Az obszidián-áramlásokról (2.)

(Az elektrolit esete egy toposszal)

Lexikonokban, tankönyvekben, vulkanológiai szakirodalomban olvassuk, előadásokon, közbeszédben halljuk ezt az obszidián képződésével kapcsolatos évszázados toposzt, miszerint az obszidián a sziliciumban gazdag riolitláva gyors kihűlésekor keletkező vulkáni üveg. A hirtelen lehűlés magyarázataképpen hozzáteszik a víz hűtő hatását, tehát a magas hőmérsékletű kőzetolvadék a kiömlés során vizes közeggel kell, hogy találkozzon, mert ez a feltétele a gyors lehűlésnek, az olyan kőzet kialakulásának, amelyben az ásványi összetevők nem tudnak kikristályosodni.

Egzaktnak tűnő megállapítás, ami azért tartalmaz néhány ellentmondást, ugyanakkor a legújabb kutatások, vulkanológiai megfigyelések is alaposan felkavarták e teória állóvizét. A kőzetolvadék „plusz” külső vízzel (tavi, tengeri vizes közeggel) történő keveredése nem annyira a láva gyors lehűlését okozza, hanem inkább a láva szétrobbanását, amit freatomagmás működésnek nevezünk…

A 2011-es Cordón Caulle vulkán kitörésekor – pontosabban a vulkáni működés lezárulta után egy évvel, tehát a magmautánpótlás megszűnését követően – közvetlenül megfigyelt obszidiánképződés pedig különös tényekre irányította a vulkanológusok figyelmét.

A 2.200 méter fölé emelkedő, a Puyehue– Cordón Caulle vulkánkomplexum kitöréssorozata 2011. október 9-én törmelékfelhőt (piroklasztokat) eredményező robbanással (explózió) kezdődött, majd több szakaszban riolitos lávaöntések zajlottak (effúzió). 2012. november 1-től a lávautánpótlás megszűnt, de ennek ellenére a nagy viszkozitású áramlási front kilométereket (!) haladt előre. A kutatók megfigyelték, hogy a kihűlt lávakéreg – mint egy hőszigetelő réteg – alatt, a lávaár belsejében a magmautánpótlás, illetve a lávaöntés megszűnését követően még több hónapon át egy lassú lávaáramlás zajlott (a láva hatékonyan megtartotta hőt), ami a megszilárdult áramlási frontok extrudálódását eredményezte: ilyenkor kiterjedt kitörési lebenyek születtek. Az obszidián-tartalmú lávafolyások kialakulásának, történetének (fejlődésének, átalakulásának), a lávaárak mozgásának, a kőzetté dermedő törmelékes, szilánkos kéreg kialakulásának és viselkedésének modellezése segíti a földtörténeti múltban zajló riolitvulkánok értelmezését is, az obszidián kialakulásának mikéntjét – hasonlóan a már számos esetben megfigyelt bazaltos lávaár-mezők geneziséhez. Az 1. ábra a Kárpátok térségében, a több mint tízmillió évvel ezelőtt működő zempléni riolitvulkánok – lávadómok, riolitlávaárak és a feltételezett obszidiánáramlások – elvi, sematikus modelljét mutatja be az erdőhorváti Szokolya és a szőlőskei Borsuk (Borz-hegy) obszidián-típusaihoz igazítva.

A megfigyelések, kutatások egyik legfőbb tanulsága, hogy víz, mint hűtőközeg egyáltalán nem szükséges a hialinos szövetű vulkáni üveg, az obszidián képződéséhez. Sőt nem is a hirtelen lehűlésen van a hangsúly, hanem a láva-differenciáción, ami egy hosszú idejű nyugalmi periódus (valójában egy hibernált működés) alatt zajlik: a kőzetolvadék víztartalmának drasztikus lecsökkenése, valamint a gázok és az illóanyagok távozása szükséges ahhoz, hogy a magas szilicium-dioxid-tartalmú viszkózus láva kihűlés közben obszidiánként szilárduljon meg.

A Cordón Caulle vulkánkomplexumon megfigyelt történések óta – mind a recens, mind a paleovulkáni folyamatok esetében – tehát inkább az ún. parazita-kiömlésekhez, a lávadómból vagy lávanyelvből kitörő kisebb lávaáramlásokhoz (extrudálódott lebenyekhez) rendelhetjük az obszidián kialakulását. A lényeg, hogy a habos magma (riolitos kőzetolvadék) gázszökés miatt összeomoljon. A gáztalanodás és az illó anyagok távozása (illóvesztés) az obszidián keletkezésének legfontosabb feltétele – a hűlés sebessége és időtartama mellett. Persze a víztartalom sem lehet magas, mindössze 1 % körüli lehet. (A horzsakő maradék víztartalma 1 –2 %, a perlité ennél magasabb: 2–6 %, mert a kőzetolvadék kötött víztartalma a kiömlés során hirtelen megszilárduló lávában bennrekedt, a szurokkő pedig 5–10 % víztartalmú kőzetüveg.)

A szerencsés véletlennek és az elemzéseknek köszönhetően ma már kimondhatjuk: nem a gyors lehűlés az oka az obszidián-üveg keletkezésének, hanem éppen a fordítottja, a késleltetett lehűlés. Ugyanis a kihűlő és így hőszigetelő réteget alkotó lávafelszín alatt, a még mindig olvadék formájában „érlelődő” obszidián-összetételű lávában még sokáig – hónapokig, sőt az észak-amerikai obszidián-előfordulások vizsgálatainak eredményei szerint akár évekig, évtizedekig!) tovább zajlik a lávadifferenciálódás: a kőzetolvadék fokozott illóvesztése és gáztalanodása, valamint vízvesztése (a vizes oldatok távozása). Tehát ezek az alapvető okok, amik meghatározzák a szkaláris sajátosságú (iránytól nem függő), majdhogynem izotróp obszidián és a térbeli irányoktól nem teljesen függetlenfüggetlen tulajdonságú (azaz a kristályos állapot bizonyos jellegzetességeivel rendelkező) obszidialit létrejöttét, nem pedig a lehűlés gyorsasága.

[Egyébként hasonlóképpen felülvizsgálatra szorul a perlit keletkezésének magyarázata is, mely tömören így szól: a perlit a riolitos láva hirtelen lehűlésével vagy obszidián utólagos vízfelvételével (azaz hidratáció révén) keletkezett gömbös-héjas szerkezetű vulkáni üveg. Nagy valószínűséggel ebben az esetben sem a lehűlés sebessége a mérvadó és az utólagos vízfelvétel elképzelése is sántít… A perlit nem valószínű, hogy obszidiánból keletkezik, a két vulkáni üveg-típus egymástól függetlenül – más-más képződési körülmény hatására jön létre. Nem egy lineáris sorozat állomásai, hanem önálló (egymást kizáró) kőzetféleségek. Nem posztgenetikus folyamatok, hanem szingenetikus tényezők következtében alakul ki a „gyöngyköves” szerkezet: leginkább azért, mert a vízvesztés nem annyira markáns, mint az obszidián esetében. A perlitet eredményező kőzetolvadék nem „érlelődött” kellő ideig, nem következhetett be az obszidián létrejöttéhez szükséges mértékű illó-, gáz- és vízvesztés. Azonban bizonyos foltszerű helyeken, hőcsapdaként viselkedő gócokban viszont hosszabb ideig zajlik a differenciálódás, az elkülönülés: ezekben a magokban képződik a marekanit egyedi obszidiánszemcsék, illetve perlitburokban lévő marekanitfészkek formájában (amint azt hazánkban néhány helyen autochton feltárásban is tanulmányozhatjuk: Tokaj – Lebuj, Erdőbénye – Róka-bérc, Magita).]

 

Felmerülhet a kérdés, hogy a Cordón Caulle vulkán esetében közvetlenül megfigyelt, illetve az amerikai vagy a lipari-szigeti obszidián-előfordulások esetében lemodellezett hosszú, akár évekig kitartó olvadt állapotnak (a láva hatékony hőmegtartásának) mi lehet a magyarázata? Ami különösen akkor elgondolkodtató, amikor a lávautánpótlás (a vulkán működése) már befejeződött, tehát a közvetlen anyagutánpótlás megszűnt…

Nos, a hatékony hőmegtartásnak és ennek következtében a hosszan tartó láva-differenciálódásnak (azaz a magmás differenciáció utolsó, magmakamrán kívüli mozzanatának) egyetlen oka lehet: ha a szilícium- és vastartalmú olvadék a mozgékony töltéshordozók révén elektromos áram vezetésére képes, tehát amennyiben a láva elektrolitként viselkedik. Márpedig az obszidián (az obszidializáló láva) kémiai összetétele[i] ezt a képességet lehetővé teszi. Ebben a jelenségben a szilíciumnak van különös jelentősége, amely félfém és félvezető: tehát a vezetők és szigetelők tulajdonságait is hordozza (ezért van nagy szerepe a félvezető technológiában, az elektronikában): alacsony hőmérsékleten szigetelőként, magas hőmérsékleten vezetőként viselkedik – ellentétben a fémekkel. Tehát az elektromos vezetőkben a szabad töltéshordozók (elektronok, protonok, ionok) rendezetlen hőmozgást végeznek, de miután feszültséget kapnak, meghatározott irányú rendezett mozgás alakul ki. A gyorsuló töltéshordozók energiára tesznek szert, miközben a hőmérsékletük növekszik. Amíg a fémek esetélben a magas hőmérséklet az ellenállás miatt akadályozza a töltéshordozók mozgását – addig a szilíciumnál éppen a fordítottja történik. Éppen emiatt a törvényszerűség miatt maradhat a szilíciumgazdag láva (elektrolit) évekig olvadt állapotban, ezért képes a magmautánpótlás megszűnése után is hosszasan differenciálódni (obszidiánná „érni”) az olvadék. A kőzetté szilárdult obszidián esetében sokszor megfigyelhető sávozottság (rétegzettség, erezettség) is nagy valószínűséggel elektrokémiai jelenség: inkább a szabad töltéshordozók meghatározott irányú, rendezett mozgásához igazodó részecskék rajzolatai, nem pedig anyagáramlások, folyásos szerkezetek rétegei. (Persze ez nem jelenti azt, hogy nem alakultak ki több rétegű obszidiánlávaárak, egymásra települő obszidiánlávafolyások, vékony folyásos szerkezetű redők – amint ezek a Lipari-szigeten is megfigyelhetők.)

Már csak egyetlen kérdés marad: honnan kapja a láva az elektromos áram vezetéséhez szükséges feszültséget? Erre a választ a Földünk szerkezete, geofizikai modellje adja meg: a szilárd belső vas-nikkel mag körül áramló anyag a dinamóhatás elvén alakítja ki a Föld elektromágneses terét. Például a földköpeny nemcsak termikus konvekció (konvekciós áramlás, azaz anyagáramlással megvalósuló konvekciós hőátadás) övezete, hanem elektromos mező, azaz elektromos kölcsönhatást közvetítő erőtér is. Az itt alakuló elektromos potenciált a magmakamra és a lávacsatorna közvetíti a földfelszínre jutó lávaárba. Ez nem annyira geofizika vagy geokémia, mint amennyire elektrokémia: hiszen az elektrolízis egy olyan elektrokémiai folyamat, amely során elektromos energia alakul át kémiai energiává.

[Egyébként az obszidián kétszer találkozik az elektrolízis jelenségével (másképpen fogalmazva az az elektrokémiával, illetve az elektrolitológiával). Először olvadék korában (endogén történet), másodszor pedig már megszilárdult kőzetként (törmelékként vagy obszidialitként) olyan üledékbe ágyazódva, amely elektrolitként viselkedik (exogén történet). A 10–12 millió évvel ezelőtt extrudálódott obszidián-áramlások (parazita-kiömlések) homlokfrontján lévő tömeges megjelenésű, illetve breccsás megjelenésű obszidián-darabokkal kezdődött obszidián lepusztulása, tehát ezek kerültek bele a törmelékképződés – hordalékszállítás – leülepedés első fázisába. A pliocén-pleisztocén idején az eluviális-deluviális üledékben (rétegvizes, talajvizes közegben – mint elektrolitban) történő hosszú tartózkodás alatt a fémtartalmú obszidián elektront adott le, azaz oxidálódott. Az elektrokémiai folyamat során az obszidián felülete roncsolódott, végezetül szó szerint rozsdásodott[ii]. A korrodált felületű obszidián olyan, mint egy meteoritbecsapódások krátereivel borított miniatűr kisbolygó felszíne. (A corrosio latin szó jelentése ’megrágás’.) A roncsolt, lyukacsos, rusztikus felületű, patinával vagy kéreggel fedett kárpáti obszidiánnak eddig négy lelőhelycsoportját ismerjük: Céke–Imreg [Cejkov–Brehov] környéke (fekete korrodált, valamint rozsdás felületű); Erdőbénye községhatárában a Veres-tetőn (fekete korrodált); Tolcsva mellett (fekete és vörös korrodált); valamint Olaszliszka községhatárában (szürke, fekete, vörös egyaránt).] Az obszidialit tehát kéteszeresen elektro-litosz (electro-lithosz).

Tehát amint a perlit beilleszthető egy lávadóm, riolitlávaár litofáciesei[iii]közé, az obszidián nem. Az obszidián „különös és egyedi történet”, a riolitvulkanizmus önálló fejezete. Irodalmi szakkifejezéssel élve: egy sajátos elektrokémiai epizód. Egyedi és különös, ugyanakkor egyetemes és lényeges információkat nyújt / „üzenetet” tartalmaz az anyagi világegyetem (elektromágneses) törvényszerűségeinek megértéséhez. De ahhoz, hogy ezt az üzenetet” kódolni tudjuk, az obszidiánt ki kell emelni a deceptív toposzok közegéből.

1. ábra A zempléni riolitlávaárak és a feltételezett obszidiánáramlások – elvi, sematikus modellje (Az ábra megjelent a Földgömb 2022 május-júniusi számában https://afoldgomb.hu/latest-cover/a-foldgomb-2022-majus-junius/obszidian-a-legosibb-exportcikkunk-nyomaban – Baráz Csaba – Kiss Gábor: Obszidián. A legőpsíbb exportcikkünk nyomában. A Földgömb 2022. május–június (XL. évf., 356. sz.) 34–46.

Az ábra betűjeleinek feloldása:

a – (halványpiros vonal) a vulkáni működéssel egyidős felszín és az egymásra települő kőzettípusok (litofáciesek) határa; b – (vékony fekete vonal) a jelenlegi felszín; c – (szürke vonal) jégkori felszín. A – harmadidőszak előtti alapkőzet; B – korábbi piroklasztikumok, riolittufák; C – a riolitvulkán működését bevezető kitöréskor keletkező horzsaköves ártufa, illetve hólyagos „habkő” (piroklaszt); D – riolitos kőzetek; D1 – alapi breccsa, perlit (kontakt öv); D2 – a lávadóm és a lávaár riolitmagja; D3 – összefüggő üveg, perlit; D4 – felszíni breccsa (carapace breccia); nyíl – a hőszigetelő kéreggel borított lávadóm, illetve a megszilárdult korábbi áramlási frontok viszkózus olvadékai által táplált obszidiánláva-árak kipréselődési helyei (extrudálódásai). α – tömeges obszidián egy korábbi elakadt és megszilárdult áramlási frontból extrudálódott kitörési lebenyben; β – lassan megszilárduló lávadómból kitörő (extrudálódott) obszidián-lávaár lehűlési mikro- és makrorepedés-hálózattal: az obszidialit kialakulásának zónája; γ1 – a riolitdóm és riolitláva talpán (bazális fáciesében) kialakuló vulkáni üveg, perlit, perlitbreccsa a marekanit keletkezésének helye; γ2 – a riolitláva és a riolitos piroklasztikum és/vagy horzsaköves „habkő” érintkezési zónája: az obszidián-gumók szülőközege; 1 – autochton helyzetű obszidián-feltárás; 2 – szálkőzetből kipergő másodlagos (allochton) obszidián-előfordulás; 3 – eltemetett szülőkőzetből vagy obszidián-törmelékes üledékből (vagy regolitból) felszínre kerülő obszidialitok; 4 – megsemmisült tömeges obszidiánláva-kőzetből aprózódott, jégkori hordalékba kerülő, eluviális/deluviális üledékből a mai felszínre kerülő obszidián-törmelék.
Jegyzet:

[i] Az obszidián kémiai összetétele: 65/70–75/80% SiO2 mellett fémoxidokat (magnetit- és hematitjellegű vasoxidokat, alumínium- és ilmenitjellegű vas-titán-oxidot stb.), valamint szilikátokat tartalmaz (plagioklászt, ortoklászt) – nem kristályos-ásványos formában, mivel a kőzet vitroporfiros szövetű, fluidális jellegű, azaz gyakorlatilag csak kőzetüvegből áll. A kőzet szövetében alárendelten előfordulhatnak mikrolitok (krisztallitok), esetlegesen aggregátumokba tömörült fenokristályok.

[ii] A fémek, fémtartalmú anyagok levegővel vagy talajjal, üledékkel érintkező felületén elektrolit képződik: a fémek atomjai elektronleadással ionokká alakulnak és az elektrolitban oldódnak. Az oldat pozitív töltésű kationjai átveszik a fémben maradt elektronokat. Ha ez a vegyület nem oldódó, akkor rátapadó réteget alkotva megvédi a további korróziótól. Ha nem tapad és lepereg, akkor a fém, fémtartalmú anyag korróziója tovább folytatódik.

[iii] Litofácies: kifejlődés, arculat, azaz a kőzetek olyan tulajdonságainak összessége, amelyek azok egykori keletkezési viszonyait, körülményeit és környezetét tükrözik.