A Kárpát-Pannon térség legutolsó bazaltvulkáni kitörése: Putikov vrsok

Az RTL Klub szombati Fókusz Plusz adása után sokan kérdezték, mi is ez a Putikov vulkán és tényleg veszélyes? Nos, akkor lássuk, mit tudunk erről!
A Putikov vrsok vulkáni kúp alig láthatóan bújik meg a Selmec közeli andezites vulkáni terület mára már megszelídült dombjai között. A közelben Barsberzence (Tekovská Breznica) és Magasmart (Brehy) települések épültek a Garam partjára. Az andezites vulkáni működés mintegy 10 millió éve fejeződött be, amit követően 6,5 millió évvel ezelőtt bazaltos magma törte át a földkérget és jutott a felszínre a mai Selmecbánya területén. A későbbi lepusztulás miatt a kicsiny vulkánnak csupán a kürtője maradt meg, némi bazalt láva törmelékhalommal a környezetében, ezt tárja fel a Kálvária-domb. Hosszú évmilliók teltek el nyugalomban, úgy tűnt itt már csak kihunyt vulkánok roncsai vannak. Jó 100 kilométer távolságban azonban látványos tűzhányó tevékenység folyt a mai nógrádi területen és Cseres-hegységben. Aztán ott is elcsendesedett a táj 1 millió évvel ezelőtt, talán csak néhány kisebb kitörés történhetett ezután, azonban nincs rá bizonyíték arra, hogy az elmúlt 500 ezer évben lett volna vulkáni működés. Kész! - mondaná bárki is. Több százezer év nyugalom vulkáni kitörés nélkül, ki az, aki mindezek után úgy gondolná, hogy megmozdulhat, felhasadhat még a föld...

A Putikov vrsok salakkúpja és a kapcsolódó lávafolyás. Jobbra a "megbúvó" salakkúp. Forrás: Harangi Sz.: Vulkánok c. könyv

...és felhasadt! Ladislav Šimon vizsgálatai szerint mintegy 100 ezer évvel ezelőtt történt mindez, bár a radiometrikus kormérések 400-500 ezer évet adnak. A lávakőzet azonban Rudolf Halouzka vizsgálatai szerint a Garam teraszüledékén található, ami a fiatalabb kort erősíti meg. A morgolódó földből egyszer csak sötét hamufelhő emelkedett felfelé. A feltörő bazaltos magma előfutára a folyóvízi völgy alatt nedves üledékkel keveredett, ami heves freatomagmás robbanásos kitöréssel járt. A vulkanizmus jellege azonban, hamar megváltozott. Rövidesen izzó lávacafatok tódultak ki, ami egy lávaszökőkúttá állt össze. A kürtőből sisteregve repültek ki nagyobb lávacafatok, amelyek orsóformát vettek fel pörgésük közben. A váltakozó Stromboli és Hawaii jellegű kitörések egy közel 100 méter magas, vörösbarna salakkúpot építettek fel. A salakúpot az egykori gázbuborékoktól likacsos kőzettörmelékek, valamint a repített kőzetbombák csavart és orsó alakú darabjai építették fel. A vulkáni működésnek azonban még nem volt vége! A gázbuborékoktól megszabaduló magma most már robbanások nélkül elérte a felszínt. Áttörte a laza salakkúp oldalát és észak felé hömpölygött tovább. A lávanyelvek 2-3 kilométer távolságba jutottak el, vastagságuk helyenként a 15-20 métert is elérte. Helyenként megakasztották a patakok folyását és kisebb tavak is kialakultak a lávagátak mögött. A vulkáni kitörés vélhetően nem tartott sokáig, talán csak néhány hétig.

Ilyen lehetett a Putikov vrsok kitörése 100 ezer évvel ezelőtt (Fotó: Hawaii, USGS)

Lehet-e még ilyen kitörés a térségünkben? Bár a mostani nyugodt környezetet látva őrültségnek tűnik olyat állítani, hogy megnyílhat ismét a föld, de... Vajon nem ugyanilyen helyzet volt 100 ezer évvel ezelőtt? Vannak azonban tudományos érvek is arra, hogy azt mondhassuk, hogy azért mindennek megvan az esélye. A Putikov vulkán bazalt lávakőzetének összetételét meghatározva és elemezve arra a következtetésre jutottunk, hogy a bazaltos magma mintegy 80-100 kilométer mélyen keletkezett a litoszféra alatti asztenoszféra földköpeny anyagának kis mértékű megolvadásával. A kulcskérdés az, hogy miért? Miért pont 100 ezer éve, ami földtörténeti léptékben olyan, mintha most lenne! Ehhez két dolog kell: az egyik fontos tényező, hogy az asztenoszféra képlékeny anyaga lassan felfelé mozogjon, a nyomás csökkenése ugyanis elősegíti az olvadást (a nyomás csökkenésével ugyanis kisebb lesz az olvadáspont). Ez azonban még nem elég! Ehhez az is kell, hogy a földköpeny anyaga olyan legyen, ami ilyen mélységben megolvadhat! Ehhez pedig az kell, hogy vagy valamennyi víztartalma is legyen a peridotit kőzetnek vagy a peridotit mellett legyen olyan kőzetanyag is, aminek kisebb az olvadáspontja. Mindkét lehetőség előfordulhat, a fontos üzenet azonban az, hogy igen nagy mélységben, akár 100 kilométer mélyen az asztenoszférában van olyan kőzetanyag, aminek olvadáspontja nagyon közel lehet a környezet hőmérsékletéhez és nem sok kell ahhoz, hogy olvadás induljon meg. Másképpen azt mondhatjuk, hogy a Putikov bazaltjának vizsgálatából tudjuk, hogy a térség alatti földköpeny olvadásra képes.
Az alábbi három ábra teljes összhangban van ezekkel a megállapításokkal. Az első ábra egy úgynevezett szeizmikus tomográfia modell, ami a földrengéshullámok sebesség értékein alapul. A piros mező azt jelzi, hogy az adott terület alatt 75 kilométer mélységben a rengéshullámok sebessége kisebb az átlagosnál. Ez a piros mező pont ott van, ahol a Putikov vulkán keletkezett. Ennek oka vagy az lehet, hogy ott a földköpeny hőmérséklete magasabb az átlagnál vagy az összetétele különbözik a környezeténél, például vizet is tartalmaz, ami csökkenti olvadáspontját. A középső ábra a felszíni hőáram alakulását mutatja. A Putikov vulkán pont egy maximum érték közelében van, azaz ott ahol viszonylag nagy a hőáram, ami összefüggésben lehet az első ábra üzenetével. Végül a harmadik ábra a jelenkori szerkezeti viszonyokat mutatja: nos hol is van a Putikov vulkán? Pont egy szerkezeti vonalon csücsül, azaz a magma vélhetően gyorsan felemelkedett. Már csak az a kérdés maradt, hogy milyen gyorsan? Kutatócsoportunk erre is végzett vizsgálatokat és arra a következtetésre jutottunk, hogy a bazaltos magma mindössze 3-4 nap alatt áttörhetett a földkérgen keresztül. Ennyi idő lenne, hogy az esetleges jeleket felfogjuk. Persze, ha ehhez érzékeny szeizmométerek is lennének...

Mi van a Putikov tűzhányó (világoskék ponttal jelölve) alatt és miért pont ott helyezkedik el? Részletek a szövegben!

Nos, Hölgyek és Urak, ugye nem is annyira valószínűtlen, hogy egy most éppen nyugodtnak tűnő területen megnyíljon ismét a föld! Hangsúlyozzuk persze, hogy jelenleg semmi sem utal arra, hogy a közeljövőben bazaltvulkáni működés történjen! Azonban szakemberként, a tudományos vizsgálatok adatai alapján azt is el kell mondanunk, hogy ennek esélye nem nulla, ha most azt is gondoljuk, hogy nagyon kicsi, de azért erre van elméleti esély, van elméleti lehetőség, akár itt, akár a térség délkeleti részében... Ez nem azt jelenti, hogy veszélyben vagyunk, hogy esetleg félni kellene, de azért jó ha tudjuk, hogy egy folytonosan változó bolygón élünk és ez úgy jó, ha ismerjük, kutatjuk környezetünket és ismerjük, kutatjuk a Föld természetes folyamatait. Ez így lenne természetes...

Stephen Sparks: vulkanológus kapta a Vetlesen-díjat, azaz a földtudomány "Nobel-díját"

A Vetlesen-díjat 1959-ben alapították, amit négy évente osztanak ki a földtudomány legkiemelkedőbb kutatójának. A Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory által kiadott díj egy életműnek szól, egy olyan tudományos életműnek, ami jelentősen előrelendítette a földtudományi megismerést, új felfedezéssel járt és új irányvonalat határozott meg. Olyanok kapták meg, mint a holland geofizikus, Felix Vening Meinesz, aki számos expedíciót vezetett tengeri területeken, ahol pontos gravitációs méréseket végzett, eredményei hozzájárultak a Föld alakjának pontosításához, az angol Arthur Holmes, a 20. század talán egyik legkiemelkedőbb földtudományi szakembere, aki elsők között igyekezett meghatározni a Föld korát és eredményei alapvető változást hoztak a geológiai korskáláról. Jóval a lemeztektonika elmélete előtt publikálta a földköpeny konvekciós modelljét, ami a modern geodinamika egyik alappillére. 1978-ban a kanadai Tuzo Wilson kapta a díjat, aki a lemeztektonika egyik úttörő képviselője volt, aki először írta le a forró-folt területeket. Fantasztikus tudósok, akiknek tudományos eredményei korszakalkotóak voltak.
Óriási siker a vulkanológia tudományterülete számára és az elmúlt évtizedek hatalmas fejlődésének elismerése, hogy 2015-ben egy vulkanológus veheti át ezt a díjat. Stephen Sparks, a bristoli egyetem professzora elévülhetetlen érdemeket szerzett abban, hogy a vulkanológia forradalmi változásokon ment keresztül, ahogy írják róla "modernizálta a vulkanológiát".

A Vetlesen-díj (jobbra) 2015. évi díjazottja, Stephen Sparks, vulkanológus

Sparks 1974-ben szerezte meg a PhD fokozatát és 1977-ben már a Nature folyóiratban publikált, ahol rámutatott arra, hogy a magma-keveredésnek milyen óriási szerepe van a robbanásos kitörések elindításában. Már kezdetektől fogva fizikusokkal és matematikusokkal dolgozott együtt és ezzel helyezte a vulkanológiai megismerést erős fizikai és matematikai alapokra. Ő volt az, aki a korábbi felfogással szemben az összesülést nem mutató, horzsakő-tartalmú hamuár üledékekre is kiterjesztette az ignimbrit elnevezést és ennek a legpusztítóbb vulkáni sűrűségárnak leírta a szállítási és lerakódási mechanizmusát. Szintén erős fizikai és matematikai alapokra helyezve rekonstruálta a földkéreg mélyebb részein zajló magmás folyamatokat, a földkéreg alsó részén lévő "forró zónát". Széles érdeklődésére még egy példa, szintén az ő nevéhez fűződik a nagy robbanásos kitörések során feltornyosuló vulkáni hamufelhők természetének leírása. Sorolhatnánk hosszasan azokat a területeket, ahol elsők között tette le azokat az alapokat, amelyeken a mai modern vulkanológia nyugszik. 2012-ben Kathy Cashman-nel foglalták össze, hogy az elmúlt 25 évben a vulkanológia hogyan változott, hogy helyeződött egyre inkább fizikai alapokra. Publikációs listája minden vulkanológus szakembernek a leggyakrabban látogatott weboldalak között van. De most beszéljen ő maga:

Mindezek az ismeretek természetesen nem maradtak csupán a tudomány asztalán, az elmélet gyakorlattá vált és ezek az új eredmények mind beépültek a vulkáni veszély előrejelzés munkájába. Sparks professzor vezette azt az angol kutatócsoportot, aki kezdetektől végigkísérte a karibi Montserrat szigetén lévő Soufriére Hills 1995-től induló vulkánkitörését, ami elpusztította a sziget fővárosát, Plymouth-t, a repteret és ami átrendezte az egykori Karibi Paradicsom életét. Fáradhatatlanul vesz részt a vulkáni veszély felmérésben, többek között a fejlődő országok esetében és nyújt segítséget, hogy az elmaradott területeken is kiépülhessenek vulkáni megfigyelő központok. Egyik alapítója a Global Volcano Model kezdeményezésnek, az angliai Bristolban pedig a vulkanológiai legnagyobb húzóerejű tudományos központját hozta létre.
Természetesen a hazai vulkanológiai oktatásban és kutatásban is meghatározó mindaz, amit Sparks professzor letett az asztalra. Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport jelentős mértékben alapoz az ő által elindított elméletekre és ragadja meg ezt a különleges alkalmat, hogy a Tűzhányó blog bejegyzésén keresztül is gratuláljon e megtisztelő díjhoz!

Congratulation Professor Steve Sparks!

Kutatócsoportunk eredményeiből: van még magma a székelyföldi Csomád alatt, azaz mi az a PAMS vulkán?

2015 elején az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport tudományos munkája egy fontos állomáshoz érkezett, tudományos közleményünket a vulkanológia területének egyik vezető nemzetközi szakfolyóirata publikálta. Az egyik kiemelt kutatási témánk a térség legfiatalabb tűzhányójának, a székelyföldi Csomádnak a vizsgálata. Hogy vizsgálható egy látszólag inaktív vulkán természete? Egyáltalán van létjogosultsága egy olyan kutatásnak, ami egy alapvetően nyugodt, utoljára 32 ezer éve kitört vulkánt vesz célba?

A Csomád lávadóm együttese észak felől

Kiindulás alapelvünk az, hogy egy vulkán természete nehezen érthető meg csak a felszínen látható jelenségek vagy műszerek által fogható jelek alapján, ami különösen igaz akkor, ha a tűzhányó már régen mutatott aktivitást. Úgy véljük, hogy a lényegi tulajdonságok feltárásához a vulkánok alá kell nézni. A vulkán csak egy bonyolult folyamatok sorozatának végjáték produktuma, a vulkáni kitörés a tűzhányó életében csak egy ritka esemény. A vulkán akkor is él, ha a felszínen semmi nem mutat erre. A folyamatok ekkor a felszín alatt, a földkéregben, vagy az alatt, a földköpeny felső részén zajlanak. Hozzáállásunk tehát az, hogy nézzük be, mi zajlik a vulkán alatt és csak ekkor tudunk megfelelő diagnózist felállítani és értékelni a tűzhányó esetleges jövőbeli tevékenységét. Az előző évben Kiss Balázs vezetésével publikáltuk a tűzhányó vulkáni kőzeteiben található amfibol ásvány elemzéséből levonható következtetéseket. Az amfibol kristályok megjelenése és kémiai összetétele alapján rekonstruáltuk a korábbi kitörések során zajlott magmakamra folyamatokat, megbecsültük a kristályosodás során fennállt hőmérséklet és nyomás viszonyokat. Ez volt most is a kiindulás pontunk. Világossá vált, hogy a vulkáni kitörések előtt a földkéregben már jó ideje, akár több tízezer éven keresztül is létezhetett magmakamra, amelyben a magma közel megszilárdulási állapotban volt, azaz olyan hőmérsékleten, ami még valamennyi olvadék jelenlétét lehetővé tette.

Egy vulkán viselkedése csak úgy érthető meg, ha amellett, hogy minden rezdülését, jeleit rögzítjük, megnézzük mi van alatta. A tűzhányók alatt sok lépcsős magmatározó-rendszer található. Ez bazaltos magmák által táplált vulkánok alatt egyszerűbb, andezites, dácitos és riolitos magmákhoz kapcsolódó vulkánok esetében komplexebb

Rendben, nézzünk alá - de hogyan? Ehhez két módszert használtunk. Az egyik a korábbi vizsgálatok folytatása, azaz a vulkáni kőzetekben lévő ásványok megjelenése és kémiai összetételbeli változása, az ebből számolható hőmérséklet és nyomás értékek. Az utóbbi egyszerűen átváltható mélységre, így információt kapunk arra, hogy hol is lehetett a magmakamra. A másik módszer geofizikai eszköz olyan, ami érzékeny egy részben olvadt anyag, a magmakamra fizikai tulajdonságaira. Ez a magnetotellurika módszere, aminek az alkalmazása az elmúlt években mutatott fellendülést, köszönhetően annak, hogy a hosszadalmas, bonyolult számolások a fejlett számítógépes háttérrel már gyorsabban megoldható, mint korábban. A magnetotellurika módszere azon alapul, hogy a Föld természetes mágneses és elektromos terének változását (mind az irányát, mind az intenzitását) méri. Ez különösen a napkitörések időszakban mérhető érzékenyen. A napszélből származó töltött részecskék behatolnak a Föld mágneses terébe és jelentős elektromos áramokat gerjesztenek, ezek egy része behatol a Föld belsejébe. Ez utóbbi jeleket műszerekkel felfoghatjuk és következtetéseket vonhatunk le a felszín alatti kőzettestek elektromos vezetőképességére.

A csomádi vulkáni kőzetekben gyakori ásvány az amfibol, a baloldali mikroszkópos képen a barnás színű kristályok. Érdekes módon kémiai összetételük két csoportra osztható és ez azt jelenti, hogy két különböző hőmérsékleti tartományban keletkeztek. Az egyik viszonylag alacsony hőmérsékleten 700-750 fokon, a másik csoport pedig 200 fokkal magasabb hőmérsékleten.

Na mármost, az amfibolok kémiai összetételéből azt kaptuk, hogy a vulkán alatti magmakamra 8-15 km mélységben volt. Az alacsony hőmérsékletű amfibolok és egyéb ásványok azt jelzik, hogy a kitörések előtt hosszú időn keresztül léteznie kellett egy 700-750 fokos, azaz éppen a teljes kristályosodás hőmérséklete feletti állapotban lévő magmás testnek. Ebben 10-15% olvadék lehetett csupán, a többi rész kristályok tömege volt. Egy ilyen anyag nem képes vulkáni kitörést elindítani, meg sem tud moccanni. Egy fontos felismerés volt, szintén az amfibolok kémiai összetétel vizsgálata alapján, hogy a vulkáni kitörések előtt a hőmérséklet több mint 200 fokkal emelkedett. Mi ennek az oka? Nem lehet más, mint egy magas hőmérsékletű, friss magma érkezése. A magmakamrába nyomuló bazaltos olvadék felhevítette a valamennyi olvadékot tartalmazó, túlnyomórészt azonban kristályokból álló magmakását, egyes részei jelentős mértékben megolvadtak és ennek során már kitörésre alkalmas magmatömeg állt elő. Ez az utóbbi folyamat pedig jelenlegi ismereteink szerint nagyon gyorsan, akár évek, évtizedek alatt végbemehetett.
A következtetés tehát az, hogy amennyiben egy vulkán alatt van magmakása, azaz némi olvadékot is tartalmazó magmás tömeg, akkor az gyorsan felolvasztható és emberi időléptékkel is gyorsan reaktiválható, azaz kitörésre alkalmas magmatömeg jöhet belőle létre. Ha a magmakamrában lévő kőzetolvadék teljesen kikristályosodott volna, azaz a magmatározó teljesen szilárd lenne, akkor azt nagyon nehezen tudná felolvasztani még egy magas hőmérsékletű, bazaltos magma is. A kulcs tehát a magmakása állapot! Rendben, akkor egy vulkáni kitörés előtti állapot fontos szereplői egy alacsony hőmérsékletű, olvadékot is tartalmazó magmakása, egy friss, magas hőmérsékletű magma benyomulása és a gyors reaktiválás, azaz a magmakása részleges felolvasztása. Kutatásunk következő lépése az egyik szereplőt kereste: van-e a Csomád alatt olvadékot is tartalmazó magmás tömeg, azaz magmakása?

A Csomád kráterrégiója alatt, a földkéregben 10-25 km mélyen a magnetotellurikus mérések adatai egy elektromosan jól vezető területet jeleznek (piros színárnyalatok jelöli).

A megnotellurikus mérések során érzékenyen kimutathatók a elektromosan jól vezető területek. Ezek olyanok, amelyek egymással összeköttetésben álló fluidumokat is tartalmaznak. Ez lehet magas hőmérsékletű vizes oldat, de lehet kőzetolvadék is. A mérési adatokból számolt két-dimenziós és három-dimenziós modellek egyértelműen azt jelezték, hogy a vulkáni kráterterület alatt 10-25 km mélyen egy elektromosan jól vezető terület van. További modellszámításaink alapján ezt úgy értelmeztük, hogy ez legvalószínűbben egy 5-15% kőzetolvadékot is tartalmazó magmás test lehet. Rendben, ez jól hangzik, de vajon van-e erre más, független bizonyíték is? Nos, a jól vezető terület mélysége pontosan egybeesik azzal a mélységgel, amit az amfibol ásványok kémiai összetételéből számoltunk. Sőt, román kutatók nem sokkal korábban publikálták eredményeiket, miszerint a Csomád alatt kimutatható egy, a normál értékekhez viszonyítva kis rengéshullám-sebességű zóna, ami 8-20 km mélységben észlelhető. Minden úgy tűnik ugyanabba a mélységközbe mutat és mindegyik legegyszerűbben egy olvadéktartalmú magmás testtel értelmezhető.

Minden egy irányba mutat, azaz egymástól független vizsgálati eredmények azt jelzik, hogy a Csomád alatt olvadékot is tartalmazó magmás test lehet 8-20 km mélységben.

A jelenlegi adatok úgy tűnik mind azt jelzik, hogy a Csomád alatt 8-20 km mélységben még most is lehet egy magmakása tömeg. Megvan tehát az egyik szereplő, amely szükséges ahhoz, hogy akár rövid időn belül is vulkánkitörés legyen. Egyelőre azonban csak ez az egy szereplő van, amelyik "Csipkerózsika"-álomba merült, ezért jelenleg semmi jel nem mutat arra, hogy aktivizálódjon és vulkánkitörés következzen be. Szükséges még a királyfi, azaz a magas hőmérsékletű bazaltos magma, ami a magmakásába nyomulva "felébresztheti" a "Csipkerózsika"-magmakását és vulkánkitörést okozzon. Mindezek alapján azt mondhatjuk, hogy a Csomád egy potenciálisan aktív magmatározóval rendelkező vulkán (angolul: 'volcano with potentially active magma storage', röviden 'PAMS volcano'). Jelenleg nem mondható, hogy potenciálisan aktív, hiszen ez a jelző azokra a tűzhányókra használható, amelyek az elmúlt 10 ezer évben legalább egyszer már kitörtek. Nincs besorolási kategória azonban azokra a vulkánokra, amelyek több tízezer éve nem törtek ki, azonban vannak jelek arra, hogy a mélyben még van magma és akár lehet a jövőben még kitörésük. Ilyen például a Yellowstone, ami 70 ezer éve tört ki utoljára vagy a bolíviai Uturuncu, ami 270 ezer éve volt aktív, mégis ez utóbbi esetében az erős felszínemelkedés és a kapcsolódó földrengések azt jelzik, hogy jelentős mennyiségű magma nyomult a vulkáni alatti földkéregbe. A tanulmányunkban javasolt PAMS vulkán elnevezés ezekre a tűzhányókra is viselkedésükre megfelelő jelzőt ad, ami utal arra, hogy a jövőben akár ki is törhetnek ugyanúgy, ahogy az a Csomád esetében is állítható. Tudjuk azonban a Csomád esetében azt is, hogy ehhez mi szükséges. Így, ha elindulna egy ilyen készülődés, akkor tudhatjuk, hogy a jelek mire utalhatnak, azaz kutatási eredményeink hozzájárulhatnak egy hatékony vulkánkitörés előrejelzéshez.

Az ismertetett eredmények a következő friss tudományos tanulmányban jelentek meg:
Harangi, Sz., Novák, A., Kiss, B., Seghedi, I., Lukács, R., Szarka, L., Wesztergom, V., Metwaly, M., Gribovszki, K. (2015): Combined magnetotelluric and petrologic constrains for the nature of the magma storage system beneath the Late Pleistocene Ciomadul volcano (SE Carpathians). - Journal of Volcanology and Geothermal Research, Volume 290, 1 January 2015, Pages 82–96.