2003. Potrus Eötvös Collegiumért Vándordíj Pro Scientia Aranyérem 2004 I. hely a Magyarhoni Földtani Társulat Ifjúsági Ankétján (poszter)

Átírás

1 Kovács István Miskolc, 1980 ELTE TTK Kzettani és Geokémiai Tanszék Litoszféra Fluidum Kutató Laboratórium Bp. Pázmány Péter sétány 1/C. (+36) ext Tanulmányai: Szent László Gimnázium, Mezõkövesd Eötvös Loránd Tudományegyetem, geológus szak, hidrológia szakirány Eötvös Loránd Tudományegyetem, Földtan/Geofizika PhD program Jelenlegi munkahely: ELTE, Kõzettani és Geokémiai Tanszék, ösztöndíjas doktorandusz Tudományos tevékenység: Xenolitok kõzettani és geokémiai vizsgálata A Pannon-medence geodinamikája Oktatási tevékenység: geokémia Magyarország geológiája fizikaikémia Díjak, kitüntetések: Kar Kiváló Hallgatója, ELTE TTK 2002 Köztársasági Ösztöndíj Kar Kiváló Hallgatója, ELTE TTK 2002 I. hely a Magyarhoni Földtani Társulat Ifjúsági Ankétján (elõadás) 2003 Köztársasági Ösztöndíj Kar Kiváló Hallgatója, ELTE TTK 2003 I. hely a Magyarhoni Földtani Társulat Ifjúsági Ankétján (elõadás) Potrus Eötvös Collegiumért Vándordíj Pro Scientia Aranyérem 2004 I. hely a Magyarhoni Földtani Társulat Ifjúsági Ankétján (poszter) Ösztöndíjak, tanulmányutak: 2001 EMU ösztöndíj, Lübeck, (Németország, 1 hét) 2002 IGCP430, UNESCO ösztöndíj, Halong Bay (Vietnam, 10 nap) 2002 EU ösztöndíj, University of Bristol, Geokémiai Laboratórium (Egyesült Királyság, 2 hét) 2003 Orosz Tudományos Akadémia, Szibériai Csoport, Kõzettani és Ásványtani Intézet, Novoszibirszk (Oroszország, 2 hét) 2003 Koreai Tudományos Akadémia, Pusan National University (Koreai Köztársaság, 10 nap) Nyomtatásban megjelent tudományos közleményeinek száma: 2 Konferencia elõadásainak száma: 13 Legjelentõsebb 5 publikációja: Kovács, I. & Szabó, Cs. (2003) Miért éppen Vietnam? Természet Világa., 134, Kovács I., Bali, E., Kóthay, K., Szabó, Cs., Nédli, Zs. (2003) Bazaltos kõzetekben elõforduló kvarc és földpát xenokristályok petrogenetikai jelentõsége. Földtani Közlöny., 133/3, Kovács, I., Zajacz, Z., Szabó, Cs. (2004) History of the Lithosphere Beneath the Nógrád-Gömör Volcanic Field (N-Hungary/S-Slovakia). Tectonophysics., in press Szabó, Cs., Falus, Gy.,. Zajacz, Z., Kovács, I., Bali, E. (2004) Composition and Evolution of Lithosphere beneath the Carpathian-Pannonian Region: a review. Tectonophysics. in press Kovács, I. & Szabó, Cs. (2004) Keresztül-kasul Dél-Koreán Természet Világa (közlésre elfogadva) Kedvenc szabadidõs tevékenységei: zenehallgatás, labdarúgás, túrázás 204

2 A nógrád-gömöri granulit xenolitok petrogenetikai és geodinamikai jelentsége Bevezetés Az irodalom az alkáli bázisos kzetekben elforduló ultrabázisos zárványokat modális összetélük és geokémiai jellegük alapján két alapvet csoportba sorolja. A Cr-diopszid (Type I) sorozat kimerült jelleg, különösen olivinben és ortopiroxénben gazdag zárványokat foglal magában, amelyek a reziduális köpenylitoszférát képviselik. Az Al-augit (Type II) sorozat bazaltos elemekben gazdagodott karakter zárványai ezzel szemben klinopiroxénbl, kisebb mennyiségben olivinbl, spinellbl állnak és mélységi magmás kzetre jellemz szövettel jellemezhetk. A Kárpát-Pannon régióban elforduló alkáli bazaltok zárványaival különösen az utóbbi évtizedben számos kutató foglalkozott [Embey-Isztin et al. (1989), Downes et al. (1992), Szabó & Taylor (1994), Vaselli et al. (1995), Szabó et al. (1995), Downes & Vaselli (1995), Vaselli et al. (1996)]. Ezen belül a nógrád-gömöri Cr-diopszidos xenolitok petrogenetikáját részletesebben Szabó & Taylor (1994) ismertette. Az itt elforduló dönten klinopiroxénbl felépül zárványok részletes petrográfiai és geokémiai vizsgálatát Kovács et al. (2004) és Zajacz & Szabó (2003) végezték el. Vizsgálataink során lettünk figyelmesek, a Kárpát- Pannon régióban egyedülálló, és eddig nem tanulmányozott szövet és ásványos összetétel xenolitokra. A mintákat a Salgótarjántól nyugatra lév Baglyaskrl gyjtöttük be (1. ábra). A zárványok speciális szövet, spinell-földpátklinopiroxén ásvány-együtteseket tartalmaznak, ahol a centrumban található spinell magokat földpát és klinopiroxén szegélyezi, bár a földpát esetenként hiányozhat. Ez a szöveti elrendezdés valamely elzetesen jelenlév fázis(ok)ra enged következtetni. Az ásvány-együttesek mellett dönten klinopiroxénbl és amfibolból épül fel a kzet (2. ábra). A részletes petrográfiai és geokémiai (f- és nyomelem) vizsgálataim során ezen speciális ásványi és szöveti összetétel együtteseket tartalmazó xenolitok genetikájára és fejldésére keresem a választ. F célom volt, hogy meghatározzam az átalakulást szenvedett ásvány összetételét és azt a p-t-t utat, amelyet a vizsgált zárványok bejárhattak. Továbbá összehasonlítottam a zárványokat a Kárpát-Pannon régió és a világ néhány hasonló elfordulásával. Kzettan, geokémia Az nógrád-gömöri Baglyaskrl elkerült klinopiroxenitek és hornblenditek kzettani és geokémiai tulajdonságaikat tekintve leginkább az alsókéreg eredet granulit xenolitokra emlékeztetnek. A kzetek vizsgálatához, azokat a kzetalkotó ásványokat válsztottam ki, amelyek feltehetleg a legkisebb mérték átalakulást szenvedték el a különböz kémiai és 205

3 fizikai hatások során, ezért esett a választásom az elsdleges spinellre, klinopiroxénre, földpátra, (sp I, cpx I, fdp I), amelyek relikt ásványok és leginkább megtarthatták az eredeti összetételt. Ezeket az összetételeket összevetettem az irodalomból ismert jellegzetes granulitokkal [Kerguelen-plató (Gregoire et al., 1998), Bakony-Balatonfelvidék (Embey-Isztin et al., 2003), San Francisco vulkáni terület (Chen & Arculus, 1995), Horoman komplexum (Moroshita & Arai, 2002), Kola félsziget (Markwick & Downes, 2000) és a Kanári szigetekrl, az óceáni lemezbl származó xenolitokkal (Schmincke et al., 1998)]. Az összehasonlítás alapján a vizsgált minták leginkább a Bakony-Balaton-felvidékrl származó óceáni lemez eredet mafikus granulitokhoz, a Kerguelen-platóról származó mafikus granulitokhoz és a San Francisco vulkáni terület mafikus granulit xenolitjaihoz mutatnak hasonlóságot f- és nyomelem összetételében. A Kanári-szigetekrl származó óceáni lemezt reprezentáló mafikus xenolit sorozat mutatja a legjelentsebb különbségeket, hiszen ezek a kzetek még nem metamorfizálódtak granulit fáciesnek megfelel körülmények között. Megállapítható tehát, hogy a vizsgált xenolitok modális összetételük, valamint f- és nyomelem eloszlásuk alapján az alsókéreg eredet granulit xenolitoknak megfelel értékeket mutatnak.! "# $% & $' ( ' # ) ' ( % $ #' )* +#' ( ) )' )$ ' ) % ( ) * % "$$ $', ( *' + $ )#' $$ )- $ )*, % " Olvadási folyamatok $)* A kzettani vizsgálatok alapján a ),).!/% granulit xenolitokban olvadás történt, majd 0* 1,$'( 1, egyes ásványok újrakristályosodtak a képzd ('(21(' olvadékból. A kzetolvadék jelenléte fleg a dolgozat tárgyát képez sp-cpx és sp-fdp-cpx 1,'21 3 halmazok esetében jelents, ahol az olvadék mennyisége lokálisan akár a 40 tf%-ot is elérheti. E reakció zónák centrumában található elsdleges spinelleket (sp I) szabálytalan lefutású, enyhén rezorbeált szegély övezi (2. ábra) jelezvén, hogy az olvadás ezt a fázist sem hagyta teljesen érintetlenül. A körölöttük megjelen szivacsos szövet, számtalan féregszer szilikátolvadék-zárványt és vas-oxidot tartalmazó másodlagos földpátok is (fdp II) megolvadásra utaló jeleket mutatnak (2. ábra). Kémiailag a szegélyek felé haladva egyre bázisosabb - anortit komponensben gazdagabb - földpátokat találunk. A 3. ábrán az An-Ab- Or háromszögben tüntettem fel az elsdleges, másodlagos és a befogadó bazalt alapanyagában elforduló földpátok összetételét. A 3. ábra alapján kizárható, hogy a befogadó bazaltnak jelentsebb hatása lehetett volna a megolvadó földpát összetételének 206

4 meghatározásában, hiszen ebben az esetben, Na- és K-ban való gazdagodást kellene tapasztalnunk, a földpátok szegélyei azonban Ca-ban gazdagodnak. A megfigyelt tendenciát a plagioklász olvadásával és bázisosabbá válásával értelmezhetjük, amely a folyamat során bekövetkez hmérséklet emelkedésére utal. Miközben a képzd olvadék SiO 2 - és alkáliákban gazdagodik a földpát átalakulásának eredményeképpen. A másodlagos klinopiroxének (cpx II) saját alakúak, rombusz átmetszetek és gyakran tartalmaznak másodlagos spinell beágyazódásokat. Szöveti bélyegek alapján a klinopiroxének (cpx II) a keletkezett olvadékból kristályosodtak. A másodlagos klinopiroxének zónásak, és a szegélyükön inkompatibilis bazaltos elemekben (Ti, Fe, Al) gazdagodnak és MgO-ban szegényednek. A másodlagos klinopiroxének irányába mutató trendek iránya eltér a befogadó bazaltban található 3. ábra A vizsgált nógrád-gömöri xenolitok földpátjainak összetételei az An-Ab-Or háromszögben. Összehasonlításképpen feltüntettem a nógrád-gömöri alkáli bazaltok alapanyagában lév földpátok összetételét is. A fekete nyíl az összetételbeli változás trendjét jelzi a megolvadó, másodlagos földpátok esetére. klinopiroxén kristályokra jellemz értékektl. A bazaltos elemek növekv koncentrációja a másodlagos klinopiroxének szegélyén arra utal, hogy a maradékolvadék fokozatosan dúsult a másodlagos klinopiroxének kristályosodása során inkompatibilisebb elemekben (Al, Ti, Fe). A fentiek alapján megállapítható, hogy elssorban a jellegzetes sp+cpx és sp+fdp+cpx csomók helyén olvadás következett be, amely elssorban a plagioklászok részleges megolvadását eredményezte, majd az olvadékból klinopiroxén és amfibol kristályosodott. A kristályosodó fázisok és a befogadó bazaltban található hasonló ásványok geokémiája arra utal, hogy a képzdött olvadékra a befogadó bazalt nem gyakorolt kimutatható hatást. Az olvadás mértéke a szöveti elemzések alapján kismérték lehetett (kb. <4%), így felteheten in situ olvadásról beszélhetünk, amelyet alátámaszthat az elsdleges klinopiroxének ritkaföldfémekben viszonylag kimerültebb karaktere is. Az olvadásra és újrakristályosodásra valószínleg nagyobb mélységben kerülhetett sor, amellyel összhangban vannak a termobarometriai vizsgálatok eredményei is (6-7 kbar nyomás Nimis (1995) módszere alapján, lásd késbb a termobarometriai fejezetben) és a jellegzetes koncentrikus szöveti elemek megrzdése is. Ásvány átalakulási reakciók A dologozat egyik f célkitzése annak megválaszolása, hogy a sp-cpx és sp-fdp-cpx jellegzetes ásványegyüttesek milyen folyamat során keletkeztek. Jellegzetes izometrikus alakjuk és az egyes ásványok meghatározott szöveti elrendezdése alapján feltételezhet, hogy a fázisok valamely, már elzetesen is jelenlév ásvány(ok) átalakulásával jöttek létre. Sachs & Hansteen (2000) az Eifel-hegység alkáli bazaltjaiban található klinopiroxenit zárványokban bukkantak a gránát után megjelen spinell-földpát-klinopiroxén együttesekre, ahol esetenként ortopiroxén is megjelent. Éltérés mindössze annyi, hogy a szimplektitek nem mutattak a nógrád-gömöri xenolitokban tapasztaltakhoz mérték olvadásra. Az eifel-hegységi szimplektitekben megjelen fázisok összetétele hasonló a dolgozatban vizsgált zónákat alkotó 207

5 fázisokéhoz. A feltételezések szerint a gránát és a klinopiroxén kölcsönhatása során képzdtek a szimplektitet felépít ásványok (I., II. egyenlet). (I) gránát ± klinopiroxén1 = klinopiroxén2 + hercinit + plagioklász (II) gránát = ortopiroxén + hercinit + plagioklász Figyelembe véve ezeket az eredményeket és Sachs & Hansteen (2000) által közölt gránát mellett megjelen ásványok összetételeit megállapítható, hogy a vizsgált nógrád-gömöri xenolitokra jellemz sp-cpx és sp-fdp-cpx-bl álló reakció zónák legvalószínbben gránát utáni átalakulási termékek lehetnek. Az eltérésekre az adhat magyarázatot, hogy az irodalomban bemutatott példákkal ellentétben, a tárgyalt zónák olvadáson is átestek. Ezzel az ortopiroxén hiánya is magyarázható, hiszen mint azt Faure et al. (2001) kimutatta az ortopiroxén Al-gazdag közegben klinopiroxénné alakulva örökldik át. Így ha még az eredeti szimplektit tartalmazott volna ortopiroxént az az olvadás folyamán eltnt volna. 4. ábra A granulitok stabilitási diagramja a litoszférában. Az ábrán a gránát és gránátmentes klinopiroxenitek stabilitási mezejét is feltüntettem, valamint a vizsgált xenolitok p-t fejldésének útját. [(1) olivin + plagioklász = ortopiroxén+klinopiroxén+spinel, (2) ortopiroxén+plagioklász+spinell = zaffirin + klinopiroxén, (3) ortopiroxén + plagioklász + spinell = zaffirin + gránát, (4) ortopiroxén + plagioklász + spinel = gránát + klinopiroxén, (5) anortit + spinell = korund + diopszid (Gregoire et al., 1998; Morishita & Arai, 2001)]. A nógrád-gömöri granulit xenolitok retrográd p-t útat reprezentálnak: (1) a gabbroidális eredet protolitok metamorfizálódása granulit fácies körülmények között, (2) a vizsgált granulit xenolitokra jellemz csúcsmetamorfózis körülményei, (3) a metamorfitok retrográd fejldési szakasza, a kéreg kivékonyodásának els szakaszában a gránát lebomlásával és új sp+cpx+plg ásvány-együttes kialakulásával, majd részleges megolvadással, (4) egyensúlyba kerülés az új kéregvastagságnak megfelelen, ami hasonló a kumulátumokra jellemz p-t viszonyokhoz (Kovács et al., 2004). A granulitok metamorf fejldése Az abszolut nyomásértékek meghatározásához a magmás kristályosodás során képzdött klinopiroxénekre kidolgozott Nimis-féle eljárást alkalmaztam (Nimis, 1995). A módszer lényege, hogy a klinopiroxén kémiai összetétele alapján és a különböz kationpozíciók betöltöttsége alapján becsülhet nyomás, amelynek hibája ± 2 kbar. A másodlagos klinopiroxének esetében 7-6 kbar közelében lév értékeket adott, amely a kéreg átlag-srségét (2,7 kg/m 3 ) figyelembe véve, kb km-es mélységnek felel meg. Ez a tartomány a geofizikai adatok alapján, (Horváth, 1993; Lenkey, 1999) hozzávetlegesen a Nógrád-Gömör vulkáni terület alatti, jelenlegi kéreg-köpeny határnak felel meg. Az egyensúlyi hmérséklet a granulitokat alkotó fázisok (spinell + klinopiroxén + pargasit + plagioklász + olvadék) alapján o C- nak felel meg. Amennyiben elfogadjuk azt, hogy a vizsgált ásvány-asszociációk gránátot tartalmaztak, akkor megállapítható, hogy a o C közötti hmérsékletet figyelembe véve, a vizsgált xenolitoknak 11 kbar-nál nagyobb 208

6 nyomáson kellett metamorfizálódnia (Gregoire et al, 1998), ugyanis bázisos kzetekben (granulit, klinopiroxenit stb.) ezen a nyomáson jelenik meg a gránát. Figyelembe véve az elsdleges gránát-tartalmú kzet által jelzett minimális nyomást (11 kbar) és a másodlagos klinopiroxének által becsülhet nyomást (~7 kbar), a két fejldési fázis között kb. egy 4 kbaros nyomás-különbség becsülhet, ami kb km-es kéreg kivékonyodásnak is felfogható. A kapott eredmény összhangban van Török (1995) által megadott, szintén gránátpiroxenites granulitokra vonatkozó nyomáscsökkenéssel a Bakony - Balaton-felvidék területen. Figyelembe véve a Pannon-medence tágulásának kezdeti szakaszában a kéregre jellemz β = 1,4 1,6-os kivékonyodási faktort (Huismans et al, 2001), a kéreg megnyúlási periódus eltti vastagsága kb. 40 kilométer lehetett, amely megfelel a jelen dolgozatban vizsgált granulitok által eredetileg képviselt minimális nyomásnak (11 kbar). Mindezek tükrében megállapítható, hogy a xenolitokban megfigyelt olvadást nemcsak a hmérséklet emelkedés, hanem a jelentékeny nyomáscsökkenés is befolyásolhatta (4. ábra). Az elzek alapján a vizsgált granulit xenolitok mafikus protolitjai a gránátklinopiroxenitekre jellemz p-t viszonyok között kerülhettek egyensúlyba, majd a Pannonmedence kivékonyodásának els szakaszában kb km emelkedtek. A nyomáscsökkenés és a hmérséklet hatására részben megolvadtak. Érdemes hangsúlyozni, hogy a nógrád-gömöri területen idsebb andezites és riolitos képzdmények is megjelennek, amelyek keletkezését Harangi et al. (2001) és Harangi (2001) a metaszomatizálódott szubkontinetális litoszféra kzetek extentió hatására történt parciális olvadásával hozza összefüggésbe. A jelen geokémiai és petrográfiai ismeretek tükrében a vizsgált granulit xenolitok legvalószínbben egy ilyen forráskzet olvadási folyamatának a nyomait viselhetik magukon. Irodalomjegyzék: Chen, W. & Arculus, R. J. (1995) Geochemical and Isotopic characteristic of lower crustal xenoliths, San Francisco Volcanic Field, Ariyona, U.S.A., Lithos, 36, Downes, H. & Vaselli, O. (1995) The lithospheric mantle beneath the Carpathian Pannonian Region: a review of trace element and isotopic evidence from ultramafic xenoliths., Acta Vulcanologica, 7, Downes, H., Embey-Isztin, A., Thirlwall, M. F. (1992) Petrology and geochemistry of spinel peridotite xenoliths from the western Pannonian Basin (Hungary): evidence for an association between enrichment and texture in the upper mantle., Contribution to Mineralogy and Petrology, 109, Embey-Isztin, A., Downes, H., Kempton, P. D., Dobosi, G., Thirwall, M. (2003) Lower crustal granulite xenoliths from the Pannonian Basin, Hungary. Part 1: mineral chemistry, thermobarometry and petrology. Contribution to Mineralogy and Petrolgy, 144, Embey-Isztin, A., Scharbert, H.G., Dietrich, H., Poultidis, H. (1989) Petrology and geochemistry of peridotite xenoliths in alkali basalts from the Transdanubian Volcanic Region, West Hungary., Journal of Petrology, 30, Faure, F., Trolliard G., Montel, J-M., Nicollet, C. (2001) Nano-petrographic investigation of a mafic xenolith (maar de Beaunit, Massif Central, France)., Eur. J. Mineral, 13, Gregoire, M., Cottin, J. Y., Giret, A., Mattielli, N., Weis, D. (1998) The meta-igneous granulite xenoliths from Kerguelen Archipelago: evidence of a continent nucleation in an oceanic setting., Contrib. Mineral. Petrol., 133, Harangi, Sz. (2001) Neogene to Quaternary volcanism of the Carpathian-Pannonian Region a review. Acta Geologica, 44, 2-3, Harangi, Sz., Downes, H., Kósa, L., Szabó, Cs., Thirlwall, M.F., Mason, P.R.D. & Mattey, D. (2001) Almandine garnet in calc-alkaline volcanic rocks of the Northern Pannonian Basin (Eastern-Central Europe): geochemistry, petrogenesis and geodynamic implications., Journal of Petrology, 42/10, Horváth, F. (1993) Towards a mechanical model for the formation of the Pannonian basin., Tectonophysics, 226, Huismans, R. S., Podladchikov, Y. Y., Cloetingh, S. (2001) Transition from passive to active rifting: relative importance of asthenospheric doming and passive axtension of the lithosphere., Journal of Geophysical Research, 106, Kovács, I., Zajacz, Z., Szabó, Cs. (2004) History of the Lithosphere beneath the Nógrád-Gömör Volcanic Field, Carpathian-Pannonian Rwegion (N-Hungary/S-Slovakia)., Tectonophysics (in press). 209

7 Lenkey, L. (1999) Geothermics of the Pannonian Basin and its bearing on the tectonics of basin evolution., Vrije Universiteit, PhD tehis pp Markwick, A. J. W. & Downes, H. (2000) Lower crustal granulite xenoliths from the Arkhangels kimberlite pipes: petrological, geochemical and geophysical results., Lithos, 51, Morishita, T. & Arai, S. (2001) Petrogenesis of corundum-bearing mafic rock in the Horoman peridotite complex, Japan., Journal of Petrology, 42, Nimis, P., A clinopyroxene geobarometer for basaltic systems based on crystal-structure modeling. Contrib. Mineral. Petrol. 121, Sachs, P. M. & Hansteen H. T. (2000) Pleistocene underplating and metasomatism of the lower continental crust: a xenolith study., Journal of Petrology. Vol. 41. No Schmincke, H. U., Klügel, A., Hansteen, T. H., Hoernle K., Bogaard, P. V. D. (1998) Samples from the Jurassic ocean crust beneath Gran Canaria, La Palma and Lanzarote (Canary Islands)., Earth and Planetary Science Letters, 163, Szabó, Cs. & Taylor, L.A. (1994) Mantle petrology and geochemistry beneath Nógrád-Gömör Volcanic Field, Carpathian-Pannonian Region., International Geological Review, 36, Szabó, Cs., Harangi, Sz., Vaselli, O., Downes, H. (1995) Temperature and oxygen fugacity in peridotite xenoliths from the Carpathian-Pannonian Region, Acta Vulcanologica, 7, Török, K. (1995) Garnet breakdown reaction and fluid inclusions in a garnet-pyroxenite xenolith from Szentbékkálla (Balaton Highland, Western Hungary)., Acta Volcanologica, 7, Vaselli, O., Downes, H., Thirlwall, M., Dobosi, G., Coradossi, N., Seghedi, I., Szakacs, A., Vannucci, R. (1995) Ultramafic xenoliths in Plio-Pleistocene alkali basalts from the eastern Transylvanian basin: depleted mantle enriched by vein metasomatism., Journal of Petrology, 36, Vaselli, O., Downes, H., Thirlwall, M.F., Vannucci, R., Coradossi, N. (1996) Spinel-peridotite xenoliths from Kapfenstein, (Graz Basin, Eastern Austria): a geochemical and petrological study., Mineralogy and Petrology, 57, Zajacz, Z. and Szabó, Cs., Origin of sulfide inclusions in cumulate xenoliths from Nógrád-Gömör Volcanic Field, Pannonian Basin (North Hungary/South Slovakia) Chem. Geol

8 211