Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról

A Miskolci Egyetem Közleményei, A sorozat, Bányászat, 82. kötet (2011) Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról Mindszenty Andrea egyetemi tanár ELTE, Földrajz és Földtudományi Intézet Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék Bárdossy György az MTA rendes tagja Magyar Tudományos Akadémia 1. Az üledékek éghajlatjelző szerepe Az üledékes kőzetek szinte kimeríthetetlen tárházai a Föld klímatörténetéről rendelkezésre álló adatoknak. Ékesszólóan bizonyítják ezt a szakirodalomban fellehető paleoklimatológiai összefoglalások, melyek közül kiemelendőek ERHART, FRAKES, BÁRDOSSY-ALEVA és PARRISH munkái [10, 11, 2, 20]. Az üledékes folyamatsor minden részfolyamata, a mállástól a szállításon, lerakódáson keresztül egészen a korai diagenezisig, magán viseli a klímatikus tényezők hatását. Mivel az üledékek ásványos összetétele, kémizmusa, szövete, szerkezete, csakúgy, mint jellegzetes ősmaradvány együtteseik, ezeknek a klíma-függő elemi részfolyamatoknak az eredményeként alakulnak, egyértelmű, hogy általuk rögzülhetnek a kőzetben az olyan paleoklimatológiai paraméterek, mint az egykori hőmérséklet, légnedvesség, a párolgás mértéke, vagy a felhalmozódási környezet hidrogeokémiai jellemzői. Mivel azonban az üledékek arculatát nem kizárólagosan a klíma, hanem számos egyéb tényező is alakítja, továbbá a leülepedést követő események (belértve az eltemetődési diagenezist is) az eredeti klíma-jelet mindenképp módosítani igyekeznek, be kell látnunk, hogy bár a fentiek értelmében valóban minden üledéknek van éghajlatjelző értéke, az igazán megbízható klímajelzők száma viszonylag csekély. A földtörténeti múlt éghajlat-változásainak az üledéktan módszereivel való tanulmányozása nemcsak a jelenleg zajló változások okainak és feltételezett hatásainak megismerésében lehet segítségünkre, hanem - szerencsés esetben - elvezethet a Föld rendszer gyakran rendkívül komplex visszacsatolási mechanizmusainak jobb feltárásához is. Ehhez elsősorban, PARRISH és BÁRDOSSY- ALEVA nyomán tekinthetjük át a legfontosabb klímajelző üledékek (evaporitok, eolikus üledékek, korallzátonyok és ferrallitos talajok-bauxitok) jelenlegi elterjedését [20,2]. 195

Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról Az 1.ábrából kitűnik, hogy a klímajelző üledékek között voltaképp csak két olyat találunk amelyek valóban, határozottan egyetlen éghajlati övhöz kötődnek. Ezek a korallzátonyok és a bauxittelepek amelyek csaknem kizárólag a Ráktéritő és Baktérítő által határolt zónában jelennek meg. Kimondhatjuk tehát, hogy jelenleg, az óceáni területeken a korallzátonyok, a szárazföldön pedig a ferrallitos talajok (oxisolok, a bauxitok ekvivalensei) a legmegbízhatóbb klímajelző üledékek s az aktualizmus elve szerint ez minden bizonnyal így kellett, hogy legyen a fanerozoikum egész folyamán. 2. A bauxitok és a földtörténeti múlt üvegház eseményei 2.1. A bauxitgyakoriság anomáliái a fanerozoikumban Mint arra korábban már számos kutató [3, 2, 7] felhívta a figyelmet, a bauxitok gyakorisági eloszlása a földtörténet folyamán nem egyenletes, hanem az üvegház események idején jelentős pozitícv anomáliákat mutat (2. és 3. ábra). Különösen szembetűnő ez a trend ha figyelmünket a karsztbauxitokra koncentráljuk. Mivel a karbonátos rétegsorokban megjelenő bauxitok esetében - a bezáró kőzetekből származó információ alapján - a ferrallitos mállással jellemzett időszak jobban behatárolható, mint a többnyire lefedetlen lateritbauxitoknál, a gyakorisági maximumokkal jellemezhető intervallumok karsztbauxitokra pontosabban adhatók meg, mint a lateritbauxitokra ezért alkalmasabbak a korreláció vizsgálatára. Ha a továbbiakban a karsztbauxitok közül is a krétaidőszakiakra összpontosítunk, és szem előtt tartjuk a kétségkívül anomális bauxitgyakorisággal egybeeső globális eseményeket (4. ábra, d), akkor azt látjuk, hogy bár az öszehasonlított jelenségek korára vonatkozó ismereteink eltérő pontosságúak, az egybeesés a hőmérsékleti görbe és az eusztatikus tengerszint görbe maximumaival feltűnő, sőt, meglepő módon, korreláció mutatkozik a magmás működés intenzitásával és az óceáni anoxikus üledékek gyakoriságával is. Természetesen nem zárható ki, hogy a rendhagyó bauxitgyakoriság a hőmérséklettel és a tengerszinttel egyszerűen azért korrelál, mert mindhárom az üvegház állapot természetes velejárója. Ilyen értelemben tehát nem biztos, hogy ok-okozati összefüggésről van szó, lehetséges, hogy egyszerűen közös okra visszavezethető jelenségekkel van dolgunk.. A magmás tevékenység gyakoriságával való egybeesés nyilvánvalóan indirekt (vagy az atmoszférának a vulkanizmus következtében megemelkedő CO 2 tartalma révén, vagy esetleg a nagymennyiségű vulkáni szállópornak a szárazulatra került karbonáttérszinen való leülepedése, s így a bauxit kiinduló anyagának epizódszerű megnövekedése révén valósul meg). 196

Mindszenty Andrea, Bárdossy György Ez utóbbi egybeesés egyébként ráirányitja a figyelmet a bauxitok és a geodinamika kapcsolatára, melyet már többen felvetettek [4, 5, 8, 6, 17]. Tény, hogy a bauxitgyakorisági görbe krétaidőszakra eső maximumai feltűnően egybeesnek az Alp-Himalájai orogén övben zajló szubduckciós és az azt követő orogén deformációs szakaszokkal. Ennek során a lemezperemek közelében a takarós szerkezetekhez köthető flexurális felboltozódások, lemezbelső helyzetben pedig a lemezen belüli feszültségállapot megváltozása eredményezett számos helyen szárazra kerülést (4.ábra a,b,c) s ha az éghajlati feltételek ehhez adottak voltak, akkor bauxitképződést. A bauxitok és az anoxikus események egybeesése különös figyelmet érdemel, mert két látszólag egymással össze nem függő jelenség között teremt kapcsolatot. E két jelenség a nagyon erősen oxidatív környezetet feltételező szárazföldi kémiai mállás (amelynek eredményeként a talaj szerves anyaga is lebomlik), a másik ezzel szemben, egy nagyon erősen reduktiv körülményeket feltétező, az óceánok oxigén-hiányos régióiban felhalmozódó, szervesanyagban dús üledékek keletkezése 2.2. Bauxitok és anoxikus üledékek Anoxikus üledékek ott képződnek, ahol az óceáni víztömeg oxigénminimum zónája metszésbe kerül az üledékfelszínnel. Üvegház időszakokban, amikor a felszíni vízrétegekben különlegesen nagy a bioproduktivitás, az oxigénhiányos környezet gyakorivá válik mind a sekély selfterületeken mind a mélyebbtengeri szektorokban, különösen olyan helyeken, ahol áramlások hiányában a víz szellőzöttsége nem elegendő a fenéken bomló szervesanyag által elhasznált oxigén pótlásra. Bármennyire is különböző jelenségekről van szó, az óceánok anoxikus üledékei és a szárazulatokon felhalmozódó, oxigéngazdag környezetre utaló bauxitok nemcsak időbeli, hanem gyakran térbeli korrelációt is mutatnak. Különösen jól példázzák ezt a Dinári-Adriai domén krétaidőszaki üeldékei (6.ábra). A Campánia-Lucania, az Abruzzi és az Apulia karbonátplatformok kértaidőszakban szárazra került területein megjelenő bauxitokkal egyidőben a platformok közötti medencékben így az Umbria-Marche medencében (Livello Bonarelli), ill. az Adriai self mélyebben fekvő szektoraiban anoxikus üledékeket találunk [14]. Fenti időbeli egybeesésre és térbeli közelségre az anoxia és a ferrallitos mállás kémiai folyamatai kínálnak magyarázatot. Az óceáni anoxikus üledékekkel kapcsolatban általánosan elfogadott a biológiai szénszivattyú emlegetése (5.ábra)..Ennek lényege, hogy a felszíni átvilágított vízrétegekben élő fitoplankton szervezetek fotoszintézise révén az atmoszféra CO2 tartalma hatékonyan átfejtődik a bioszféra/hidroszféra rezervoárba. Ha, a fitoplankton szervezetek 197

Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról pusztulását követően a szerves anyag lesüllyedve eléri a fenékközeli, oxgénhiányos tartományt és ott felhalmozódva lefedődik, ezzel a litoszféra részévé válik s mint ilyen, földtanilag hosszú időre kivonódik a C-körforgalomból. 2.3. A szárazföldi szénszivattyú A szárazföldön a szénnek a nagy rezervoárok (atmoszféra/litoszféra) közötti forgalma a kémiai mállás révén valósul meg (7. és 8.ábra). A mállás során azonban nemcsak CO 2, hanem oxigén és viz is megkötődik a mállástermékben: az oxigén a primer kőzetalkotó ásványok és a tengermenti mocsarakban képződő pirit oxidációjára fordítódik. COMBES és BÁRDOSSY [6] kiszámolták, hogy ferrallitos mállás esetén a mállástermékben megkötött oxigén mennyisége 10%-kal több, mint az eredeti üde anyakőzetben. A víz a mállástermékben felhalmozódó agyagásványok és hidroxidásványok alkotórésze, míg a CO 2, -HCO 3 - anionként, a mállás során szabaddá váló kationokat kísérve, oldott fázisba kerül s végül karbonátásáványok formájában válik ki és segíti az atmoszférikus CO 2 -nak a litoszféra rezervoárba való átjutását. Kimondhatjuk tehát, hogy az óceáni környezetből jól ismert biológiai szénszivattyúhoz hasonlóan a szárazföldön is működik egy szénszivattyú, amelyet a kémiai mállás működtet, s amely a ferrallitos mállással jellemzett éghajlati övekben nemcsak a CO 2, hanem a másik fontos üvegház-gáz a víz az atmoszférából való leszivattyúzásához is érdemben járul hozzá. Másszóval, amint azt már BERNER et al [1] felvetette, az atmoszféra CO 2 tartalmának csökkentésében a kémiai mállás kiemelt szerepet tölt be. A viztartalom csökkentésével együtt ez a hatás nem egyéb, mint a rendszert az üvegház állapotból az egyensúlyi állapot (a lehűlés) felé terelő negatív visszacsatolási mechanizmus. Az oxigénnek a mállási takaróban való megkötődését s ezáltal az oxidatív mállás intenzitásának fokozatos csökkenését, a túlkompenzációt megakadályozó folyamatként értékelhetjük, amely egyben felhívja a figyelmet a rendszer és a szabályozó mechanizmusok bonyolultságára. 2.4. Az óceáni és a szárazföldi szénszivattyú összekapcsolódása A két szénszivattyú (óceáni és szárazföldi) hatékonyságát minden bizonnyal növeli, ha működésük nem független egymástól (9. ábra). Ezt illusztrálandó vizsgáljunk meg közelebbről egy imaginárius krétaidőszaki esetet, ahol a szárazföldi kémiai mállás során mobilizálódó kationok ( K, P, Ca, Mg, Na, Fe stb) oldott állapotban, vagy kolloidális részecskék formájában a felszíni és/vagy felszínalatti vizekkel elérik a tengert.mivel ezek többsége a fitoplankton szempontjából nutriensnek minősül, nyilvánvaló, hogy az óceán vizébe kerülve jelentősen növelni fogja a bioproduktivitást (10.ábra). 198

Mindszenty Andrea, Bárdossy György Különös szerepet játszik a Fe, amely számos planktoni életmódot folytató organizmus, igy a Bacillariophyták, Chrysophyták, szempontjából korlátozó nutriensnek számít. Ez annyit jelent, hogy ezek a szervezetek, Fe hiányában akkor sem tudnak elszaporodni, ha egyébként minden egyéb, számukra kedvező feltétel teljesül. Az amerikai MARTIN, J. 1988-ban vetette fel hogy az óceánok un. HNLC területein (High Nutrient Low Chlorophyll), vashiány miatt kicsi a szerves produktivitás [16]. Azt állította, hogy ha ezeken a területeken az óceán felszínén Fe-vegyületeket terítenénk el, a produktivitás drámaian megnövekedne. A Vastrágyázás néven elhíresült hipotézist a 80-as évek végén sikerült ellenőrizni. A Csendes -óceánban kijelölt kutatási területen, ahol Fe-szulfáttal szórták meg a vízfelszínt, a szerves produktivitás mérőszámaként elfogadott klorofill tartalom 3-5 nap alatt úgy megnövekedett, hogy még az űrfelvételeken is ki lehetet mutatni az anomáliát. MARTIN, a kísérlet sikerén fellelkesedve félig tréfásan azt javasolta, hogy az akkor már fenyegetőnek ítélt globális felmelegedési tendencia megfrodítása érdekében trágyázzuk meg Fe-vegyületekkel az óceánokat ( Give me half a tanker of iron and I will give you an ice-age ). MARTIN ötlete azonban heves és mint később kiderült - megalapozott kritikát váltott ki, mind az óceánográfusok, mnd az ökológusok részéről. Ők arra hívták fel a figyelmet, hogy a mesterségesen megnövelt szerves produktivitás eredményeként olyan toxinok termelődhetnek amelyek a teljes ócáni tápláléklánc összeomlásához vezethetnek. Ráadásul a megnövekedett produktivitással együttjáró egyedpusztulás, az oxigénhiányossá váló tengerfenék üledékeiben a metanogenezist beindítva, a kísérletnek a várttal éppen ellenkező hatását (végső fokon az atmoszféra metán, s ebből következően CO 2 tartalmának növekedését) idézheti elő. A MARTIN-féle kísérletből levonható legfontosabb következmény tehát az volt, hogy nem ajánlatos a rendszerbe beleavatkozni addig, míg nem ismerjük kielégítően annak szabályozó mechanizmusait. 3. Bauxitképződés = Éghajlat-szabályozó mechanizmus? Ahhoz, hogy e mechanizmusokat megérthessük, alapkövetelmény a földtörténeti rétegsorok minél részletesebb megismerése, a visszacsatolási mechanizmusokra utaló jelek felismerése. Amint azt óceáni szénszivattyú megismerését és annak a C-ciklusra való hatását az anoxikus üledékek részletes tanulmányozása segítette elő, ugyanígy a ferrallitos talajok/bauxitok tanulmányozása minden bizonnyal el fog vezetni a szárazföldi szén (és víz) szivattyú részleteinek megismeréséhez. BERNER, FOELLMI et al, GAO et al. és RIDGEWELL et al. [1,12,13,21] munkáival összhangban, meggyőződésünk, hogy a bauxitok (=ferrallitos paleotalajok) nem pusztán passzív termékei a fanerozoikum üvegházeseményeinek. A ferrallitos mállással jellemzett területekről a nagy szélrendszerek 199

Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról által kifújt és az óceáni vízfelületen kiülepedő por természetes vastrágyázó hatása révén részeivé válhattak annak a visszacsatolási mechanizmusnak, amely a rendszer egyensúlyát minden nagy üvegház esemény után igyekezett helyreállítani. Ennek a komplex kölcsönhatásnak további bizonyítékait adhatják a bauxitok és a velük egyidős anoxikus üledékek vizsgálatára irányuló kutatások (beleértve olyan eleddig kevesebb figyelmet kapott területeket, mint pl. a paleo-szélirányok mintázatának felderítése, vagy az anoxikus üledékek terrigén elegyrészeinek részletes elemzése.) Irodalom 1. BERNER,R.A., LASAGA,A.C., GARRELS,R.M. (1983): The carbonate-silicate depositional cycle and its effects on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years. Amer.J.Sci. vol 283.,641-683 2. BÁRDOSSY GY., ALEVA G.J.J.(1990): Lateritic bauxites. Akadém. Kiadó, Budapest, 624 pp. (jointly with Elsevier Science Publishers, Amsterdam) 3. BÁRDOSSY GY., (1982): Karst Bauxites. Bauxite Deposits on Carbonate rocks. Developments in Economic Geology, 14, Elsevier, Amsterdam, pp. 441. 4. BÁRDOSSY GY., 1973. Bauxite Formation and Plate tectonics. Acta Geologica Academiae Scientiarum Hungariae, Tomus 17 (1-3), 141-154. 5. BÁRDOSSY GY., DERCOURT J., (1990).:. Les gisements de bauxite téthysiens (Mèditerranée, Proche et Moyen Orient); cadre paléogéographique et controles génétiques. Bull. Soc. Géol. France (8), 4(6), 869-888. 6. COMBES,J.P., BÁRDOSSY,GY.(1995): Influences des bauxites et laterites sur la composition de l atmosphere EUROLAT 95, Summer School 1995 Bondy, France, 27-36 7. D'ARGENIO B., MINDSZENTY A., (1992): Tectonic and climatic control on paleokarst and bauxites. Giornale di Geologia, 54 (1), 207-218, Bologna. 8. D'ARGENIO B., MINDSZENTY A., (1991) Karst bauxites at regional unconformities and geotectonic correlation in the Cretaceous of the Mediterranean. Boll. Soc. Geol. It., 110, 1-8. 9. D'ARGENIO,B., MINDSZENTY,A. (1995) Bauxites and related paleokarst: tectonic and climatic event markers at regional unconformities. Ecl.Geol.Helv. 88, 3, 453-499 10. ERHART,H. 1955. "Biostasie" et "Rhexistasie". Esquisse d'une théorie sur le rôle de la pádogenèse en tant que phenomène géologique. C.R.Acad.Sci.Paris, t.241, 1218-1220 11. FRAKES,L.A., (1979): Climates Throughout Geologic Time. Elsevier, 1-310 12. FÖLLMI, K.B.., WEISSERT, H., LINI,A.(1993): Nonlinearities in phophogenesis and phosphatecarbon coupling and their implications for global climate change. In Wollast,R., Mackenzie,F.T., Chou,L. (Eds.): Interactions of C,N,P and S Biogeochemical Cycles and Global Change. NATO ASI series I. Global Environmental Change vol.4, 447-474 13. GAO,Y, SONG-MIAO, FAN, SARMIENTO,J.L.(2003): Aeolian input to the ocean through precipitation scavenging: A modeling perspectoive and its implication for naturaliorn fertilization in the ocean. Journ.Geoph.Res. 108 No D7, 4221 14. JENKYNS H.C., (1980): Cretaceous anoxic events: From continents to ocean. Journal of the Geological Society, London, 137, 171-188. 15. LARSON,R.L.(1991): Goelogical consequences of superplumes. Geology, 19., 963-966 16. MARTIN,J., FITZWATER,S.E.(1988): Iron deficiency limits phytoplankton growth in the north eastern Pacific subarctic. Nature, 331, 341-343 200

Mindszenty Andrea, Bárdossy György 17. MINDSZENTY A., D'ARGENIO B, AIELLO G., (1996): Lithospheric bulges at regional unconformities. The case of Mesozoic-Tertiary Apulia: Tectonophysics 252 (1995), 137-161 18. MINDSZENTY,A., D ARGENIO,B. (1994):Carbonate Platform Emergence and Bauxite Formation. co-author:, Abstracts, AAPG 1994 Annual Convention, Denver. p 217 19.: MINDSZENTY A, BÁRDOSSY GY. (2008): Bauxites as potential feedback medhanisms of system Earth. An unconventional view of the relationship between bauxites and global change. Proc.Xth Congress ICSOBA-2008 Bhubaneswar, India, Section I-Bauxite pp 15-23 20.PARRISH,J.T.(1998): Interpreting pre-quaternary climate from the geologic record Columbia Univ.Press 338 p. 21. RIDGEWELL,A.J.(2002): Dust in the Earth system: the biogeochemical linking of land, air and sea Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 360/1801, December 2002, 2950-2924 Ábrajegyzék 1.ábra A legfontosabb jelenlegi klímajelző üledékek elterjedése (Parrish 1989 valamint Bárdossy &Aleva 1990 adatai alapján) 2.ábra A fanerozoikum klimagörbéje és a bauxitos mállástermékek időblei gyakorisági eloszlása (Frakes 1979 valamint Bárdossy & Aleva 1990 nyomán) 3.ábra A Föld karsztbauxit készleteinek kor szerinti megoszlása (Bárdosy 1982) 4.ábra A kréta időszaki bauxitok gyakorisági eloszlása, a velük egyidős tengerszintváltozások, az egykori globális hőmérséklet alakulása, a magmas tevékenység intenzitása és az óceáni anoxikus üledékek gyakorisága. (Adatok: Bárdosssy & Aleva 1990, Larson 1991, geodinamikai vázlatok: Mindszenty & D Argenio 1994, globális ősföldrajzi kép: www.bbm.me.uk) 5.ábra Az óceán/atmoszféra határán működő biológiai szénszivattyú sematikus rajza 6.ábra Az Adriai lemez karbonátos selfjének bauxitos és anoxikus üledékei (alaptérkép és anoxikus üledékek Jenkyns 1980 nyomán, bauxitok: Sinkovec & Sakac 1991) 7.ábra A kréta időszaki ferrallitos talajokban megkötődött légköri oxigén mennyisége (Combes & Bárdossy 1995 számításai alapján) 8.ábra A szilikátos kőzetek mállása során lezajló hidrolízist, mint az atmoszférából a litoszféra felé irányuló anyag-átvitel legfőbb tényezőjét szemléltető, leegyszerűsített, kémiai egyenletek. 9.ábra A szárazföldi és óceáni szénszivattyú összekapcsolódása 10.ábra A litoszféra/hidroszféra/atmoszféra rendszer két visszacsatolási mechanizmusának öszekapcsolódását szemléltető vázlat: az atmoszféra széndioxid- és víztartalmát megkötő szárazföldi mállás termékei a tengerbe jutva elősegítik az óceáni szénszivattyú felgyorsulását, az anoxikus üledékképződés megindulását, s ezáltal a szén eltemetődését, a globális körforgalomból hosszabb időre való kivonódását. 201

Nem-konvencionális gondolatok a bauxitképződés és a globális éghajlatváltozás kapcsolatáról 1.ábra 2.ábra 202

Mindszenty Andrea, Bárdossy György 3.ábra 4.ábra 203

Mindszenty Andrea, Bárdossy György 7.ábra 8.ábra 205