II.4. Magmás kőzetek és lemeztektonikai kapcsolatok

Az 1960-as évek második felétől egy új földtudományi szemlélet vált uralkodóvá, a lemeztektonika elmélete. Ennek a lényege az, hogy a Föld felszínét hét nagyobb és több kisebb kőzetlemez borítja, amelyek egymáshoz képest mozgásban vannak. Ez a modell jelenleg is fontos keretet szolgáltat ahhoz, hogy megértsük, mi történik a Földön, többek között, miért vannak vulkánkitörések, miért zajlik a mélyben magmás tevékenység, miért pattannak ki földrengések. Először azonban fontos definiálnunk azt, hogy mik is a kőzetlemezek, hol vannak ezeknek a mélybeli határai? Ezek nem egyenlők a földkéreggel, hanem a Föld külső merev kőzetegységeit jelentik. A kőzetlemez tehát litoszféra egység, ami a földkéreg kőzetein kívül magába foglalja a földköpeny legfelső mereven viselkedő részét is. A litoszféra lemezek távolodnak, közelednek egymáshoz képest, vagy néhány helyen egymás mellett elcsúsznak.

Miért mozognak ezek a kőzetlemezek? Ennek több oka lehet. Egyrészt mélybeli ok, mégpedig a litoszféra alatti földköpenyben zajló lassú áramlások, amelyeket a hőmérsékletkülönbségek hajtanak. Egy másik ok magában a kőzetlemezekben rejlik. Az óceánok alatti kőzetlemez sűrűsége nagyobb, mint a kontinentális kőzetlemezeké. Az óceánok alatti litoszféra vastagsága idővel egyre nő, aminek az oka az, hogy az alatta lévő asztenoszféra felső része hűl, és ezzel fokozatosan hozzákapcsolódik a merev kőzetegységhez (a litoszféra és asztenoszféra határát termálisan ott jelölik ki, ahol a hőmérséklet gyors mélységbeli növekedése megáll és egy viszonylag állandó értéket – kb. 1300-1400oC-ot vesz fel). Az asztenoszféra felső részének hűlésével ez a hőmérsékleti érték lefelé tolódik, azaz a litoszféra és az asztenoszféra határa mélyebbre kerül, a litoszféra vastagodik. Végül olyan vastag lesz az óceáni lemez (kb. 100 km), hogy sűrűsége meghaladja az alatta lévő asztenoszféra sűrűségét. Azaz az idős (kb. 150 millió éves) óceáni lemez már nem tud tovább „úszni” az asztenoszféra plasztikus anyagán, hanem a fizika törvényeinek megfelelően lesüllyed. Ez a folyamat természetszerűen az óceáni lemezek határán zajlik, vagyis a kőzetlemezek határán. Az óceáni lemez alábukását szakszóval szubdukciónak nevezzük.

A lesüllyedés vagy alábukás két fontos következménnyel jár. Egyrészt, húzóerejével elősegíti az óceáni hátságok mentén a kőzetlemezek távolodását. Egy további következménye az alábukásnak, hogy egy hideg kőzetanyag hatol le a földköpenybe és ezzel jelentős hőmérsékletkülönbséget idéz elő a mélyben. A hőmérsékletkiegyenlítődésre való fizikai törekvés, pedig anyagáramlást gerjeszt. Az alábukási övezeteket lefelé mutató anyagáramlás (a hideg, nehezebb anyag lesüllyed), míg az óceáni hátságok alatt anyag feláramlás (a forró, kisebb sűrűségű anyag felfele hatol) zajlik. A mélybeli és a felszíni folyamatok tehát szorosan összefüggnek és mozgatórugói a lemeztektonikai folyamatoknak.

E fejezetben nem vállalkozunk a lemeztektonika modelljének részletes ismertetésére, ezt számos szakkönyv megteszi. E fejezetben inkább egy rövid áttekintést adunk a legfontosabb lemeztektonikai környezetekről és azokhoz kapcsolódó jellemző magmás kőzetekről. Ezek a következők:

  1. Óceáni hátságok (távolodó óceáni kőzetlemezek határa)

  2. Szubdukciós környezetek (közeledő kőzetlemezek határa, az óceáni kőzetlemez alábukási zónája)

    1. Vulkáni szigetívek

    2. Aktív kontinentális peremterületek

    3. Kollíziós területek

    4. Ív-mögötti medencék

  3. Lemezen belüli területek

    1. Óceáni szigetek

    2. Kontinentális rift területek

    3. Nagy Magmás Provinciák

      1. Kontinentális magmás plató területek

      2. Óceáni magmás plató területek

II.32. ábra – A földet borító fontosabb kőzetlemezek.

II.4.1. Óceáni hátságok (távolodó óceáni kőzetlemezek határa)

Legfontosabb jellemzők:

  • kb. 1000-3000 méterrel emelkednek ki az óceáni aljzattól

  • teljes hosszúság: >60000 km

  • általában óceáni medencék közepén vannak (kivétel pl. Kelet-Pacifikus hátság)

  • az új óceáni kéreg születésének helye

  • A Földön jelenleg képződő vulkáni kőzetek legnagyobb tömegben itt találhatók

  • Évente kb. 21 km3 magma, 3 km3 vulkáni kőzet alakul ki

  • lemeztávolodás sebessége változó

    • gyorsan távolodó hátságok

      • > 4 cm/év, pl. Kelet-Pacifikus hátság

      • Központi hasadékvölgy nem alakul ki

      • Központi rift 50-200 m mély

      • 2,5-3 km széles, 500 m magas hát alakul ki

    • lassan távolodó hátságok

      • < 3 cm/év, pl. Közép-Atlanti hátság

      • Széles (25-35 km), 3,4-4,5 km mély központi völgy, magas és meredek falú hátságokkal határolva

      • Kontinensek felé lapos dőlésű abisszális síkság

      • Vulkanizmus a központi völgyben zajlik <500 m széles zónában

      • Kis izolált, <300 m magas vulkáni kúpok a hasadékvölgyben

II.33. ábra – Óceáni hátság és szubdukciós területek.

Jellemző magmás kőzetek:

  • Tholeiites bazalt (MORB=Mid-Ocean Ridge Basalt)

  • Gabbró

  • Wehrlit (kumulátum)

  • Plagiogránit (differenciátum)

Jellemző kémiai összetétel:

  • homogén főelem összetétel az óceáni hátságok mentén,

  • Si-telített bazalt,

  • alacsony K- és Ti-tartalom

Magmaképződés oka: asztenoszféra anyagának passzív felemelkedése a szétsodródó óceáni kőzetlemezek alatt, nyomáscsökkenéses részleges olvadás. Magmás tevékenység epizodikus, de földtörténeti időskálán mérve folyamatos.

Két jellemző óceáni hátságterület összahasonlítása:

  1. Gyorsan távolodó hátságok

    • Ofiolit példa: Semial (Oman)

    • Központi magmakamra hosszú életű, gyakoribb vulkáni működés

    • Szimmetrikus, lapos hátság, törésekkel kevéssé szabdalt, kis szélességű és kevéssé mély központi hasadékvölgy

    • Hosszú tektonikus és magmás szegmensek

    • Széles, kis szeizmikus sebességű zóna (olvadék+kristálypép) a hátság alatt

    • Többé-kevésbé differenciált bazaltok

    • Vastagabb óceáni kéreg – nagyobb magma produktivitás

    • Kiterjedt lávaleplek

  2. Lassan távolodó hátságok

  • Ofiolit példa: Troodos (Cyprus)

  • Központi magmakamra rövid életű, több részre tagolt, vulkáni működés ritkább

  • Gyakran aszimmetrikus, törésekkel szabdalt, egyenetlen felszínű hátság, mélyebben fekvő, széles hasadékvölgy

  • Rövid tektonikus és magmás szegmensek

  • Kis kiterjedésű kis szeizmikus sebességű zóna a hátság alatt, olvadéklencsék ritkák

  • Általában kevéssé differenciált bazaltok

  • Vékonyabb óceáni kéreg (kisebb magma produktivitás)

  • Gyakoribb párnaláva vulkánok

II.34. ábra – Óceáni hátság szárazföldön: Izland, Thingvellir: balra a meredek sziklafal az Észa-Amerikai kőzetlemez keleti határát jelenti, a képen jobbra a távolban kezdődik az Eurázsiai-lemez, a kettő között pedig a széles hasadékvölgy terül el. (Fotó: Karátson Dávid).

II.35. ábra – Párnaláva, az óceáni hátságok jellemző vulkáni kőzetmegjelenése az izandi Reykjanes-félszigeten. (Fotó: Harangi Szabolcs).

II.4.2. Szubdukciós környezetek (közeledő kőzetlemezek határa, az óceáni kőzetlemez alábukási zónája)

Legfontosabb jellemzők:

  • Jellegzetes magmás kőzetsorozatok

  • Különböző metamorf kőzetek

  • Orogenezis, hegyláncok

  • Elsődleges vulkáni ívek: Jellemzően 100-120 km-rel az alábukó kőzetlemez felett.

  • Másodlagos vulkáni ívek: Jellemzően 180-200 km-rel az alábukó kőzetlemez felett.

  • Évente kb. 8,6 km3 magma, 0,6 km3 vulkáni kőzet alakul ki

  • Két típus:

  1. Vulkáni szigetívek

    • Óceáni kőzetlemez bukik óceáni kőzetlemez alá

    • Jellemző vulkáni kőzetek: bazaltos andezit és andezit; tholeiites bazaltok: fiatal szubdukciós övekben; másodlagos vulkáni ív: shoshonitok

  2. Aktív kontinentális peremterületek

    • Óceáni kőzetlemez bukik kontinentális kőzetlemez alá

    • Jellemző vulkáni kőzetek: andezit, dácit, riolit; jellemző granitoid magmatizmus.

    • Vastag Si-gazdag kéreg ⇨ nagyobb esély a kéreg-kontaminációra

    • A vastag kontinentális kéreg (>40 km) nagyobb eséllyel akadályozza meg a köpeny-eredetű magma felnyomulását; alacsonyabb olvadáspontú kőzetanyagok ⇨ kéreganatexis lehetősége nagyobb

    • Erőteljesebb magmás differenciáció

    • Nagyobb mennyiségű intrúzív kőzettestek (granitoidok)

II.36. ábra – Vulkáni szigetívet létrehozó kőzetalábukási öv (szubdukciós zóna) keresztszelvénye a Mariana-ív példáján.

Ív-mögötti medencék:

  • N-MORB jellegű kőzetek, de kezdetben nagyobb fluid-mobilis nyomelem koncentrációval

  • Boninit – nagy MgO-tartalmú andezitek

(olivin+klinopiroxén+ortopiroxén porfíros kőzetek. Általában nincs földpát!)

  • Alkáli bazaltok (főleg kontinentális ív-mögötti medencékben)

  • Ofiolit sorozatok többnyire óceáni ív-mögötti medencékből származnak!

Kollíziós zónák:

  • Vastag kontinentális földkéreg (<40 km)

  • Granitoid magmatizmus, helyenként káli-ultrakáli magmatizmus

II.4.3. Lemezen belüli területek

Fő típusok:

  1. Óceáni szigetek

  2. Kontinentális rift területek

  3. Nagy Magmás Provinciák

    1. Kontinentális magmás plató területek

    2. Óceáni magmás plató területek

Óceáni szigetek:

  • Seamountok + szigetek

  • Leggyakoribbak a Csendes-óceán medencéjében

  • A tengertalapzattól sokszor >10000 méter magasságba emelkednek

  • Gyakran alkotnak szigetláncokat

  • J.T. Wilson (1963): stabil magmaforrás + mozgó óceáni lemez = forró-folt

  • W.J. Morgan (1971): köpenycsóva elmélet

  • Óceáni szigetek – forró folt területek

  • Óceáni láncok – lemezmozgás eredménye

  • Évente kb. 2,5 km3 magma, 0,5 km3 vulkáni kőzet alakul ki

II.37. ábra – Lemezenbelüli áceáni szigetláncok és szigetek.

Forró-folt területek kritériumai Courtillot és munkatársai szerint:

  1. Lineáris vulkáni lánc

  2. Plató bazalt terület a vulkáni lánc kiindulási pontjánál

  3. Nagy felhajtóerő (topográfiai kiemelkedés)

  4. Magas 3He/4He izotóparány

  5. Anomálisan alacsony rengéshullám sebesség (vs) a földköpenyben

Magmás kőzetek:

Két fő magmás sorozat

  • Tholeiites sorozat (gyakoribb típus)

Pl. Hawaii

Hasonló a MORB-hoz, de nagyobb Ti-tartalom

  • Alkáli sorozat (alkáli bazalt, bazanit)

Pl. St. Helena, Tristan da Cunha

Két differenciációs trend:

  • Si-telítetlen ⇨ trachit, fonolit szélsőtag (gyakoribb – pl. Szt. Ilona, Gough, Tristan da Cunha, Tenerife)

  • Si-telítetett ⇨ riolit (komendit, pantellerit) szélsőtag (pl. Azori-szigetek, Ascension)

II.38. ábra – A forró-folt területek alatti termális köpenycsóva („plume”) kialakulása.

Kontinentális rift területek:

Jellemző vulkáni kőzetek:

  • Si-telítetlen magmák

bazanitok, alkáli bazaltok, nefelinitek, karbonatitok

differenciált kőzettípusok: fonolit

pl. Kelet-Afrikai hasadékvölgy

  • Si-telítetett magmák

alkáli bazaltok, olivin-tholeiitek

differenciált kőzettípusok: trachit, benmoreit, riolit

pl. Afar (Etiópia)

  • Karbonatit

Ritka magmás kőzettípus, ami több mint 50%-ban karbonát ásványból (kalcit, dolomit, magnezit, Na-karbonát) áll. Emellett Na-gazdag piroxént és amfibolt tartalmaz, további járulékos elegyrészei: apatit, flogopit, magnetit, fluorit, perovszkit, monacit, piroklor, barit

  • Lamprofírok

Kis térfogatú, többnyire teléres kifejlődésű magmás kőzetek, amelyek lényeges elegyrészei az amfibol és biotit. Emellett több-kevesebb klinopiroxént és olivint tartalmaz. Földpátok mennyisége alárendelt.

  • Ultrakáli magmás kőzetek

  • Kimberlitek

Ultrabázisos magmás kőzet, aminek lényeges elegyrészei az olivin, flogopit, klinopiroxén és pirop. Gyakran tartalmaz gyémántot.

Típusai:

I-típus: flogopit-szegény, asztenoszféra (>200 km mélységből!) eredetű magma

II-típus: flogopit-gazdag, vastag (ca. 200 km) kontinentális litoszféra alsó részéből származó magma

II.39. ábra – A Kelet-Afrikai hasadékvölgy területe az aktív vulkánokkal.

Nagy Magmás Provinciák:

  • A Föld mintegy 4,5 milliárd éves története során többször zajlottak hatalmas méretű lávaöntő vulkáni kitörések, amelyeket egyes kutatók összefüggésbe hoznak a tömeges kihalásokkal, így például a dinoszauruszok eltűnésével is.

  • Egyes lávafolyások térfogata meghaladta a 2000 km3-t is (összehasonlításul, a Hawaii szigetén 1983 óta folyamatosan felszínre ömlő láva mennyisége alig több, mint 1,5 km3!), összvastagságuk pedig esetenként több ezer méter!

  • Ezek a nagy kiterjedésű lávaterületek nemcsak a kontinenseken fordulnak elő, hanem óceáni területeken is, ahol hatalmas platókat alkotnak.

II.40. ábra – Nagy Magmás Provinciák, példák: 1. Columbia (16 millió év, 164000 km2); 2. Szibéria (249 millió év, 1500000 km2); 3. Karoo (183 millió év, 140000 km2); 4. Parana-Etendeka (132 millió év, 2000000 km2); 5. Észak-atlanti magmás terület (57 millió év, 1300000 km2); 6. Dekkán (66 millió év, 600000 km2); 7. Etiópia (31 millió év, 2000000 km2)

Jellemző vulkáni kőzetek:

  • Tholeiites bazalt

  • Pikrit

  • Riolitok