Magmamozgás a német Laacher See térség alatt - lehet vulkánkitörés?

Az elmúlt hetekben a médiában, különösen a német sajtóban végigszaladt a hír: egy kutatócsoport földrengés adatokat elemezve arra a következtetésre jutott, hogy magma mozgása történik a keleti Eifel területén található Laacher See térsége alatt. A hírt vegyes visszhang fogadta, amin belül nem kevés volt a meglepődéssel teli megrökönyödés: Németország egy nyugati területe alatt magma mozgolódik és ez akár ki is törhet?! Nos, jelenlegi ismereteink szerint, nem kell egyelőre ettől tartani, azonban egy fontos tanulság, amit a modern kor emberének meg kell tanulnia: (1) amit nem tudunk, nem biztos, hogy nincs; (2) amiről nincs tapasztalatunk, nem biztos, hogy nem következik be! Innentől kezdve pedig a friss tudományos eredmény és annak fogadtatása, értékelése tanulságos, nézzünk tehát a hír mögé!
A német kutatócsoportnak a Geophysical Journal International szakfolyóiratban megjelent tanulmánya arról számol be, hogy a földrengések észlelésére kitelepített szeizmográfok DLF jeleket rögzítettek és ezek úgy értékelhetők, hogy 10-40 km mélységben magma mozoghat. Először nézzük mit jelentenek a DLF földrengések!

A potsdami geofizikusok által észlelt tektonikus eredetű és DLF földrengések jelei (balra) és azok kipattanási mélysége (jobbra) a nyugatnémet Laacher See térség alatt

A DLF rövidítés jelentése "deep low-frequency", azaz mélyen kipattanó kis frekvenciájú földrengést jelent. Földmozgást különböző események okozhatnak: kőzettestek mozdulnak el egymás mellett vagy egymásra csúszva - ezek a legnagyobb energiafelszabadulással járó, nagy frekvenciás, úgynevezett tektonikus eredetű földrengések, amit a baloldali ábra felső rajzolata mutat. A baloldali ábra alsó rajzolata mutatja a DLF jeleket. Ezek jellemzően olyan földrengések, amelyek frekvenciája mindössze 1-10 Hertz, ami jóval alacsonyabb, mint az előzőeké. Az ilyen földrengéseket az emberek nem is észlelik. Ezek olyan földmozgások, amelyek nagy mélységben pattannak ki és amelyek oka folyékony vagy gáz anyag áramlása kőzetrepedésekben, hasadékokban. Ezek gyakoriak vulkáni területeken és általános vélemény szerint nagy mélységben alapvetően magma mozgása idézi elő. Képzeletben gyorsan száguldjunk le több tíz kilométer mélységbe, vajon mi történik ott? A magma felemelkedése nem kézenfekvő folyamat. A földköpenyben keletkezett magmát a sűrűségkülönbségen alapuló felhajtóerő készteti a felszín felé történő mozgásra. Van azonban egy bökkenő: felette nincsenek megnyílt kőzethasadékok, nincs gyors felnyomulást elősegítő, felszínig húzódó repedés! A magma felett több kilométer vastag, szilárd kőzettest van! Akkor, hogyan juthat a magma a felszínre és építhet, táplálhat egy tűzhányót? Ehhez saját magának kell töréseket, repedéseket létrehozni a kőzettestben addig, amíg csak a felszínre nem ér!
Ez pedig nagy segítség a vulkanológusoknak! A magmának akkora belső nyomóerővel kell rendelkeznie (ami megint csak: a sűrűségkülönbségből származó felhajtóerőből ered), hogy az nagyobb legyen a felette lévő kőzetek szakítószilárdságánál és emiatt a kőzettest eltörjön. A kőzettörés pedig földrengést okoz, a kialakult repedésben való magmamozgás pedig szintén földrengéssel jár. Ezeknek, ahogy a fentiekben láttuk, különböző jelei vannak a szeizmogramokon, azaz ami a mélyben zajlik, azt a felszínen is foghatjuk! Ez pedig jó hír, hiszen azt jelenti, hogy szükség van vulkánszeizmológusokra, akik elvégzik az észleléseket, értelmezik a jeleket és megmondják ez alapján mi történik! Most tulajdonképpen ez történt, de!...

A potsdami geofizikusok által elmúlt években észlelt földrengések a Laacher See térségében. A körök tektonikus földrengéseket, a csillagok DLF földrengéseket jeleznek. Balra a földmozgások kipattanási mélységei

De... ehhez kellenek műszerek is, anélkül ez nem megy! Az ilyen DLF földrengéseket csak nagy érzékenységű szeizmográfok képesek észlelni! Mondhatni, ez a tanulmány nem jöhetett volna létre, ha 2013-ba nem telepítenek ki e térségbe egy nagy érzékenységű műszerekből álló szeizmikus hálózatot. Ehhez pedig hosszú út vezetett! A szakemberek, különösen a vulkanológia egyik legnagyobb alakja, Hans-Ulrich Schmincke és vulkanológus társai már régóta hangoztatják, hogy az Eifel térsége bár nyugodtnak tűnik, azonban a múlt vulkáni működése arra figyelmeztet, hogy lehetnek újabb kitörések. Márpedig ezek, mondhatni, "bármikor" bekövetkezhetnek! A "bármikor" ebben az esetben azt jelenti, hogy megvan erre a lehetőség, de nem tudjuk megmondani, hogy mikor! Lehet ez a következő hetekben, de lehet, hogy csak évszázadok vagy évezredek múlva történik! Lehet erre azt mondani, hogy oh, de hiszen minden annyira nyugodt, hogy biztos az utóbbi a valószínűbb és akkor minek aggódni. Azonban itt térek vissza a bevezetőben említett két fontos pontra: ez a gondolkodás az emberi elme azon tulajdonságából fakad, hogy abból ítélünk általában, amit tapasztaltunk, amiről van tudásunk, az összes többi dolgot valószínűtlennek vagy egyenesen lehetetlennek ítéljük. Pedig...
Pedig... a természet nem így működik! Sok vulkán működése olyan, hogy az egyes kitörések között akár nagyon sok idő, akár több ezer vagy több tízezer év is eltelhet! Az indonéziai Tambora 1815 áprilisában úgy tört ki és okozta a történelmi idők legnagyobb hatású kitörését, hogy előtte, a jelenlegi tudásunk szerint, akár 4000 évig is szunnyadt! Vajon ki mondta volna meg, mondjuk 1815 januárjában, hogy az inaktívnak gondolt, dús növényzettel borított hegy rövidesen kitör, sőt nem is akárhogyan! Számos hasonló példát lehetne még sorolni, talán érdemes az előző év végén történt Anak Krakatau esetét is felhozni. December 22. este a vulkáni sziget kétharmada a tengerbe omlott és ez több mint 400 ember halálát okozó szökőárat okozott. Nem volt még megfigyelés arra, hogy egy vulkáni sziget így megsemmisülhet és ez minden jel nélküli szökőárat okozhat. Akkor tehát féljünk, mert bármikor bekövetkezhet olyan, amiről nem tudunk? Ez sem megoldás!...

12800 éve egy hatalmas, jelentős környezeti változást okozó vulkánkitörés során keletkezett a Laacher See vulkáni krátere (balra) és nem egészen 10 ezer éve volt az Eifel nyugati területén a legutolsó bazaltvulkáni kitörés (Ulmener maar; jobbra) - szép békés vidék, ugye? De gondoljunk csak bele, hogyan jött létre és mi lenne ha most...! (Fotók: Harangi Szabolcs)

A tudósok, a tudományos vizsgálatokat végző szakemberek, mint például a vulkanológusok (geológusok, geofizikusok, geomorfológusok stb.) többek között azért kutatják a vulkánokat, legyenek azok aktívak, vagy akár már régóta inaktívak, hogy megismerjék a tűzhányók működését, mégpedig a forrástól, azaz a magma kialakulásától kezdve, a magmakamra folyamatokon keresztül, egészen a felszínig, azaz a vulkáni működés lefolyásáig, hogy ezeket az ismereteket összerakva segítsék a jövőbeli kitörések hatékony előrejelzését, hogy emberi életeket, anyagi javakat óvhassanak meg. Sosem lehet tudni, mikor lesz szükség a gyarapodó tudástárra! Az Anak Krakatau esetében egy kutatócsoport már 2012-ben leírta és közzé tette, hogy mi várható és elemzésük, előrejelzésük tökéletesen bekövetkezett. Ebben az esetben tragédiát okozott, azonban a felkészülés segíthet! Az Eifel korábbi vulkáni működéséről, a lehetséges jövőbeli vulkáni kitörésekről a Tűzhányó blog 7 évvel ezelőtti egyik írásában már írtam. Schmincke professzor és társai, mondhatni, meghökkentő felvetéseit, miszerint ezen a területen lehet még vulkánkitörés, végül tett követte és 2013-ban érzékeny műszereket helyeztek ki a térségbe. Ezek a műszerek pedig jeleznek, mégpedig jeleznek olyat, amiről másként nem tudnánk, mégpedig azt, hogy magma mozog néhány 10 kilométer mélységben!
A mélybeli magmamozgás kimutatása a szakembereket nem lepte meg. Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport évek óta vizsgálja a Kárpát-Pannon térségben lévő egykori bazaltvulkánokat. A detektívszerű kutatás eredményeit számos tanulmányban jelentettük meg, a legutóbbit mindössze néhány hete. Ezek legfontosabb üzenete, hogy a vulkáni kőzetekben lévő kristályok elemzése alapján rekonstruálható az, hogy a vulkánkitörések előtt a földkéreg és földköpeny határán hosszú időn keresztül épülhet egy kiterjedt bazaltos magmatározó. Ez tehát egy természetes folyamat és egy ilyen eseménysor segít abban, hogy észleljük azt, hogy a térség még mindig aktív. Egy ilyen magmatározóból aztán nagyon gyorsan, számításaink szerint néhány nap alatt felszínre törhet a bazaltos magma. Ez azt jelenti, hogy a nyugodt helyzet gyorsan változhat, mondhatni "bármikor". A kérdés ismét előjön: rendben, de akkor mit tehetünk? A válasz az, amit a német szakemberek végeznek: ha úgy véljük, hogy egy terület még aktív, hogy ott vélelmezhető, hogy akár vulkánkitörés történhet, akkor (1) érzékeny műszereket kell telepíteni, hogy megtudjuk, vajon ez az aktivitás jelenleg zajlik-e? (a németországi esetben ez beigazolódott); (2) szükség van alapkutatásokra, hogy jobban megértsük milyen folyamatok adhatnak jeleket és (3) tudnunk kell azt is, hogy a jelek, hogyan értelmezhetők és vajon összeköthetők a kutatások által rekonstruált lehetséges folyamatokkal?

Mennyire aktív a németországi Eifel térsége? A Laacher See tavában felemelkedő széndioxid-gáz buborékok (balra), a közeli Andernach "gejzírje" a földkéreg mélyebb részén lévő bazaltos magmából származik, ezek tehát újabb felszíni jelek erre! (Fotók: Harangi Szabolcs)

Rendben... de a kérdés még mindig az, ami az olvasót érdekelheti, hogy akkor lesz vulkánkitörés a keleti Eifel térségében? Nos, nem biztos, hogy tetszik a válasz, de - nem tudjuk!... Nem tudjuk, hogy a földkéreg mélyebb részein zajló magmamozgás a közeljövőben, de akár bármikor is vulkánkitöréshez fog-e vezetni, de... de nem zárhatjuk ki azt sem. hogy ez bekövetkezhet! Erre a valószínűség kicsi (azaz angol kifejezéssel élve, a "hazard" kicsi), azonban ha ez bekövetkezik, akkor ennek következményei súlyosak (azaz a "risk" nagy). Marad ebben az esetben a megfigyelés, sőt, mivel a kezdeti megfigyelés arra utal, hogy valóban zajlanak olyan mélybeli folyamatok, amik lehetőséget adhatnak vulkáni működésre, ezért a következő fontos lépés a folyamatos megfigyelés, azaz monitorozás. Ez ad reményt arra, hogy ha megindul egy olyan folyamat, hogy a magma felhajtóereje rohamosan töri fel a felette lévő kőzettestet és felszínre tör, akkor észlelni tudjuk! A német szakemberek tanulmányának ez a legfontosabb tanulsága, ehhez azonban nélkülözhetetlen az a tudástár, amit a vulkanológiai kutatások során, szerte a Földön, szerzünk meg!

Források: Martin Hensch és munkatársainak tanulmánya
Seismic Signatures - IRIS
GFZ Potsdam intézet angol nyelvű közleménye
GFZ Potsdam intézet német nyelvű közleménye
A Tűzhányó blog 2012. január 5-i bejegyzése
Gijs de Reijke angol nyelvű összefoglalója
Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport 2018. januári médiaközleménye

Hawaii, Nagy-sziget: település közelében nyílt meg a föld és kezdődött vulkánkitörés!

Helyi idő szerint ma délután 5 órakor a várakozásoknak megfelelően felrepedt a felszín és vulkánkitörés kezdődött a Leilani estates területén, lakóházak közvetlen közelében, jó 15 kilométer távolságban az aktív Pu‘u ‘Ō‘ō krátertől keletre. Megtörtént az, amiről előadásaimban már sokszor beszéltem: lakott területen is felnyílhat a föld és vulkánkitörés kezdődhet! Bár a Leilani estates területe nem egy sűrűn lakott terület azonban mindez figyelmeztető jel lehet akár az új-zélandi Auckland lakóinak is - hasonló ott is történhet. A hawaii nagy szigeten a friss láva már utakra folyik, a hatóságok 1700 lakos azonnal kitelepítését rendelte el. De mi volt ennek az előzménye?

Április végén a USGS Hawaii Vulkánobszervatórium (HVO) munkatársai jelentős felszínemelkedést tapasztaltak a Kilauea vulkáni területen részben a csúcsterületen lévő kaldera, részben a Keleti Riftzónában lévő és 1983 januárja óta folyamatosan aktív Pu‘u ‘Ō‘ō kitörési központ térségében. A felszínemelkedés mértéke jelentős volt, ami egyértelműen utalt arra, hogy magma nyomul fel. A Kilauea kalderában lévő Halema‘uma‘u kráterben lévő lávató felszíne is egyre emelkedett és április 26-án kiöntött. A túlfolyt lávató anyaga a kráter kétharmadát borította be. Ugyancsak emelkedésnek indult a Pu‘u ‘Ō‘ō vékony lávakéreggel bevont lávató szintje is, ahol repedések is megjelentek. Mindezt egyre több földrengés kísérte. A földrengések aztán keleti irányba tolódtak el, követve a Keleti Rift vonalát. Nem volt kétséges a Kilauea alatt felnyomuló magma keleti irányba térült el és a felszín alatt nyomult tovább a Keleti Rift alatti repedésrendszert felnyitva. Az oldalirányú magma mozgással megfordult a felszínmozgás és mindkét területen felszíncsökkenés indult meg. A lávató szintje is alacsonyodott, ami a Pu‘u ‘Ō‘ō kráterben vulkáni hamuanyag feltódulásával járt. A vörös színű vulkáni hamu egyenletesen lepte be a környezetet elszínezve a friss lávafelszínt.

Balra a Halema‘uma‘u kráterben kiöntő lávató hőkamerás képe április 26-án (USGS HVO felvétel), jobbra a Pu‘u ‘Ō‘ō megemelkedett felszínű lávatava Bruce Omori április 25-i felvételén. Alul a területén térképe a Keleti Riftzónával és a kitörési központokkal. A két riftzóna találkozási pontján van a barnával jelzett Kilauea kaldera, amelyen belül található a körrel jelölt Halema‘uma‘u kráter. A jelenlegi kitörés helye a Lava Trees State Park közelében van.

Május 1-én és 2-án már nagyobb repedések jelentek meg a Pu‘u ‘Ō‘ō kráter peremén, amely mentén néhol kis mennyiségű friss láva is kijutott, máshol pedig fehér színű gőz és gáz tódult ki. A földrengések pedig tovább tolódtak kelet felé és már lakott területeken rengett a föld Puna térségében. Egyre nőtt az aggodalom a szakemberek körében is, hogy vajon mi lesz? Az nyilvánvaló, hogy nyomul a magma keleti irányban a felszín alatt, de vajon hol nyílik meg a földfelszín? Még a szigeten vagy már csak a óceáni fenéken és víz alatti kitörés lesz. Többen elővették az 1955-ös vulkánkitörés példáját, amikor hasonló esemény játszódott le és volt hasadékvulkáni kitörés a keleti Riftzóna mentén. A felszín alatti magma mozgásnak egyre több jele mutatkozik: utak repedtek meg, aztán május 3-án következett egy szokottnál nagyobb erejű földrengés! Egy közel 5 magnitúdójú fölmozgás pattant ki a Pu‘u ‘Ō‘ō kráter közelében, aminek nyomán ismét vörös hamufelhő tört fel a kráterből vélhetően a kőomlások következtében. Az idő kitisztultával megdöbbentő kép tárult elő: a korábban lávával színültig kitöltött kráter (lásd fenti kép) belseje üres mélyedésként tátongott!

Május 1-2: Balra a Halema‘uma‘u kráterben a lávató szintje több métert visszaesik (USGS HVO webkamera felvétel), jobbra a Pu‘u ‘Ō‘ō kráterben is hasonló esemény zajlik, amit vörös vulkáni hamuanyag kiáramlás kísér. A kitörési központ előterében repedések nyílnak fel, ahol gőz és gáz tódul ki (Bruce Omori felvétele). Az alsó ábrán a földrengések epicentrumai világosan mutatják a magma Keleti Riftzóna alá való oldalirányú mozgását (HVO ábra). A 4.4 M földrengés nagyságát később 5 magnitúdójúra módosították.

Május 3: A nagy földrengést követően vörös hamufelhő emelkedik a Pu‘u ‘Ō‘ō kráter fölé. A kráter ekkor már üresen tátongott (érdemes összehasonlítani a fenti, néhány nappal korábban készült képpel!), a benne lévő, részben megszilárdult lávató anyaga beszakadt (USGS HVO felvételek)

A viszonylag nagy erejű és a még Hiloban is érzékelhető földrengést követően nem sokkal újabb repedések nyíltak fel a földfelszínen, majd helyi idő szerint délután 5 órakor (itthoni idő szerint hajnal 5 órakor) az egyik hasadék mentén izzó lávacafatok törtek fel. megkezdődött a vulkáni működés, mégpedig házak közvetlen közelében (mindössze 70 méterre az egyik háztól)! Rövidesen láva ömlött a felszínre. A 150 méter hosszú hasadék utakat vágott át és nem messze volt a helyi geotermikus erőmű állomástól. Az erőművet rögtön leállították. A hatóság 1500 lakos azonnali hatályú kitelepítését rendelte el. A vulkáni működés mintegy 1,5 óráig tartott aztán estére elcsendesedett. A veszély azonban nem múlt el, a HVO szakemberei jelentősen megemelkedett kéndioxid gáz kiáramlást figyeltek meg a kitörés területén. A helyzet, a vulkáni működés további lefolyása azonban továbbra is rendkívül bizonytalan és bármikor újult erővel folytatódhat!

Május 3 délután helyi idő szerint: Hasadék nyílik fel Pahoa település közelében a Leilani estates lakott területén (USGS HVO felvétel)

Vulkánkitörés kezdődött a hawaii Pahoa közelében (HVO USGS fotók). Alul a terület térképe. A vulkáni működés a kitörési központoktól bő 15 kilométer távolságban lakott területen indult meg!

Az alábbiakban látható a területre kibocsátott veszélytérkép, ami a Keleti hasadékzóna (riftzóna) teljes hossza mentén jelzi a kiemelt veszélyt, ami a következőt jelent: lávafolyás, láva okozta erdőtűz, ehhez kapcsolódó füst (ez nem a vulkáni működéshez közvetlenül kapcsolódik!), metán gáz robbanások (a láva és a növényzet kölcsönhatása következtében), földrengések és vulkáni szmog. Nos, ez is Hawaii...

A térség vulkáni veszélytérképe

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!

2016 emlékezetes vulkánkitörései

Melyik volt a legemlékezetesebb vulkánkitörés 2016-ban, melyik tűzhányó érdemelheti ki az év vulkánja címet? Erik Klemetti Eruptions blogján mindig megszavaztatja erről olvasóit, a voksok alapján 2009 óta olyan vulkánok érdemelték ki ezt a címet, mint a Szaricsev (2009), az Eyjafjallajökull (2010), a Puyehue-Cordón Caulle (2011), a Tolbacsik (2012), az Etna (2013), a Holuhraun-Bárdarbunga (2014) és a Colima (2015). Vajon ki kerül e díszes társaságba 2016-ban? Nem könnyű a döntés, a kérdés az, hogy a szavazók mit részesítenek előnyben: a folyamatos aktivitást (pl. Sinabung, Santiaguito vagy Fuego), a különleges eseményt (pl. Kilauea, Hawaii vagy Piton de la Fournaise, esetleg Bogoslof), vagy a veszélyes helyzetet (pl. Barujari), esetleg a háttérben csendben, de látványosan történő működést (pl. Kljucsevszkoj vagy Sivelucs)? Nos, itt egy képes lista, lehet választani!

Megítélésem szerint a legesélyesebb jelölt: Sinabung, Szumátra, Indonézia - jelenleg a Föld egyik legaktívabb és legveszélyesebb tűzhányója. 2016-ban is folytatódtak a lávadóm kitüremkedések és izzófelhők lezúdulásai, ami mellett látványos vulcanoi-kitörések zajlottak(Fotók: Sadrah Peranginangin)

Tavaly éppen lemaradt az első helyről, most beérhet: a Tűz-hegye, azaz Fuego, Guatemala. 2016-ban 16 paroxizmális kitörése volt látványos lávaszökőkutakkal és a meredek hegyoldalon lecsorgó lávafolyamokkal (Fotók: Martin Rietze)

Már 34 éve folyamatosan zajlik a hawaii Nagy-szigeten a vulkáni működés. Idén különleges látványosság volt az óceánba folyó láva! (Fotók: David Ford és Martin Rietze)

Egy másik esélyes guatemalai tűzhányó: a Santiaguito Caliente lávadómja váratlan heves robbanásos kitörésekkel hívta fel magára a figyelmet, amikor pedig szünetelt a vulkáni működés akkor laharok veszélyeztették a környéket! (Fotók: INSIVUMEH és Eric Colop)

2016-ban két látványos vulkánkitörés zajlott az Indiai-óceán területén lévő, francia fennhatóságú vulkáni szigeten: Piton de la Fournaise! (Fotók: Ilotdrones és Luc Perrot)

A Rinjani kaldera 2016-ban közel 100 ezer látogatót vonzott, a turisták fele külföldi volt. Szeptemberben a Barujari vulkáni kúp egy váratlan kitörése nyomán fejvesztve menekültek az éppen úton lévők. Közel 1000-en voltak a helyszínen, szerencsére tragédia nem történt! (Fotók: Giuseppe Salerno)

A képek alapján bizonyára az egyik nagy esélyes lenne az év tűzhányója címre, de a nagy távolság kevéssé irányítja rá a figyelmet: a Kljucsevszkoj látványos lávatűzijáték kitörésekkel és lávafolyamokkal szinte végig aktív volt az év második felében és egy-egy nagyobb kitörése a légi közlekedésre is veszélyt jelentett (Fotók: Jurij Gyemjancsuk és Denis Bugykov)

Szintén messze a média szeme elől elrejtve dolgozott keményen Kamcsatka másik folyamatosan aktív tűzhányója, a Sivelucs - több nagy robbanásos kitörése volt, amikor a vulkáni hamufelhő közel 1000 km messze sodródott, a lezúduló piroklaszt-árak pedig több mint 10 km távolságba jutottak! Szerencse, hogy a vulkán nem egy sűrűn lakott területen van! (Fotók: Jurij Gyemjancsuk és Szergej Makurin)

Tavaly az év tűzhányója volt, idén az év vége felé erősített újra bele és mutatott látványos kitöréseket a mexikói Colima (Fotók: Hernando Rivera és Julie Roberge)

Bizonyára az év meglepetés vulkáni kitörése, ahol még műszeres megfigyelés sincs: Bogoslof, Aleuti-szigete (Fotók: Paul Tuvman és AVU USGS)

2016-ban egy látványos kitörése volt csupán, azonban az egyik leginkább fotogén tűzhányó: Etna (Fotók: Alessandro Lo Piccolo és Joseph Nasi)