A PGAA geológiai alkalmazásai


2002 óta számos geológiai kőzetminta, főként vulkáni, metamorf és néhány üledékes kőzet mérését végeztük el a Budapesti Kutató Reaktorhoz kapcsolódó prompt-gamma aktivációs analitikai berendezésen. A geológiai alkalmazás nemzetközi standardok mérésével kezdődött, amely során ennek a viszonylag új módszernek a pontosságát, megbízhatóságát, és lehetőségeit teszteltük.

A GSJ (Geological Standards of Japan) standardok mérési eredményei bizonyítékul szolgálnak a teljes kőzetek PGAA mérési eredményeinek megbízhatóságára. Nyomelemek közül legfőképpen a B, Cl és H koncentráció (valamint néhány más nyomelem: Sc, Co, Ni, Nd, Sm és Gd) mérése során a módszer nagy pontosságról tanúskodik és egyedi lehetőségeket rejt magában. Különböző módszereket alkalmazó (XRF, ICP-MS, ICP-AES, TIMS, SIMS stb.) laboratóriumok közötti összemérést is végeztünk geológiai mintákon.

PGAA segítségével teljes kőzetekben az összes főelem és néhány nyomelem koncentrációját tudjuk mérni: B, Sm, Gd, Nd, Cl, H. Más, a mintában sokszor nyomnyi mennyiségben jelenlevő elemek (pl. l a S, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Cd, Eu, Dy, Er) is mérhetők, amennyiben mennyiségük meghaladja a PGAA kimutatási határát. Néhány nyomelem, mint például a Li, Be, N, F és O a geológiai mintákban, a módszer kis érzékenysége miatt kvantitatíve nem mérhető.

A PGAA tulajdonságai és előnye teljes kőzetek összetétel vizsgálatakor

  1. A mintaelőkészítés nagyon egyszerű, bizonyos esetekben a minta előkészítés nélkül is mérhető. Heterogén minták esetén ajánlott a porítás (a szemcseméret lényegtelen, egyaránt lehet finom vagy durva). A legtöbb geológiai minta heterogén összetételű. Mivel a neutronok áthatolnak a teljes anyagon, így a mérés során a teljes besugárzott térfogat átlagösszetételét kapjuk meg (a neutronnyaláb maximális mérete a PGAA mérőhelyen 2cm x 2 cm). Például egy bazalt minta közepében lehetséges, hogy egy nagy olivin szemcse van, amit kívülről nem látunk, de a besugárzott minta térfogatába esik, így az átlagösszetételt az olivin kémiája meghamisítja (magasabb lesz a valósnál a Mg és/vagy Fe koncentráció az átlagos kőzetösszetételhez képest). Ilyen esetekben nem árt a mintát porítani és homogenizálni a mérés előtt.
  2. PGAA különösen alkalmas teljes kőzetminták bórkoncentráció mérésére. Ellentétben más geoanalitikai módszerekkel, a mintaelőkészítés során fellépő szennyezés esélye kisebb, mivel szinte nincs szükség mintaelőkészítésre.
  3. PGAA a H koncentrációjának mérésére szintén alkalmas módszer. Sztöchiometriai számításokkal határozzuk meg a H koncentrációból a minta H2O tartalmát.

A mérés folyamata

A porított mintákat a légszáraz állapot elérése érdekében általában 105 °C-on 8 órára szárítószekrénybe tesszük (így eltávozik az úgynevezett H2O-), majd a mintákból 1-3 g-ot, egy 2x3 cm-es méretű teflonzacskóba csomagolunk (FEP). A mérés átlagosan 30-90 percet vesz igénybe.

A főelem oxid eredmények relatív hibája átlagosan 1,5 és 3% közé esik, kivéve a MnO és MgO esetében, ahol elérheti a 4,5%, de akár a 10%-ot is a koncentrációtól függően. A hiba függ az elemek módszerre vonatkoztatott érzékenységétől, abszolút koncentrációjától a mintában és a mérési körülményektől. A mért B-koncentráció adatok pontossága jó, általában 1% alatti. 

Bórkoncentráció mérésének geokémiai szerepe a vulkáni és metamorf kőzetekben

A bór, hasonlóan más inkompatibilis és fluidmobilis nyomelemekhez (pl.: Li, Be) érzékenyen jelzi az alábukási ív menti vulkáni zónákban az alábukó lemezekből származó fluidumok hozzáadódását a földköpeny anyagához. A B és a Cl mennyisége az alábukó lemezben a mélységgel (növekvő nyomás és hőmérséklet hatására) csökken. Az alábukási zónával párhuzamosan kialakuló vulkáni ívek kőzeteinek B-tartalma átlagosan 1-35 µg/g között van. A vulkanitok B-koncentrációja a vulkáni ív mögötti medence irányába csökken, közelíti az OIB (óceáni sziget bazalt; B 0,6-2 µg/g), vagy MORB (óceánközépi hátság bazalt; B 1-20 μg/g) értékeket. A lemezen belüli lávák B-koncentrációja az ív vulkáni képződményekhez képest viszonylag kicsi. A földköpeny eredetű bazaltos kőzetek B-tartalma szintén alacsony (a földköpenyben a B-koncentrációja átlagosan 0,1 μg/g). Mivel a B-koncentráció a földköpenyben elhanyagolható mennyiségű (általában <0,3 μg/g), a lemezen belüli vulkáni kőzetek magasabb B-tartalma szubdukciós nyomokra, illetve réteg és talajvizek hatására is utalhat.

Mivel az abszolút nyomelem koncentráció a magmafejlődés különböző szintjeit jelzi, így előnyösebb ha a bórt valamilyen másik, hasonlóan inkompatibilis, de nem fluid mobilis elemhez viszonyítjuk (mint pl.: La, Ce, Nb, Sm, Gd, Yb, Zr). Normál frakcionációs kristályosodás során a B más inkompatibilis elemekhez képest nem mutat jelentős változást, viszont a nem fluid-mobilis elemekhez viszonyítva a fluidumban való gazdagodásra utal.

Geológiai kutatások a Budapesti Kutatóreaktorhoz kapcsolódó PGAA berendezésen

  • Fő- és nyomelem koncentrációk, de főként a B-koncentráció meghatározása a Kárpát-Pannon térség területéről származó miocén-pliocén vulkáni kőzetekben.  
A Kárpátok ívét követő miocén mészalkáli vulkáni kőzetsorozatok geokémiája az alábukási zónákra többé-kevésbé jellemző összetételt mutat. A bór igen érzékenyen jelzi az alábukási zónában a köpenyékbe távozó fluidumokat, amelyek az alábukó lemezből és a rajta található üledékekből származnak. Az ív mentén található vulkanitok B-koncentrációjának mérésével információt nyerhetünk a különböző területeken, az eltérő mértékű fluidum hozzáadásról.  
A nyugati-kárpáti vulkáni területen nem tapasztaltuk a B-koncentráció egyértelmű változását a szubdukciós fronttól az ív mögötti medence irányába. A legfiatalabb alkáli jelleget mutató vulkáni kőzetek B-tartalma a legkisebb. A vulkáni ív központi területén (Tokaji-hg.) a B-koncentráció a szubdukció irányába csökken. A kelet-kárpáti vulkáni területen, a B-koncentráció nő az alábukás frontjával párhuzamosan déli irányba, ahogy a vulkanitok fiatalodnak és egyre közelebb kerülnek a szubdukciós fronthoz. Érdekes jelenség a kelet-kárpáti vulkáni terület déli részén, hogy a mély tektonikus vonaltól délre a B-koncentráció újra lecsökken, összhangban van a mélyszerkezeti viszonyokkal, ami valószínű kihatással van a magmaképződés körülményeire.
  • Fiatalabb, pliocén alkáli vulkáni képződményeket is vizsgáltunk a Pannon-medence középső vidékéről, a Balaton-felvidékről. A maar vulkáni kőzeteket összehasonlítottuk más vidékek (pl. Mexikó, Új-Zéland, Tenerife) maar vulkanitjaival. Ezeknek a kőzeteknek az átlagos B-koncentrációja kicsi, mivel forrásrégiójuk nem vagy csak kis mértékben kontaminálódott szubdukciós eredetű fluidumokkal.
  • Litoszféra köpeny és alsókéreg xenolitokat szintén mértünk PGAA-val. Ezeknek a kőzeteknek a B-koncentrációja kicsi, átlagosan <1 μg/g. A kis B-tartalmú teljes kőzetek mérésénél érzékelhető leginkább a PGAA előnye, mivel egészen kis B-koncentráció mérésére is képes (0,01 μg/g) mintaelőkészítés nélkül.
  • Számos európai ország kutatói alkalmazták már a budapesti PGAA-t geokémiai vizsgálataik során. Így mértünk már nagy nyomású és hőmérsékletű metamorfitokat Syros-szigetéről (Görögország); szilíciumban gazdag vulkáni képződményeket Dél-Lengyelországból; Fekete-tengeri üledékeket, szerpentiniteket mélytengeri fúrásokból; ofioltiokat Görögországból; szerpentiniteket és kalcitokat az Alpokból, valamint szieniteket és foyalitokat Grönlandról.

Irodalomjegyzék

  1. Németh, K., Pécskay, Z., Martin, U., Gméling, K., Molnár, F., Cronin, S. (2008): Hyaloclastites, peperites and soft-sediment deformation textures of a shallow subaqueous Miocene rhyolitic dome-cryptodome complex, Pálháza, Hungary. In: Structure and Emplacement of High-Level Magmatic Systems (eds) Thomson, K. & Petford, N. Journal of Geological Society, London, Special Publications, 302, 61–83. Gméling, K., Harangi, Sz., Kasztovszky, Zs. (2007): A bór geokémiai szerepe szubdukciós zónákban (A bór geokémiai változékonysága a Kárpát-Pannon térségben). Földtani Közlöny 137/4. 557-580.
  2. Harangi, Sz., Downes, H., Thirlwall, M., Gméling, K. (2007): Geochemistry, Petrogenesis and Geodynamic Relationships of Miocene Calc-alkaline Volcanic Rocks in the Western Carpathian Arc, Eastern Central Europe. Journal of Petrology, 48, 12, 2261-2287. doi:10.1093/petrology/egm059
  3. Gméling, K., Kasztovszky, Zs., Harangi, Sz., Szentmiklósi, L. és Révay, Zs. (2007): Geological use of prompt gamma activation analysis: importance of the boron concentration in volcanic rocks. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 271, No.2, 397–403.
  4. Szentmiklósi, L., Gméling, K. és Révay, Zs. (2007): Fitting the boron peak and resolving interferences in the 460-490 keV region of PGAA spectra. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 271, No.2, 439–445.
  5. Gméling, K; Németh, K; Martin, U; Eby, N; Varga, Zs. (2007): Boron concentrations of volcanic fields in different geotectonic settings. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 159, 70–84.
  6. Marschall, H.R., Altherr, R., Ludwig, T., Kalt, A., Gméling, K., Kasztovszky, Zs. (2006): Partitioning and budget of Li, Be and B in high-pressure metamorphic rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 70, 4750–4769.
  7. Panczky, M; Gméling, K; Kasztovszky, Zs. (2005): Prompt Gamma Activation Ananlysis (PGAA) of the Lower Permian rhyolitic rocks from the North Sudetic Basin. Polskie Towarzysstwo Mineralogiczne – Prace Specjalne Mineralogical Soc. Poland – Spec. Papers 26,
  8. Gméling, K; Pécskay, Z. (2005): Boron content of Miocene calc-alkaline volcanic core samples from the Trans-Tisza Region (Hungary). Mineralia Slovaca 3,3 37, ISSN 0369-2086, 363-366.
  9. Gméling Katalin, Harangi Szabolcs, Kasztovszky Zsolt (2005, március 4): Mit üzen a bór a vulkáni hegyek keletkezéséről? – Élet és Tudomány LX, 9, 266-268.
  10. Gméling, K.; Harangi, Sz.; Kasztovszky, Zs. (2005): Boron and chlorine concentration of volcanic rocks: an application of prompt gamma activation analysis - Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 265, No. 2; 201–212.
  11. Marschall, H. R.; Kasztovszky, Zs.; Gméling, K.; Altherr, R. (2005): Chemical analysis of high-pressure metamorphic rocks by PGNAA – comparison with results from XRF and solution ICP–MS - Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 265, No. 2; 339-348.

Kapcsolattartó

A geológiai kutatásokkal kapcsolatos bővebb információkért forduljon Gméling Katalinhoz.