NME Közleményei, Miskolc, I. Sorozat, Bányászat, 33(1986) kötet, 1-4. füzet, 139-148. BARLANGKELETKEZÉS LÚGOS OLDÓDÁSSAL ESZTERHÁS ISTVÁN Összefoglalás: A Tihanyi-félsziget barlangjainak többsége hidrotermális oldódás útján keletkezett posztvulkánikus eredetű gejziritben. A tanulmány foglalkozik a gejziritek kova- és mészanyagának kiválásával, megállapítja, hogy azok a periodikusan működő egykori hőforrások lassú kiömlési szakaszaiban, 8 ph alatti kémhatás mellett történtek. A bennük lévő barlangüregek oldását szintén a feltörő forró oldat okozta. A kovavegyületeket a természetben előforduló egyik sav sem oldja, de a lúgossá váló oldatban lebomlanak. A kovák oldásának feltételei a hőforrások gyors működési szakaszaiban jöttek létre, mikor az oldat ph-ja 9 fölé emelkedett és ezáltal lúgossá vált. A Tihanyi-félszigetbarlangjainak tanulmányozása közben vetődött fel e barlangok keletkezésének kérdése. Az egész félsziget területére kiterjedő alapos szpeleológiai kutatás eredményeként megállapítható, hogy az itteni barlangok keletkezésük szerint három típusba sorolhatók: 1. Szingenetikusan, az ürített vulkáni erupcióval egyidőben gőzrobbanás útján keletkezett barlangok bazalttufitban. ESZTERHÁS ISTVÁN ált. iskolai tanár Általános Művelődési Központ Általános Iskolája 8045 ISZTIMÉR Köztársaság u. 87. A kézirat beérkezett: 1985. fűn. 11. 139
2. Hidrotermális oldódás útján keletkezett barlangok posztvulkánikus eredetű kova- és mésztartalmú gejziritben. 3. Suvadásos sziklaomlással keletkezett áltektónikus barlangok. Mindhárom típusba sorolt barlang vulkánikus, illetve posztvulkánikus eredetű kőzetben jött létre, így karsztbarlangokról nem beszélhetünk, mert bár több-kevesebb mésztartalma van a befoglaló kőzeteknek, de a karsztos formakincsük nincs. A gejziritben hidrotermális oldódás útján keletkező barlangok genezise korábban nem volt kidolgozva, bár utalások, megjegyzések voltak rá. Pávai (12) rámutatott a foiró oldatok és a gőz barlangoldó szerepére. A nagy barlangüregeket, a mennyezeten lévő kanelurákat ilyenfajta oldódással magyarázta. A tihanyi barlangok közül ötöt említett, melyben a,,forró oldás"nyomait vélte felismerni. Hoffer (5) is utal a hévizes oldásra, midőn vitázva Cholnoky nézeteivel, kifejti, hogy a forráskupok nem lehettek gejzírek, mert kürtőjük felül beboltozott és így e kürtők csak alulról való oldással képzelhetők el. Halász (4) és Buckó (1) a tihanyi barlangüregekről megállapítja, hogy azok hidrotermális oldódással keletkeztek, de ezt bővebben nem fejtették ki. A mészkövek és dolomitok hidrotermális oldódásával sokan (6, 7,8,9, 13) és részletesen, elemzőén foglalkoztak, az ilyen ismereteket szinte hézagmentesnek mondhatjuk. A Tihanyi-félsziget barlangjainak tudományos igényű feldolgozása (3) tette szükségessé és adott rá lehetőséget, hogy a gejziritben való barlangképződést tanulmányozzam és a barlanggenezisek leírásában mutatkozó eme hiányosságot próbáljam pótolni. Megkísérelem vázolni a keletkezésükben elsősorban ható kémiai folyamatokatnemecz (11): Agyagásványok" c. nagyjelentőségű könyvének adatai alapján. Sajnos, teljes részletességében tisztázni e barlangképző folyamatot nem sikerült, mert a a szilikát-kémia e szpeleológiát is érintő kérdésköre egyenlőre hiányos, a laboratóriumi kísérletek többsége pedig igen hosszadalmas és eredményeik évek múltán értékelhetőek. A félsziget barlangjainak többsége a forráskúpok gejziritjében keletkezett. A gejzirit kifejezést, mint ásvány- és kőzettani összefoglaló fogalmat használom a forráskúpok korántsem egy? íges anyagára (a mai magyar földtani irodalom és térképek is így jelölik a tihanyi forráskúpok anyagát). A gejzirit a váltakozó mennyiségű szénsavas karbonátoldatot és kovasavat tartalmazó forróvizű forrásokból vált ki. Általános, minden forráskúpra vonatkozó megfigyelés, hogy a korábbi időket reprezentáló, alsó régiókban inkább meszes, majd a későbbi időkben keletkezett, mind magasabban levő kiválásokban egyre kovásabb ásványok fordulnak elő. Egykor a Tihanyi-félsziget forráskúpjainak száma 130-150 lehetett, de a többszáz éven át tartó kőbányászás sokat megsemmisített, másokat a felismerhetőség határáig megcsonkított, de a viszonylag épek is csúnya sebeket viselnek. Sajnos ma már a több mint száz forráskúpból csak 79-et lehet felismerni és ezekben is csak 19 üreget tekinthetünk barlangnak. E 19 barlang nagyobb része is rongált, kőzettörmelékkel és szeméttel van többé-kevésbé feltöltődve. 140
A forráskúpok gejziritje Bucko (1) szerint valószínűleg a mindéi glaciális idején keletkezett, az akkori orogén mozgások hatására alakult litoklázisokban feltörő víz hatására. Hoff er (5) véleménye szerint a gejziritet lerakó források működése a felső pontuszi emeletben kezdődött, legnagyobb arányú a középső pliocénben volt és a pleisztocénben szűnt meg. A mai ismereteink birtokában az látszik elfogadhatónak, hogy a források működése nem volt egyenletes. A kúpok formája, a kőzetösszetételben (gejziritben) való minőségi sorrend és az oldásnyomok arra utalnak, hogy az ezeket létrehozó hévíz oldottanyagtartalma, mozgásának intenzitása, hőmérséklete és kémhatása a kialakulás során változott. Az oldottanyag vonatkozásában többé-kevésbé fokozatos volt e változás. A kezdetben több kalcium-karbonátot és kevés szilikátot tartalmazó víz a hévíztevékenység végére egyre Löbb szilikátot és mind kevesebb kalcium-karbonátot szállított és rakott le forráskürtője körül. A hőforrások vizének mozgásintenzitása, hőmérséklete és kémhatása pedig egymást váltó szakaszosságot, periodicitást feltételez. (Cholnokynak az a nézete, hogy a kúpokat létrehozó források a Yellowstone-parki szökőforrásokhoz hasonlóan működtek volna, alig valószínű inkább az feltételezhető, hogy e források oldott anyagban gazdag forró vizüket hol lassú bugyogással terítették szét, hol meg intenzívebbé vált működésük, de a szökőforrásszerű működést csak a legritkább esetben érték el.) A lassú kiömlési szakaszokban a felszínre került víz lehűlt. Az oldott kalcium-karbonát a lehűlés következtében elérte a kristályosodási pontot és kicsapódott. Ca(HC0 3 ) 2 -> CaC0 3 + C0 2 + H 2 0 A kovasavak megszilárdulásának, kiválásának is kedvezett ez az állapot. A kovasavak megszilárdulása nem a szokványos kristályosodással történik, hanem polimerizációval ahol a monokovasav-molekulák(h 4 Si 0 4 ) vízkilépés mellett dikovasavakká (H 6 Si 2 0 7 ), majd polikovasavakká (H 2 +2 Si 0 3«+i) alakulnak Si-O-Si kötéseket alkotva. E polikondenzáció állandóan nő, addig amíg a gélpontot el nem éri (kb. 6000 mólsúlynál), így a polimerizátumok kicsapódnak, s a szerkezeti hézagaikba zárt kondenzációs víz és egyéb ásványi anyagok mennyiségétől és minőségétől függően hidrokvarcitot, kalcedont, vagy opált alkotnak. A folyamat csak 8 ph alatti kémhatás esetén játszódik így le: (egyszerűsített egyenlet, a valóságban bonyolutabb!) 2H 4 Si0 4^(OH) 3 -Si-0-Si-(OH)3 +H 2 0 A Steamboat Springs-gejzírcsoport (USA Colorado) vizének vizsgálata is e kovakiválási folyamatot mutatja (11). A friss, 90 C körüli, 5-8 ph-jú vizében a kovasavtartalmat túlnyomó részben monokovasavak adják nagyjából 310 mg/l mennyiségben, majd az első tíz nap alatt ez 150 mg/l-re csökken és 100 nap koncentrációidő múltával, immár lényegesen lassabban, kb. 120 mg/l értékűre fogy. (2. ábra) A kovasavkiválások az eddigi vizsgálatok szerint hidrotermális eredetűnek tűnnek bennük kovamoszatok vázmaradványait nem sikerült kimutatni, bár meglétüket kizártnak sem tekinthetjük. 141
1. ábra. Az Arányház, a legépebben megmaradt forráskúp (fényképezte: Jákói István) 400 - o - 300 A E CL - 200 A o o 100 - H 3 Si 0 4 iontartomány -8 Si (OH) 1 2 3 5 6 7 ő 9 10 ph 2. ábra. A Síe;uiib< it Springs-gejzíroldott kovasavmennyiségének változása. (Rajz: Nemecz Ernő nyomán) 142
A szilikátok oldódásának feltételei a hévforrások működésének intenzív szakaszaiban alakultak ki, bár a kezdő mozzanat, az oldat lúgossá válásának oka még nem bizonyított. A hévforrások gyors kiömlési szakaszaiban az oldat nem tudott eléggé lehűlni, a víz disszociáltsága magasabb volt. A keletkező H + ionok egy része a kürtőfal oxidásványaival lépett reakcióba, így a OH" ionok a felszínközeiben felszaporodtak, továbbá feltételezhető különböző alkáli ionok számának növekedése is az intenzív forrástevékenységnél és ezek együttes hatására egyre lúgosabbá vált az oldat. Mint ismert, a kovák a természetben előforduló savakban nem, de lúgokban, különösen forró lúgokban jól oldódnak. A 9-es ph felett a Si0 2 oldhatósága felgyorsult". A ph befolyása az oldhatóságra a 9-es ph-ig csekély, de 9-nél magasabb ph esetén rohamosan nő - vagyis gyengén és közepesen alkalikus közegben az oldhatóság lénygesen nagyobb, mint savanyú rendszerben. Ez arra is mutat, hogy a kovasav kb. 9 ph-ig H 4 Si 0 4 alakban, ennél nagyobb ph esetén pedig túlnyomó részben H 3 Si 0" 4 (szilikátion) formában van jelen (3. ábra). Az oldhatóság továbbá függ a Si0 2 kristályformák stabilitásától - legkevésbé a kvarc jobban a kalcedon, legjobban az opál, illetve az amorf kovasav oldódik. Az oldódás egyenesen függ a hőmérséklettől, de alig befolyásolja az oldat koncentráltsága. Nemecz (11) könyvében említett laboratóriumi kísérletek alapján az oldás csak földtörténeti mércével tűnik gyorsnak. anyag hó'mérséklet idő feloldott mennyiség opál opál kvarc 20 C 90 Ó C 25 C 2 hónap 18 hónap 7 hónap 3 mg/l 194 mg/l 7 mg/l A szilikátok oldódásának egyik különleges sajátossága, hogy mindig heterogén szuszpenzió keletkezik - az alsó zóna jobban oldódik, mint a felső. Ennek fő oka, hogy a kovák lebomlása nem valódi oldódási folyamat. A lebomlás termékei nem molekula-diszperz állapotban vannak, hanem gél és dómén (kocka, vagy lánc alakú szerkezeti töredék) egyensúlyi rendszerében. Az oldódás során OH" ionok épülnek be a kova-makromolekulákba és felhasítják a Si-O-Si kötéseket, egyre kisebb kovasav molekulákat, illetve ionokat alkotva. (OH) 3 -Si-0-Si-(OH) 3 + OH"-» Si(0H) 4 + Si(OH)J (egyszerűsített egyenlet, a valóságban bonyolultabb!) A gejzirit lúgos hidrotermális oldása, üregképzése során oldatba került ionok, molekulák és domének kiöblítődtek és a felszínen a megváltozott miliőben a korábban említettek szerint ismét kicsapódtak. 143
400-300 - er a 200 a o I wo - 70 7 00 nap 3. ábra. A kovasav oldhatósága a ph függvényében (rajz: Nemecz Ernő nyomán) 4. ábra. Oldasformák a forráskúp felső, nagy kovatartalmú régiójában - Nyársas-hegyi-barlang (Fényképezte: Gönczöl Imre) 144
5. ábra. Oldásformák a forráskúp alsó, mészben gazdag anyagában (Fényképezte: Göncöllmre) Nyereg-hegyi -eresz fala 6. ábra A Csúcs-hegyi forrásbarlang a Tihanyi-félsziget leimpozánsabb gezíritbarlangja (Fényképété: Göncöl Imre) 145
7. ábra. A geziritbarlang idealizált metszete. (Rajzolta: Eszterhás István) A feltörő víz fizikai, kémiai tulajdonságainak periodikus váltakozása szerint hol kőzetkiválás, hol kőzetoldás töítént. E folyamatok valószínűleg többször megismétlődtek. A barlangok falán oldási és utólagos bekérgezodési nyomokat egyaránt lehet találni. A lúgos közegű hidrotermális oldódás útján keletkezett barlangok természetesen nem tisztán a kémiai folyamatok produktumai, bár e szilikát- és karbonátkőzetekre ható tényező a legtöbb barlang esetében dominán. Emellett szerepet kapott a tektonika és a kőzetrétegzettség főként abban, hogy függőleges, vagy vízszintes üregek alakultak-e ki. A függőleges kiterjedésű barlangüregeket és azok helyét elsődlegesen azok a tektonikai törések hatáiózzák meg, melyekben a forró víz feltört, melyek mentén a forráskürtők kialakultak. E függőleges barlangok tulajdonképpen a forráskürtők felső, szilikátos zónájának tágasra oldott üregei. Ilyen pl. az Aranyház felső ürege, a Csucs-hegyi-forrásbarlang stb. A vízszintes kiterjedésű üregek mindig a magas mésztartalmú gejziritben, a forrásmészkőben vannak, annak rétegzettségét követve. E barlangok, vagy barlangszakaszok többnyire széles, lapos üregek, az egykori források parazitajáratai - mint a Nyársas-hegyiüreg, a Csúcs-hegyi-üreg stb. (7. ábra) A barlangképződésben a hidrotermális oldódás mellett alkalmasint jelentős tényező lehet a hőingadozás okozta kimállás, mint pl. a Fehér-parti barlangok esetében, vagy a defláció a Nyereg-hegyi-eresznél. 146
IRODALOM 1. BUCKÓ E.:A Tihanyi-félsziget geomorfológiája -in BIALIK:Magyarázó a Balaton környéke 1:10 000 építésföldtani térképsorozatához - Tihany MÁF1 Kiadvány, (1970) Bp. 47-55. 2. ESZTERHÁS I.: Jelentés a Tihanyi-félsziget szpeleográfiai telepbejárásáról. (Kézirat,az Alba Regia Barlangkutató Csoport Évkönyve, MKBT és OKTH Adattárában) 3. ESZTERHÁS \.:A Tihanyi-félsziget barlangkatasztere (Az MKBT és az OKTH adattárában) (1984), 18-24,104-106, 176-177. 4. HALÁSZ Á.:A tihanyigejziritek barlangüregei /'Kézirat,Zákony F. magánkönyvtárában, Balatonfüred) (1959) 5. HOFFER A.: A Tihanyi-félsziget vulkáni képződményei. Földrajzi Közi (1934) Bp. 375-429. 6. JAKUCS L.: A hévforrásos barlangkeletkezés földtani alakulása Hidr. Közi. (1948) 1-4. f. 7. JAKUCS L.: A karsztok morfogenetikája Akadémiai Kiadó Bp. (1971) 79-84, 101-106. 8. KEREKES J. A Buda-környéki hévforrásos barlangokról. Földrajzi Zsebkönyv, Bp. (1941) 9. KOVÁCS - MÜLLER: A budai hegyek hévízes tevékenységének kialakulása és nyomai Karszt és Barlang I. Bp. (1980) 93 98. 10. MUFLER-WHITE-TRUESDELL: Hydrothermal Explosion Craters in Yellowstone National Park Geol. Soc. Amer. Bull. 82. 723-740. 11. NEMECZE.: Anyagásványok. Akadémiai Kiadó Bp. 1973. 360-396. 12. PÁVAI V. F.: A forró oldatok és gőzök-gázok szerepe a barlangképződésnél Hidr. Közi. (1931) 115-122. 13. SCHERF E.: Hévforrások okozta kőzetelváltozások a Buda-pilisi hegységben Hidr. Közi. Bp. 1922. CAVERN FORMATION BY CAUSTIC DISSOLVING by I. ESZTERHÁS Summary The majority of the caves of Tihanyi-peninsula have formated through hydrothermal solvation in geyserite which is deuteric of origin. The paper discusses the segregation of flint- and lime materials of geyserites, and points out that these have been occured in the periodically active former thermal springs' slow effusive sections, under the circumstance of ph less than 8. Solving of the cavern holes being in them was caused by the resurgent hot solution, too. The flint compounds are insoluble in any of the acids found in nature, however they decompose in solutions Which turn basic. Conditions of solving the flints have taken place in the speedy phase of thermal springs, when the ph value of solutions increased up to 9, and thus became basic. 147
HÖHLENETSTEHUNG DURCH ALKALISCHER LÖSUNG von I.ESZTERHÁS Zusammenfassung Die Mehrzahl der Höhlen der Halbinsel Tihany entstand auf dem Wege der hydrothermalen Lösung im Geisirith postvulkanischer Herkunft. Die Studie behandelt die Abscheidung der Kiesel- und Kalkstoffe im Geisirith und stellt fest, daß diese in den langsam ausströmenden Abschnitten der periodisch tätigen Thermalquellen bei Werten unter 8 ph entstanden sind. Die Lösung der in ihnen befindlichen Höhlenräume bewirkte ebenfalls die hervorbrechende heisse Lösung. Die Kielselverbingungen werden von keiner, in der Natur vorkommenden Säure gelöst, sie werden aber in der basisch werdenden Lösung abgebaut. Die Bedingungen zur Lösung der Kieselverbindungen entstanden in den schnellen Perioden der Thermoqellen, als der ph-wert des Lösung über 9 gestiegen ist, wodurch diese alkalisch geworden ist. ОБРАЗОВАНИЕ ПЕЩЕР ПУТЕМ ЩЕЛОЧНОГО РАСТВОРЕНИЯ И.ЭСТЕРХАШ Резюме Большинство пещер полуострова Тихань образовалось путем гидротермального растворения в гейзерите поствулканического происхождения. В работе исследуется выделение гейзеритом кремниевых и известковых материалов. Определено, что оно происходило под химическим действием ph меньше 8 во время медленного излияния периодически действующих древних горячих источников. Растворение находящихся в них пещерных пустот также происходило из-за вырывающихся струй горячего раствора. Кремниевые соединения не растворяет ни одна кислота, находящаяся в природе, тогда как в щелочном растворе они разлагаются. Условия растворения кремней создались в период выстрой работы горячего источника, когда ph раствора поднимается выше 9 и становитчя щелочным. 148