 |
Water in the fire: What can we learn from the geochemistry and water content of volcanic rocks and their phenocryts ?
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
119740 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Kovács, István János |
| Title in Hungarian |
Víz a tűzben: miről árulkodik a vulkáni kőzetek és azok fenokristályainak víztartalma és geokémiája? |
| Title in English |
Water in the fire: What can we learn from the geochemistry and water content of volcanic rocks and their phenocryts ? |
| Keywords in Hungarian |
víz, infravörös spektrometria, geokémia, hidrogénizotópok, Kárpát-Pannon régió, szubdukció, vulkanizmus, geodinamika, miocén |
| Keywords in English |
water, infrared spectrometry, geochemistry, hydrogen isotopes, Carpathian-Pannonian region, subduction, volcanism, geodynamics, Miocene |
| Discipline |
| Mineralogy, Petrology (Council of Complex Environmental Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Mineralogy | | Geology, Tectonics, Vulcanology (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Petrology |
|
| Panel |
Earth sciences 1 |
| Department or equivalent |
Geokémiai és Laboratóriumi Főosztály (Geological and Geophysical Institute of Hungary) |
| Participants |
Bertalan, Éva
Besnyi, Anikó
Biró, Tamás
Falus, György
Karátson, Dávid
Király, Edit
Szabó, Csaba
Török, Kálmán
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2017-06-30 |
| Funding (in million HUF) |
1.089 |
| FTE (full time equivalent) |
0.70 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás fő célja a Kárpát-Pannon régió (KPR) miocén és annál fiatalabb mészalkáli vulkáni kőzeteiben található fenokristályok víztartalmának és hidrogénizotóp-összetételének meghatározása. Az előbbihez főként a pályázat résztvevői közreműködésével kifejlesztett és a már gyakorlatban is alkalmazott nem-poláros mennyiségi infravörös spektroszkópiai módszertant alkalmazzuk. Ezen eredmények birtokában ideális esetben következtetni lehet a befogadó kőzet víztartalmára irodalmi megoszlási együtthatók segítségével. A víz köztudomásúan jelentősen befolyásolja a kőzetolvadék sűrűségét, viszkozitását, és ezen keresztül a vulkanizmus jellegét is. Ennek ellenére ilyen jellegű vizsgálatok – amit a nemzetközi szakirodalomban a közelmúltban „divatossá” vált névlegesen vízmentes fenokristályok felhasználásával végeznek a kőzetolvadékok víztartalmának meghatározására – a KPR-ban még nem történtek. Mivel a vizsgálni kívánt ásványokban a víz (hidrogén) diffúziója a kitörést megelőző hőmérsékleteken igen gyors, valamint a fenokristályok általában viszonylag kisméretűek, ezért feltételezhető, hogy a víztartalom a kitörést megelőző állapotot reprezentálja. Így vizsgálhatóvá válhat a víztartalom vulkáni működésre gyakorolt hatása is. Elemezzük továbbá a befogadó kőzet és a fenokristályok fő- és nyomelem és hirogénizotóp összetételét is, és ezen adatok felhasználásával következtethetünk arra, hogy mely fenokristályok lehetnek egyensúlyban a befogadó kőzettel, illetve melyek azok, amelyek víztartalma a kitörés és az azt követő folyamatok során módosult (kigázosodás, oxidáció vagy lassú lehűlés). Az egyensúly vizsgálatára vonatkozóan magas nyomású és hőmérsékletű kísérleteket is végezni fogunk.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kőzetolvadékok nagyobb víztartalma gyakran vezethet erősebb kigázosodáshoz, amely jelentősen megnövelheti a kitörés robbanásos jellegének esélyét. Amennyiben az olvadékban oldott víz mennyisége kisebb, az általában a vulkanizmus kiömléses jellegének kedvez. Természetesen a kitörés jellegét – egyéb tényezők mellett – a geokémiai összetétel és a P–T viszonyok is befolyásolják. A tanulmányozott fenokristályok és befogadó kőzetük komplex kőzettani és geokémiai vizsgálata, valamint a vulkanizmus fizikai jellemzőinek ismerete lehetőséget teremt, hogy a víztartalom hatását vizsgálni tudjuk a kitörés jellegére nézve a magma geokémiája és a fenokristályok kristályosodási körülményei függvényében. Ezzel pedig meghatározhatjuk, hogy hogyan változik a kitörés jellege a víztartalommal. Előfordulhat azonban, hogy a fenokristályok nincsenek egyensúlyban a befogadó kőzettel, mert a kitörés során és azt követően megváltozott azok víztartalma. E késői hatások megmutatkozhatnak pl. a víztartalom esetében diffúziós profilok kialakulásában. Ezek a profilok információt adhatnak a folyamat idő- és hőmérséklet-viszonyairól. A vizsgálatokba a Nyugati Szegmens (Visegrád – Tokaj és Közép-Szlovák vulkáni terület) és a Keleti Szegmens (KS röviden, Gutin–Hargita) vulkáni kőzeteit vonjuk be. Míg az előző kialakulásában a miocén extenzió és egy átöröklött, idővel egyre gyengülő szubdukciós jelleg a meghatározó, addig az utóbbi létrejöttéért egy nem sokkal a vulkanizmus előtti szubdukció, és azt követő lemez-leszakadás lehet felelős. A hipotézisünk az, hogy a KS esetében magasabb víztartalmat, erősebb szubdukciós geokémiai jelleget és deutériumban gazdagabb hidrogénizotóp-összetételt kellene kapnunk.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Újszerűnek számít a megközelítés, miszerint a magmás kőzetek víztartalmát a névlegesen vízmentes fenokristályok (pl. klinopiroxén és földpát) víztartalma alapján határozzák meg irodalmi megoszlási együtthatók felhasználásával. A tanulmányok többsége a fenokristályok elemzésére mikro-FTIR-t használ, azonban a jelenleg általános protokoll megkívánja a szemcsék kristálytani orientálását, amely nehézkesebbé teszi a fenokristályok nagyobb mennyiségben történő feldolgozását, és ezen keresztül az esetleges szemcsék közötti inhomogenitások kimutatását. A pályázat résztvevői által az elmúlt években kidolgozott mikro-FTIR módszertan lehetővé teszi, hogy kristályok orientálatlan metszetein nem poláros infravörös sugárzással kielégítő pontossággal határozhatjuk meg a víztartalmat. Ezen túlmenően a mért abszorbancia értékek eloszlása egyidejűleg tájékoztat az esetleges szemcsék közti inhomogenitásról is. A módszer alkalmazásával reményeink szerint lehetőség nyílik több száz fenokristály víztartalmának meghatározására. Az eddigi munkákhoz képest elvégezzük számos fenokristály hidrogénizotóp-összetételének meghatározását is, ami segíthet a kristályosodási folyamat és akár a forrásrégió geokémiai viszonyainak megismerésében.
A nagyszámú mintán elvégzett víztartalom-meghatározások alapján – az esetlegesen a kitörés során vagy az azt követően módosult víztartalmak kiszűrését követően – lehetőség nyílhat rá, hogy a kitörés jellege és a kőzetolvadék víztartalma között a befogadó kőzet geokémiájának, illetve a kristályosodás hőmérsékletének és nyomásának figyelembe vételével összefüggést mutassunk ki. Ezek az eredmények akár hozzájárulhatnak a kitörés jellegének megbízhatóbb előrejelzéséhez is.
A tervezett kutatások újat hozhatnak az alkalmazott mikro-FTIR módszertan és a hidrogénizotóp-összetétel meghatározások vonatkozásában az eddigi nemzetközi publikációk megközelítéséhez képest is (pl. Weis et al. 2015; Hamada et al., 2013; Lang et al. 2015).
A hazai szakirodalom, amely eddig elsősorban az említett vulkáni kőzetek és fenokristályaik fő-, nyomelem és stabilizotóp-összetételek vizsgálatán keresztül érzelmezte a vulkanológiai folyamatokat (pl. Harangi et al., 2001; 2007; 2015), most kiegészülhet a víztartalom elemzésével is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A víznek óriási szerepe van a vulkanizmus kialakulásában és jellegének meghatározásában. A víz rendszerint a kőzetlemezek alábukásával kerül le a Föld belsejébe, ahol olvadást okoz, amely az alábukási övvel általában párhuzamosan szigetív (pl. Japán), vagy kontinentális ív (pl. Andok) menti vulkanizmust hoz létre. Azt, hogy a kőzetolvadék heves robbanásos, vagy lényegesen békésebb kiömléses vulkanizmus során kerül-e a felszínre, nagyban meghatározza az olvadék víztartalma. Amennyiben az olvadék víztartalma magas, az könnyen a kőzetolvadék intenzív kigázosodásához és robbanásos vulkanizmushoz vezethet. Éppen ezért nagyon fontos, hogy megértsük, hogy a kőzetolvadék kémiai összetételének, a hőmérsékletének és a nyomásnak függvényében az adott víztartalom milyen vulkáni működést eredményez. Ez segíthet a jelenleg működő vulkánok viselkedésének előrejelzésében is. Vizsgálataink során a Kárpát-Pannon régió vulkáni kőzeteit és az azokból kristályosodott ásványokat használjuk fel. A víztartalom meghatározásához jelentős részben hazai kutatók által fejlesztett és nemzetközileg is széles körben alkalmazott infravörös spektrometriai mérési módszert használunk. Ehhez a Visegrádi-hegységtől a Tokaji-hegységig nyúló vulkáni vonulatszakasz, valamint Felvidéken az un. Közép-Szlovákiai vulkáni terület kőzeteit tanulmányozzuk, amelyek feltehetőleg egy régebbi lemezalábukás által érintett területen találhatók, és amelyek létrejöttét feltehetőleg a Pannon-medence kialakulása és az azzal járó kéreg-elvékonyodás okozta. A másik terület, ahonnan kőzeteket vizsgálunk, a Keleti-Kárpátok belső vulkáni vonulata, amely a hegységövvel párhuzamos fiatal lemezalábukás eredményeképpen jött létre.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of this proposal is to determine the water content and hydrogen isotopic composition of phenocrysts in Miocene and younger calc-alkaline igneous rocks of the Carpathian-Pannonian region (CPR). To measure the water content a non-polarized infrared methodology developed and applied successfully by the participants of the present proposal will be utilized. Ideally, with these results in hand it could be possible to estimate the water content of the host magmas with the application of partition coefficients from the literature. The water is known to influence largely the density and viscosity of silicate melts, which, in turn could have an impact also on the nature of volcanic eruptions. Such investigations, based on this recent and ‘trendy’ methodology with the involvement of volcanic phenocrysts for the assessment of the host magmas’ water content, have not yet been applied in the CPR. Since the hydrogen diffusion in the target phenocrysts is fast at magmatic temperatures and these crystals are usually relatively small it is reasonable to assume that that their water content may represent conditions immediately prior to eruptions. Major and trace element and hydrogen isotope composition of phenocrysts as well as their host rock will be constrained which will facilitate assessing whether the phenocrysts are in equilibrium with their host rock. In addition phenocrysts of which water content was modified during or after eruption may be also identified (i.e. degassing, oxidation or slow cooling). To investigate the existence of equilibrium high pressure and temperature experiments are also planned.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The higher water content of silicate melts could lead to more intense degassing which may enhance significantly the explosive nature of eruptions. If the water content is lower it usually favours effusive eruptions. The nature of volcanic eruptions is determined mainly by the geochemistry and P-T conditions of the evolving magma. The detailed investigation of the host rocks and their phenocrysts and knowledge on the physical volcanology of eruptions enables us to study the effect of water content on the style of eruptions in the light of the host magma’s geochemistry and crystallization conditions of the phenocrysts. This may reveal how the style of eruptions changes with these variables. It may well be, however, that these phenocrysts are not in equilibrium with the host magma as their water content may have changed during or after the eruption. These relatively late processes can be manifested as the presence of diffusion profiles in the ‘water content’. These profiles may inform us about the temperature and duration of these late stage modifications. Our study will include igneous rocks from the Western Segment (Visegrád-Tokaj chain including the Central Slovakian Volcanic Field) and the Eastern Segment (ES for short, Gutin-Hargita range). While the genesis of the former was triggered by the extension and an inherited and gradually weakening subduction signature the later was due to a subduction shortly before the volcanic activity and its slab break-off. We assume that the presumably stronger subduction signature in the ES will be manifested in the higher water contents and deuterium enriched hydrogen isotopic composition of igneous rocks there.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
It is a relatively novel approach that the water content of igneous rocks are estimated based on the water content of their nominally anhydrous phenocrysts (clinopyroxene and feldspar) using published partition coefficients. The majority of these studies apply polarised micro-FTIR, but the present protocol usually requires the crystallographic orientation of phenocrysts which makes the analysis of a large number of grains rather demanding and possible inter-grain inhomogeneities may remain unnoticed. The relatively novel methodology developed with the involvement of the participants of the present proposal could provide satisfactory accuracy and the distribution of measured absorbances bears information also on potential inter-grain inhomogenities. We do hope that the unpolarised methodology makes possible the analysis of a larger population of phenocrysts (~100). The hydrogen isotope composition of numerous phenocrysts will be also measured in addition to the water content, which may facilitate to get a deeper insight into the crystallization process and the geochemical properties of the source region. This vast body of knowledge on the water content and hydrogen isotopic composition of phenocrysts –if those affected by syn- or post-eruptive modifications are disregarded - could potentially contribute to understand better the effect of water on the style of eruptions considering the geochemistry of the host magma and the P-T conditions of crystallization. These results could improve forecasts on the nature of future eruptions.
The proposed research contains novel elements with respect to recent studies (e.g. Weis et al. 2015; Hamada et al., 2013; Lang et al. 2015) such as the application of the unpolarised infrared methodology and the involvement of hydrogen isotope measurements.
The domestic literature (e.g. Harangi et al., 2001; 2007; 2015) which studied the volcanological processes mainly through the major and trace element and stable isotope composition of igneous rocks and their phenocrysts now could take the effect of water into account as well.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The water plays a substantial role in the generation of volcanism and the determination of its nature. The water is usually transferred into the Earth’s interior at the subduction of (oceanic) plates, along which it generates melting. This melting is manifested in island arcs (e.g. Japan) or continental arcs (e.g Andes) parallel to subduction zones. Whether the magma reaches the surface during explosive or effusive eruptions is substantially influenced by the water content of the crystallizing magma. The higher water content could lead to intensive degassing and more explosive volcanism. That is why it is of primary importance to understand how water may affect the nature of eruptions as a function of geochemistry, temperature and pressure of the host magma. This may help us to better predict the behaviour of present volcanoes. The volcanic rocks and their crystals from the Carpathian-Pannonian region will be studied. The presumably pre-eruptive water content of these volcanic rocks will be determined by a novel quantitative infrared methodology developed mainly by domestic experts of this proposal. To achieve this on one hand volcanic rocks of the Visegrad-Tokaj range and the Central Slovakian Volcanic Field will be studied. These rocks were generated along an old subduction zone which was reactivated during the formation of the Pannonian Basin which was accompanied by significant crustal thinning. On the other hand, igneous rocks from the volcanic chain along the Eastern Carpathians will be also studied which were generated due to the subduction parallel to this mountain chain.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
