Piciny cirkon kristályokból kinyert idő: milyen hosszan alszanak a tűzhányók?

Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoportnak két jelentős tanulmánya jelent meg, amelyekben a közös vonás, hogy régmúlt vulkánkitörések idejét határozták meg és ezek alapján vontak le következtetéseket. A Tűzhányó blog e tudományos munka (ezekben vezető szerepet játszott munkatársam, Lukács Réka és doktorandusz hallgatóm, Molnár Kata) hátterét tárja fel. Az elmúlt héten megjelent blog bejegyzésben először a kormeghatározási munka lényegi elemeit ismertettük, most az egyik tanulmány fő eredményeit mutatjuk be, majd folytatjuk később a másik tanulmánnyal!
Térségünk legfiatalabb tűzhányója a székelyföldi Csomád, amit már több mint egy évtizede kutatunk és aminek eredményeiről a Tűzhányó Blogban is már többször beszámoltunk. A kiindulási pontunk Szakács Sándor kolozsvári geológus-vulkanológus 2002-es konferencia előadása volt, amelyben azt vetette fel, hogy a vulkán még aktivizálódhat. „A kérdés nem annyira abszurd, mint amilyennek látszik” – jegyezte meg Szakács Sanyi. Amiről nem tudunk, nem feltétlenül biztos, hogy nem létezik, amit nem kutatunk, vagy nem merünk kutatni, nem feltétlenül biztos, hogy nem rejt fontos információt akár a társadalomnak is. Elkezdtük tehát a tudományos adatok, megfigyelések gyűjtését, hogy teszteljük Sanyi felvetését. Most pedig már körvonalazódik egy hosszan szunnyadó tűzhányó anatómiája, kórképe. Munkánkban több neves külföldi szakember is részt vesz, ebben különösen fontos a bukaresti Ioan Seghedi vulkanológussal való szoros együttműködés és sok hasznos tanáccsal látott el a helyi Jánosi Csaba is.
A vulkán utoljára 30-32 ezer éve tört ki, azonban számos új kutatási eredmény utal arra, hogy nem tekinthető inaktív tűzhányónak, alatta még lehet olvadéktartalmú magmás test és ezért a lehetőség megvan a további vulkáni kitörésre. Az utolsó kitörés óta eltelt bő 30 ezer év azonban sokaknak hosszú időnek tűnhet. Ha ilyen hosszú ideig nem tört ki egy tűzhányó, akkor az már biztos inaktív, gondolják többen is és ezt látszik igazolni az is, hogy minden nyugodtnak tűnik a térségben.

A Csomád vulkáni együttese fenséges képet nyújt észak felől, belsejében a Szent Anna-tó pedig szintén a szépséget, a nyugalmat tükrözi (Harangi Szabolcs és Fodor István felvételei)

A vulkánok azonban nem így működnek! Egy tűzhányó hajlamát arra, hogy újra kitörjön csak a felszíni megfigyelések alapján nem érthetjük meg. Kutatásaink nagy részt ezért arra irányulnak, hogy a tűzhányó alá nézve tárjuk fel működésének természetét. Tudományos eredményeink alapján egy új elnevezést javasoltunk a Csomádhoz hasonló, hosszan szunnyadó tűzhányókra: PAMS vulkán, azaz potenciálisan aktív magmatározóval rendelkező vulkán (volcano with Potentially Active Magma Storage). Mit takar valójában ez az elnevezés? A vulkanológusok azokat a tűzhányókat nevezik potenciálisan aktívnak, amelyek az elmúlt 10 ezer évben legalább egyszer kitörtek és várható újabb működésük. Sok olyan vulkán van azonban, amelyiknek nem volt kitörése az elmúlt 10 ezer évben és mégis, még a szakemberek sem zárják ki újabb működésüket. A legismertebb példa a Yellowstone, ami utoljára mintegy 70 ezer éve tört ki, a média azonban újra és újra felveti, hogy közeleg nagy kitörése! A PAMS vulkánok tehát azok, amelyek bár nem esnek a potenciálisan aktív tűzhányók kategóriájába és látszólag inaktívak, azonban vannak tudományos megfigyelések arra, hogy alattuk a földkéregben van még magma és ez az olvadéktartalmú magmás anyag megadja a lehetőségét annak, hogy a jövőben vulkáni működés történjék. Az elmúlt években a műholdas radarképek értékelése vezetett oda, hogy a bolíviai Uturuncu vulkán talán mégsem tekinthető inaktívnak annak ellenére, hogy utolsó kitörése mintegy 270 ezer éve volt! Joggal vetődik fel tehát a kérdés, hogy meddig szunnyadhatnak a vulkánok és vajon hosszú, több tíz- vagy százezer év nyugalom után is kitörhetnek?
Kutatócsoportunk új tanulmánya erre a kérdésre adott tudományos adatokkal alátámasztott választ. Molnár Kata doktori témája egy olyan kormeghatározási módszer, ami viszonylag új, különösen fiatal vulkáni kitörések idejének meghatározására. Ahogy az előző héten közreadott blogbejegyzésben írtuk, a geokronológiai vizsgálatokban valójában annak az idejét határozzuk meg, hogy mikor hűlt le a rendszer egy olyan hőmérséklet alá, amikor az izotópok már nem távoznak el az adott ásványból, azaz kialakul a zárt rendszer. Ez minden izotópra és ásványra más hőmérsékleten következik be. Az urán izotópok radioaktív bomlása során felszabaduló hélium 150-180 Celsius fok alatt marad meg a cirkon kristályban. A cirkon kristályokban lévő hélium és urán izotópok mérése alapján, a radioaktív bomlás, a hélium izotóp kilökődési hatása, valamint az izotópok kristályba való belépési viszonya alapján kiszámolhatjuk, hogy mikor történt ez a záródás, mikor történt ez a lehűlés. Ez pedig nem más, mint maga a vulkáni működés ideje, amikor a magma több mint 700 Celsius fokos hőmérsékletről a felszínre törve hirtelen 150 Celsius fok alá hűlt. Szerencsére a csomádi vulkáni kőzetekben bőségesen van cirkon kristály, így meghatározható a kitörési kor!

Ezekből a piciny kristályokból, melyek mérete akkor mint a hajszál vastagsága, határozható meg a vulkánkitörések kora. Jobbra a Bálványos, ami az új kutatási eredmény alapján 583 ezer éve keletkezett egy lassú lávakitüremkedés során (Molnár Kata és Harangi Szabolcs felvételei)

A Csomád vulkáni terület remek lehetőséget ad arra, hogy ne csak a vulkánkitörések idejét, hanem a kitörések közötti szunnyadási időszakok hosszát is meghatározzuk. A Csomád egy vulkáni mező tagja, egy hosszú ideje tartó vulkáni működés eddigi legutolsó epizódját adja. Kezdetben kisebb láva kitüremkedések történtek, a nehezen folyó dácitos magma nem tudott szétfolyni, hanem csak dagadt, dagadt kifelé és egy meredek oldalú kupacot hozott létre. Ezeket dagadókúpoknak nevezzük. A vulkánkitörések nem egy helyen, hanem elszórtan történtek, mint mezőn a vakondtúrások. Így keletkeztek a Bálványos, a Büdös-hegy, a Nagy-Hegyes és a Bába Laposa kúp alakú vulkáni hegyei. Számunkra ez szerencsés helyzetet adott, mert így minden kitörés képződményét megmintázhattuk és meghatározhattuk a vulkáni működések idejét. Korábban Szakács Sándor, Ioan Seghedi és Pécskay Zoltán végzett kormeghatározást több vulkáni kőzeten, ők egy másik geokronológiai módszert használtak, a kálium és argon izotópok mérése alapján arra következtettek, hogy ezek a lávadómok 500 ezer és 2 millió év közötti időszakban jöttek létre, maga a Csomád vulkáni komplexuma pedig mintegy 500 ezer éve kezdődött kialakulni. Új koradataink arra utalnak, hogy minden fiatalabb, mint azt korábban gondolták! A kálium és argon izotópokon alapuló rendszer esetében problémát jelenthetett az, hogy az ásványokba olyan argon is beépülhetett, ami nem radioaktív bomlásból származott, ezért jöttek ki idősebb korok.
A cirkon urán-hélium kormeghatározás esetében egy másik geokronológiai eszközt is használtunk. Az urán-ólom és urán-tórium izotóp mérésekkel a cirkon kristályok képződési idejét határoztuk meg. Ez utóbbiak segítségével megtudtuk, hogy mi az a kor, aminél a kitörési idő csak fiatalabb lehet. Ezt az időt végül a hélium és urán izotópok alapján számolt koradatok alapján pontosítottuk: így például megtudtuk, hogy a népszerű kirándulóhelynek számító Bálványos 583 ezer, a Büdös-hegy pedig 642 ezer éve keletkezett (30, ill. 40 ezer éves hibahatáron belül), a Csomád mellett emelkedő Nagy-Hegyes pedig 842 ezer éves kitörés emlékét őrzi. Rámutatunk arra is, hogy a Csomád körüli vulkáni lávadóm mező első kitörései nem több mint 1 millió éve voltak. Mindezt nem csak a koradatok, hanem a vulkáni kőzetek kémiai összetétele alapján is bizonyítani tudtuk. A vulkáni kitörések között pedig akár több mint 100 ezer év is eltelhetett! Maga a Csomád vulkáni komplexuma is úgy tűnik több, mint 100 ezer éves nyugalom után kezdett kialakulni. Az első kitörések 150-170 ezer éve voltak, majd tartottak kb. 100 ezer évvel ezelőttig. Akkor megint több tízezer éves szünet következhetett. A vulkáni működés aztán heves robbanásos kitörésekkel újult fel és ez az 57-32 ezer évvel ezelőtti időszak volt eddig az utolsó aktív vulkáni működési felvonás. Kérdés, hogy felgördül-e még újra a függöny, hogy legyen folytatás!

Balra a Nagy-Hegyes lávadómja, ami 842 ezer éve keletkezhetett, valahogy így, mint a karibi Soufriére Hills dagadókúpja (Harangi Szabolcs és Richard Roscoe felvételei)

A vulkáni kitörési korokból tehát összeállt a kép, mégpedig egy meglehetősen lustán működő vulkáni terület képe. Az aktív kitörési szakaszokat hosszú idő, nem egyszer több mint 100 ezer éves nyugalmi időszakaszok választották el egymástól! Más szóval, a vulkáni működés még több mint 100 ezer éves nyugalom után is felújult! Ez pedig tudományos adatokkal támasztja alá, hogy csak abból ítélni, hogy milyen hosszú ideje, például több tízezer éve nem működik egy vulkán, nem lehet, az nem jelenti azt, hogy a tűzhányó már inaktívvá vált! Ennyire részletes koradatokkal, jól elkülöníthető vulkánkitörések idejének meghatározásával még nem sok munka jelent meg a vulkánok szunnyadási időszakok hosszára, ezért új tudományos eredményünk nagy fontosságú ebben a témában. Ráirányítja a hosszan szunnyadó vulkánok kutatására figyelmet, hiszen ezek a tűzhányók különösen nagy potenciális veszélyt jelentenek a társadalomra, mivel olyan vulkánokról van szó, amelyek esetében nem sokan gondolnák, hogy kitörhetnek, így esetleges működésük felkészületlenül érheti a környező lakosságot. Márpedig ilyenre van példa a történelmi időkből: a globális kihatású és súlyos következményekkel járó Tambora 1815-ös kitörése legalább ezer, de nem kizárt, hogy több mint 4000 éves nyugalmi idő után történt. A mexikói El Chichon 1982-es kitörése előtt nem gondolták, hogy a fákkal sűrűn borított hegy még veszélyt jelenthet, aztán heves robbanásos kitörése több mint 3000 áldozatot szedett. A szumátrai Sinabungról sem gondolták 2010 előtt, hogy még kitörhet, nem is állt megfigyelés alatt, hiszen nem volt bizonyított kitörése az elmúlt 10 ezer évből (ez persze fakadhat abból is hogy nem történtek pontos kormeghatározási vizsgálatok a kőzetein). 2010-ben aztán váratlanul kitört, most pedig a Föld egyik legaktívabb és legveszélyesebb tűzhányója.
A székelyföldi Csomád kutatása hozzájárulhat ahhoz, hogy jobban megértsük, miért alszanak ilyen hosszan a tűzhányók és miért ébrednek fel hosszú "csipkerózsika álmukból", mi játszódik a mélyben, hogy elkövetkezzen ez a pillanat! Jelenleg nem utal semmi arra, hogy a Csomád közelgő kitörés előtt áll! Azonban ez a látszólagos nyugalom nem jelenti azt sem, hogy ez mindig így marad. A mélybeli magmakamra folyamatok megértésével kutatásaink segítik azt, hogy tudjuk milyen jelek várhatók egy esetleges kitörés előtt és bízzunk benne, hogy e jeleket majd műszerek is foghatják!

A Csomád vulkáni lávadóm mező kitörési kronológiája a szunnyadási időszakok hosszával kutatócsoportunk szabadon letölthető, új tudományos eredményei alapján

Piciny cirkon kristályokból kinyert idő: régmúlt vulkánkitörések idejének meghatározása

Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoportnak két jelentős tanulmánya jelent meg, amelyben a közös vonás, hogy régmúlt vulkánkitörések idejét határozták meg és ezek alapján vontak le következtetéseket. A Tűzhányó blog e tudományos munka (ezekben vezető szerepet játszott munkatársam, Lukács Réka és doktorandusz hallgatóm, Molnár Kata) hátterét tárja fel, először ismertetve a kormeghatározási munka lényegi elemeit, majd a következő két blog bejegyzésben az új koradat eredményeken alapuló következtetéseket mutatjuk be.
Hogyan lehet meghatározni a földtörténeti múlt eseményeinek idejét? Izgalmas kérdés mindez és számtalan tudományterülethez ad nélkülözhetetlen adatokat. A kormeghatározás fizikai háttere a radioaktív bomlás folyamata, amit bő egy évszázada fedeztek fel. Nem sokkal a felfedezés után már megindult a földtudományi alkalmazása, urán tartalmú ásványok korát határozták meg, majd a figyelem gyorsan egy egyszerűnek kérdés megválaszolása felé fordult: milyen idős a Föld? Arthur Holmes könyve a Föld koráról forradalmi változást indított el (és kezdetben persze nem kevés felzúdulást, ellenállást, vitát váltott ki).

A rádium izotóp alfa-részecske kilökődésével járó radioaktív bomlása és a 238 tömegszámú U izotóp többlépcsős radioaktív bomlási sora, aminek végén 206 tömegszámú ólom izotóp képződik

A radioaktív bomlás elsősorban a nagy tömegszámú izotópok esetében lép fel, amikor egy elem neutronban viszonylag gazdag vagy szegény, ezért nem stabil izotópja (izotópnak nevezzük egy adott elem különböző neutronszámú, azaz tömegszámú atomjait) energia felszabadulás közben bomlik és ennek során egy másik elem izotópja keletkezik. A radioaktív bomlás időbeni lejátszódása egy állandó folyamat, a felezési idő megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik le a kezdetben jelenlévő összes radiogén atommag fele. A különböző radioaktív folyamatok (adott bomló izotóp és keletkező izotóp rendszerére vonatkoztatva) felezési ideje nagy pontosággal meghatározható és ez adja alapját a kormeghatározásnak.
A kormeghatározás, azaz egy földtörténeti múltbeli esemény idejének meghatározása (ezt geokronológiának nevezik) során nem időt mérünk, hanem vizsgáljuk egy adott képződményben a radioaktívan bomló és a radioaktív bomlás során keletkező izotópok mennyiségét. A földtudományban olyan izotóp párokat használnak e célból, amelyek (1) felezési ideje nagy (jellemzően több százmillió év vagy ennél is nagyobb) , azaz nem bomlott le még az összes instabil izotóp; (2) mind a bomló, mind a keletkező izotóp mennyisége mérhető nagyságban van; (3) nagy pontossággal ismert a felezési idő. A különböző izotóp párok közül manapság a leggyakrabban az urán és tórium instabil izotópjait és a radioaktív bomlás során keletkező ólom izotópokat mérik, e mellett azonban még számos gyakran használt izotóprendszer van, mint például a Kálium és Argon izotóprendszer. Ha a felezési idő kicsi, akkor időben csak korlátozottan tudunk „visszalátni”, azaz csak egy meghatározott földtörténeti korig tudjuk meghatározni egy esemény bekövetkezésének idejét. Ilyen rendszer például a szénizotópos módszer, ahol a radioaktívan bomló izotóp a szén 14 tömegszámú atomja. A felezési idő ebben az esetben 5730 év, ami azt jelenti, hogy legfeljebb 50 ezer évvel ezelőtti esemény korát tudjuk meghatározni. Ugyanakkor, ez a kormeghatározás pontos adatot ad a „közelmúlt” eseményeinek idejéről, amikor a nagy felezési idejű izotóprendszerek nem alkalmazhatók, mert még nem telt el annyi idő, hogy mérhető mennyiségű származék izotóp keletkezzen a lassú folyamat során. A szénizotópos kormeghatározáshoz azonban kell a szén, azaz szerves anyag. Vulkáni működések korát vagy a vulkáni képződménybe zárt, a magas hőmérséklet miatt elszenesedett növénymaradványokon határozzák meg vagy a vulkáni képződmény alatt lévő talajban található szerves anyagot használják fel erre. Térségünk legutolsó vulkánkitöréseinek idejét szénizotópos módszerrel határoztuk meg. Elsőként a japán Moriya és kutatótársai közöltek pontos szénizotópos kor adatokat, majd Harangi Szabolcs Molnár Mihállyal és kutatótársaikkal együttműködve határozták meg a legfiatalabb kitörés korát a székelyföldi Csomád vulkáni képződményében talált szenesedett famaradványok elemzése során. Innen tudjuk, hogy az utolsó vulkáni működés a jelenlegi koradatok alapján 31230 és 32700 éve volt.

A székelyföldi Csomád eddig ismert legfiatalabb vulkáni képződménye, amelyben szenesedett famaradványok találhatók. Ezek szénizotópos vizsgálata segített meghatározni a vulkáni működés korát

Az 50 ezer évnél régebben történt vulkánkitörések esetében manapság a legelterjedtebben használt geokronológiai módszer a cirkon kristályokon végzett kormeghatározás. Miért pont a cirkon, ami egy cirkónium-szilikát ásvány és első pillantásra nem látunk benne radioaktívan bomló izotópot? Az ásványok kristályrácsába a fő alkotókon kívül, elemhelyettesítéssel beépülhetnek nyomnyi mennyiségben idegen elemek is, ha azok ionjainak mérete és töltése közel van a fő komponenséhez. A cirkon ásványban így a cirkóniumot helyettesíteni tudja a hafnium, továbbá az urán és tórium is. Az uránnak két radioaktívan bomló, instabil izotópja van, a 238 és 235 tömegszámú izotópok, míg a tórium izotópjai közül a 232 tömegszámú atom stabilizálódik radioaktív bomlással. Érdekes módon mindhárom esetben a származék izotóp az ólom valamelyik tömegszámú atomja, a 206, a 207, illetve a 208 tömegszámú izotóp. A radioaktív bomlás ezekben az esetekben nem egy egyszerű folyamat, hanem több lépcsőben megy végbe és közben hélium (He) atommagok szabadulnak fel (ezt alfa-sugárzásnak nevezzük). A He atom 4 tömegszámú, azaz a teljes radioaktív bomlási folyamat során: 8, 7, illetve 6 He atom szabadul fel.
Ezek a nagyon leegyszerűsített fizikai alapok, azonban hogyan lesz ebből egy régmúlt esemény idejének meghatározása? Mit kell a geokronológusnak tenni? A cirkon egy ideális ásvány, mivel van benne mérhető mennyiségű urán, így idő elteltével a radioaktív bomlás során egyre több ólom izotóp (és He izotóp) keletkezik. A modern analitikai műszerekkel már kis mennyiségben is nagy pontosággal mérhetők az izotópok mennyisége vagy izotóparányok értéke. Sőt, most már ott tartunk, hogy lézersugár vagy ionsugár alkalmazásával már nagyon kis mennyiségű anyagból is lehet izotóp meghatározást végezni. Ez pedig egy óriási előrelépés! A cirkon kristályok önmagukban is picinyek, méretük az emberi hajszál átmérőjéhez hasonló: általában 100-300 mikrométer (azaz 0,01-0,03 milliméter). A műszeres technika ma már lehetővé teszi, hogy e piciny ásványokat lézeres vagy ionsugaras nyalábbal gerjesszük, ezzel egy akár egy 30-40 mikrométer átmérőjű területről is tudunk elegendő anyagot a tömegspektrométerbe juttatni, ahol az izotópok mérése történik. Ez azt jelenti, hogy akár megtudjuk mérni az ásvány középső és szélső részének is az izotóparányait, azaz megtudjuk határozni a keletkezés korát. A kérdés azonban még mindig az, hogy miképpen jutunk az izotópok mennyiségéből az időhöz?
Az első lépést az jelenti, hogy egyáltalán össze kell gyűjteni e piciny kristályokat! A kőzeteket ehhez „porrá” kell törnünk és a 100-300 mikrométer nagyságú szemcsék közül ki kell nyernünk a cirkon kristályokat. Ehhez megint jellemző fizikai tulajdonságokat kell segítségül hívni. A cirkon kristály sűrűsége viszonylag nagy, nagyobb, mint általában a kőzeteket alkotó ásványoké. A módszer lényeget tehát, hogy sűrűség szerint választjuk el az apró szemcséket és a legnagyobb sűrűségű szemcsék közé várjuk a cirkon ásványokat. Ez már egy nagy odafigyelést igénylő, több lépcsős, aprólékos munka, ami egyáltalán megalapozza azt, hogy méréseket végezzünk. A vulkáni képződményből kinyert cirkon kristályokon történik az izotópmérés. Azonban mielőtt drága műszerek drága mérési idejét használjuk, pontosan meg kell határozni, hogy mit szeretnénk tudni, egyáltalán minek az idejét szeretnénk meghatározni? Itt pedig nem kerülhetjük meg, hogy ismét ne kanyarodjunk vissza a fizikai alapokhoz!

A cirkon geokronológia háttere

Ahhoz, hogy izotópok mennyiségéből, az adott izotóprendszerre jellemző felezési idő figyelembe vételével meg tudjuk határozni a jókeletkezési időt, fontos feltétel, hogy a keletkezés után az izotópok a kristályba maradjanak, azaz zárt maradjon a rendszer (azaz csak annyi származék izotóp legyen, ami a radioaktív bomlás során keletkezett és annyi instabil izotóp, ami a radioaktív bomlás után visszamaradt). Ez az állapot különböző izotópok, különböző ásványok esetében más és más hőmérséklet elérése után áll be. Ezt a hőmérsékletet záródási hőmérsékletnek nevezzük. Ez pedig egy kulcspont a geokronológiában: a kormeghatározás során azt az időt határozzuk meg, amikor a kristály a záródási hőmérséklet alá hűlt (e hőmérséklet felett ugyanis az izotópok még nem kötődnek meg a kristályban, onnan eltávozhatnak, így mérésükkel nem tudjuk pontosan megmondani, mennyi keletkezett radioaktív bomlással).
Az ásványok keletkezése magmás folyamat során a kőzetolvadékból való kristályosodással történik. A cirkon kristály akkor válik ki, ha a kőzetolvadékban a cirkónium mennyisége már olyan értéket ér el, hogy az olvadék „túltelítetté” válik ebben az elemben. Ez általában 800 Celsius fok alatt történik. A cirkon kristályban kb. 900 Celsius fok alatt már nem távoznak el az U és Pb izotópok, azaz a kristályosodás a záródási hőmérséklet alatt történik. Remek! Ez tehát azt jelenti, hogy a geokronológiai vizsgálattal a cirkon kristályosodás idejét határozhatjuk meg. Nem ez a helyzet a He izotóppal, ami csak 180 Celsius fok alatt marad benn a kristályban. A magmakamrában lévő cirkonból kristályosodása után tehát folyamatosan távozik a radioaktív bomlás során keletkező He. Ahogy azonban vulkánkitörés indul, a 700 Celsius feletti hőmérsékletű magma a felszínre jutva gyorsan lehűl 180 Celsius fok alá. Ekkor tehát záródik már a He is! Amennyiben tehát mérjük a cirkon kristályban lévő He izotópot és az Urán (U) izotópokat, akkor ki tudjuk számolni, hogy a vulkánkitörés óta mennyi idő telt el.

A cirkon kristályok geokronológiai vizsgálata különböző módszerekkel és adott izotóprendszerek különböző ásványokra vonatkoztatott záródási hőmérséklete - a geokronológiában e hőmérséklet alá való hűlés idejét határozzuk meg.

Kiszámolni, kiszámolni… akkor hogyan is határozzuk meg végül az időt? Az elkülönített cirkon kristályokat műgyantába tesszük és addig polírozzuk, amíg feltárul belsejük. Ha egy elektron-mikroszonda műszerrel elektronsugarat bocsátunk rá, akkor láthatjuk is belső felépítésüket: úgy néznek ki, mint az elvágott fák belseje, az „évgyűrűk” ebben az esetben az eltérő környezetben képződött kristálynövekedést jelentik. Az eltérő környezet (hőmérséklet, magma összetétel stb) különböző kémiai összetételű zónákat hoz létre a kristályon belül. A kormeghatározáshoz szükséges izotópok mennyiségét lézer-ablációs ICP-tömegspektrométerrel (ICP=indukciósan csatolt plazma) vagy ionszondával (ekkor oxigén ionsugárral gerjesztjük a mintát, a gerjesztett izotópok itt is tömegspektrométerbe jutnak) mérhetjük. A mérés során ólom és urán izotópok arányát kapjuk meg. A kapott adatok értékelése aztán még egy hosszú folyamat: ismernünk kell a műszer fizikai és kémiai működését, az eredményeket ismert izotópösszetételű mintákkal (sztenderdek) kell összevetnünk, meg kell vizsgálnunk, hogy a kapott adatok alapján valóban fennállhatott a zárt rendszer, stb. A izotóparányokból a felezési idő segítségével, a radioaktív folyamat matematikai egyenletét felhasználva számíthatjuk ki végül a kort, amikor a kristály keletkezett. Így kapunk egy adatsort, mondjuk egy mintából 20-50 egyedi cirkon kristályból mérési eredményeket, különböző korokat. A hélium mérés esetében egy teljes cirkon kristály hélium-izotóp tartalmát mérjük, majd egy másik műszerrel mérjük meg az urán és tórium koncentrációját. A kapott adatokat felhasználva következik a számolás, hogy ez, a radioaktív bomlási folyamat során mennyi idő alatt állhatott elő. Ez egyszerűen hangzik, de mindkét mérés után még hosszadalmas számolások következnek, míg végül eljutunk az áhított eredményhez, egy korhoz, amit szakmailag értelmeznünk kell. A geokronológia tehát nem csak egy egyszerű időt meghatározó, adatközlő tevékenység, hanem egyre inkább egy önálló tudomány, ahol a mérésnek és az azt követő számolásoknak mind nagy szerepe van. Ez elengedhetetlen, hogy a geokronológus által értelmezett kort, aztán be lehessen helyezni egy valamikori történet rekonstruálásába.

A Csomád legfiatalabb képződményén végzett különböző kormeghatározási eszközök adatai eltérő következtetéshez vezetnek: a magmatározó élettartamára és a kitörés korára

Összefoglalóan: az U és Pb izotópok mérésével a cirkon kristályok keletkezési idejét, az U és He izotópok mérésével a vulkánkitörés idejét határozhatjuk meg! Persze, adódhat a kérdés: miért ez nem ugyanaz, időben ez nem közeli folyamatok? Nos, az elmúlt évtized kutatási eredményei világosan rámutatnak: nem, ráadásul ez a két időpont fontos új információt ad! Különböző vulkáni rendszerek esetében ugyanis azt találjuk, hogy a cirkon kristályok keletkezési ideje meglehetősen eltér egymástól, mondhatjuk azt is, hogy szinte mindegyik cirkon kristály máskor keletkezett. Ha ezek időtartamát elemezzük, akkor nem másra következtethetünk, hogy meddig van olyan állapotban a földkéregben, hogy cirkon kristályok válhassanak ki, azaz meddig van olyan állapot, hogy olvadék van jelen a földkéregben, amiben kristályosodás történhet, egyszerűen kifejezve: milyen hosszan áll fenn a magmakamra? Az eredmény pedig első pillanatra meghökkentő: hosszú ez az idő, akár több tíz-, sőt több százezer év a vulkánkitörés előtt! Ezek a geokronológiai vizsgálatok tehát felfedték, hogy a vulkánok alatti magmakamra hosszasan aktív lehet, akkor is, amikor éppen nem működik a tűzhányó, akkor is történhet benne kristályosodás. Vulkánkitörés akkor történik, ha a magmatározóban lévő magma fizikailag kitörésre képes, azaz fizikailag felszínre tud nyomulni, áttörve a felette lévő több kilométer vastag kőzettestet. A Csomád esetében például kimutattuk, hogy az utolsó vulkánkitörés előtt legalább 300 ezer évig létezett az a magmatározó, amiből végül a magma elindult a felszín felé és vulkánkitörést okozott. Ez azonban csak egy kis része a magmatározóban lévő magmának. Még mindig van jócskán, amiből adott esetben egy újabb magmacsomag nyomulhat felfelé és okozhat vulkánkitörést. Amíg a földkéregben van olvadéktartalmú magma, addig ez a lehetőség fennáll! De ez már egy következő történet, ami elvezet a két kutatási eredményhez. Erről szólnak majd a következő blog bejegyzések!

Mi van a székelyföldi Csomád alatt és melyek voltak 2014. legjelentősebb vulkánkitörései?

Az év elején jelent meg tanulmányunk a Journal of Volcanology and Geothermal Research folyóiratban, amelyben magnetotellurikus és kőzettani adatok alapján következtettünk arra, hogy lehet még olvadéktartalmú magmás test a székelyföldi Csomád alatt. A kutatási eredmény mondhatni, nagy média visszhangot váltott ki. Többek között hosszú riportban foglalkozott vele a Kossuth rádió Közelről adásában Kránitz Balázs, az alábbiakban pedig egy 1 órás riportot láthatnak az OzoneNetwork Egyenlítő műsorában, amelyben a Csomád mellett szóba kerülnek 2014. jelentősebb vulkánkitörései is.
 

Ide kattintva megtekintheti a teljes beszélgetést!

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.

A székelyföldi Csomád vulkánról - HírTV Zöld övezet riport

A székelyföldi Csomádon zajló vulkanológiai kutatásaink folyamatos médiaérdeklődés mellett zajlik.

Még volt, aki látta a legutolsó kitöréseket 32 ezer éve.... Fotó: Tusnádi Borvíz múzeum

Van-e bármi jel arra, hogy egy látszólag inaktív tűzhányó felébredjen és kitörjön? Kutatócsoportunk e kihívással végez tudományos munkát térségünk legfiatalabb tűzhányóján. A héten a HírTV Zöld övezet műsorának első részében - Wikonkál Norbert riportja előtt - kérdeztek minderről. Íme:

Kutatócsoportunk eredményeiből: A vulkánok alatti magmakamrába nézünk!

Hosszú idő telt el az előző bejegyzésünk óta... Ennek nem csak az az oka, hogy igazán nagy durranás nem volt a tűzhányók világában az elmúlt bő két héten, hanem legfőképpen az, hogy nagyobb hangsúlyt fektetünk kutatásainkra. Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport tavaly júliusi elindulása erre még nagyobb ösztönzést, sőt mi több felelősséget ad. A kutatók életében mindig egy különleges élmény, amikor tudományos munkájának eredményei egy szakmailag vezető folyóiratban megjelennek. Ez történt velünk most is, amikor hosszú kutatómunka gyümölcseként a neves Contributions to Mineralogy and Petrology folyóiratban megjelent publikációnk, ami reményeink szerint széles érdeklődést kaphat.

Ki fog-e törni? A bolíviai Uturuncu több mint 270 ezer éve működött utoljára, a székelyföldi Csomád pedig 30 ezer éve szunnyad. A vulkanológia egyik nagy kihívása, hogy megértse az ilyen aluszékony tűzhányók kitörését. Fotók: Tom Fournier és Harangi Szabolcs

A vulkánkitörések jellege, például a nagyobb veszélyekkel fenyegető heves robbanásos vagy csendesebb, lávaöntő lefolyása nagymértékben a tűzhányók alatti magmakamrában lejátszódó folyamatoktól függ. Ma már egyre inkább elfogadott, hogy a magmakamra még az aktív vulkánok alatt sem nagy, olvadékkal kitöltött üregként képzelhető el, sokkal inkább egy, a földkéreg kőzeteit szétrepesztő, több-kevesebb kristályt is tartalmazó kőzetolvadékként, egyfajta "magmakása"-ként fogható fel. A Földön jelenleg mintegy 1500 potenciálisan aktív tűzhányó van, ezek közül évente mintegy 50-60 lép működésbe. A vulkáni veszély előrejelzés sikerének kulcsa, hogy a kitörés előtti mélyből érkező jeleket időben lehessen észlelni, ebből következtetni lehessen a vulkáni működés várható lefolyására és időben meg lehessen tenni a szükséges intézkedéseket a tűzhányó környezetében.
Vajon melyik tűzhányó fogja produkálni a következő évtizedek legnagyobb kitörését, ami esetlegesen globális klimatikus kihatással is jár? A tettest nem biztos, hogy a jelenleg aktív vulkánok között kell keresnünk, sokkal inkább a hosszan szunnyadó, hosszú idő óta kitörést nem mutató tűzhányók között. Az adatok ugyanis azt mutatják, hogy a történelmi idők nagy vulkánkitöréseit jórészt olyan vulkánok okozták, amelyekről már nem sokan gondolták, hogy még aktívak lehetnek, történelmi időbeli kitöréseik ugyanis nem volt. A vulkanológia egyik nagy kihívása tehát a 21. században, hogy ezeknek az ’aluszékony’ tűzhányóknak a működését jobban megértsük. Ebben a vulkanológiai detektívmunkában kiemelkedően fontos tanúk maguk a vulkáni kőzetek és az abban lévő ásványok. Ezek közül az elmúlt időszakban részletesen vallattuk a csomádi kőzetekben gyakori amfibol ásványt, ami értékes információval szolgál a vulkánok alatti magmakamra állapotáról, az ott zajló folyamatokról és arról, hogy mi történik közvetlenül a vulkáni kitörések előtt.

A csomádi kőzetekben található amfibol belső szerkezete, hasonlóan a fák évgyűrűihez, mesél keletkezésének körülményeiről, ebben az esetben a vulkán alatti magmakamrában zajló folyamatokról. Forrás: Kiss Balázs és Harangi Szabolcs

Az andezites és dácitos vulkáni kőzetekben oly gyakori amfiboloknak különleges jelentőségük van, mivel az ásvány számos elemet épít a kristályrácsába és ezek mennyisége többek között függ a kristályosodás hőmérsékletétől, nyomásától a magmatározóban jelen lévő kőzetolvadék összetételétől. Ezért az amfibolok tehát nagyon fontos koronatanúk a vulkanológus detektívmunkájában, kémiai összetételük kristályon belüli, akár mikrométeres felbontású meghatározásával fontos információkat kapunk arra, hogy hány magmakamra lehetett a vulkán alatt, milyen mélységben, mi történik ott közvetlenül a vulkánkitörés előtt és mindez mennyi idő alatt zajlik. Az amfibolok kémiai összetétele alapján ugyanis kiszámolható, számszerűsíthető, hogy milyen hőmérsékleten és milyen nyomáson történt a kristályosodás. Erre kísérleti megfigyeléseken alapuló, úgynevezett termobarometriai egyenletek adnak lehetőséget. Figyelembe véve a felszín alatti kőzetek átlagos sűrűségét, a kapott nyomásértékeket átszámolhatjuk mélységértékre és ezzel máris megkapjuk, hogy hol, milyen mélyen helyezkedett el a magmakamra.
Az amfibolok elemzéséből az az általános és gyakran hangoztatott nézet jelent meg, hogy nagyon sok vulkán esetében két nagyobb magmakamra alakul ki a földkéregben. Friss tanulmányunkban ezt a nézetet helyezzük új megvilágításba és hangsúlyozzuk, hogy ez nincs feltétlenül így és kutatási eredményeink azt jelzik, hogy a Csomád esetében például egyetlen, hosszú ideig - akár több tízezer évig is fennálló - magmatározó volt, amibe a vulkáni kitörések előtt friss magma érkezett és okozta a vulkáni működést. Ez a modell újragondolásra készteti az olyan tűzhányók alatti magmatározó rendszerről alkotott modelleket, mint a Pinatubo, a Mt. St. Helens, a Redoubt, az Unzen, a Mt. Pelée és a Soufriére Hills, mind olyanok, amelyek vulkánkitöréseikkel felhívták magukra a figyelmet és amelyekhez hasonló volt a Csomád működése is.

A csomádi kőzetekben olyan amfibol kristályokat is sikerült nagy felbontással vizsgálnunk, amelyek belső része még jóval a kitörés előtt keletkezett egy viszonylag alacsony hőmérsékletű kristálykásás magmában, a külső része pedig közvetlen a vulkánkitörés kristályosodott egy több mint 200 fokkal nagyobb hőmérsékletű kőzetolvadékból.

Miért fontos ez az új tudományos eredmény? Nem mindegy ugyanis, hogy miképpen rekonstruáljuk a vulkánok alatti magmatározó rendszert és az ott zajló folyamatokat. Ezzel ugyanis más-más kitörés előtti jeleket várhatunk. Mi volt a lényeges elem kutatásunkban amivel újat tudtunk hozzátenni ehhez a kutatások élvonalába tartozó területhez? Aprólékos, nagy felbontású vizsgálatunk során ugyanis olyan amfibolokat is elemeztünk, amelyek kialakulási története részben a hosszú szunnyadási időre tehető, ami a már kihűlés közeli magmatározóban zajlott, részben a vulkánkitörést közvetlen megelőző folyamatok során növekedtek tovább. Egyetlen amfibol kristályban is sikerült tehát rekonstruálnunk a magmás folyamatok időben elkülönülő, összetett folyamatait, amire hasonló példa még nem volt. Az amfibolok és a velük együtt kristályosodott plagioklász kristályok kémiai összetétele alapján kiszámoltuk, hogy közvetlen a kitörés előtt a 720-740 fokos, már a megszilárdulás közelében lévő magmakása anyag hőmérséklete több mint 200 fokkal emelkedett! Ez pedig csak úgy magyarázható, hogy a vulkán alatt hosszú ideig meglapuló magmás kristálykásába egy friss magmatömeg érkezett a földköpenyből. Ez gyorsan felolvasztotta és mobilizálta a magmás anyagot, készre hozva azt egy vulkánkitörés táplálására. A csomádi amfibolok vizsgálatából azt is tudjuk, hogy mindez akár néhány évtized alatt megtörténhetett, a mobilizált magma pedig akár egy héten belül a felszínre törhetett!

Kutatócsoportunk természetesen további részletes vizsgálatokat tervez a Csomádon. A Csomád kutatásával ugyanis olyan tudományos eredményeket érhetünk el, amelyek nem csak e tűzhányó állapotát, esetleges felújulási lehetőségét segít megérteni, hanem hozzájárul ahhoz is, hogy a hosszú ideig szunnyadó, illetve a látszólag inaktívnak tűnő vulkánok viselkedését jobban megismerjük! Erre pedig már látjuk a hazai és a nemzetközi érdeklődést!

A kutatási eredmény a következő tanulmányban jelent meg:
Kiss B., Harangi S., Ntaflos T., Mason P.R.D., Pál-Molnár E.: Amphibole perspective to unravel pre-eruptive processes and conditions in volcanic plumbing systems beneath intermediate arc volcanoes: a case study from Ciomadul volcano (SE Carpathians). CONTRIBUTIONS TO MINERALOGY AND PETROLOGY 167 (3) 986. (2014)

Mi van a Csomád és a Persányi bazalt vulkáni terület alatt? - De vajon ez érdekel valakit?

Mi van a vulkánok alatt? Mi zajlik a magmatározóban vulkáni kitörés előtt? Mennyi idő alatt áll össze egy kitörésre kész magmatömeg? Mi indítja el a magmát felfelé, azaz mi indítja el a vulkáni kitörést? Mitől függ, hogy lávaöntő vagy robbanásos kitörés történik? Mennyi idő alatt tör fel a felszínre a magma?
Olyan kérdések ezek, amelyek alapvetőek a vulkáni veszély előrejelzésben, nélkülözhetetlenek, hogy megértsük hogyan működnek a tűzhányók! Ma már a Föld népességének több mint 10%-a, mintegy 600 millió ember él a történelmi időben legalább egyszer már működött tűzhányó közelében! Mi lesz, ha valamelyik kitör? Nincs erre tapasztalatunk, nem történt még ilyen esemény és ha nem volt ilyen, akkor sokan azt gondolják nem is következhet be... vagy mégis? Az elmúlt hetekben számos előadást tartottam Veszprémtől a Magyarok Világtalálkozóján keresztül a Kárpát-medencei Magyar Nyári Egyetem előadássorozatáig. Ezekben azt a kérdést jártam körül, hogy hol a helye a vulkanológia tudományának a 21. században, a társadalomnak fontos-e ez a tudományterület? Fontos-e a Kárpát-medencében élőknek, szükség van-e vulkanológiai kutatásokra?
Blog olvasóink tudják, hogy kutatócsoportunk évek óta vizsgálja térségünk legfiatalabb vulkánjait, ezek közül kiemelten a Tusnád melletti Csomádot. Ezek a kutatások úgy tűnik felkeltették az érdeklődést, mivel vezető hírportálok is foglalkoztak eredményeinkkel. Kutatási eredményeink nem csak e vulkán jobb megismerését szolgálják, hanem hozzájárulhatunk általában is a tűzhányók működésének megértéséhez, különösen a hosszan szunnyadó és éppen ezért veszélyes vulkánok természetének megismeréséhez. A kőzetek aprólékos vizsgálatával ugyanis feltártuk a magmatározóban zajló folyamatokat, megbecsültük a magmakamrák mélységét és számolásokat végeztünk arra is, hogy milyen gyorsan emelkedik fel a magma a mélyből.

Valami bűzlik itt...
A csomádi Szent Anna tó közelében kénes gázok szivárognak ki a mélyből. Mi van lent?

Az egyik legizgalmasabb eredmény azonban az, hogy jelenleg mi lehet a vulkán alatt, van-e még nem teljesen kihűlt magmás test? A mofetták és borvizek összetétele erre utal, ezért különösen fontosnak tartottuk, hogy vajon kimutatható-e más tudományos eszközzel. Erre magnetotellurikus vizsgálatokat végeztünk a soproni geofizikus munkatársainkkal. A részletes tudományos közlemény rövidesen elkészül, itt azonban bemutatjuk ennek egyik eredményét egy rövidesen szintén megjelenő független vizsgálat eredményével együtt:

Balra a Csomád alatti jól vezető kőzettest alakzata, jobbra pedig Mihaela Popa és munkatársai által publikált szeizmikus tomográfiai modell. Talán a földkéregbeli magmás testet látjuk?A baloldali ábra 50, a jobboldali ábra pedig 100 km mélységig mutatja a geofizikai anomáliákat.

Mit is jelentenek ezek a képek? Úgy tűnik valóban van nem teljesen kihűlt magmás test a Csomád alatt. A mi vizsgálataink 10 és 30 km közötti mélységközben jeleznek egy jó elektromos vezető kőzettestet (a baloldali ábrán szürkével jelezve), amit kőzetolvadékot is tartalmazó anyagként értelmezhetünk. Ez összevág azzal a magmakamra modellel, amit a kőzetekben lévő ásványok vizsgálata alapján valószínűsítettünk. Ezt az értelmezést megerősíti egy tőlünk függetlenül végzett geofizikai kutatás eredménye. Mihaela Popa és munkatársai a földrengéshullámok sebességadatait szedték össze. A Csomád alatt évente több tucat kisebb földrengés pattan ki, mégpedig jórészt a földkéregből. Sajnos szeizmikus megfigyelő hálózat itt nincsen, ezért az adathalmaz messze nem teljes, azonban alkalmas arra, hogy a sebességadatokat fel lehessen használni a földkéreg anyagának vizsgálatára. A sebességértékek a közeg sűrűségviszonyától függ, mégpedig kisebb sűrűségű anyagban lassabban terjednek a rengéshullámok. A Csomád alatt a román kutatók egyértelműen kis hullámsebességű területet mutattak ki (ezt egyre vörösebb szín jelzi a jobboldali ábrán), amit ők is nem teljesen kihűlt magmatározó jelenlétével magyaráztak. Ennek mélységét 5-25 km mélységközre becsülték. A két geofizikai vizsgálat eredménye tehát nagyon összecseng és kiegészítve ezt az egyéb megfigyelésekkel most már egyre nagyobb valószínűséggel állíthatjuk, hogy van még magma a Csomád alatti földkéregben! Ez még nem jelenti azt, hogy ez bármikor kitörhet. És itt jönnek a mi kőzettani és ásványtani kutatási eredményeink. Ezek alapján többek között kimutattuk, hogy a korábbi kitörések előtt hosszú időn (vélhetően több tízezer éven) keresztül létezett a vulkán alatt egy kristálygazdag magmás test, egy úgynevezett kristálypép tömeg. Ez önmagában nem képes kitörni, azonban ebbe a magmás testbe a földköpenyből bazaltos kőzetolvadékok nyomultak és részben újraolvasztották, aminek következtében már egy kitörésre alkalmas magma állt össze. Mennyi idő kell mindehhez és hogyan zajlik ez a folyamat? Ezek ma a vulkanológiai frontvonalába tartozó kulcskérdések, kutatásaink ebbe a körbe illeszkednek!
Az eredményeink biztatóak és úgy véljük megalapozzák a további részletes kutatást. Hozzá kell tenni azt is, hogy a Csomád mellett nem hanyagoljuk el a persányi bazalt vulkáni mező kitöréseinek kutatását sem. Ez már azért is nagyon fontos, mert Popa és munkatársai e terület alatt is mutattak ki magmás testre utaló anomáliát, mégpedig a földkéreg és földköpeny határán. Várható-e még itt is újabb vulkáni működés? Ha nem vizsgáljuk, nem fogunk erről semmit sem tudni és akkor a felvetés legfeljebb a színes újsághírek populáris rovatába kerülhet hátborzongató nyári hőség hírként. Ehelyett mi kérdőre vontuk a kőzetekbe lévő ásványokat és az eddigi vizsgálatainkkal megbecsültük többek között azt is, hogy milyen gyorsan emelkedik fel a bazaltos magma a földkéreg aljáról: az eredmény? Ehhez csupán néhány nap kell!... Vannak-e váratlan természeti események? Igen, vannak, mert nem tudunk sokat róluk! De ha már egy kis tudással is rendelkezünk, akkor talán már más a helyzet!
Lehetnek-e még vulkánkitörések a Kárpát-medencében? Nos, addig jutottunk, hogy úgy tűnik a mélyben, a földkéregben vannak magmás testek... Kell-e ennél többet tudnunk? Szerintünk igen, és ezért egy részletekbe menő, elismert nemzetközi kutatókat is bevonó OTKA kutatási tervet készítettünk.

 De vajon rajtunk kívül érdekel ez bárkit is?... 

Sajnos úgy tűnik egyelőre hiába, a hazai döntéshozók másképpen gondolják, ezt a kérdést nem tartják fontosnak és időszerűnek és ami a legszomorúbb, hogy a támogatott kiemelt természettudományos kutatások között egyetlen egy földtudományi kutatás nincsen jóllehet az elmúlt években 2-3 mindig befutott... Megvagyunk tehát anélkül, hogy jobban megismerjük a természeti folyamatokat, a Földet, ahol élünk? Lehet, lehet hogy mi valóban izgalmasnak és fontosnak tartjuk, hogy térségünkben két vulkáni területen is magmás test lehet a földkéregben. De úgy tűnik ezek a kutatások nincsenek a hazai tudománypolitika listáján..
Csak az LGT népszerű dalát idézhetjük: "Nem adom fel, míg egy darabban látsz...". És készülünk most újra a Csomádra! Megyünk, újabb megfigyeléseket teszünk és begyűjtjük a kőzeteket, hogy kormeghatározást és további ásványtani és kőzettani vizsgálatokat végezhessünk. Tesszük mindezt egyelőre támogatás nélkül is. Mert jobban meg kell ismernünk a Kárpát-medence legfiatalabb tűzhányóját!

Milyen vulkáni kitörés lehetséges a német Eifel térségében?

Lassan talán sikerült elsímitani a német "szupervulkáni" (rém)hír keltette hullámokat, ami azonban nekünk vulkanológusoknak azért adott egy jó lehetőséget arra, hogy egyrészt megismertessük mit nevezünk valóban szupervulkáni kitörésnek, továbbá azt is, hogy Európa belsejében is vannak aktív vulkáni területek, ahol nincs kizárva, hogy vulkáni működés induljon be még akkor is, ha jelenleg minden nyugodtnak látszik. Most már talán van arra is egy kis idő, hogy az előző bejegyzés végén írottakhoz igazodva nyugodtan nézzük meg, mit lehet tudni erről a német területen lévő vulkáni mezőről, mi az oka annak, hogy belesodródott ebbe a történetbe.

A Németország nyugati részén található Eifel vidéke egykor látványos, olykor pusztító vulkánkitörések színtere volt. A telt körök és háromszögek egyedi vulkáni központokat jeleznek. A 12900 évvel ezelőtt kialakult Laacher-see kaldera az északkeleti vulkáni csoportban helyezkedik el. Forrás: H.-U. Schmincke

A térképen két vulkáni csoport rajzolódik ki, az egyik a nyugati Eifelben, a másik pedig az Eifel keleti részén. A nyugati terület mintegy 600 négyzetkilométer nagyságú és közel 250 vulkáni kúpot tartalmaz. Ezek részben salakkúpok, részben pedig úgynevezett maar vulkánok, amelyek esetében hiába keressük a vulkáni formákat, ezek békés, köralakú tavak. A tóvíz alatt azonban jelentős mélyedés húzódik, az egykori heves kitörés során kialakult mély lyukak (úgynevezett diatrémák). A Pulvermaar vize például 74 méter mély! Ezen a területen jellemzően bazaltos magmacsomagok törtek a felszínre, amelyek rövid életű vulkáni kitöréseket eredményeztek, valahogy így:

Így működtek az Eifel bazaltvulkánjai: balra salakkúpot létrehozó lávatűzijáték kitörés, jobbra mély kürtőt kivájó, maar-vulkáni kitörés. (a baloldali kép a Strombolin készült 1992-ben, a jobboldali kép pedig az alaszkai Ukinrek 1977-es kitörését mutatja).

Az Eifel nyugati részén Gerolstein környékén megbúvó mesés tavak a maar-vulkánok névadói. Hasonló vulkáni működés jellemezte néhány millió évvel ezelőtt a Balaton-felvidék területét is, így alakultak ki többek között a Tihanyi-félsziget vulkánjai, Pula és Gérce, ma alginitet rejtő mélyedései és így kezdte meg működését a Badacsony és Szent György-hegy is.

Bármennyire is furcsának tűnik, de ez is egy vulkán (Totenmaar)! Így néznek ki a maar-vulkánok, amelyek esetében a kitörés során egy mély lyuk alakul ki.

A nyugati Eifelben ez a sok apró vulkán 700 ezer és 10 ezer évvel ezelőtti időszakban alakult ki, itt volt a térség legutolsó kitörése is, az Ulmener maar 10-11 ezer évvel ezelőtt keletkezett.
Az Eifel keleti felén kb. 100 vulkán található, itt azonban a salakkúpok dominálnak. A vulkáni működés itt kb. 500 ezer évvel ezelőtt indult meg és a legutolsó kitörés 12900 éve volt. A nyugati területhez képest a fő különbség itt az, hogy nem csak bazaltos vulkánok jelnnek meg, hanem négy nagy kaldera is. Ezek olyan vulkáni formák, amelyek mellett szintén könnyen elmegy az ember, hiszen vagy lapos mélyedések vagy kiterjedt tavak. A maar tavakhoz képest a különbség, hogy ezek mérete jóval nagyobb és a tavak mélysége többnyire kisebb. Kialakulásuk hatalmas (de nem szupervulkáni!) kitöréshez kapcsolódik. Ekkor a földfelszín alól eltávozó nagy mennyiségű magma által visszahagyott üreg teteje beomlik, ami a földfelszínen egy tál alakú mélyedést hoz létre. Ennek nagysága hozzávetőleg megadja a kitörő magma mennyiségét. A mélyedést olykor csapadékvíz tölti ki és ekkor kiterjedt tavak alakulnak ki, ilyen például a Laacher-see:

... és ez is egy vulkán, a Laacher see vízzel kitöltött kalderája, ami 12900 éve keletkezett.

Az első kaldera-formáló kitörés 450-500 ezer éve volt (Kempenich kitörés), ezt követte 360-450 ezer éve a hatalmas Rieden kitörés, amikor 5 köbkilométer magma zúdult a felszínre, majd jött a wheri kitörés 215 ezer éve és végül 12900 éve történt a Laacher-see kitörés, amikor 6 köbkilométer térfogatú fonolitos magma tört ki, közel 20 köbkilométer nagyságú vulkáni üledéket létrehozva. Ennek nyomán alakult ki a Laacher-see kaldera. A kitörési felhőt a szél észekkelet felé vitte, a vulkáni hamurétegek Skandináviában több helyen is megtalálhatók.

A vulkáni hamufelhő elterjedése a Laacher-see kitörés után. A piros szín a felszínközelben szétterjedő, mindent elsodró vulkáni törmelékárakat jelzik. Forrás: Litt és munkatársainak tanulmánya

A vulkán néhány kilométeres környezetében több méter vastag vulkáni hamu halmozódott fel, ami gátat képezve feltorlaszolta a folyóvizeket és hatalmas áradást okozott. A Laacher-see kitörés környezeti katasztrófát okozott Európa szerte és klimatikus hatása is volt (innen indulhatott ki a mostani rémhír történet csírája), ami a magasabb légrétegekbe jutó nagy mennyiségű kéndioxid gázoknak volt köszönhető. A visszaeső hőmérséklet többek között a fák évgyűrű vastagságainak csökkenésében is tükröződik. A kitörés következtében demográfiai átrendeződés történt és jelentős hatással volt a növény- és állatvilágra is.
Az Eifel vulkáni területet tehát két típusú kitörés jellemzi és feltehetően a jövőben is lesznek ilyen kitörések. Nagyobb a valószínűsége a lokális bazaltos vulkáni kitörésnek, amely esetében a fő problémát az okozza, hogy a bazaltos magma nagyon gyorsan a felszínre tör, azaz nem biztos, hogy sok idő lesz az első előjel megjelenése után... Kérdés az is, hogy hol talál utat magának a bazaltos magma. Az Eifel vidéke most már egy sűrűn lakott terület, nem úgy mint néhány tízezer évvel ezelőtt! A nagyobb, Laacher-see típusú kitörésnek az esélye jóval kisebb és ezt minden bizonnyal egyértelmű előjelek fogják megelőzni. Az ilyen típusú kitörést már szilíciumdioxidban gazdagabb magma táplálja, ami azt jelenti, hogy hosszabb idő telik el a néhány kilométer mélységben lévő magmakamrában, amíg a bazaltos magma kristályosodása egy ilyen magmatípus keletkezéséhez vezet. A legújabb kutatások szerint a Laacher-see kitörés előtt már vagy 20 ezer évvel korábban elkezdett kialakulni a magmakamra és 3-4 ezer évvel korábban már létrejött az a fonolitos magma, ami végül 12900 éve megtalálta a felszínre vezető utat. Vélelmezhetően egy újabb nagy kitörés előtt már a vulkanológusok számára is egyértlemű jelek fognak mutatkozni!

Összefoglalva: az Eifel térsége Európa olyan területe, ahol jelenleg minden békésnek tűnik, de tudni kell, hogy vulkanológiailag potenciálisan aktív terület! Ezt jelzik, az igen gyakori mikro-földrengések, az évszázadok óta felszínre törő széndioxid gázok és a gázok izotópösszetétele is. A térség alatt a földkéregben van magmatömeg, ami akár aktivizálódhat a jövőben és azt is tudjuk, hogy a terület alatti földköpeny is részlegesen olvadt állapotban van. Ez azt jelenti, hogy adott esetben kialakulhat egy olyan bazaltos magmatömeg, ami gyorsan áthatolhat a földkérgen és a felszínre törhet. A tudomány nagy kérdése, hogy mi indít el egy ilyen folyamatot? Vélelmezhetően lesznek észlelhető - akár 2-4 magnitúdójú, mély hipocentrumú - földrengések, mint előjelek, a kérdés csak az, hogy ezután mennyi idő lesz a felkészülésre! A Laacher-see kitöréshez hasonló jövőbeli vulkáni működés esélye sem nulla, de jóval kisebb, mint a bazaltos kitörésé. Valószínűleg ennek azonban hosszabb ideig tartó előjelei lesznek, aminek a szakemberek általi észlelése nyilvánvalóan döntő fontosságú!
Végül, vannak-e még az Eifelhez hasonló jelenleg nyugodt, de vulkanológiailag potenciálisan aktív területek Európa belsejében (leszámítva Olaszországot)? Igen, ilyen terület a közeli német-cseh határvidék, ahol tavaly a földrengésrajok már jelezték ezt a helyzetet, és erre utal a gázok összetétele is, ilyen terület a francia Chaine-des-Puys vidéke (ahol csupán 4000-6000 éve volt az utolsó vulkánkitörés) és ha sokkal kisebb mértékben is, de azért ide sorolható a Tusnád melletti Csomád is, ahol a mélyben szintén még feltételezünk nem teljesen kihűlt magmás testet... Fontos, hogy ezeket a területeket minél jobban megismerjük, hogy elkerüljük a meglepetéseket és persze azért is, hogy tudjuk azt is, mi az, ami csak félelemkeltő hír!

Zárógondolatok...
Olvasóink joggal kérdezhetik, akkor most tervezhetünk utat Gerolsteinbe, vagy éppen a Vulkaneifel, az Eifel Vulkanpark különleges természeti látványosságaihoz, Maria Laach nyugalmat és békét árasztó ódon apátságához vagy éppen eltölteni egy kis időt a Vulkan Brauerei különleges vulkán sörét kortyolgatva? Mások esetleg azt fontolgatják, hogy ezek után érdemes-e ezen a területen befektetéseket eszközölni? Mi lesz, ha jön egy vulkánkitörés? Kell-e egyáltalán félni? Ha nem is lesz szupervulkáni kitörés, de egy kisebb is számtalan gondot okozhat, gondolhatják sokan! Biztosat természetesen a szakember sem állíthat, azonban legjobb tudásom alapján is mindenkit bátorítok, hogy látogasson el erre a gyönyörű vidékre, aki tud akár fektessen be, végezze vállalkozását! Ugyanúgy, mint a Clermont Ferrand közeli csodás vidékre és természetesen a bűbájos, vadregényes Csomádra is! A rendelkezésre álló adatok alapján valószínűsíthetjük, hogy a közeljövőben nem zavarja meg vulkánkitörés e területek nyugalmát, azonban nem tudhatjuk mely generációnak kell majd szembenézni az esetlegesen aggasztó jelekkel. Ezzel azért jó tisztában lennünk!
Fontos tudnunk, hogy a Föld egy dinamikusan működő bolygó, amelynek megvannak az életjelenségei, mint a földrengések és a vulkánkitörések. Az utóbbiak előrejelzéséért sokat tehetnek a vulkanológusok, akiknek kutatásai segítenek megérteni e szemet gyönyörködtető, de sokszor hátborzongató természeti folyamatot. Vannak olyan vulkánkitörések, amelyek lefolyásában nincsen közvetlen tapasztalatunk, nincsenek közvetlen megfigyeléseink. Ilyenek a nagy kaldera-formáló kitörések, ilyenek a hosszú életű vulkáni területek (mint például az Eifel) akár hosszú nyugalmi állapot utáni vulkáni kitörései (erre talán csak a mexikói kukoricaföldön hirtelen kinőtt Parícutin szolgáltatott példát 1943-ban). Ezek kutatása tehát kiemelt fontosságú lehet és ehhez igyekszünk mi is hozzá tenni a magunk szerény eszközeivel kapott eredményeket. A Kárpát-Pannon térség vulkáni működésének vizsgálata ugyanis mindehhez jó alapot szolgáltat. Most már nemzetközi szinten is egyre intenzívebbek például a bazalt vulkáni területek kutatásai, amelynek egyik vezető szakembere az ELTE-n végzett, de ma már Új-Zélandon dolgozó kiváló vulkanológus, Németh Károly. Február végén Aucklandben egy nemzetközi konferencián kiemelt lesz ez a téma, amelyek tapasztalatai sokat segítenek majd a térségünk és akár az Eifel bazalt vulkáni területein lejátszódott vulkáni működések megértésében is. Tapasztalatainkat természetesen továbbra is megosztjuk majd olvasóinkkal!