakulnak ki. Ezek a köpenycsóvák olyan rétegekből indulnak ki, amelyek több mint egymilliárd éve szubdukálódott óceáni kőzetlemezek felhalmozódott anyagából állnak.
Gránittartalmú dácitblokk vékonycsiszolatának mikroszkópi képe (Királyrét, Börzsöny hegység). A kőzetek meghatározását – kémiai elemzésük mellett – a jellegzetes ásványok felismerése is segíti (Karátson Dávid és Szakmány György felvétele.)
Mindezeket figyelembe véve vizsgáljuk meg néhány hazai magmás kőzet kemizmusát, próbáljuk megfejteni a rejtett kódokat! Az ábrán (lent) három hazai magmás kőzet sokelemes eloszlási diagramját, valamint stroncium- és neodímium-izotóparány diagramját mutatjuk be. A sokelemes diagram értékelését a korábbi ábrával való összehasonlítással végezzük el. A 120 millió éves mecseki bazalt nyomelemeloszlási görbéjére az erősen inkompatibilis elemekben való gazdagság jellemző. Lényeges elem-anomália nem látható, a görbe lefutása a lemezen belüli – többnyire köpenycsóvákhoz kapcsolódó – bazaltokéhoz (pl. a dél-atlanti-óceáni Gough-sziget bazaltjáéhoz) hasonlít. Figyelembe véve a földtani adatokat, a mecseki bazalt képződését kontinentális riftesedés eredményezte, hasonlóan ahhoz, mint amit jelenleg a Kelet-afrikai hasadékvölgy mentén tapasztalunk. A délnyugat-bükki (szarvaskői) bazalt, amely 160 millió éves, geokémiailag erősen különbözik mecseki rokonától. Nyomelem-eloszlási görbéje többé-kevésbé párhuzamosan fut az óceánközépi hátságok mentén képződő bazaltok referencia-vonalával (lásd a Kelet-pacifikus hátság bazaltjának görbéjét). Képződése tehát óceáni környezetben történt. Ha még gondosabban vizsgáljuk az elemeloszlási görbét, további kódokat fejthetünk meg. A szarvaskői bazalt bizonyos elemekben – pl. rubídium, bárium, tórium – nagyobb koncentrációt mutat, mint általában az óceáni hátságok bazaltjai. Mindez azzal magyarázható, hogy a bazalt képződése nem egy óceánközépi hátság mentén történt (mint pl. jelenleg a Kelet-pacifikus hátság bazaltjai), hanem egy szubdukciós ív mögötti medencében. A kisebb elemeltéréseket, anomáliákat alábukó lemezből távozó és a szarvaskői bazalt forráskőzetét átalakító (metaszomatizáló), mobilis elemekben gazdag fluidumok okozták (lásd az előző bekezdést). A legváltozatosabb elemeloszlást a Börzsöny 14 millió éves bazaltandezitje mutatja: erősen inkompatibilis elemekben való gazdagság, kis „árkok” a nióbiumnál és titánnál. Mindez a szubdukcióhoz kapcsolódó vulkáni kőzetek félreismerhetetlen bizonyítéka (lásd a Szunda-szigetív bazaltandezitjének elemeloszlását). E diagram segítségével tehát máris megtudtuk, hogy milyen lemeztektonikai környezetben képződött néhány magmás kőzetünk. Az izotóp-geokémiai vizsgálattal mélyebb összefüggéseket is feltárhatunk. A Pannon-medence 2–7 millió éves bazaltjainak (pl. Badacsony, Haláp, Sághegy, Csobánc) magmái különböző mértékben „kimerült” földköpenyből, azaz az asztenoszférából keletkeztek, hasonlóan a mecseki 120 millió éves bazaltok, valamint a szarvaskői bazaltok olvadékaihoz. Az utóbbiak esetében a tengervízzel való kölcsönhatás miatt kissé megnőtt az εSr-értéke (lásd az ábrán). Ezzel szemben a Börzsöny, Cserhát, Mátra és a Tokaji-hegység 10–15 millió éves andezitvulkánjait tápláló magmák „gazdagodott” köpenyforrásból származnak. Érdemes megfigyelni a mintapontok eloszlását: görbe vonalú trend mentén helyezkednek el. A trend felső végpontja az asztenoszféra-eredetű óceáni hátsági bazaltok és a köpenycsóva-eredetű bazaltok közé mutat, a másik végpont az óceáni üledékek területén helyezkedik el. Milyen általános következtetések vonhatók le mindebből? A hazai vulkáni kőzetek kiindulási olvadékai az asztenoszféra részleges megolvadásával keletkeztek, amely folyamatot elősegíthette egy mélyről jövő forró köpenyáram (köpenycsóva) „melegítő” hatása is. A két köpenyanyag változó mértékben keveredhetett is egymással. A miocén korban, a Kárpátok íve mentén folyó szubdukció során több-kevesebb üledékes kőzet is lejuthatott a földköpenybe. Az ebből származó olvadékok és oldatok átjárták és átalakították a földköpeny egy részét, amelyből az Északi-középhegységet alkotó vulkánjaink magmái származtak.
Néhány hazai magmás kőzet nyomelemeinek koncentrációeloszlási görbéje és εND –εSr diagramja (lent; csillagok – szarvaskői 180 millió éves bazaltok; sötét körök – mecseki 120 millió éves bazaltok; üres négyzetek – nógrádi, kisalföldi és balaton-felvidéki 2-7 millió éves bazaltok; sötét négyzetek – börzsönyi, cserháti, mátrai, tokaji-hegységi 10-15 millió éves andezitek). A diagramok értelmezését lásd a szövegben
A magmás kőzetek tehát fontos emlékei a lemeztektonikai eseményeknek, kemizmusuk érzékenyen jelzi a Föld mélyében zajló eseményeket. A hazai geokémiai kutatások nemzetközileg is elismert eredményeket produkáltak, amelyek mint kicsi téglák behelyezhetők térségünk földtörténeti fejlődésébe és hozzájárulnak bolygónk folyamatainak jobb megismeréséhez.
