Alkáli bazaltos magma fejlődéstörténete szilikátolvadékzárványok vizsgálata alapján, a balaton-felvidéki Hegyestű és Haláp példáján Kóthay Klára Doktori értekezés tézisei Földtudományi Doktori Iskola Vezetője: Dr. Gábris Gyula D.Sc., egyetemi tanár (Természetföldrajzi Tanszék) Földtan-Geofizika Doktori program Programvezető: Dr. Monostori Miklós D.Sc., egyetemi tanár (Őslénytani Tanszék) Témavezető: Dr. Szabó Csaba, Ph.D. egyetemi docens, ELTE Kőzettani és Geokémiai Tanszék Litoszféra Fluidum Kutató Labor Dr. Török Kálmán C.Sc., ELGI, Budapest Konzulensek: Dr. Victor V. Sharygin, SB RAS, UIGGM, Fluidkutató Laboratórium, Novoszibirsz Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Kőzettani és Geokémiai Tanszék Litoszféra Fluidum Kutató Labor Budapest, 2009
Tartalomjegyzék Bevezetés... 2 Vizsgálati módszerek, felhasznált eszközök... 3 Eredmények... 3 Köszönetnyilvánítás... 5 A doktori munka keretében készült publikációk és kivonatok jegyzéke... 6 Hivatkozott irodalmak jegyzéke... 9
Bevezetés Már az alkáli bazaltok kőzettani és geokémiai vizsgálatával alapos ismereteket nyerhetünk a földköpenyről és az ott lejátszódó folyamatokról (pl. parciális olvadás, metaszomatózis, olvadék differenciáció, stb.). A szilikátolvadék-zárványok vizsgálatával azonban, lévén ezek zárt rendszerben felszínre került magma cseppek, pontosabb képet kaphatunk a felsőköpenyben uralkodó és a parciális olvadáskor jellemző fizikai és kémiai körülményekről, a felemelkedés során a magmában lejátszódó folyamatokról és az olvadékok viselkedéséről, mint a befogadó bazalt teljes kőzet összetételének vizsgálatával. Ezenkívül az olvadékok egyik nagyon fontos komponensének - az illóknak - mennyiségi és összetételi vizsgálata is lehetővé válik. Márpedig a földköpenyben jelenlévő és migráló illók fontos szerepet játszanak az ott lejátszódó folyamatokban (pl. olvadékképződés, metaszomatózis, deformáció). A Kárpát-Pannon régió (KPR) alkáli bazaltjai (pl. Embey-Isztin et al 1993; Harangi 2001; Seghedi et al. 2004) és a bennük előforduló felsőköpeny eredetű peridotit xenolitok eddigi kutatásainak eredményeként (pl. Embey-Isztin et al., 1989; Downes et al., 1992; Szabó et al., 1995; Bali et al., 2008) a KPR alatti felsőköpeny a Föld egyik legjobban tanulmányozott és megismert területévé vált. Jelen kutatás megkezdéséig, az addigi tanulmányok közül, azonban csak egy Szabó et al. (1996) használta a nemzetközi kőzettani kutatásokban mára már tért hódító szilikátolvadék-zárványok tanulmányozásában rejlő információt. Azóta már több publikáció jelent meg, amely a KPR kőzeteinek tanulmányozása során olvadékzárványok vizsgálatát is felhasználta (pl. Lukács et al., 2005; Zajacz et al., 2007; Szabó et al.; 2009) ugyanakkor a köpenyanyag parciális olvadásával keletkezett primitív bázisos magmák fenokristályaiban megőrződött szilikátolvadék-zárványokkal kevés tanulmány foglalkozik (pl. Kóthay et al. 2005). Mivel az olvadékzárványok vizsgálata hazánkban, még nem rutin módszer, vizsgálódásunkat egy olyan vulkáni területen kezdtük a KPR-n belül, ami kőzettanilag részletesen feldolgozott és modern geokémiai módszerekkel nyert adatok állnak rendelkezésre (Embey-Isztin et al., 1993), a kapott eredmények megbízható összehasonlíthatósága érdekében. A vizsgált terület a KPR központi részén elhelyezkedő Bakony Balaton-felvidék vulkáni terület (BBFVT). Két olyan vulkánt választottunk ki a vizsgált területről, amelyek a bazaltok előzetes vizsgálata alapján jelentősen különböznek egymástól. Hegyestű az egyik legidősebb és legtelítetlenebb alkáli bazalt a BBFVT-en belül, míg Haláp az egyik legfiatalabb vulkáni kúp, amelyet kevésbé telítetlen kőzetek építenek fel. A kiválasztott két vulkán kőzeteinek olivin fenokristályaiba ágyazódott szilikátolvadék-zárványok, spinell kristályok és primer fluidumzárványok vizsgálata történt azzal a céllal, hogy részletesebb ismeretekhez jussunk a bazaltot
létrehozó primitív, bázisos olvadék olyan fizikai és kémiai tulajdonságairól, mint a kémiai összetétel, hőmérséklet, oxigén fugacitás, nyomás, valamint ismereteket szerezzünk a kőzet kristályosodásának korai szakaszáról. További célom volt, hogy összehasonlítsam a befogadó bazaltban végbemenő kristályosodási folyamatokat és nyomon kövessem a magma fejlődését. Vizsgálati módszerek, felhasznált eszközök A gondosan kiválogatott mintákból készített vékonycsiszolatokat és szeparált olivin szemcséket többféle módszerrel vizsgáltam, a többfázisú szilikátolvadék-zárványok teljes összetételének meghatározása céljából. A szilárd fázisok főelem összetételének vizsgálata három laboratóriumban készült: Bécsben EDAX PV 9800 energiadiszperzív spektrométerrel felszerelt AMRAY 1830 I/T6 típusú pásztázó elektronmikroszkóp, Novoszibirszkben Camebax-Micro típusú hullámhossz diszperzív mikroszondán, Budapesten 4 db WD goniométerrel és egy ED spektrométerrel felszerelt CAMECA SX 100 elektronmikroszonda segítségével. A nyomelemek meghatározás Cameca IMS-4f ionmikroszondával készült Jaroszlávban. A fluidum fázis vizsgálatát többcsatornás CCD detektorral felszerelt Jobin Yvon gyártmányú, LabRam típusú diszperzív, konfokális Raman mikroszkóppal, illetve Fluid Inc. USGS típusú gázöblítéses, kis hőmérsékletű, hűthető-fűthető tárgyasztal és Nikon Eclipse E600 POL mikroszkópra szerelt konduktív hőáramú Linkam THMS600-as tárgyasztal segítségével végeztem. A szilikátolvadék-zárványok homogenizációjához egyrészt mikroszkópra szerelt Linkam TS1500-as típusú tárgyasztalt, valamint Vernadszkij-tárgyasztalt használtam. A vizuális megfigyelés nélküli melegítési kísérletek Petrushin et al. (2003) által kifejlesztett (max. 1600 C-ig fűthető) elektromos kemencében történtek. Eredmények 1/ A hegyestűi és halápi alkáli bazalt olivin fenokristályainak magjában primér szilikátolvadék-, Crgazdag spinell- és CO 2 -gazdag fludiumzárványok találhatók. 2/ Gondosan szelektált szilikátolvadék-zárványok tömegegyensúly számolással nyert teljes kémiai összetétele jó közelítéssel megadja a bazaltot létrehozó primitív magma főelemösszetételét, amely mindkét lelőhelyen szintén jó egyezést mutat a homogenizációs kísérletekkel meghatározott olvadékok kemizmusával és harmonizál a teljeskőzet összetételekkel. 3/ A hegyestűi primitív magma Si-ban telítetlenebb (SiO 2 ~41 m/m%), Mg- és alkália-gazdag
(MgO~8 m/m%, Na 2 O+K 2 O~6 m/m%) erősen bázisos olvadék lehetett, amely kisebb SiO 2, nagyobb TiO 2, Al 2 O 3 és CaO tartalmával jelentősen különbözik a halápi területet felépítő alkáli bazalt átlagos összetételétől. A halápi primer olvadék változatosabb és savanyúbb összetételük mellett jelentős (~10m/m% ) FeO és MgO tartalommal jellemezhetők. Mindkét olvadék illógazdag, a CO 2 tartalom a hegyestűi olvadékban közel 2 m/m%, a halápiban ~1,5 m/m%. 4/ Mindkét lelőhely szilikátolvadék-zárványainak nyomelem eloszlása a kisebb eltérésektől eltekintve, követi a befogadó kőzet nyomelem eloszlását. A hegyestűi bazalt olivin fenokristályainak szilikátolvadék-zárványai minden nyomelemben gazdagabbak a befogadó kőzethez képest, míg a halápi szilikátolvadékok Sr-tartalma és a kevésbé inkompatibilis nehéz ritkaföldfém tartalma (Dy Yb) szegényedést mutat a bazalthoz viszonyítva. A két lelőhely olvadékának geokémiai különbségét a szilikátolvadék-zárványok érzékenyebben jelzik, mint a teljeskőzet elemzések. 5/ A magma hűlése során az olivin fenokristályokba zárt magmacseppek fejlődése kezdetben, mindkét lelőhelyen nagy mélységű magmakamrában történő szilikát-szulfid olvadék szételegyedéssel és a szilikát leányásványok részleges kristályosodásával jellemezhető. A kristályosodás a hegyestűi olvadékzárványokban egységes és egy határozottabb trendet követ: szulfid csepp Al-spinell rhönit Ti-augit apatit, amelyhez esetenként rutil ± ilmenit ± Ca-szulfát társult. A halápi olvadékzárványok nagyobb kémiai változatosságot mutatnak egy kémiailag összetettebb, heterogénebb rendszerre utalva. Megszilárdulásuk során - a bizonytalanságok ellenére - a következő kristályosodási sorrendet követhették: Al-gazdag spinell + szulfidolvadék szételegyedés rhönit + amfibol + klinopiroxén apatit + ilmenit. A ki nem kristályosodott, erősen savanyú olvadék nagy Na- és/vagy K-tartalmú kőzetüvegként dermedt meg. Mindkét magma jelentős CO 2 tartalma pedig buborék formájában különült el a szilikát leányásványok kristályosodásának korai szakaszában. 6/ A szilikátolvadék-zárványokban jelenlévő kristályos fázisok közül a rhönit és az Al-spinell olyan elegyrész, amely alkáli bazaltokban primer ásványként nem jelenik meg. A nagy mélységből származó, zárt rendszerű hegyestűi és halápi olvadékzárványokban azonban közönséges elegyrész. Az Al-spinell annak köszönheti jelenlétét, hogy a kristályosodása után nem lépett reakcióba az olvadékkal, olivint és plagioklászt formálva, hanem stabil fázis maradt. Ez csak nagy nyomáson (>7 kbar) kristályosodó Si-szegény olvadékokban lehetséges. Ilyen nyomású rendszerek jellegzetes elegyrésze lehet a rhönit a korábbi feltételezésekkel szemben, amely az Alspinellt követi a kristályosodásban és keletkezése során felhasználja az olvadék Ti-készletének
nagy részét, továbbá az Al és a Ca jelentős részét, ami szintén megakadályozza a plagioklász képződését az olvadékból. 7/ A hegyestűi bazalt szilikátolvadék-zárványai nagy és viszonylag szűk hőmérsékleti tartományban (~1240-1350 o C) csapdázódtak az olivin fenokristályokban, az OIB kumulátokra jellemező, nagy oxigénfugacitás mellett. Köszönetnyilvánítás Köszönöttel tartozom témavezetőmnek, Szabó Csabának (Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest) és konzulenseimnek Victor V. Sharyginnek (RAS, UIGGM, Fluidkutató Laboratórium, Novoszibirszk) és Török Kálmánnak (ELGI, Budapest), valamint a Litoszféra Fluidum Kutató Labor (Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest) tagjainak szakmai segítségért. Külön köszönettel tartozom szüleimnek és családomnak minden támogatásért. A doktori munka keretében készült publikációk és kivonatok jegyzéke Publikációk Kovács I., Bali, E., Kóthay, K., Szabó, Cs. & Nédli, Zs. (2003) Bazaltos kőzetekben előforduló kvarc és földpát xenokristályok petrogenetikai jelentősége (angol nyelvű absztrakttal: Petrogenetic significance of quartz and feldspar xenocrysts in basaltic rocks ). Földtani Közlöny, 133/3, pp. 394-420. Kóthay, K., Szabó, Cs., Török, K. & Sharygin, V. (2005) Egy csepp a magmából: Szilikátolvadékzárványok a hegyestűi bazalt olivin fenokristályaiban (angol nyelvű absztrakttal: A droplet of the magma: Silicate melt inclusions in olivine phenocrysts from alkali basalt of Hegyestű ). Földtani Közlöny, 135/1, pp. 31-55. Schubert, F., Kóthay, K., Dégi, J., M. Tóth, T., Bali, E., Szabó, Cs., Benkó, Zs., Zajacz, Z. (2007) A szakirodalomban használt fluidum- és olvadékzárványokkal kapcsolatos kifejezések és szimbólumok szótára (angol nyelvű absztrakttal: Terms and symbols used in English and Hungarian fluid and melt inclusion literature ). Földtani Közlöny 137/1, pp. 83-102. Sharygin V.V., Szabó Cs., Kóthay K., Timina T.JU., Pető M., Török K., Vapnik YE., Kuzmin D.V. (2007) Rhönite in silica-undersaturated alkali basalts: inferences on silicate melt inclusions in olivine phenocrysts. in Alkaline magmatism, its sources and plumes, Ed.: Vladykin, N.V., Vinogradov Institute of Geochemistry, Irkutsk-Napoli, (UDK 550.42+552.111), pp. 157-182.
Konferencia absztraktok Kóthay, K. (1999) Szilikátolvadék-zárványok kőzettani vizsgálata a hegyestűi bazalt olivin fenokristályaiban (Balaton-felvidék). Ifjú Szakemberek Ankétja, Siófok, 1999. március 25-26., Program és absztrakt füzet, p. 14. (előadás) Kóthay, K. (1999) Egy csepp a magmából: Szilikátolvadék-zárványok vizsgálata a hegyestűi bazalt olivin fenokristályaiban (Balaton-felvidék). XXIV. Országos Tudományos Diákköri Konferencia, Debrecen, 1999. március 31.-április 2., absztrakt, p. 115. (előadás) Kóthay, K & Szabó, Cs. (1999) Silicate melt inclusion study on olivine phenocrysts from the Hegyestű basalt, Balaton Highland, Hungary. Terra Nostra, 99/6, 15th ECROFI XV, Potsdam, 1999. június 21-24., absztrakt, pp. 170-173. (poszter) Kóthay, K. (1999) Petrologic study of silicate melt inclusions in olivine phenocrysts of the Hegyestű basalt (Balaton Highland, Hungary). Berichte der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft, Beihefte zum European Journal of Mineralogy, 11, MinWien 99, 1999. augusztus 28. - szeptember 1., absztrakt, p. 134. (poszter) Kóthay, K. & Szabó, Cs. (2000) Rhönite in silicate melt inclusions of olivine phenocrysts from the alkali basalt of Hegyestû, Balaton highland, Hungary. Acta Mineral.-Petrogr., XLI, Suppl., Minerals of the Carpathians International Conference, Miskolc, 2000. március 9-10., absztrakt, p. 63. (poszter) Kóthay, K. (2001) Szilikátolvadék-zárványok és fluid zárványok a hegyestűi basalt olivin és klinopiroxén fenokristályaiban. Ifjú Szakemberek Ankétja, Győr, 2001. március 23-24., Program és absztrakt füzet, p. 26. (előadás) Kóthay, K., Szabó, Cs., Sharygin, V. & Török K. (2001) Silicate melt inclusion study on olivine phenocrysts and clinipyroxene microphenocryst in the Hegyestű basalt, Bakony-Balaton Highland, Hungary. Faculdade de Ciências do Porto, Departemento de Geologia, Memória nº7, 16th ECROFI XVI, Porto, Portugália, 2001. május 2-4., absztrakt, pp. 237-240. (poszter) Kóthay, K., Szabó, Cs., Sharygin, V. & Török K. (2001) Silicate melt inclusions in olivine and clinopyroxene microphenocryst from the Hegyestű basalt, Bakony-Balaton Highland, Hungary. PANCARDI 2001 Conference, Sopron, 2001. szeptember 19-22., Abstracts, PO-12. (előadás) Kóthay, K. & Szabó, Cs. (2001) Silicate melt inclusions in olivine phenocrysts in the Hegyestű basalt, Bakony-Balaton Highland. MinPet 2001, Bécs, Ausztria, 2001 szeptember 24-26,. Mitt. Österr. Miner.Ges, 146, absztrakt, p. S 151. (poszter) Kóthay, K., (2003) One drop from the magma: silicate melt inclusions in the olivine phenocrysts of alkali basalts. (In Hungarian) Mining, Metallurgy and Geology Conference, Zilău, Románia, 2000. április 11-13., absztrakt, p. 70. (előadás) Kóthay, K., Pető, M., Szabó, Cs., Török, K., Sharygin, V.V., Timina, T. Ju. & Ntaflos, T. (2003) A comprehensive silicate melt inclusion study of olivine phenocrysts from Hegyestű (Bakony-Balaton Highland) and Pécskő (Nógrád-Gömör) alkali basalts, Pannonian Basin, Hungary. ECROFI XVII
Conference, Budapest, 2003. június 5-7., Acta Mineralogica-Petrographica, Abstract Series 2, pp. 105-106. (előadás) Kóthay, K.; Pető, M.; Sharygin, V.; Török, K.; Szabó, Cs.(2003) Silicate melt inclusions in olivine phenocrysts from Hegyestu (Bakony-Balaton Highland) and Pecsko alkaline basalts (Nógrád-Gömör), Hungary. EGS - AGU - EUG Joint Assembly, Abstracts from the meeting held in Nice, France, 6-11 April 2003, abstract #748 Sharygin, V.V., Kóthay, K., Pető, M., Török, K., Timina, T. Ju., Vapnik, Y., Kuzmin, D. & Szabó, Cs (2003) Rhönite in alkali basalts: studies of silicate melt inclusions in olivine phenocrysts. ECROFI XVII Conference, Budapest, 2003. június 5-7., Acta Mineralogica-Petrographica, Abstract Series 2, pp. 182-183. (előadás) Kóthay, K. (2004) Similarities and differences between primary alkali basaltic magmas from the Bakony-Balaton Highland Volcanic Field, Hungary: evidence from silicate melt inclusions. Mineralogy and Museums 5, Párizs, Franciaország, 2004. szeptember 5-8., Bulletin de liaisonde la Société Francaise de Minéralogie et Cristallographie, Vol. 16. No. 2. (poszter) Weiszburg, T.G. & Kóthay, K. (2004) Moving the 230 year old Historical Mineral and Rock Collection of the Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary to a modern university campus. Mineralogy and Museums 5, Párizs, Franciaország, 2004. szeptember 5-8., Bulletin de liaisonde la Société Francaise de Minéralogie et Cristallographie, Vol. 16. No. 2. (poszter) Kóthay, K., Szabó, Cs., Török, K., Sharygin, V. & Ntaflos, T. (2005) Comprehensive study on silicate melt inclusions of olivine phenocrysts from different alkali basalt volcanoes (Hegyestű and Haláp) from the Bakony-Balaton Highland Volcanic Field, Central Pannonian Basin, Hungary. ECROFI XVIII Conference, Siena, Olaszország, 2005. július 6-9., Abstracts e-book, p. 03_K_thay.pdf. (előadás) Kóthay, K., Sharygin, V.V., Török, K., Ntaflos, Th. & Szabó, Cs.: New results in study of silicate melt inclusions in Bakony-Balaton Highland Volcanic Field, Pannonian Basin, Western Hungary. European Current Research on Fluid Inclusions (ECROFI-XIX) University of Bern, Switzerland, 17 20 July, 2007. Abstract Volume, p. 216. (poszter) Hivatkozott irodalmak jegyzéke Embey-Isztin, A., Dobosi, G., James, D., Downes, H., Poultidis, Ch., Scharbert, H.G., (1993a) A compilation of new major, trace element and isotope geochemical analyses of the young alkali basalts from the Pannonian Basin. Fragmenta Mineralogica et Palaeontologica 16, 5-26. Embey-Isztin, A., Scharbert, H., Dietrich, H. és Poultidis, H. (1989) Petrology and geochemistry of peridotite xenoliths in alkali basalts from the Transdanubian Volcanic Region. Journal of Petrology 30, 79-105. Harangi, Sz. (2001) Neogene to Quaternary volcanism of the Carpathian-Pannonian Region a review. Acta Geol. Hung., 44/2-3, 223-258. Seghedi, I., Downes, H., Vaselli, O., Szakacs, A., Balogh, K. és Pecskay, Z. (2004b) Post-collisional Tertiary-Quaternary mafic alkalic magmatism in the Carpathian-Pannonian region: a review.
Tectonophysics 393, 43-62. Downes, H., Embey-Isztin, A. és 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. Contributions to Mineralogy and Petrology 109, 340-354. Szabó, C. és Bodnar, R. J. (1995) Chemistry and origin of mantle sulphides in spinel peridotite xenoliths from alkaline basaltic lavas, Nógrád-Gömör Volcanic Field, northern Hungary and southern Slovakia. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59, 3917-3927. Szabó, C. és Bodnar, R. J. (1996) Changing magma ascent rates in the Nógrád-Gömör Volcanic Field Northern Hungary/Southern Slovakia: Evidence from CO2-rich fluid inclusions in metasomatized upper mantle xenoliths. Petrology 4, 221-230. Bali, E., Zajacz, Z., Kovács, I., Szabó, C., Halter, W., Vaselli, O., Török, K. és Bodnar, R. J. (2008a) A quartz-bearing orthopyroxene-rich websterite xenolith from the Pannonian Basin, western Hungary: Evidence for release of quartz-saturated melts from a subducted slab. Journal of Petrology 49, 421-439. Lukács, R., Harangi, S., Ntaflos, T. és Mason, P. R. D. (2005) Silicate melt inclusions in the phenocrysts of the Szomolya Ignimbrite, Bukkalja Volcanic Field (Northern Hungary): Implications for magma chamber processes. Chemical Geology 223, 46-67. Zajacz, Z., Kovacs, I., Szabo, C., Halter, W. és Pettke, T. (2007) Evolution of mafic alkaline melts crystallized in the uppermost lithospheric mantle: a melt inclusion study of olivineclinopyroxenite xenoliths, northern Hungary. Journal of Petrology 48, 853-883. Szabó, C., Hidas, K., Bali, E., Zajacz, Z., Kovács, I., Yang, K., Guzmics, T. és Török, K. (2009) Meltwall rock interaction in the mantle shown by silicate melt inclusions in peridotite xenoliths from the central Pannonian Basin (western Hungary). Island Arc 18, 375-400. Kóthay, K., Szabó, Cs., Török, K., Sharygin, V. (2005) A droplet of the magma: Silicate melt inclusions in olivine phenocrysts from alkali basalt of Hegyestű (in Hungarian). Földtani Közlöny 135, 31-55. Petrushin, E. I., Bazarov, L. Sh., Gordeeva, V. I., and Sharygin V. V. (2003) A Heating Stage for Petrologic Studies of Alkaline Igneous Rocks, Instruments and Experimental Techniques, Vol. 46, No. 2, 2003, pp. 240 243. Translated from Pribory i Tekhnika Eksperimenta, No. 2, pp. 108 112.