Nemecz Ernő
Nyomelemek szerepe a geológiában
TARTALOM, ELŐSZÓ
Tartalom
ELŐSZÓ
A KÉMIAI ELEMEK EREDETE
Az első elemek megjelenése
Az elemek szerkezeti felépítése, az izotópok
A hélium (He) keletkezése és szerkezete
Nehezebb elemek keletkezése
Összefoglalás
AZ UNIVERZUM ÖSSZETÉTELE
A naprendszer és a Nap összetétele
A FÖLD KELETKEZÉSE
A Föld kémiai összetétele
Föld öves szerkezetének kialakulása
A Föld magjának összetétele
A földköpeny összetétele
A felső köpeny összetétele
A litoszféra és földkéreg összetétele
A köpeny és kéreg szerkezete
A geoszinklinális elmélet
A lemeztektonika elemei
Az óceán középi hátságok vulkanizmusa (MOR)
A kéreglemezek szubdukciója és ezt követő vulkanizmus
Szigetívek vulkanizmusa (OAV)
Forró foltok, mélyköpeny áramok (plum) vulkanizmusa
Az óceáni szigetek vulkanizmusa (OIB)
Nagy magmás kőzetprovinciák
A kontinentális kéreg extrakciója a köpeny anyagából
A kontinensek koreloszlása
A geosziklinális és lemeztektonikai elmélet összehasonlítása
A KÖPENYANYAG DIFFERENCIÁLÓDÁSÁHOZ VEZETŐ FOLYAMATOK ÉS TÉNYEZŐK
A Föld hőháztartása
A Föld felszíni hőmérséklete
Forrásanyag kémiai és ásványos összetétele
Az olvadáskor fennálló nyomás és hőmérséklet
Részleges és frakcionált olvadás
A parciális olvadás mértéke
Az elemek megoszlása (particionálódása) a szilárd anyag és az olvadék között
Frakcionált kristályosodás
Asszimiláció
Magmamegújulás
Magmakeveredés
A viszkozitás jelentősége
NYOMELEMEK ÉS IZOTÓPOK FELHASZNÁLÁSA A FÖLDSZERKEZETI FOLYAMATOK VIZSGÁLATÁBAN
Az izotópokkal kapcsolatos néhány alapismeret
Nyomelemek és izotópok eloszlásmódja a geofázisokban
Nyomelemek és izotópok felhasználása a földszerkezet vizsgálatában
A köpeny/kéreg folyamatok a nyomelemek tükrében. A földkéreg keletkezése
Az óceáni kéreg
A MORB
Az OIB
A DMM, IAV, OIB és MORB összehasonlítása
Az ólomizotópok szerepe
Az ólomizotópok anomális viselkedése a MORB-ban, OIB-ban és IAV-ban
Szubdukciós folyamatok nyomelem-vonatkozásai
A plumok nyomelem-vonatkozásai
A kontinentális kéreg
A nyomelemkomponensek és a kőzetek kapcsolata
A kontinentális kéreg kőzetei és osztályozásuk
A kontinentális kéreg keletkezése
A kontinentális kéreg mafikus kőzetei. A bazaltok
Példák a szakirodalom köréből
Nyomelemek sorsa a metamorfózis során
Nemesgázok geokémiája
A nemesgázok geokémiai jelentősége
A 3He geokémiai szerepe
A 3He fizikai tulajdonságai
3He földi előfordulása
A 3He/4He (R) rendszer
A He-eloszlás és a köpeny szerkezete
Az argonhiány
Atmoszféra
Az atmoszféra fejlődése
Nyomelemek a környezeti tanulmányokban
A víz jelenléte a Földön
A víz az Univerzumban
Víz a naprendszerben
A földi víz eredete
A primordiális víz
A Földön kívülről származó víz
Óceánok geokémiája
Az óceáni üledékek
ZÁRÓ FEJEZET
FÜGGELÉK
1. Az elemek keletkezése
2. A nukleoszintézis legfontosabb folyamatai
2.1. A PP folyamat
2.2. A CNO ciklus
2.3. A szén égetésének folyamata
2.4. A neonégetés folyamata
2.5. Az oxigénégetés folyamata
2.6. A vasnál nehezebb elemek lassú és gyors szintézise
3. A Nap és a Föld geofázisainak összetétele
3.1. A Nap összetétele
3.2. A Föld geofázisainak összetétele
4. Az elemek radioaktív bomlása
5. Izotópok
6. A peritektikus pont
7. A kőzetek osztályozása
7.1. Osztályozás QAPF alapján
7.2. Osztályozás a TAS szerint
7.3. Osztályozás a TAS MgO szubdivíziójában
7.4. Osztályozás a TAS alkáli szubdivíziójában
7.5. Fontosabb mafikus kőzetek és azokat jellemző nyomelemek
7.5.1. A bazalt
7.5.2. A peridotit
7.5.3. Az eklogit
7.6. Egyéb mafikus kőzetek
7.6.1. Norit
7.6.2. Komatiit
7.6.3. Boninit
7.6.4. Kimberlit
7.6.5. Ofiolit
7.6.6. Adakit
8. A radioaktív bomlás sebessége és radioaktív kormeghatározás
8.1. A bomlási sebesség
8.2. Radiometrikus kormeghatározás
8.2.1. A Rb-Sr módszer
8.2.2. Az U-Pb módszer
8.2.3. Pb-Pb módszer
8.2.4. K-Ar módszer
8.2.5. Re-Os módszer
8.2.6. A C-C módszer
8.2.7. (U-Th)/He módszer
8.2.8. Sm-Nd, Nd-Nd módszer
8.2.9. CHIME módszer (Chemical Th-U-total Pb Isochron Method)
8.3. Rövid felezési idejű radionuklidok
8.4. A Föld kora
9. Nyomelemek geokémiai felhasználásának fontosabb szabályai
9.1. Nyomelemek előfordulását befolyásoló tényezők
9.2. A gyakran használt nyomelemek
9.2.1. A ritkaföldfémek
9.2.2. Egyéb sorozatok
9.2.3. Az átmeneti fémek
9.2.4. S UN és M C D ONOUGH (1989) nyomelemsorrend
9.2.5. Az ólom geokémiai szerepe
9.3. Ásványok jellemző ("finger print") nyomelem-lenyomatai
9.4. Nyomelemek tipikus előfordulása ásványokban
9.4.1. Nyomelemek szubdukcióban
9.5. Nyomelemek és kőzetek
10. Nyomelem adatok ábrázolása
11. Nyomelemek a környezetben
11.1. Nagy magmás kőzetprovinciák keletkezésének környezeti hatásai
12. A víz szerkezete és tulajdonságai
13. Részlet Aquinoi Szt. Tamás: De mixtione elementorum ad magistrum Philippem, (1273) c. művéből
14. Periódusos tábla
FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM
A KÖNYVBEN HASZNÁLT BETŰSZAVAK ÉS RÖVIDÍTÉSEK
Előszó
Nem kedvelem, ha egy könyvet hosszú előszó vezet be. Előszó helyett inkább maga a könyv beszéljen. Most mégis kissé el kell térnem e felfogásomtól, mert előzetes eligazítást kívánok adni arról, hogy miről akar, és miről nem akar szólni a könyv. Ha az általános nyomelemfogalom használatát a geológia körére szűkítjük is, használnunk kell a tágabb szakmai terület alapismereteit. Amikor az elemek és izotópjaik szerepéről van szó és megemlékezünk az elemek eredetéről nyilvánvaló, hogy nem kívánjuk az atomfizikus szerepét vállalni. Vagy ha a kőzetek osztályozásáról és a geológia egyéb fejezeteiről van szó, ez nem jelenti a kérdés kimerítő petrológiai, geológiai tárgyalását. Mindenből csak oly kevés kerül említésre, amely okvetlenül szükséges a fogalmak értelmezésének bemutatásához a nyomelemek szerepének, jelentőségének tárgyalásához. E téren tehát az adott diszciplína szempontjából nem hiányosságról lehet szó, hanem a tudományág néhány fontos és a nyomelemek tárgyalásában nélkülözhetetlen eredményének felhasználásáról. A tárgy természetéből adódik, hogy az ismeretanyagot nem lehet egy vezérfonalra felfűzni, hanem előbb röviden ama földtani jelenségek összefoglalását kell adni, amelyek mélyebb megértéséhez később a nyomelemvizsgálat nyújotta segítséget lehet felhasználni.
Miután a látható világ, benne a Föld anyaga kémiai elemekből áll e fogalom kialakulásának történetére is érdemes rövid kitérőt tenni. A görögök, Arisztotelészt is ideértve, még úgy gondolták, hogy minden anyag a tűz, víz, levegő és föld keverékéből áll. A kémia elnevezés Egyiptomból ered, ahol a Khem szó a föld termékenységét jelentette. Amikor Nagy Sándor Kr. e. 332-ben meghódította Egyiptomot a görögöknél kialakult a Khemia kifejezés Egyiptom elnevezésére. A 7. században az arabok hódították meg Egyiptomot és ekkor a Khemia kifejezés al-Khemiára változott és fekete földet jelentett. Az alkémia fogalma az arabok révén a 8. században került Spanyolországba, ahonnan gyorsan elterjedt az egész akkori Európában.
Az arabok azt hitték, hogy a fémek a higany és kén keveredése révén keletkeznek. Európában az aranyat tartották tökéletes fémnek s az alkémia terjedése nyomán felmerült és általánossá vált a gondolat, hogy a tökéletlen elemek a "bölcsek köve" segítségével arannyá változtathatók. Európában a 16. században az alkémia művelésében két irány bontakozott ki: az egyik a vegyületek előállítására és reakciók tanulmányozására fókuszálódott, amalgámok, egyéb vegyületek előállítási módjának, eszközök felfedezéséhez vezetett, a másik az alkémia spirituális, metafizikai lényegét hangsúlyozta és a halhatatlanságot, valamint az arany transzmutációs úton történő előállítását kutatta.
Ez után Paracelsust (1493-1541) szokás említeni, aki szakított a görögök négy elem felfogásával és a gyógyszerhatású anyagok, alkémiai ismeretekkel történő előállításával, jatrokémiai elméletét képviselte. Az első, aki valóban szakított az alkémiával Robert Boyle (1627-1691) volt, ő azonban atom helyett a korpuszkulák, mint az anyagi tulajdonságok meghatározójának jelentőségét hangoztatta. Végül a mai kémia megalapozója Antoine Lavoisier volt, aki 1789-ben kimondta a tömegmegmaradás tételét, s ezzel megvetette a kvantitatív kémiai tudomány alapját. Az alkémiával foglalkozóknak fogalmuk sem volt a tényleges kémiai elemről. Meglepő, hogy természettudományi szempontból elfogadható megoldás a középkorban, a skolasztika delelőjén, a teológiai felől érkezett. Aquinói Szent Tamás (1225-1274) aki egyébként az arisztotelészi gondolatok hű követője és fejlesztője volt "De mixtione elementorum"munkájában az elem mai fogalmának elvi alapjait vetette meg.
Rátérve a Föld anyagi összetételére, mintegy kétszáz éves tudományos vizsgálódásból látjuk, hogy a 90 kémiai elem 339 stabilis és mintegy 30 radioaktív izotópból áll. A 90 elemből a kőzetek 99%-ában csak 11 elem gyakori, a többi 1000 ppm és 1 pbb közé eső nyomelem. A kevés számú főelem, kevés fajta ásványban fordul elő s így a szilárd kéreg kőzetei ásványfajták tekintetében egyhangúak. Mégis a kőzetek azonosítása (osztályozása) szempontjából nagy bonyodalmak származnak a főásványok egymáshoz viszonyított mennyiségi ingadozása következtében. Több mint 40 ezer eruptív kőzet teljes kémiai elemzéséből az tűnik ki, hogy a kőzetek összetétele, bizonyos határok között, hézag nélküli folytonossággal változik. Ugyanakkor kérdés az is, hogy a földköpeny részleges olvadása, majd az olvadék frakcionált kristályosodása, hogyan alakítja ki az összetétel határértékeit, amit semmilyen kőzet nem lép át. Még több probléma merül fel a nyomelemek eloszlása tekintetében. Amíg nyomelemet nem vizsgáltak (az analitika fejletlensége miatt) a világ kőzeteinek összehasonlítása csak a fő oxidos összetétel alapján volt lehetséges. Így fordult elő, hogy 1944-ben írt disszertációmban a Karancs hegységi andezit összetételét Osann I rendszerében a Martinique Le Précheur andezitjével, Osann II rendszerben a Mt. Pelée-i, Niggli szerint az Ecuadori Paluquillo andezitjával vagy a Martinique szigeti Colson dácitjával találtam azonosnak. Manapság egy Washigton DC melleti diabáz és a Hawaii-sziget egyik bazaltja főkomponenseinek szinte teljes egyezése mellett, a nyomelemtartalmuk eltérése egyértelműen kimutatta, hogy az első kontinentális, a második mélyköpenyi eredetű kőzet.
E példa is rávilágít a nyomelemek jelentőségére, amit fokoz az analitikai módszerek rendkívüli fejlődése, lehetővé téve számos nyomelem pontos meghatározását. A lehetőségek odáig fejlődtek, hogy kimondhatjuk, minden természetes (vagy mesterséges) tárgyban valamilyen mértékben mind a 90 természetes elem atomjai előfordulnak. Itt ugyanaz a kérdés merül fel, mint a főelemek esetében: milyen csoportosulásban, valamely standardhoz viszonyítva milyen arányban és a Föld milyen folyamatainak következményeképpen fordulnak elő. E kérdések vizsgálata, ismereteink mai szintjén e könyv tárgya, amelyből kitűnik mily bonyolult egy hűlőben levő bolygó anyagi rendszerének működése.
Ha a részletek mellőzésével termodinamikai szempontból átfogó pillantást vetünk az elemek eloszlási viszonyaira, akkor kétféle elv érvényesülését látjuk: az egyik a nyomelemek geofázisok szerinti többé-kevésbé egyenletes eloszlása, ami az entrópia növekedésnek alávetett folyamatot jelez. Ugyanakkor jellemző koncentrálódások is kialakulnak, ami az entrópia csökkenésével jár s ezek szélsőséges példái a rendkívül ritka nyomelemek gazdaságilag is hasznosítható telepeinek kialakulása.
Az élővilág folyamatai állandóan az entrópia csökkentésére irányulnak. Ehhez nyomelemekre is szükség van (a teljes élővilágban 72, az emberben 46-féle elemet mutattak ki). A bioszféra szükségletei úgy látszik egyensúlyban vannak a nyomelemek nagy entrópikus eloszlásálával. Az emberi agyvelő talán a világegyetem legbonyolultabb és legkisebb entrópiájú képződménye azonban a nooszféra (és civilizáció) kialakításában rá van utalva a kis entrópiával jellemzett természetes folyamatok által létrehozott anyagokra.
A könyv megírásának gondolata abból a szükségszerűségből indult ki, amit a Pannon Egyetemen végzett talajtani-ásványtani kutatásaink alapoztak meg. A speciálisan előkészített talajokat nemcsak az ásványok, hanem 10-20 nyomelem eloszlása szempontjából is vizsgáltuk. A felgyülemlett adathalmaz értelmezése azonban csaknem lehetetlenné vált a nyomelemek általános és részletes mobilitási tulajdonságainak ismerete nélkül. A talajokban, vagyis a biológiailag befolyásolt üledékes kőzetekben ugyan a nyomelemek teljes körforgásának csak kis szelete játszódik le, de az egész részeként fontos hatással van a teljes folyamatra. Szükségessé vált a nyomelemek egész Földre kiterjedő szerepének tanulmányozása és összefoglalása ahhoz, hogy egy következő kötetben az üledékes kőzetek és a magyarországi talajok nyomelemforgalmát értelmezni lehessen. Miután a magyar földtani kutatásban a nyomelemek szerepepe még nem terjedt el, célszerűnek látszott, nem a kutatás technikájával foglalkozó, hanem válogatott példák nyomán olyan tanulmányt írni, amely a lehetséges és kívánatos fejlődés irányvonalát mutatja be.
A nyomelemvizsgálat új fejezetet nyitott a földtudományokban. Érdembeli használata 3-4 évtizedre nyúlik vissza s e kései megjelenés a kémiai analitika fejletlenségének következménye. A feladat nagyságát mutatja, hogy gyakran ppm-nyi mennyiségben jelenlevő elem valamely, néhány százalékot kitevő izotópjának koncentrációját kell meghatározni 4-5 tizedesnyi pontossággal. Ez szükségessé teszi szofisztikált és drága műszerek használatát, amit csak gazdag kutatóhelyek engedhetnek meg maguknak. Hazánk egyelőre nem tartozik ezek sorába s így geológiai képződményeink ilyen irányú vizsgálata jórészt még a jövő feladata. Ennél fogva, a könyv magyar példákat nem tartalmaz, de örvendetes, hogy kialakult e feladatok elvégzésére alkalmas kutatók egy csoportja, akik együttműködve külföldi kutatóhelyekkel kitűnő eredményeket mutattak fel (főként xenolitokra vonatkozóan és itthon már korábban a kormeghatározások terén, a Debreceni Egyetemen), ilyen irányú kutatásban.
A könyv olvasásának kikerülhetetlen nehézsége a sok betűszó használata. Voltaképpen a kényszer hozza magával azt a gyakorlatot, hogy a gyakran ismétlődő fogalmakat, folyamategyütteseket stb. elnevezésük kezdőbetűiből alkotott betűszóval helyettesítsük. Világszerte elterjedt, hogy ezeket az angol nyelv elnevezéseiből alkotják és használják, amiből következik, hogy célszerűtlen volna ezek magyarosított változatainak kialakítására törekedni.
Nézzük, pl. a következő rövidítést: DMM = Depledet MORB Mantle = elemekben szegényedett MORB köpeny, amelyben a MORB maga is betűszó: MORB = Mid-Ocean Ridge Basalt, vagyis óceánközépi rift bazalt. A DMM teljes kiírása: elemekben elszegényedett közép- óceáni rift bazalt köpenyanyaga.
A betűszóval jelölt fogalmakra lépten-nyomon szükség van s teljes kiírásuk nemcsak sok helyet foglalna, de a megértést is nehezítené. Ezért a könyv végén megtaláljuk a könyvben használt összes betűszó jelentését.
A könyv anyagának válogatásáról is néhány megjegyzést kell tennem. A természettudományok tevékenysége nem a dolgok megismerésében, hanem mért adatok másokkal való összehasonlításában, majd következtetések levonásában áll. Ez vonatkozik a nyomelemvizsgálatokra is azzal a különbséggel és nehezítő körülménnyel, hogy a laboratóriumi munkával ellentétben, itt sokkal több paraméter figyelembevételére van szükség. Egy kőzet jellemzésére nyilván nem elegendő két elem arányértékét használni s mivel 90 elem 339 izotópja fordul elő a kőzetekben, ezek valamennyi egymáshoz viszonyított arányát lehetetlen előállítani. Az idők folyamán kialakultak ugyan megfelelő informatív elemek, de ezek felhasználásával kialakuló trendek nem mindig futnak párhuzamosan egymással, ezért gyakran találkozunk "paradox" jelenségekkel. Sok ellentmondás származik abból is, hogy egyre több elemet (és izotópot) vonnak a vizsgálat körébe s az új adatok sokszor nincsenek összhangban a már ismertekkel. Sűrűn találkozunk adott jelenség eltérő megítélésével a kutatók részéről, ami azonban nem jelenti a nyomelemvizsgálat alkalmatlanságát, sőt a lemeztektonikával kombinálva a modern petrogenetikai vizsgálatok nélkülözhetetlen tartozéka. Ma már alig lehet elképzelni petrogenetikai tanulmányt nyomelem-vizsgálati adatok és nézőpont nélkül. A gyors fejlődés következtében a nyomelemek a tudomány, technika, egészségügy területén beláthatatlan és nélkülözhetetlen szerepre tettek szert és magában a geológiában is oly széleskörű az alkalmazási terület, hogy a tárgyalás során alapos szűrésre van szükség. A folyamatos olvashatóság kedvéért az irodalmi hivatkozásokat a tanulmányban a legfontosabbakra korlátoztam, de a könyv végén található irodalmi összefoglalásban minden felhasznált könyvet, cikket felsoroltam. Ugyanilyen meggondolásból némely részlet bővebb megvilágítását, ezek iránt érdeklődők kedvéért, a Függelékfejezetbe helyeztem át. A könyv a földköpenyből kiinduló folyamatokkal, a teljesség igénye nélkül, oly válogatásban foglalkozik, amely a további részletek és a fejlődés megértését előmozdítja, és reméli, hogy az olvasó hasznosnak fogja találni.
Köszönetemet fejezem ki Demény Attila MTA levelező tag és Pósfai Mihály MTA levelező tag társaimnak, akik a kézirat lektoraiként értékes tanácsaikkal voltak segítségemre.
A szerző