A földköpeny reológiai kutatása: mennyiségi Fourier transzformációs infravörös spektrometria alkalmazása egy Persány hegységi xenolit példáján

Absztrakt

A felsőköpenyből származó xenolitok kőzettani és geokémiai vizsgálatával közvetlen ismeretekhez juthatunk a litoszféra fizikai és kémiai állapotáról. Ezen információk birtokában kiszámíthatók a xenolitok által jellemzett köpenylitoszféra legfontosabb geofizikai tulajdonságai (pl. szeizmikus hullámsebesség, fajlagos vezetőképesség, effektív viszkozitás). Ezek a fizikai jellemzők meghatározók a geofizikai mérések eredményének értelmezésében, és így a kutatott régió geodinamikai fejlődésének megértésében.
Jelen tanulmányban azt mutatjuk be, hogy akár nyomnyi mennyiségű „víz” (helyesebben szerkezeti hidroxil) jelenléte a földköpeny névlegesen vízmentes ásványaiban (röviden NAM elegyrészek az angol „Nominally Anhydrous Minerals” kifejezés alapján) milyen kiemelkedő jelentőséggel bír a litoszféra fizikai viszonyaira és hogyan reagál a rendszer kémiai összetételére. A felsőköpeny geokémiai és geodinamikai kutatásában alkalmazott spektrometriai technikák közül a Fourier transzformációs infravörös spektrometria (FTIR) a NAM elegyrészek szerkezeti hidroxil-tartalmának tanulmányozásával a kőzetek fizikai viselkedéséről (pl. olvadási hőmérséklet, deformálhatóság, fajlagos vezetőképesség stb.) és bizonyos kémiai tulajdonságairól (H-tartalom) ad képet. Kísérleti kőzettani eredmények alapján a H+ töltéskompenzáló kationként vakanciákba önállóan, vagy csatolt helyettesítést létrehozva más kationokkal (pl. Al3+ vagy Ti4+) együtt tud a NAM elegyrészekbe beépülni. A vakanciák esetében a H+ valamelyik koordináló oxigénhez csatlakozva OH- (szerkezeti hidroxil) gyököt hoz létre. Ritkán a H+ önállóan, intersticiális helyzetben vagy Li+- és Na+-hoz csatlakozva szerkezeti hidroxil formájában is előfordulhat a rácsközi térben. A beépülés jellege függ a rendszer összetételétől (pl. Ti-tartalom), az oxigén, H2O és SiO2 aktivitásától, az oxigén fugacitástól és a nyomástól.
A beépülés módján kívül a NAM elegyrész pontos szerkezeti hidroxil tartalmát is meg lehet határozni mikro-FTIR spektrometriával. A szerkezeti hidroxil koncentrációt konvencionálisan molekuláris víz egyenértékben és ppm tömegrészben vagy mol %-ban fejezzük ki. A nem poláros mikro-FTIR módszer térnyerése az utóbbi időben jelentős áttörést hozott, hiszen a kis szemcseméretű (<0,7 mm) természetes és kísérleti kőzetek ásványainak elemzésére is lehetőség nyílt, amelyre a tradicionálisan megbízhatónak gondolt poláros mikro-FTIR módszer nem adott módot. Tanulmányunk egyik célja, hogy részletes áttekintést adjunk a mikro-FTIR alkalmazásáról a NAM szerkezeti hidroxil tartalmának vizsgálatához.
A nem poláros mikro-FTIR módszert ma már világszerte alkalmazzák, a Kárpát-Pannon régió felsőköpeny kutatásában is nagy szerepet kap. Alkalmazását a Persány-hegységi Vulkáni Terület felső-köpeny xenolitjain mutatjuk be, összehasonlítva korábbi munkákkal a Kárpát-Pannon régióból, kiemelve az eredmények felhasználhatóságát a geofizikai adatok értelmezéséhez és így a Kárpát-Pannon régió geodinamikájának jobb megértéséhez. A persány-hegységi xenolitra kapott geofizikai eredmények (szeizmikus hullámterjedési sebesség, fajlagos vezetőképesség) és effektív viszkozitás nagy hasonlóságot mutat a Stájer-medence xenolitjaival, ami a két terület hasonló geodinamikai helyzetének köszönhető. A Nógrád-Gömör vulkáni terület xenolitjai eltérő jellemvonásokat mutatnak.