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
- 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.
- PGAA különösen alkalmas teljes kőzetminták bórkoncentráció mérésére. Ellentétben más geoanalitikai módszerekkel, a mintaelőkészítés során fellépő szennyezés esélye kisebb, mivel szinte nincs szükség mintaelőkészítésre.
- 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.
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
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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,
- 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.
- Gméling Katalin, Harangi Szabolcs, Kasztovszky Zsolt (2005, március 4): Mit üzen a bór a vulkáni hegyek keletkezéséről? – Élet és Tudomány LX, 9, 266-268.
- 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.
- 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.