Magyar Tudomány, 2008/11 1300. o.

Az id a földtudományokban



Kbe zárt id

geológiai kormeghatározás


Haas János

a földtudomány doktora, kutatócsoport-vezet,

MTA–ELTE Geológiai, Geofizikai

és rtudományi Kutatócsoport

haas ludens . elte . hu


Árkai Péter

az MTA rendes tagja, kutatóprofesszor,

MTA Geokémiai Kutatóintézet

arkai geochem . hu


Császár Géza

az MTA doktora, egyetemi magántanár,

ELTE Regionális Földtani Tanszék

csaszar mafi . hu


Vörös Attila

az MTA levelez tagja, kutatócsoport-vezet,

MTA–MTM Paleontológiai Kutatócsoport

voros nhmus . hu



Bevezetés


A geológia történeti természettudomány. A kzet, illetve a különféle, egymással genetikai kapcsolatban lév kzetekbl felépül kzettest térbeli (háromdimenziós) objektum. A geológust azonban a kzetek, kzettestek kialakulása, keletkezésének folyamatai is érdeklik. Itt lép be a képbe a 4. dimenzió, az id, amelynek dönt jelentsége van a geológiai jelenségek, folyamatok megértésében. Ez a geológia tudományterületének talán legjellemzbb sajátossága. A kzetek rendkívül sok információt hordoznak a régmúltról. Azt mondhatjuk, hogy szinte kizárólag a kzetekben lelhetk fel a Föld történetének és a Földön kialakult élet fejldésének tárgyi bizonyítékai.

Mai ismereteink szerint a Föld története mintegy 4,6 milliárd évet fog át. Olyan hatalmas idtartamról van szó, amely emberi mértékkel szinte felfoghatatlan. A régészek joggal hivatkoznak arra, hogy a mezopotámiai vagy egyiptomi kultúra kezdetei is alig elképzelhet idtávlatra, mintegy ötezer évre nyúlnak vissza. Hogyan lehetne felfoghatóvá tenni akkor a földtörténet millió, tízmillió, százmillió vagy milliárd éves idtávlatait? Az 1. ábrán a földtörténet középkorának triász idszakában, mintegy 200 millió éve lerakódott mészk látható. A rétegsorban trópusi klímájú tengerparti síkságon keletkezett és sekélytengerben lerakódott rétegek váltakoznak, ami a tengerszint periodikus változására utal. Mai ismereteink szerint ez a tengerszintváltozás a Föld pályaelemeinek periodikus változásaival állt összefüggésben, és a húszezer éves precessziós ciklusnak feleltethet meg. Így tehát egyetlen, kb. két méter vastagságú üledékciklus képzdésének idtartamába bven elfér az emberi civilizáció egész története, hiszen húszezer éve még a jégkorszak utolsó eljegesedési szakasza, a kés paleolitikum tartott. Az els nagy kultúrák kialakulásával az írott történelem mintegy ötezer éve kezddött, ami egyetlen ciklus fels negyedének, mintegy fél méteres szakaszának felel meg. A magyar államalapítás óta csak 10 cm üledék képzdött volna a trópusi tengerben, jóllehet az átlagosnál gyorsabban felhalmozódó üledékes kzetrl van szó. A Bakony, a Gerecse vagy a Budai-hegység jelents részét sok száz ilyen üledékciklus kzetei építik fel, 2–3 kilométer vastagságban, melyek mintegy húszmillió év alatt keletkeztek. Ha nem változtak volna az üledékképzdés feltételei az azóta eltelt mintegy 200 millió évben – ami természetesen abszurd feltételezés – akkor 20–30 kilométeres kzetoszlop keletkezhetett volna máig. És a triász idszak már a földtörténet viszonylag kési szakasza, azóta „csupán” kétszer százmillió év, nem pedig milliárd évek teltek el.


A geológiai idmeghatározás kezdetei


Nem mindig gondolkodtak ilyen hatalmas idtávlatokban a Föld korát és történetét illeten. Hosszú ideig, egészen a XVII. század közepéig, a felvilágosodás koráig kizárólag a Biblia tanai adtak támpontot a kezdeteket illeten. A XVI. században a hírneves ír tudós teológus, James Ussher anglikán érsek a Biblia gondos tanulmányozása alapján arra a következtetésre jutott, hogy a teremtés Krisztus születése eltt 4004. október 23-án, szürkületkor történt. Mások számításai némileg eltér eredményre vezettek, de kétségtelen, hogy az Írás szerint a teremtés hat napja mintegy hatezer évvel ezelttre tehet.

Már az ókori, kolofoni Xenophanes, majd jóval késbb a XV. század végén a reneszánsz minden tekintetben zseniális polihisztora, Leonardo da Vinci felismerte, hogy tengeri állatok vázai találhatók a tengerektl távoli hegységek kzeteiben, és azokat si tengerek nyomaként értékelték. Nicholas Steno 1669-ben a rétegzett kzeteket tanulmányozva arra a következtetésre jutott, hogy a rétegsorban mélyebben lév rétegek korábban keletkeztek, mint a felettük találhatók. Ezzel megalkotta a szuperpozíció törvényét, amit ma a rétegtan els alaptörvényének is neveznek.

Georges Buffon, akit a XVIII. század legnagyobb természetbúvárának tartanak, és a francia felvilágosodás kiemelked képviselje volt, kétségbevonta azt, hogy a Párizsi-medence sok ezer méter vastag, tengeri állatok vázait nagy tömegben tartalmazó rétegei a bibliai vízözön néhány hónapja alatt rakódhattak volna le. Úgy vélte, hogy a Föld korát egy hasonló méret vasgolyó lehléséhez szükséges id kiszámításával lehet megközelíteni, és ezt az idt 1749-ben kiadott A Föld elmélete cím mvében 74 834 évben határozta meg.

A geológián belül a kzetek tér és idbeli kapcsolatával a rétegtan (sztratigráfia) tudományága foglakozik. Az angol William Smith-t tekintik a rétegtan atyjának. Smith csatornaépít mérnök volt, aki munkája közben, már a XVIII. század végén felismerte, hogy az egymást követ rétegeknek nem csupán sajátos kzettani jellegei vannak, de smaradványaik is eltérek, és e tulajdonságaik alapján akár nagy távolságban lév rétegeket is azonosítani lehet. Az egyes rétegek, rétegcsoportok helyzetét térképen is rögzítette.

Buffon tanítványa volt a XIX. század kezdetének két kiemelked francia paleontológusa, Jean-Baptiste Lamarck és Georges Cuvier, akik az élvilág történetét illeten merben különböz nézeteket vallottak. Lamarck munkáiban az élvilágnak a környezeti változások miatt lassan, fokozatosan végbement fejldését hirdette, és úgy gondolta, hogy ez év százmilliók alatt történhetett. 1802-ben megjelent dolgozatában a legsibb tengeri üledékek korát 900 millió évesre becsülte. A Lamarcknál huszonöt évvel fiatalabb Cuvier fixista, azaz a fajok változatlanságának híve volt. Azt az akkor már jól ismert tényt, hogy egymás felett következ rétegcsoportok fosszíliaegyüttese különböz, természeti katasztrófákkal magyarázta. Úgy vélte, hogy e katasztrófák során az élvilág elvándorol egy területrl, majd a vész elmúltával máshonnan, más alakok vándorolnak be oda. Követi azt is feltételezték, hogy a katasztrófák utáni újrateremtésekkel népesült be ismét a Föld.

A XIX. század els felében – azaz Cuvier munkásságával egyidben – alapveten katasztrofista szemlélettel kísérelték meg a földtörténet nagyobb egységekre, idszakokra tagolását. Az 1820–1840 közötti években vezették be a máig érvényben lév geológiai idszakok jelents részét (például: szilur, devon, triász, jura stb.). 1841-ben John Phillips vetette fel az si állatvilág fejlettségén alapuló tagolást, megalkotva a paleozoikum, mezozoikum, kainozoikum fogalmát. A földtörténet e f fejezeteinek határainál olyan markáns változás lép fel az smaradvány-együttesekben, hogy az már a rétegtan korai mveli számára is feltnt, és kutatási adatok tömege alapján, ma is úgy véljük, hogy a földtörténet legnagyobb kihalásait, valódi katasztrófáit tükrözik.

A paleontológusok és a rétegtan kutatóinak szemléletében Charles Darwin 1838-ban felismert és 1859-ban közzétett evolúciós tanai hoztak alapvet fordulatot. Maga Darwin az evolúció sebességének becslése alapján arra következtetett, hogy a kainozoikum kezdete 300 millió évvel ezeltt lehetett. Úgy vélte, hogy ennyi id alatt alakulhattak át az akkori fajok a maiakká. A jelenlegi megbízható ismeretek szerint 65 millió évvel ezeltt kezddött a kainozoikum. Darwin tehát a valóságosnál jóval lassúbb evolúciós tempót tételezett fel. Kétségtelen, hogy a radioaktivitáson alapuló kormeghatározás felismerése eltt rendkívül nehéz volt reális becsléseket adni a Föld, illetve az egyes kzetek korára vonatkozóan. Ennek tudatában nagy elismeréssel kell adóznunk a XIX. századi magyar geológia kiemelked tudósának, Szabó Józsefnek, aki 1893-ban üledéktani alapú levezetést adott közre a rétegzett kzetekre vonatkozóan. Idézzük fel gondolatmenetének fontosabb elemeit saját szavaival. „Szerencsére, van a változásoknak egy oly nagy cziklusa, mely gondos kutatásra alkalmas és számbeli kifejezést is szolgáltat; a Föld felületének a koptatása ez, mi igen lassu folyamatnak tetszik ugyan, de untalan tart. […] A kopadék és a lerakodás tömege egymásnak megfelel; ha tehát megmérjük, hogy valami folyó mennyi anyagot visz a tengerbe, kifejezést kapunk egyrészt arra, hogy azon folyó vízkörnyékérl évenként mennyi kzetanyag hurczoltatott el, és hogy azzal a mélyedményben mennyi új réteg képzdött: vagyis a víz mit pusztított és mit alkotott. […] A Föld rétegkzetei egészben véve, ott, a hol legjobban ki vannak fejldve, nem kevesebb mint vagy 100,000 lábra tehetk. Ha ezen rétegek a legsebesebb módon rakódtak le, akkor keletkezésökre 73 millió év kellett; ellenben ha a leglassubb módon, akkor nem kevesebb mint 680 millió év alatt jöttek létre.” Szabó veretes mondatai meglepen reális becslést tárnak az olvasó elé, hiszen a szilárd vázzal rendelkez éllények maradványait már tartalmazó, legidsebb rétegek kora – azaz a fanerozoikum kezdete – mai ismereteink szerint 545 millió évre tehet.


A radioaktív izotópos kormeghatározás elvének és módszereinek kidolgozása

Bár a relatív geológiai idskála alapjait és a korbesorolás elssorban smaradványokon alapuló módszereit a XIX. század végére már kidolgozták – ennek jelentsége a földtani kutatás legkülönbözbb ágaiban mindmáig nem csökkent – a kzetek, földtörténeti események korának években való megállapítására nem volt megbízható módszer.

Alapveten új lehetséget kínált a földtan számára a radioaktivitás felfedezése. A röntgensugárzás, a katódlumineszcencia jelenség felfedezése inspirálta Henri Becquerel francia fizikust a különböz urániumsókkal végzett lumineszcencia kísérleteinek folytatására. Ezek eredményeit 1896-ban a Párizsban, a Francia Tudományos Akadémián ismertetve egy merben új jelenségrl számolt be: kimutatta, hogy az urániumsók és urániumtartalmú ásványok küls energia (például napfény) közlése nélkül is folyamatosan bocsátanak ki láthatatlan sugárzást. Ez a felfedezés messzeható következményekkel járt, a következ évtizedekben az atomfizika és a radiokémia kialakulását és fejldését indította el. Az úttörk közül elég itt talán – kiemelked példaként – Marie Skodowska Curie és Pierre Curie tevékenységét felidézni.

A Marie Curie által „radioaktivitás”-nak elnevezett jelenség kutatói közül elsként Ernest Rutherford angol fizikus javasolta 1905-ben, hogy a radioaktív atommagok átalakulási sebességei kzetek és ásványok korának meghatározására is felhasználhatók lehetnek. Azóta gyakorlatilag minden, természetben elforduló radioizotópot megvizsgáltak, vajon használhatók-e geológiai anyagok datálására. Ehhez az izotópok egész sorának felfedezésére, valamint a különböz kémiai elemek izotópjainak elkülönítésére alkalmas, a Joseph J. Thomson által 1914-ben leírt, ún. „pozitív sugár” berendezésre, majd a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumában 1919-ben Francis W. Aston által megalkotott tömegspektrométerre, illetve ennek állandó fejlesztésére volt szükség. A tömegspektrométer alkalmazása nyomán az 1950-es évektl jelents számban készültek radioaktív kormeghatározások különböz kzeteken, különböz módszerekkel.

Magyarországon az ötvenes évek közepétl az MTA debreceni Atommagkutató Intézetében folynak izotópgeokronológiai kutatások: jelenleg Balogh Kadosa és munkatársai elssorban K-Ar és Ar-Ar módszerrel végeznek világszínvonalú munkát a Kárpát-medence egész területérl származó geológiai mintákon. Az MTA Földtudományi Kutatóközpont Geokémiai Kutatólaboratóriumában Dunkl István az atommag hasadvány nyom (fission track) módszerrel ért el jelents eredményeket. Pálfy József (külföldi laboratóriumokban) cirkonkristályokon végzett U-Pb izotópgeokronológiai vizsgálataival triász és jura kronosztratigráfiai egységek kalibrálását végezte el, hogy csak egy fontosat emeljünk ki a számos, nemzetközi kooperációban hazai földtani képzdményeken végzett izotópos kormeghatározások közül.

A rétegtan mai elveinek kialakulása


A második világháborút követen nem csupán a radioaktív kormeghatározás, de a klasszikus relatív geológiai kormeghatározás és ezzel szoros összhangban a rétegtan elvei és módszerei is jelents fejldésen mentek át. Ennek hajtómotorja a Nemzetközi Rétegtani Bizottság (ICS) 1952-ben megalakult Osztályozási Albizottsága (ISSC) volt, élén Hollis D. Hedberg amerikai professzorral. A rétegtan alapelveit, osztályozási rendszerét és nevezéktanát huszonnégy éves egyeztet munkával sikerült kialakítani, megteremtve a szakemberek konszenzusán alapuló nemzetközi rétegtani tagolás és a geológiai idskála kidolgozásának lehetségét. Az alapelveket az 1976-ban kiadott Nemzetközi rétegtani irányelvekben tették közre. Az új szemlélet lényege a kzettani sajátosságokon alapuló litosztratigráfiai, az smaradványokon alapuló biosztratigráfiai és a különböz módszerekkel meghatározott geológiai idegység alatt keletkezett kzeteket magukba foglaló kronosztratigráfiai, illetve az utóbbiak idtartamát jelent geokronológiai egységek bevezetése volt. Fülöp József akadémikus kezdeményezésére a rétegtani irányelvek tömörített, de a lényeget tartalmazó magyar változata a nemzetközi irányelveket megelzve, már 1975-ben megjelent.

Az 1970-es évektl az idfelosztás és az idazonosítás (krono-korrelációs) számos új módszerét dolgozták ki, és az 1980-as években egyre inkább az alkalmazható módszerek minél teljesebb körét értékel integrált rétegtani szemlélet vált meghatározóvá. Az ISSC Amos Salvador elnöksége idején, 1994-ben, újabb rétegtani módszerekkel kibvített Nemzetközi rétegtani irányelveket adott közre. Jelenleg egy további bvítéseket és korszersítéseket tartalmazó kiadvány szerkesztése folyik, jeléül annak, hogy a földtörténeti események pontosítását célzó módszertani fejlesztés ma is tart.


A geológiai idmeghatározás

mai szemlélete és módszerei


A földtan ma igen sok módszert igyekszik párhuzamosan alkalmazni a földtörténeti események, jelenségek, folyamatok idbeli elhelyezésének érdekében. A módszerek megválasztása a vizsgálandó kzetek sajátosságaitól és az adott probléma, feladat jellegétl egyaránt függhet. Természetesen fontos lehet a kzetek keletkezési korának években való megadása. Gyakran igen hosszú ideig tartó keletkezési folyamatról van szó, ilyenkor a folyamat idbeli lejátszódása, egyes részfolyamatok sebességének meghatározása a feladat. Számos esetben a kzettestek keletkezésének egymáshoz viszonyított ideje, az egyidej (izokron) szintek megállapítása a legfontosabb. Olyan módszereink is vannak, melyek – bár a keletkezés idejének megállapítását nem teszik lehetvé – bizonyos kzetekben egészen finom, éves, évszakos vagy akár félnapos idtagolásra alkalmasak, megadva például az üledéklerakódás sebességét vagy a periodikusan ismétld környezeti változások ütemét. Tekintsük át néhány fontos módszer elvi alapjait, természetesen a teljesség igénye nélkül!

A litosztratigráfia a kzetfajták és azok jellegei alapján tagolja, sorolja egységekbe a Föld szilárd kérgét (valójában csak a földkéreg fels részét) alkotó kzeteket. A litosztratigráfiai egységek (formációk) háromdimenziós alakulatok és egyúttal a földkéreg építelemei. A geológiai térképek, illetve térmodellek e kzettestek síkbeli, illetve térbeli megjelenítését mutatják be. A litosztratigráfiai egységek egymáshoz viszonyított térbeli helyzete ad információt képzdésük sorrendjérl. A már említett Steno-féle szuperpozíciós szabály egyike az ilyen relációs értelmezési lehetségeknek. További összefüggéseket illusztrál a 2. ábra. Az ábra alsó részén üledékes rétegsorba nyomult magmás test látható. A magmás test nyilván fiatalabb, mint a befoglaló kzettest. Az ábra fels részén rétegsorok összefogazódására látunk példát. Az összefogazódó rétegsorok közel egy idben keletkeztek.

A biosztratigráfia a rétegeket smaradványtartalmuk alapján különíti el és sorolja egységekbe. Bár „hatásköre” tulajdonképpen az üledékes kzetekre korlátozódik, a biosztratigráfia mégis több, mint pusztán a sztratigráfia egyik ága. A bevezet részben láthattuk, hogy William Smith, Georges Cuvier és a rétegtan más alapító atyái az smaradványok felhasználásával tették meg úttör lépéseiket. Ez nem volt véletlen, hiszen – amint ma már tudjuk – a bioszféra fejldése folytonos és szakaszos, de mindenképpen egyirányú folyamat, melynek dokumentumai, az smaradványok nemcsak rétegazonosításra használhatók, hanem a földtörténeti id meghatározásához közvetlen információkat is hordoznak. A biosztratigráfia legfontosabb kategóriája a biozóna, ami szintjelz smaradványok alapján mutatható ki és párhuzamosítható a Föld különböz pontjain.

Egy fosszilis faj egyedei akkor használhatók jó szintjelzként – vagy régiesen: vezérkövületként – ha a faj viszonylag rövid élettartamú, és nagy földrajzi elterjedés volt, megjelenése és eltnése a teljes elterjedési területen azonos idpontban történt, valamint, ha maradványai gyakoriak, és sokféle környezetben elfordulhatnak. Ez a számos feltétel rendkívül ritkán teljesül egyszerre. A gyakorlatban meg kell elégednünk azzal, ha a biozóna jellemz smaradványának elterjedése egy szkebb területen belül jól dokumentálható. Az egymással korrelált biozónák mozaikjából épül fel a biosztratigráfia rendszere. Egy-egy biozónának megfelel rövid idtartamú (általában kevesebb mint egymillió év) kronosztratigráfiai egység a kronozóna; viszonyukat a 3. ábra mutatja.

Az smaradványokon alapuló közvetlen és független földtörténeti idmérést biokronometriának nevezzük. Közismert a fatörzsek évgyrinek megszámlálására alapított dendrokronometria jelentsége a legutóbbi néhány ezer év történetének datálásában. Meglep adatokat szolgáltatnak közel 400 millió éves (devon idszaki) korallok a földi nap hosszának lassú növekedésére (Géczy, 1979). A 4. ábrán látható korall több centiméteres, tülökalakú kelyhének külsején sr növekedési ráncok láthatók, melyek naponkénti növekedési ritmust tükröznek. Láthatók azonban ritkábban jelentkez, gyrszer kiemelkedések is, melyek évenként periódusokba rendezdnek. Két vastagabb gyr között négyszáz finom növedékvonal olvasható meg, minden példányon, következetesen. Ez azt jelenti, hogy a devon idszakban egy év négyszáz napból állt. Hasonló megfigyelések szerint a karbon idszaki (300 millió éves) korallok számára 390 napig tartott egy év. Mindez arra utal, hogy a Föld tengelykörüli forgásának sebessége a földtörténet során fokozatosan csökkent, elssorban a dagály–apály jelenség okozta súrlódás miatt. A magnetosztratigráfia a kzetek mágneses ásványaiban rögzült, a Föld egykori mágneseses mezejére vonatkozó információk értékelésén alapul. Az 1960-as években a kzeteken mérhet mágneses irányok meghatározása alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a földtörténet során a mágneses pólusok gyakran felcseréldtek, azaz mágneses térfordulás következett be. A további vizsgálatok azt is kiderítették, hogy a pólusátfordulások geológiai értelemben igen rövid id alatt mentek végbe. A magnetosztratigráfia segítségével az egész Földre érvényes idintervallumok, illetve határszintek határozhatók meg. Ezek az elmúlt évtizedekben az idkorreláció rendkívül fontos eszközeivé váltak. Különösen a földtörténet fiatalabb (kainozoós) szakaszaira lehetett igen pontos magnetosztratigráfiai skálát kidolgozni, egyrészt azért, mert ezt az intervallumot gyakori pólusátfordulások jellemzik, másrészt ez esetben a mai óceánok fenekét alkotó, az óceánközépi hátságok mentén feltör és szétterül bazalt mágneses irányai és radiometrikus koradatai, valamint a bazaltra települ üledékek biosztratigráfiai és kemosztratigráfiai adatai is rendelkezésre állnak.

A rétegsort regionális üledékhézagokkal tagoló szekvenciasztratigráfia az 1970-es években született, elssorban a mesterségesen keltett földrengéshullámok értékelésén alapuló geofizikai mérések (szeizmikus szelvények) értelmezésének fejlesztése érdekében. Elveinek és módszereinek kidolgozásában az Exxon óriásvállalat Peter Vail által vezetett kutatócsoportjának volt meghatározó szerepe. A szekvenciák létrejöttét relatív vízszintváltozásra vezették vissza, ami az aljzat vertikális (süllyed – emelked) mozgásának és a világtengerek millió éves nagyságrend vízszintváltozásnak az eredje. A tengerszint-változási görbe megszerkesztésére, pontosítására és a biosztratigráfiai tagolással való összevetésére igen jelents szellemi és anyagi erfeszítéseket tettek az elmúlt évtizedekben. A millió éves nagyságrend (harmadrend) tengerszintváltozások oka azonban ma is vitatott, így a szekvenciákon alapuló globális korreláció elvi alapjai sem letisztultak még. A módszer ugyanakkor kiválóan használható a gyakorlatban egyes medencék, régiók rétegsorainak idazonosításánál.

Mai ismereteink alapján is kielégíten magyarázható viszont a 10 ezer–100 ezer éves nagyságrend üledékciklusok kialakulása, amire a ciklussztratigráfia épül. Ciklusos üledékképzdésrl akkor beszélünk, ha az egymást követ rétegek sorozatában szabályszer ismétldés van. Milutin Milankovi szerb mérnök, csillagász és matematikus az 1920-as években olyan elméletet dolgozott ki, amely a jégkorszakok kialakulását, az eljegesedési és a felmelegedési szakaszok váltakozását a Föld keringési pályaelemeinek módosulása miatt bekövetkezett besugárzás-változásokra vezette vissza. A 100 és 410 ezer éves periodicitású excentricitással, a ferdeség kismérték változásának 41 ezer éves periódusával és a 21,7 ezer év átlagos periodicitású precessziójával számolt. Késbb nem csupán jégkorszaki, hanem különböz korú és különböz környezeti egységekben keletkezett ciklusos rétegsorokról kimutatták, hogy a ciklusok idtartama az említett periodicitásokat mutatja. A pályaelemek periodikus változása (az ún. Milankovi-ciklicitás) bonyolult áttételeken keresztül hagy nyomot az üledékes rétegsorokban. A pályaelemek módosulása a besugárzás szezonalitását befolyásolja, amit az óceáni és a légköri áramlási rendszer módosulása felersíthet. A klíma kapcsolata az orbitális ciklusokkal tehát nyilvánvaló. Számos bizonyíték van a Milankovi-ciklusok frekvenciatartományába es tengerszint-változásokra is, melyek áttételesen ugyancsak a klimaváltozásokhoz köthetk, hiszen elssorban a sarki jégsapkák térfogatváltozására vezethetk vissza.

Az utóbbi évtizedben igen gyorsan fejld kemosztratigráfia az óceánvíz kémiai (elem- és izotóp-) összetételének idbeli változásain alapul. A jelenleg alkalmazott módszerek elssorban az izotóparányok változására épülnek, és az smaradványok vázainak vizsgálatán alapulnak. Az 5. ábra az Atlanti-óceán üledéksorában felhalmozódott egysejt plankton állatok – Foraminiferák – mészvázában mutatja az oxigénizotóp-arány változását a kainozoikum folyamán (Raymo – Ruddiman, 1992). A változások elssorban a víz hmérsékletének ingadozását tükrözik, ami globális klímaváltozásokra vezethet vissza. Ez ad lehetséget arra, hogy pontosabban nem ismert korú rétegsorokat az oxigénizotóp-arányok alapján korreláljunk. Ily módon esetenként a Milankovi-ciklicitás is jól kimutatható, ami igen nagy felbontású tagolást jelent.


Radioaktív izotópos kormeghatározás


A radioaktív izotópos kormeghatározás lényege az a felismerés, mely szerint a radioaktív bomlás sebessége egyedül az adott radioaktív atommag stabilitásától függ. A bomlás sebességét küls tényezk (például: a hmérséklet, nyomás stb.) nem befolyásolják. Emiatt – elssorban a geológiai alkalmazások korai szakaszában – a radioaktív izotópos kort gyakran „abszolút kornak” nevezték, amely azonban meglehetsen félrevezet kifejezés. A radioaktív izotópos kor ugyanis azt az idt adja meg, amely a vizsgált ásványnak, kzetnek szilárd fázisban történ kiválása, ki- vagy átkristályosodása óta eltelt.

A radioaktív izotópos kormeghatározás alapfeltételei a következk:

a vizsgált ásványban a „szül” (radioaktív, elbomló) izotóp és a bomlás eredményeként keletkezett „leány” izotóp koncentrációiban az ásvány kiválása után végbement változások kizárólag csak a radioaktív bomlás eredményei legyenek (az ásvány kiválásakor csak „szül” izotóp legyen jelen).

az adott izotóprendszer szempontjából a vizsgált ásvány vagy kzet keletkezésétl a jelenig zárt rendszerként viselkedjék.

Nyilvánvaló, hogy ezek a feltételek a természetben zavartalanul szinte soha, vagy csak nagyon ritkán teljesülhetnek. Ezért a radioaktív izotópos kormeghatározás eredményeinek értelmezése rendkívül összetett feladat, amely a fizikus geokronológus, a földtan különböz szakterületeit mvel petrográfus, mineralógus, sztratigráfus szakemberek együttmködésével lehet csak sikeres.

E tekintetben alapvet jelentség a geológiai objektumok vizsgált izotóprendszerre vonatkozó ún. záródási vagy blokkolási hmérséklet értékeinek meghatározása, amely Marton H. Dodson (1973) nevéhez fzdik. Dodson a záródási hmérséklet elmélet elegáns matematikai megfogalmazását adta. Egy geológiai anyag (például ásvány) záródási hmérsékletét a dT/dt lehlési sebesség; a kémiai diffúzió aktivációs energiája és a kristályon belüli diffúziós domének mérete határozza meg.

A 6. ábrán a kormeghatározásoknál gyakran alkalmazott izotóprendszerek különböz ásványokban meghatározott záródási hmérsékletei (pontosabban: hmérséklet intervallumai) láthatók, viszonylag kis lehlési sebességet feltételezve.

A fentiek ismeretében tekintsük át röviden, mire is használhatók az izotópgeokronológiai módszerek a kzetek három nagy csoportjában!

Az üledékes kzetek esetében a radiometrikus kormeghatározás, illetve a mérési eredmények értékelése komoly nehézségekbe ütközik. Az üledékes kzetek jelents része ugyanis nem tartalmaz radioaktív kormeghatározásra alkalmas ásványt. Kedvez esetben a kzetben található egyes – az üledékképzdés során keletkez vagy az üledék felhalmozódással egyidej vulkáni tevékenység során az üledékbe jutó – ásványok kora megadhatja az üledékképzdés, illetve a kzetté válás korát (kor-intervallumát). Más ásványok a lehordási (lepusztulási) területet alkotó földtani képzdmények korának meghatározására alkalmasak.

Magmás kzeteknél az izotópos korok értelmezése a magmatitok képzdési körülményeitl, elssorban a lehlési sebességtl függ. A gyors lehlés vulkáni kzeteknél az izotópos korok gyakorlatilag a magmás mködés korával egyeznek meg. Lassú lehlés plutoni (intruzív) kzeteknél a magmás mködés tényleges koránál fiatalabb, ún. lehlési korokat kaphatjuk meg. (Lehlési kor alatt azt az idpontot értjük, amely idpontban a vizsgált kzet vagy ásványa az adott izotóprendszer szempontjából zárttá vált.) A 7. ábra egy granitoid pluton különböz ásványok/izotóprendszerek segítségével meghatározott lehléstörténetét mutatja be, a pluton geotermikus modellezésével kapott lehlési görbével együtt (Spear, 1993).

Metamorf kzetek esetében a különböz záródási hmérséklet ásványok/izotóprendszerek tanulmányozásával lehetség nyílik a metamorf események ismétldésének (polimetamorfózis) kimutatására és a metamorf összletek lehléstörténetének rekonstrukciójára is. Ennek illusztrálására a 8. ábrán egy hazai példát mutatunk be. A Vepori nagyszerkezeti egység Észak-Magyarországra átnyúló aljzatában Koroknai Balázs és munkatársai (2001) alpi (kréta) korú, amfibolit fácies regionális metamorfózist mutattak ki. Az id–hmérséklet diagramról leolvasható, hogy a metamorfizált összlet kiemelkedése során 500 oC-ról mintegy 40 millió év alatt hlt le kb. 100 oC-ra.


Geokronológia, geológiai idskála


Napjaik földtudománya a fentiekben tárgyalt, valamint számos itt nem említett geológiai idmeghatározási, idtagolási módszert együttesen igyekszik felhasználni a földtörténet, azaz a földtani folyamatok idbeli lefolyásának kiderítésére. Ezt a sokoldalú megközelítést nevezik integrált rétegtannak. A rétegtani vizsgálatok eredményeként a kzettesteket geológiai koruk szerint kronosztratigráfiai egységekbe sorolják. Ezeknek az egységeknek a határa elvileg egyidej (izokrón), bár a gyakorlatban, korrelációs módszereinkkel az egyidejséget csak megközelíteni lehet. A kronosztratigráfiai egységek tehát izokrón felületekkel lehatárolt kzettestek. Ezek idtartamát fejezik ki a geokronológiai egységek, melyek hierarchikus rendszere alkotja a globális geokronológiai skálát, amit geológiai idskálának is neveznek. Említettük, hogy a geológiai idskála alapjait a XIX. század els felében fektették le. Azóta a kutatók folyamatosan dolgoznak a skála tökéletesítésén, az egységek határainak definiálásán és koruk minél pontosabb meghatározásán. Ez nem könny feladat, és csak nemzetközi erfeszítéssel, megegyezéssel oldható meg. A földtörténet f fejezeteinek, magasabb rangú egységeinek határát igyekeztek az élvilág jelents változásainál megvonni. Ezek többsége drasztikus változásokhoz, globális természeti katasztrófákhoz köthet. Ilyen esetben természetes határról beszélhetünk, ennek megkeresése, pontos meghatározása a feladat. Más esetekben azonban – ez a helyzet a részletesebb tagolást adó, rövidebb idtartamot átfogó egységek (emeletek, illetve korszakok) nagy részének esetében – nem történt a Föld egészére kiható lényeges változás, ezért nincs természetes határ, azt valamilyen módon ki kell jelölni. Átgondolt mérlegelés, hosszú egyeztetési folyamat eredményeként jelölik ki a határokat. A globális geológiai skála minden egységének alsó határát egy konkrét helyen, egyetlen pontban jelölik ki. Ezt határ-sztratotípusnak, illetve határpontnak nevezik. A kijelölést a Nemzetközi Rétegtani Bizottságnak kell jóváhagynia. Csak ezután kerülhet sor a határt jelöl „aranyszög” beverésére. A határok definiálásának befejezését a Nemzetközi Rétegtani Bizottság – meglehets optimizmussal – 2008-ra tervezi. A határok pontos kijelölése elfeltétele annak, hogy években kifejezett korukat viszonylag pontosan meg tudjuk határozni, de ennek más nehézségei is vannak.

Ma már a kréta idszak középs részéig, hozzávetlegesen 100 millió évig a geológiai idskála években meghatározott kora viszonylag pontos, a határok korát legfeljebb néhány 100 ezer éves hiba terheli. Eddig ugyanis támaszkodhatunk a mai óceánok aljzatán végzett mágneses mérések adataira, kiváló magnetosztratigráfiai skálával, biosztratigráfiai rendszerrel és nagyszámú radioaktív koradattal rendelkezünk. A fanerozoikum korábbi szakaszait illeten már sokkal kevesebb a közvetlen adat, és a hibahatár emiatt négy-ötmillió évre n (Gradstein et al., 1994, 9. ábra). A fanerozoikumnál korábbi, azaz 545 millió év eltti földtörténeti szakaszra nézve még sokkal nagyobb a bizonytalanság, hiszen itt már biosztratigráfiai rendszert sem használhatunk. A geológiai kormeghatározáshoz a litosztratigráfiai egységek kapcsolatai és a radiometrikus adatok adhatnak támpontot. Kétségtelen tehát, hogy a geológiai id meghatározása, a földtörténeti folyamatok idbeli elhelyezése során, ma még számos megoldatlan kérdéssel kell szembesülnünk, és az években kifejezett koradatok hibahatára is jelentsen szkíthet.

A geológiai idmeghatározás módszereinek kidolgozása, rendszerének felépítése és az idskála megalkotása a földtudomány kiemelked teljesítménye, amely több mint kétszáz év kutatásainak, kutatók ezreinek eredményeire épül. A skála alapját egymáshoz kapcsolódó, de független elvi alapokon álló ismeretek hálózata képezi. Az ismeretek természetesen állandóan bvülnek, a skála egyes elemei módosulhatnak, a határok kora pontosabbá válik. Azt mondhatjuk tehát, hogy – legalábbis a földtörténet utolsó mintegy félmilliárd éves szakaszára nézve – már ma is jól használható, tudományosan sokoldalúan megalapozott idskálával rendelkezünk az élettelen természet és az élvilág változásainak idbeli elemzéséhez. Az idmeghatározás módszereinek és magának az idskálának a fejlesztése azonban ma is a földtudomány egyik legfontosabb feladata.


Kulcsszavak: geológiai idskála, radioaktív izotópos kormeghatározás, litosztratigráfia, biosztratigráfia, kronosztratigráfia, magnetosztratigráfia, ciklussztratigráfia, szekvenciasztratigráfia, kemosztratigráfia, geológiatörténet


Irodalom

Dodson, Martin H. (1973): Closure Temperature in Cooling Geochronological and Petrological Systems. Contributions to Mineralogy and Petrology. 40, 259–274.

Fülöp József – Császár G. – Haas J. – J. Edelényi E. (1975): A rétegtani osztályozás, nevezéktan és gyakorlati alkalmazásuk irányelvei. Magyar Rétegtani Bizottság, Budapest

Géczy Barnabás (1979): Az eltnt élet nyomában. Gondolat. Budapest

Gradstein, Felix M. – Agterberg F. P. – Ogg J. G.– Hardenbol J. – van Veen P.– Thierry J. – Huang Z. (1994): A Mezozoic Time Scale. Journal of Geophysical Research. 99, 24051–24074.

Hedberg, Hollis D. (1976): International Stratigraphic Guide. A Guide to Stratigraphic Classification, Terminology, and Procedure. John Wiley & sons, NY.

Koroknai Balázs – Horváth P.– Balogh K.– Dunkl I. (2001): Alpine Metamorphic Evolution and Cooling History of the Veporic Basement in Northern Hungary: New Petrological and Geochronological Constraints. International Journal of Earth Sciences. 90, 740–751.

Raymo, Maureen E. – Ruddiman, William F. (1992): Tectonic Forcing of Late Cenozoic Climate. Nature. 359, 117–122.

Spear, Frank S. (1993): Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. Mineralogical Society of America. Monograph, 799, Washington, D. C.

Salvador, Amos (1994): International Stratigraphic Guide. IUGS – Geological Society of America

Szabó József (1893): Eladások a geológia körébl. Természettudományi Társulat, Budapest



1. ábra • A dachsteini mészk üledékciklusai egy gerecsei kfejtben. Egy ciklus kb. 20 ezer év alatt keletkezett. Ez többszöröse annak, amit az emberiség írott történelme képvisel.

2. ábra • A litosztratigráfiai egységek kapcsolata. A rétegsorokban az idsebb egységek általában mélyebben, a fiatalabbak felettük helyezkednek el. Az egyidsek a kzettani jellegek fokozatos változásával oldalirányban átmennek egymásba, vagy összefogazódnak. A rétegsor lehet folyamatos vagy eróziós határral megszakított. A rétegsorba nyomuló magmás közettest fiatalabb, mint az amelybe benyomult.

3. ábra • A biozóna térbeli kiterjedését egyes meghatározott smaradványok konkrét elfordulása határozza meg. A kronózóna az az idtartam, amelyet ezen smaradványoknak els és utolsó megjelenése képvisel.

4. ábra • Devon korall. A kép jobb oldalán az egy év alatt keletkezett napi növekedési sávok láthatók.

5. ábra • Az Atlanti-óceán üledékébl származó egysejt állatok (Foraminiferák) mészvázának oxigénizotóp-összetétel változásai a kainozoikum idején (Raymo és Ruddiman, 1992 nyomán)

6. ábra • Metamorf kzetek ásványainak különböz izotóprendszerekre vonatkoztatott, ún. záródási hmérsékletei, Frank Spear (1993) nyomán

7. ábra • Egy gránit pluton lehléstörténete különböz ásványainak radioaktív izotóprendszerei alapján számított koradatok és az adott rendszerek záródási hmérsékletei alapján (Spear, 1993 nyomán, egyszersítve) • Szaggatott vonal: a pluton geotermikus modellezésével számított leülési görbéje, FT= „fission track” (atommaghasadvány-nyom) módszer.

8. ábra • A Vepori nagyszerkezeti egység déli részén feltárt metamorf összlet alpi lehléstörténete Koroknai Balázs és munkatársai (2001) nyomán • FT= „fission track” (atommaghasadvány-nyom) módszer.

9. ábra • A mezozoikum geológiai idskálája. Az ábra jobb oldalán lév görbe a rétegtani egységek években kifejezett korának hibatartományát mutatja.


<-- Vissza a 2008/11 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra


[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]