Szakmai beszámoló Ösztöndíj típusa: Collegium Hungaricum CH/2 Ösztöndíjas: Kiss Balázs okleveles geológus, doktorjelölt ELTE TTK Kőzettan-Geokémiai Tanszék, Vulkanológiai csoport Ösztöndíj időtartama: 2013. 05. 02-31. Munkaterv címe: Magmakamra-folyamatok változása térben és időben a Csomád vulkán (DK-Kárpátok) alatt A Csomád vulkán északról nézve
Bevezető A Kárpát-medence (Kárpát-Pannon térség) területén nem sokan gondolnák, hogy van esély vulkáni működésre, jóllehet az elmúlt 20 millió évben rendkívül változatos vulkáni kitörések zajlottak, és még az elmúlt néhány százezer évben is tucatnyi kitörés történt. A legutolsó kitörés mintegy 30 ezer éve volt (Harangi et al., 2010). Ez az eltelt időszak bár hosszúnak tűnik, azonban a földtörténeti időskálát tekintve számos olyan tűzhányóról tudunk, amelyik működése akár ennél hosszabb nyugalmi időszakokat is magába foglalt. Továbbá, nem kerülhetők meg azok a tudományos megfigyelések sem, amelyek azt jelzik, hogy a jövőbeli vulkáni működés esélye a térségben semmiképpen nem nulla (Szakács et al., 2002; Harangi, 2007), és ezért nem kerülhető meg e kérdés szigorú szakmai vizsgálata. A legutolsó vulkánkitörés színhelye a délkeleti Kárpátokban található Csomád, amelynek részletes vizsgálatával az ELTE Kőzettan-Geokémiai Tanszék Vulkanológiai csoportja mintegy 5 éve foglalkozik. Ebbe a kutatómunkába röviddel a kezdetek után bekapcsolódtam, és e témából írom a doktori disszertációmat. E komplex kutatás eddigi eredményei világosan mutatják, hogy a Csomád vulkáni működése még korántsem lehet lezárt. Továbbá, az eddigi kutatási eredmények azt is jelzik, hogy e kőzetek tanulmányozása túlmutat csupán a Csomád vizsgálatán, e kutatásokból számos általános érvényű következtetést tehetünk, ami segít általában megérteni a hasonló típusú vulkánok működését. A kutatómunkám legfontosabb részét a petrogenetikai vizsgálatok teszik ki, amelynek során elsősorban a kőzetalkotó fenokristályok részletes szöveti és geokémiai vizsgálatával, a kitöréseket megelőző magmakamra-folyamatok aprólékos feltárásával foglalkozom. A magmakamra-folyamatok, tágabb értelemben véve a magma kitörés előtti előélete, alapvető hatással vannak a vulkáni kitörések jellegére, ezért megismerésük kulcsfontosságú. A magmában növekedő legfeljebb néhány milliméteres fenokristályok úgy őrzik meg a kitörés előtti eseményeket, akár a fák évgyűrűi a környezeti változásokat. Ezen vizsgálatok legfontosabb eszköze az elektron-mikroszonda, amelynek segítségével néhány mikrométeres felbontással elemezhetjük a kőzetté vált magma fenokristályainak kémai összetételét. A Bécsi Egyetem Litoszféra Kutató tanszékén működő elektronsugaras mikroanalitikai laboratóriumban a nemzetközi elvárásoknak megfelelő analitikai pontossággal végezhetők el ezeket részletes a vizsgálatok. Az ösztöndíjas időszakban ezért a munkatervben felvázoltaknak megfelelően elsősorban mikroanalitikai vizsgálatokat végeztem. A vizsgálatok során a legidősebb és a legfiatalabb lávadómok kőzeteit elemeztem. A kapott adatokat beillesztve a többi kitörés kőzeteiből származó adatbázisba, részletes képet kaphatunk a Csomád magmatározó rendszerének és az ott zajló folyamatoknak az időbeli és térbeli változásáról. Az adatok feldolgozása és értelmezése alapján a következőkben röviden összefoglalom, milyen eredményekre jutottam. A csomádi amfibol perspektivikus vizsgálatok eddigi legfontosabb eredményei A csomádi dácit legfontosabb fenokristályai a plagioklász és az amfibol. Mindkét ásvány kémiai összetétele érzékeny a környezeti viszonyokra (hőmérséklet, nyomás, redox viszonyok, magma víztartalma), ezért szöveti megjelenésük, kémiai összetételük és belső kémiai zónásságuk fontos információt hordoz a petrogenetikai viszonyokról. Kutatómunkámban mindkét ásvány fontos szerepet kap, azonban ezek közül különösen nagy figyelmet fordítok az amfibolok elemzésére. A Caamfibol (hornblende) számos elemet épít kristályrácsába és ezek mennyisége, az amfibolban bekövetkező csatolt elemhelyettesítések révén, ujjlenyomatként őrzi a kristályosodási körülményeket. Az összetétel adatokból kvantitatív módon is megbecsülhetők az intenzív paraméterek. Továbbá, egy lényeges szempont, hogy a Ca-amfibol viszonylag szűk nyomás- és
hőmérséklethatárok között stabil, és amennyiben kikerül ebből a tartományból (pl. felfűtés vagy nyomáscsökkenés következtében történő kigázosodás miatt), rögtön reakcióba lép a környező olvadékkal, melynek eredményeként jellegzetes reakcióperem alakul ki körülötte. Rutherford és Hill (1993) kísérletileg is vizsgálta ennek kialakulását, és a kapott eredmények alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a lebomlás mértéke, azaz a reakciózóna vastagsága attól függ, hogy az amfibol mennyi időt töltött a stabilitási tartományán kívül. Ez adott esetben segítséget adhat ahhoz, hogy a magma felemelkedési sebességét megbecsülhessük. Az amfibolok vizsgálata révén tehát átfogó képet kaphatunk a vulkánok alatt zajló, akár bonyolult magmafejlődési folyamatokról, és számszerűen is jellemezni tudjuk e folyamatok fiziko-kémiai körülményeit. Ez a megközelítés hívta életre az ún. amfibol perspektivikus gondolkodást, különösen a vulkáni ívek mentén előforduló kőzetek vizsgálata esetében, az aktív és szunnyadó tűzhányók működését befolyásoló mélybeli magmakamra-folyamatok rekonstruálására. Újabban, Ridolfi et al. (2010, 2012) továbbment a korábban alkalmazott lehetőségeken, és a meglévő kísérleti adatokat összegyűjtve új matematikai egyenleteket adott meg, amelyekkel akár egy amfibol különböző növekedési zónáiban is meghatározhatók az intenzív paraméterek értékei. Kutatómunkámban tesztelem ezeket az új modelleket. Nagy hangsúlyt fektetek a vonalmenti mérésekre, a kémiai összetételbeli változékonyság követésére és ennek petrogenetikai kapcsolatára. Elemezve a csomádi amfibolok kémiai összetételét, megállapítható, hogy a dácitokban két fő amfibol típus jelenik meg. Ez a két amfibol típus jellemzően eltérő fő- és nyomelemtartalommal jellemezhető, és kristályosodási hőmérsékletükben is jelentős különbségek vannak. Megjelennek ún. forró amfibolok, amelyek nagyobb hőmérsékletű (850-950 C), kevéssé differenciált, mafikus magmából kristályosodtak, ugyanakkor hideg amfibolok is jelen vannak, amelyek egy erősen frakcionált és lehűlt (700-800 C közötti) Sigazdag magmát (ún. kristálypépet) képviselnek. A csomádi dácitokban gyakran megjelenő hideg amfibol kristályok alapján arra következtethetünk, hogy a tűzhányó alatt egy magma-akkumulációs zóna helyezkedik el, amelybe Si-gazdag magmák nyomultak, és rekedtek meg benne. Ezek a magmák akár szolidusz-közeli hőmérsékletre lehűlve nagymértékben kikristályosodtak, és egy kristálypépzónát alkottak, így ezen Si-gazdag magmák nem tudták táplálni a tűzhányót. Azonban nagy hőmérsékletű magmabenyomulások reaktiválni tudták ennek a majdnem teljesen megszilárdult magma-akkumulációs zónának az egyes részeit, melynek eredményeképpen felújultak a kitörések. A (Si-gazdag) kristálypép-akkumulációs zóna mélységét az amfibol Al-tartalmán alapuló geobarométerrel becsültem meg. Ez alapján a Si-gazdag magmák a felső kéregbe, 4-12 km-es mélységbe nyomultak be, így a Csomád alatti magmatározó-rendszer felső részét képezik. A csomádi amfibolok szövetének, zónásságának, fő- és nyomelem-összetételének vizsgálatával sikerült feltárni a legfőbb magmakamra-folyamatokat: fluktuáló hőmérséklet- /nyomásviszonyok által kontrollált kristályosodás, diffúzió által vezérelt kristályosodás, felfűtés, kristálypép-felolvasztás, bazaltos magmabenyomulás, magmakeveredés, hibridizáció, kristálypép-reaktiváció. A magma felemelkedési stílusában fontos különbségek voltak, ami jelentős hatással volt a vulkáni kitörés jellegére. Ezek a különbségek pedig összefüggésbe hozhatók a magmakamrában a kitörés előtt uralkodó állapotokkal. Azon magmák, amelyekben az amfibolok körül opacitos szegély található, erőteljes felfűtésről (bazaltos magmabenyomulás) tanúskodnak. Ezek a kitörések inkább effuzív jellegűek voltak, és a magma hatékonyabb kigázosodását jelzik. Ezzel szemben a nagy (szub)pliniusi kitöréseket is produkáló működési fázis magmáiban az amfibolok körül nem figyelhető meg opacitos szegély, és olyan erőteljes
felfűtés, mint a dominánsan effuzív kitörések esetében. A magmakamrában zajló események tehát alapvető hatással voltak a vulkáni működés jellegére. Az amfibolok révén hasonlóság mutatható ki a Csomád és több, jelenleg aktív andezitesdácitos tűzhányó (pl. Soufrière Hills, Unzen, Mt. St. Helens) között, ami a magmatározóban zajló hasonló folyamatokra utal. Ebben lényeges szerep jut a szolidusz-közeli magmatest reaktivációjának, mely bazaltos magmák benyomulása révén következett be. A csomádi kutatási eredmények ezért hozzájárulhatnak egyéb andezites-dácitos, aktív vagy potenciálisan aktív vulkánok működésének jobb megértéséhez, a kitörés előtti magmakamrafolyamatok pontosabb megismeréséhez. A kutatómunka fontos eleme volt a legújabb geotermobarometriai modell (Ridofli et al., 2010, 2012) használhatóságának tesztelése. Munkám eredményei rámutatnak arra, hogy a Ridolfi-féle modell általában túlbecsüli a kristályosodás hőmérsékletét, a nyomást pedig jelentősen alulbecsli. Ez az eltérés elsősorban a hideg amfibolok esetében figyelhető meg. Ennek vélhetően az lehet az oka, hogy a különböző paraméterek számítása kizárólag az amfibol összetételén alapul, mellőzve a többi paramétert. Anderson és Smith azonban már 1995-ben bebizonyította, hogy például az amfibol összetételén alapuló barometriai számításoknál az amfibol összetételi adatai mellett figyelembe kell venni a többi paramétert is, elsősorban a hőmérsékletet. Mg-gazdag mafikus ásványok szerepe A csomádi dácitokban gyakran találhatunk nagy Mg-tartalmú ásványfázisokat úgy, mint olivint, klinopiroxént, ortopiroxént. Kutatómunkámban tovább folytatom ezek vizsgálatát. A nagy Mgtartalmú ásványok önállóan és csoportosan is megjelennek, valamint figyelemre méltó, hogy elkülöníthetők ortopiroxén-dácitok és klinopiroxén-olivin-dácitok. Továbbá, a mafikus ásványok abszolút mennyisége is eltérő a különböző lelőhelyeken. Mindez pedig jó egyezést mutat a többi fenokristály, például az amfibol kémiai összetételének váltakozásával vagy szöveti megjelenésével. Ezek alapján egyértelmű, hogy e Mg-gazdag ásványok fontos információkkal szolgálnak a magma fejlődéstörténetére vonatkozóan. A mafikus ásványok vizsgálata alapján kiderült, hogy egyértelműen bazaltos magmából származnak. Továbbá, a részletes szöveti és kémiai vizsgálatok arra is fényt derítettek, hogy kristályosodásuk egy mélybeli, feltehetően az alsó kéregben lévő magmakamrában zajlott, ahová időszakonként friss, földköpeny-eredetű bazaltos magmák érkeztek. Kimutatható, hogy a klinopiroxén kristályok sok esetben oszcillációs zónásak, amelyek hűen tükrözik a magmabenyomulási folyamatokat. Ezek a bazaltos magmák primitívek, azaz csupán csekély differenciációs folyamaton mentek keresztül, és alsó kéregbeli tartózkodásuk után több alkalommal nyomultak fel a 4-12 km mélységben található dácitos/granodioritos magmatározóba. Vélelmezhetően egy ilyen magmafelnyomulás mobilizálhatta, fűthette fel a szolidusz-közeli magmás testet, ami végül a vulkáni működéshez vezetett. Az olivinekben és ortopiroxénekben lévő apró spinell zárványok nagy Cr-száma arra utal, hogy a bazaltos magmák kimerült földköpeny anyagból származhatnak. Az olivinek és az ortopiroxének körül gyakran vastag reakciózónát figyeltem meg, mások körül azonban egyáltalán nem láttunk reakciózónát, ami azt jelenti, hogy nem sokkal a vulkáni kitörés előtt került a nagy SiO 2 -tartalmú dácitos magmába. Felzikus zárványok vizsgálata A csomádi dácit az uralkodó amfibol és plagioklász fenokristályok mellett számos további ásványfázist tartalmaz, mint például biotit, K-földpát, kvarc, titanit, apatit, cirkon és allanit (valamint több-kevesebb mafikus ásvány, amelyekről az előző fejezetben szóltam). Az integrált ásványszöveti
és -kémiai vizsgálatok alapján megállapítható, hogy ezeknek az ásványoknak a többsége egy dioritosgranodioritos magmás testből (kristálypép-zónából) származik, amit a kitörés előtt remobilizált egy felnyomuló bazaltos magma. Innen származhatnak az amfibolok közül a hideg, vagyis kis Altartalmú kristályok és a kis FeO-tartalmú plagioklászok is. E kristályok összességét ezért antekristály (a kitörő magmás anyaggal genetikailag rokon, de a szoros értelemben vett fenokristályoknál korábban, más kőzetolvadékból kristályosodtak) populációnak tartom. Az elmúlt évtizedekben, több esetben is láttunk példát arra, hogy hosszabb szunnyadást követően ébredt fel egy tűzhányó. Az ébredésük erőteljes robbanásos kitöréssel párosult, melynek jelentős társadalmi, és esetenként globális hatása volt (pl. Unzen 1990-1995, Pinatubo 1991, Soufrière Hills 1995-, Chaiten 2008, Eyjafjöll 2010). A kőzettani (petrográfiai, geokémiai, ásványkémiai) megfigyelések azt sugallják, hogy a kitöréseket megelőzően a felső kéregbeli magmatározóban egy relatively old, cool, highly crystalline magma body, ún. kristálypép volt. Az említett kitörések azt igazolják, hogy még egy ilyen magától kitörésre képtelen magmát is remobilizálni lehet, amennyiben a kristálypép-reaktiváció a sekély mélységű (felső kéregbeli) magmatározóban megfelelő hatékonysággal megy végbe. A hatékony kristálypép-reaktiváció folyamatainak megismerése révén így a vulkánok szunnyadó fázisból aktív fázisba történő átlépésének (azaz a vulkán felébredésének) hátterét ismerhetjük meg. Egy stagnáló, alacsony hőmérsékletű magmás test bazaltos magmabenyomulás általi felfűtése és mobilizálása tehát nagy jelentőségű lehet számos vulkáni működést megelőzően, sőt úgy tűnik, kulcsfolyamata lehet a hosszú szunnyadó periódust követő vulkáni aktivizálódásnak, ezért e mechanizmus vizsgálata jelenleg a kutatások élvonalában van. A csomádi dácitok vizsgálata fontos adalékot jelenthet e kérdés kutatásában. A csomádi dácitokban gyakoriak a plagioklászból, amfibolból és további járulékos ásványokból álló felzikus zárványok, amelyek értelmezésem szerint egy korábban fennálló dioritos-granodioritos magmás kristálypép anyagát képviselhetik. Ezek részletes vizsgálatával kimutattam, hogy a zárványok ásványfázisainak kémiai összetétele jó egyezést mutat a kőzetben lévő antekristályokéval. A felzikus zárványok vizsgálata lehetővé teszi, hogy betekintést nyerjünk a kristálypép-reaktivációs folyamatba. Az ásványfázisok között sok esetben kőzetüveg figyelhető meg, ami részben az eredeti kristálypépben lévő fejlett, szilícium-gazdag maradékolvadékot képviselheti. Egyes mintákban az amfibol kristályok körül durvaszemcsés klinopiroxén-zóna figyelhető meg, ami erős felfűtésre utal. Ennek mértékét egyensúlyi amfibol-plagioklász párok, valamint amfibol-termometria alapján számszerűsítettem, melynek alapján a mintegy 730-750 o C-on stabilizálódó granodioritos magmás test több mint 250 o C- kal magasabb hőmérsékletre jutott. Ennek oka bazaltos magmának a kristálypép-zónába való benyomulása lehetett. Mindezt többek között a plagioklászok nagy felbontású, vonalmenti kémiai összetételbeli változásának felfedésével is igazolható. A peremi zónákban a Ca-tartalom (Ankomponens) és az FeO-koncentráció hirtelen emelkedése jellemző, ami a plagioklász körüli olvadék összetételének hirtelen megváltozását és bazaltosabb irányba történő eltolódását jelzi. A csomádi dácitban lévő felzikus zárványok további vizsgálata értékes, közvetlen megfigyelési adatokat szolgáltathat egy már kitörni képtelen magma felújulási folyamatáról, annak mechanizmusáról és időbeli viszonyairól. Mindez nagy jelentőségű lehet a hosszú időn keresztül szunnyadó tűzhányók újraaktivizálódásának, illetve annak petrogenetikai előzményeinek kutatásában. Következtetések a kitörés előtti magmakamra-folyamatokra
Az integrált petrográfiai és ásványkémiai megfigyelések, valamint a geotermometriai és geobarometriai számolások alapján rekonstruáltható a Csomád kitörései előtt zajló magmakamrafolyamatokat és azok körülményeit. A legfontosabb megállapítások a következők: A Csomád magmatározó-rendszere több szintből áll, amelynek különböző szintjein eltérő magmák egymástól elkülönülten fejlődhetnek. Feltehetőleg a földkéreg alsó részén egy bazaltos magmakamrában nyílt rendszerű magmagenetikai folyamatok zajlódhattak, ismétlődő friss bazaltos magmabenyomulásokkal. Ezek az idősebb kitörési fázisok előtt olivin- és klinopiroxén-, a fiatalabb kitörések esetén ortopiroxén-tartalmú magmákat hoztak létre. Időszakonként bazaltos magma indult el felfelé, és nyomult be a sekélyebb mélységben elhelyezkedő, fejlettebb összetételű magmatározóba. A vulkán alatt mintegy 4-12 km mélységben lévő magmatározóban előrehaladott kristályosodás eredményeképpen közel szolidusz hőmérsékleten (700-750 o C-on) stabilizálódó, viszkózus, dioritos-granodioritos, kristálygazdag magma kristálypép alakult ki. A plagioklászból, amfibolból, valamint biotitból, titanitból, cirkonból, apatitból, kevés allanitból, esetenként káliföldpátból és több-kevesebb kvarcból álló kristályváz üregeiben fejlett, riolitos maradékolvadék helyezkedik el. Ez a magmatest vélhetően hosszú ideig, az előzetes cirkon kormeghatározási adatok alapján akár több tízezer évig is fennállhatott. Ebbe a nagy viszkozitású és ezért mechanikailag zárt magmás testbe időszakonként bazaltos magma nyomult be, ami akár 250-300 o C-kal megemelhette a hőmérsékletet, és részben felolvasztotta a kristálypép anyagát. A remobilizáció különböző mértékben érintette a kristálypépanyagot, így a valószínűsíthetően teljesen felolvadt területek mellett voltak részben olvadt és érintetlen zónák is. A bazaltos és riolitos olvadék keveredett egymással, és ennek eredményeképpen dácitos magma alakult ki, amiben benne voltak a korábbi kristálypép egyes esetekben (pl. plagioklász, amfibol) rezorbeált ásványfázisai is, továbbá a remobilizáció során különböző mértékben érintett kristálypépdarabok is. A bazaltos magmabenyomulás megemelhette a kialakuló hibrid magma illótartalmát, a meginduló buborékosodás elősegíthette a hibrid magma felszín felé nyomulását. A csomádi dácitok egyik különlegessége, hogy akár egyetlen kőzetből rekonstruálni lehet két különböző magma (bazaltos és dácitos) önálló fejlődését, majd kölcsönhatását és végül a felszínre törésének körülményeit! Következtetések a magma-felemelkedési sebességre Kutatómunkám során kiemelt figyelmet fordítottam az amfibol kristályok körül lévő reakciózónára. Figyelemre méltó, hogy a nagy (szub)pliniusi kitöréseket is produkáló fiatalabb kitörési fázisban az amfibolok körül nem alakult ki reakciózóna, míg az effuzív idősebb fázis amfiboljai körül mindig megjelenik az opacitos szegély. Kísérleti tanulmányok alapján tudjuk, hogy a nyomáscsökkenéses kigázosodás miatt kialakult reakciózónák vastagsága arányos a magma felemelkedési sebességével. Több tucat amfibol kristály körül megmértem az egyértelműen nyomáscsökkenéses eredetű reakciózóna vastagságát, és ebből arra következtettem, hogy a lávadóm-kitüremkedéseket okozó dácitos magma 7-11 km mélységből mintegy 6-12 nap alatt tört a felszínre. Ez az adat jó egyezést mutat más dácitos vulkánok (pl. Mt. St. Helens, Soufrière Hills) esetében kapott eredményekkel. A robbanásos kitöréseket is okozó fázisban azonban a magma ennél nagyobb sebességgel tört fel, a kísérleti adatok alapján ez nem lehetett több 3-5 napnál, ami megakadályozta, hogy az amfibol körül reakciózóna alakulhasson ki.
Fontos kiemelni, hogy az ösztöndíj ideje alatt lehetőség nyílt két szakcikk kéziratának a véglegesítésére is, amelyet nagyban segített, hogy a bécsi társszerzővel személyesen vitattuk meg a kézirat fontosabb pontjait. Az egyik kézirat esetében (amelyben társszerző vagyok) már a bírálatot követő javításokat dolgoztuk ki együtt. A másik kéziratot (amelyben első szerző vagyok) pedig röviddel az ösztöndíjas időszakot követően nyújtottam be bírálatra. Budapest, 2013. 06. 27.