Cím:

Cseppkövek és klíma kutatás: nanoméretektől a kontinentális léptékig

 
Demény Attila
az MTA rendes tagja, MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Földtani és Geokémiai Intézet
demeny@geochem.hu
 

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Kulcsszavak: cseppkő, barlangi monitoring, barlangi karbonátkiválás, U-Th-sorozatos kormeghatározás, radiokarbon kormeghatározás, stabilizotóp-geokémia, nyomelem-geokémia, paleo­klíma, holocén, utolsó interglaciális
 
DOI: 10.1556/2065.178.2017.10.8
 
Áttekintés a cseppkövek geokémiájáról

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A cseppkövekről szóló székfoglaló előadásom után kaptam a megtisztelő felkérést, hogy írjak a Magyar Tudomány részére egy összefoglalót a kutatási irányvonalakról és eredményekről. E tanulmányban az érdeklődő olvasók szélesebb rétegével igyekszem megismertetni ennek az izgalmas kutatási területnek a hátterét és eredményeit, így a szakmai részleteket megpróbáltam csökkenteni. A tudományos részletek iránt érdeklődő olvasónak Ian Fairchild és Andy Baker könyvét ajánlom figyelmébe (Fairchild – Baker, 2012), ez a mű nagyszerűen foglalja össze, hogy hol tart ma a világban a barlangok és a cseppkövek vizsgálata. Talán nem véletlen az érdeklődés, a cseppkövek már megjelenésükben is megragadják az ember érdeklődését, hát még, ha kiderül, hogy mennyi érdekes információt rejtenek.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A cseppkövek kutatása elsősorban a múltbeli klímára jellemző körülmények és a klímaváltozási folyamatok meghatározásában jelenik meg, de számos más területen is érdekes eredményeket szolgáltat. Az álló cseppkövek, a sztalagmitok állékonysága például árulkodik arról, hogy mekkora horizontális gyorsulást (tehát maximális földrengési intenzitást) biztosan nem szenvedtek el, hiszen nem dőltek ki (Szeidovitz et al., 2008). A barlangok emberi lakhelyként is szolgáltak, az állandóan csepegő vízből kiváló cseppkő pedig bekérgezheti az emberi tevékenység maradványait. A maradványra rátelepült cseppkő kora megadja az adott lelet minimális korát, ezt pedig a régészetben lehet hasznosítani (lásd Ian J. Fairchild és Andy Baker összefoglaló munkájában a felsorolt eseteket).

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

E két terület esetében is alapvető információ a kor, ami a cseppkövek kitűnő hasznosíthatóságának alapja. Minden, a múlt körülményeinek és változásainak meghatározására irányuló kutatás alapja a kor pontos ismerete. A finoman ré­teg­zett tavi üledékek éves rétegecskéinek (lamináinak) vagy a fák évgyűrűinek számolása éves felbontású adatsorokat eredményezhet, viszont a rögzítőpontokat mindenképpen ismernünk kell. Ilyenek a biztosan jelenleg is folyó képződés (tehát a legfiatalabb kor), az ismert korú események (például a vulkáni kitörések), de ezek megléte meglehetősen esetleges. Sokkal egyszerűbb, ha van olyan módszerünk, amellyel egy adott réteg korát függetlenül meg tudjuk határozni.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A cseppkövek ebből a szempontból jelentenek kiváló vizsgálati tárgyat, mert két olyan módszer is létezik, amely abszolút numerikus korokat szolgáltat. A leggyakrabban alkalmazott módszer az U-Th-sorozatos korhatározás, amely a cseppkő karbonátjába beépült urán radioaktív bomlásából keletkező tórium mennyiségének meghatározásán alapul. A beépült 234U alfa-bomlással 230Th-má alakul, így elméletileg az urán és a tórium izotópjainak koncentrációmérésével a karbonát kiválása óta eltelt idő meghatározható. Ennek két alapvető feltétele van: megfelelő mennyiségű urán (túl kis uránkoncentráció esetén a képződő tórium mennyisége nehezen és pontatlanul mérhető) és nulla vagy nagyon csekély eredeti tóriumtartalom. A tórium ugyanis a kőzeteken átszivárgó csepegővíz által szállított törmelékes szilikátszemcsékkel együtt a karbonátrétegben szintén kiülepedhet, így meghamisítja a kormérésünket. Ennek a tóriumszennyezésnek a mértékét megadhatja a 232Th mennyiségének meghatározása. Ideális esetben tehát megfelelő U- és kis eredeti Th-koncentráció esetén a mérés pontosan megadja a cseppkőréteg képződési korát. A módszer kb. félmillió éves korig alkalmazható az U-Th rendszerben a 234U bomlásából történő 230Th-képződés és a 230Th radioaktív bomlása miatt bekövetkező egyensúly beállása miatt.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Egy másik módszer a radiokarbon elemzés. A kozmikus sugárzás hatására a légkörben keletkező radioaktív szén (14C) beépül a növényekbe, a talaj szerves anyagába, a talajban lejátszódó biológiai aktivitás pedig ezt a szerves anyagot dolgozza fel. A mikrobiális működés során kibocsátott szén-dioxid beoldódik a talajvízbe, ami leszivárog a barlangi térig, ott pedig cseppkőkiválást hoz létre. A cseppkő tehát tartalmazza a légköri szénből származó 14C-et. A légköri és a cseppkőben mért 14C-aktivitás a 14C radioaktív bomlási sebességének ismeretében megadja a képződés óta eltelt kort. A módszernek számos ismeretlen tényezője és buktatója van, amelyekre a jelen összefoglalóban nem térek ki, de megfelelő korrekciókkal az utóbbi legfeljebb 60 ezer (a mérési akadályok miatt általában kb. 45 ezer) évre évtizedes-évszázados pontossággal állapítható meg a képződési kor (lásd Molnár, 2006).

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A karsztos rendszerbe szivárgó oldat változatos karbonátképződményeket hoz létre a barlangokban (1. ábra). Mint láttuk, a talajvíz biogén szén-dioxidot vesz fel, enyhén savas kémhatásúvá válik, az így létrejött oldat pedig szivárog lefelé a talaj alatt levő mészkő repedéseiben. Az iskolai tanulmányokból jól ismert, hogy a sav szén-dioxid-felszabadulással oldja a mészkövet, így az oldat kémhatása egyre változik, a repedések tágulnak, barlangok alakulnak ki. Az oldatban jelen levő oldott szén-dioxid a lefelé szivárgás során a nyílt repedésekben részben távozhat, ekkor az oldott karbonát oldhatósága csökken, és még a repedésekben kiválhat. Az oldat a barlangi terem mennyezetére érkezve lecsöppen, az aljzatra érkezve a szén-dioxid hirtelen kigázosodik, az oldott karbonát pedig kiválik. Így mind a mennyezeten, mind a lecsöppenés helyén karbonátkiválás jön létre, felül sztalagtit, alul sztalagmit. Ha ez az oldat egy repedésből a terem oldalfalán áramlik ki, akkor ott a felszínen lefolyva karbonátlefolyást (angolul flowstone) eredményez. A talajban végbemenő biológiai aktivitás nyilvánvalóan évszakos jellegű, télen kisebb mértékű, nyáron felerősödik, így az oldat összetétele, oldott szén-dioxid- és karbonáttartalma is változik. Ennek megfelelően a kiváló karbonátban is képződik egy téli és egy nyári lamina, amelynek a szövete, összetétele eltérő. Mindezek alapján jönnek létre a rendkívül változatos barlangi karbonátkiválási formák, az ún. szpeleotémák, amelyek magukba foglalják a cseppköveket, lefolyásokat, tavi kiválásokat és a patakmedrekben a mészkőgátakat.
1. ábra. Barlangban létrejövő karbonátképződmények és környezetük

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A kiváló karbonát az esetek többségében kalcium-karbonát, ezen belül kalcit, ami így természetszerűen elsősorban Ca, C és O elemeket tartalmaz, de – mint láttuk – számos más elemet is magába zár. A természetben nincs tiszta rendszer, a talajból és a környező kőzetekből eredően az egész periódusos rendszer megjelenik a cseppkövek összetételében. Ez a háttere annak a kiterjedt geokémiai vizsgálati rendszernek, amelyet a cseppkövek esetében alkalmazunk. A szén és az oxigén esetében a koncentráció lényegtelen, ellenben ezek stabilis izotópjainak (13C, 12C, 18O, 16O) arányai már a környezetre jellemző paramétereket tükrözik. Ugyanígy a karbonátban levő nyomelemek sokasága (magnézium, stroncium, foszfor, szilícium, alumínium, ritkaföldfémek stb.) az oldat fejlődésének folyamait jelzik. Ezek vizsgálata képezi a stabilizotóp- és a nyomelem-geokémia alapját, amiről a továbbiakban nyújtok áttekintést.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Jóllehet nagyon sok elemnek van stabilis, azaz radioaktív bomlást nem mutató izotópja, a stabilizotóp-geokémia öt elem – hidrogén, szén, nitrogén, oxigén és kén – stabilis izotópjainak a Föld szféráiban történő eloszlásával foglalkozik. Ezek közül a szén és az oxigén izotópösszetételének elemzése értelemszerű a cseppkövek esetében, de hozzájuk jön még a cseppkövekbe zárt oldatzárványok víztartalmának elemzése révén a hidrogén is. A karbonátba zárt kén izotópelemzése nem gyakori, nagyon kevés kutató foglalkozik vele (Wynn et al., 2010). Méréstechnikai okokból nem az abszolút izotóparányokat adjuk meg, hanem nemzetközi sztenderdekhez viszonyított δ relatív értékeket a következő képlet szerint: δ=(Rminta/Rsztenderd –1)×1000, ahol R az adott izotóparány a mintában, illetve sztenderdben. Az 1000-es szorzó azért van, hogy könnyen kezelhető értékeket kapjunk, ezért az értékeket ‰-ben adjuk meg. A sztenderd a szén és az oxigén esetében a V-PDB (Vienna Pee Dee Belemnite), a hidrogén és az oxigén esetében a V-SMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water). A képletből következően a könnyű izotópban dús minta δ értéke negatívabb, a nehéz izotópban dús mintáé pozitívabb.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A karbonát széntartalmának 13C/12C arányát számos tényező határozza meg. A talajban folyó biológiai aktivitás 12C-dús szenet juttat a talajvízbe. Meleg, csapadékos éghajlat esetén a talaj biológiai aktivitása nagyobb mérvű, ami a talajvízben és így végül a kiváló karbonátban negatív δ13C-eltolódást okoz. A barlang erős szellőzöttsége esetén a cseppkő felületére cseppenő oldatból a szén-dioxid nagyon gyorsan távozik el, nem tud dinamikus egyensúly kialakulni, ami a könnyű izotópból álló molekulák nagyobb mozgékonysága és eltávozása miatt ismét erős pozitív δ13C-eltolódást okoz. További hatás a szivárgási útvonalban az oldat kigázosodása és a repedésekben lejátszódó karbonátkiválás, ami szintén pozitív δ13C-eltolódást okoz az oldatban és így a cseppkő karbonátjában is. Hosszú távon, geológiai időskálán a felszíni növényzet is változhat a csapadékosabb éghajlatot kedvelő C3 növények és a száraz éghajlaton előforduló C4 növények dominan­ciájának változásával. A C3 növények esetében a fotoszintézis során a CO2 megkötésének első terméke a három szénatomot tartalmazó 3-foszfoglicerinsav, a C4 növények esetében a CO2 megkötése a négy szénatomos almasavban és aszparaginsavban történik. A fotoszintézis mechanizmusában mutatkozó különbségek miatt a két növénytípus szerves anyaga és a külső CO2 közötti izotópfrakcionáció eltérő, a két típus más δ13C-tartományt fed le, és így a talajba kerülő szerves anyag bomlása más összetételű biogén szén-dioxidot eredményez, ami ismét megjelenhet a cseppkő összetételében.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A cseppkő oxigénizotóp-összetétele (18O/16O aránya) két fő tényezőtől függ: a hőmérséklettől és az oldat oxigénizotóp-összetételétől. A hőmérséklet és a két komponens összetétele közötti különbség (kalcit-víz frakcionáció) összefüggése viszonylag jól meghatározott, így ha az oldat összetétele ismert, akkor a karbonát δ18O értékének elemzésével a hőmérséklet meghatározható. A probléma az, hogy a múltbeli oldat összetétele nem ismert és nem állandó. A beszivárgó csapadékvíz oxigénizotóp-összetétele a felszíni hőmérséklet, a csapadékszállítás iránya (az Atlanti-óceánból vagy a Földközi-tengerből származó pára δ18O értékei nagyon eltérőek) és másodlagos (például párolgási) folyamatok függvénye. A repedéseken keresztül a karsztvízrendszerbe jutó víz a talajban, a repedésekben és a barlangi térben is párolgást szenvedhet, ami a könnyű izotóp relatív eltávozását és így az oldat és a cseppkőkarbonát pozitív δ18O-eltolódását eredményezi. A lehulló csapadék meleg klíma esetén 18O-dúsabb, mint hidegebb klímában. Ugyanakkor a barlang hőmérsékletének emelkedésével a karbonát δ18O értéke negatív irányba tolódik, amely két hatás kiegyenlítheti egymást.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Mindezek alapján látható, hogy rendkívül összetett rendszerrel állunk szemben. Az adatok megfelelő értelmezéséhez egyrészt a barlang működését kell pontosan értenünk (például a talaj hatása, a szellőzöttség mértéke, a szivárgási rendszer gyors vagy lassú jellege stb.), másrészt a stabilizotópos adatok mellett független információkra van szükség. Ilyen független információt nyújtanak a nyomelemvizsgálatok. A foszfor koncentrációja a talajaktivitástól függ, erősebb biológiai aktivitás nagyobb mennyiségű foszfort mobilizál és juttat az oldatba, így a kiváló cseppkőbe. Az oldat bepárlódásával az egyéb nyomelemek (például Mg, Sr) koncentrációja nő. Ugyanígy az előzetes kalcitkiválás a repedésekben megnöveli a Ca-hoz viszonyított relatív Mg- és Sr-koncentrációt. A csapadékosabb éghajlat nagyobb mértékű beszivárgást jelent. Ez egyrészt nagyobb mennyiségű talajeredetű szilikátos anyagot szállíthat a cseppkő felszínére, vagy a karbonátkiválás mértékének növekedésével a relatív Al- és Si-koncentrációt csökkenti.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Látható, hogy a végeredmény sokszor a különböző kompetitív hatások összjátékából következik. Ennek megfelelően a múltbeli kiválások összetételének értelmezéséhez a barlang jelenlegi működését kell ismerni. A megoldás a barlang több éven át tartó monitorozása. A barlangi levegő szén-dioxid tartalmának, az oldatok fizikai és kémiai jellemzőinek, az aktív karbonátkiválások összetételének ismeretében meghatározható a szezonális hatások megjelenése (gyors válaszadású rendszer) vagy hiánya (homogenizált, lassú válaszadású rendszer), valamint az összetételeknek a meteorológiai paraméterekkel való kapcsolata. Ilyen monitoringmunka folyt az OTKA NK 101664 projekt keretében (Czuppon et al., 2017). A monitoringnak ugyanakkor van egy nagy hiányossága: a túlságosan rövid időtáv. A projektek által biztosított néhány éves időtartam alatt nem valószínű, hogy jelentősebb éghajlatváltozás következik be, ehhez általában már évszázados léptékre van szükség. Az utóbbi mintegy egy évszázadra rendelkezésre állnak meteorológiai paraméterek. Az ezen időszakban képződött cseppkövek (mint például a 2. ábrán látható) elemzésével jobban megérthető az adott barlang hosszabb távú működése (Demény et al., 2017a). Négy kis cseppkő elemzése alapján kimutattuk, hogy milyen szövetű cseppkő alkalmas a további paleoklimatológiai vizsgálatokra, valamint azt is, hogy a lassú képződésű cseppkövek szén- és oxigénizotópos összetételei elsősorban a téli–tavaszi hőmérsékletet és a csapadék mennyiségét jelzik.
2. ábra. Éves rétegzettséget mutató, a gyűjtéskor aktívan képződő cseppkő keresztmetszete a Baradla-barlangból
 
Új felismerés: amorf karbonát képződése

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Egy ígéretes, és az eddigiektől eltérő jellegű és információtartalmú technika a cseppkövekbe zárt oldatzárványok víztartalmából a D/H és 18O/16O arány meghatározása. Mint említettem, a csapadék stabiloxigén-izotópos összetétele a felszíni hőmérséklet és csapadékeredet függvénye, azonban az összetétel csak egy frakcionációs áttétellel jelenik meg a cseppkő karbonátjában. A cseppkő felszínének rendezetlen növekedésével azonban az oldat kis része bezáródhat (3. ábra), ami közvetlen információt nyújt a csapadék-összetételről.
3. ábra. Cseppkőbe zárt oldatzárványok

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Az oldatzárványok mechanikai felnyitásával és lézerspektroszkópos elemzésével a D/H és 18O/16O arányok meghatározhatóak (Demény, 2015). Az NK 101664 számú OTKA-projekt keretében számos elemzést végeztünk, hogy bebizonyítsuk, a kapott adatok a csapadékvizet tükrözik-e. A hidrogénizotóp-összetételek szépen adták a helyi csapadékvízadatokat, míg az oxigénizotóp-összetételek egy része erősen eltért a várt értékektől. Nagyon sok adat kiértékelése végül egy olyan felismeréshez vezetett, amely a cseppkőképződés mechanizmusát új megvilágításba helyezte. Felfigyeltünk arra, hogy a zárványokba zárt vízből kapott δ18O értékek összefüggést mutatnak a cseppkő korával, valamint a karbonát kristályossági fokával. Fiatal, az utóbbi néhány száz évben képződött cseppkövek esetében a képződmény belseje, tehát egyre idősebb laminák felé egyre nagyobb lett a cseppkövet alkotó kalcitkristályok mérete, és ezzel együtt a δ18O értékek egyre jobban eltávolodtak a várt értékektől. Ezzel szemben a legfiatalabb rétegekben, a cseppkövek felszínéhez közel 30–50 nm körüli kristályméretű, nanokristályos kalcit alakult ki (4. ábra). Ennek magyarázatát egyedül abban találtuk meg, hogy eredetileg nem kalcit vált ki a vízből, hanem amorf karbonát, ami lassan kristályos kalcittá alakult. A kristályszerkezet kialakulása megváltoztatta a karbonát és a víz közötti oxigénizotóp-megoszlást, ami a bezárt víz és a környező karbonát közötti kölcsönhatás során egyre jobban eltávolodott a bezáródáskori összetételtől (Demény et al., 2016a).
4. ábra. Nanokristályos kalcit baradlai cseppkő felszínéről
(fotó: Németh Péter)

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Ennek a hipotézisnek az alátámasztását az amorf karbonát kimutatása jelentette volna, viszont ez a módosulat olyan gyorsan (laboratóriumi oldatban percek alatt) kristályosodik ki, hogy a megfelelő mennyiségű barlangi karbonát összegyűjtése során már csak kalcit jelenik meg. A probléma kiküszöbölésére egy új ötletet vetettünk be. A nagyon kis mennyiségű anyag vizsgálatára és az amorf, tehát kristályszerkezet nélküli karbonát kimutatására leginkább alkalmas transzmissziós elektronmikroszkóp vizsgálati mintatartóját, egy 3 mm-es átmérőjű rézhálót közvetlenül a barlangi csepegővíz alá helyeztük, majd egy nap elteltével kivettük, és hűtőtáskában szállítottuk a laboratóriumba. A transzmissziós elektronmikroszkóp mellett scanning elektronmikroszkópot, valamint az MTA infrastrukturális támogatásával beszerzett infravörös mikroszkópot és mikro-röntgendiffraktométert is bevetettünk. Megnyugvásunkra mindegyik esetben megjelentek az amorf karbonátra utaló jelek, amivel a világon elsőként mutattuk ki ezt a fázist barlangi körülmények között (Demény et al., 2016b). Az amorf karbonát 10 °C körül vagy magasabb hőmérsékleten nem stabil, kristályos karbonáttá alakul. Így először nanokristályos kalcit alakult ki, majd az ún. Ostwald-durvulás (ripening) folyamata idővel egyre nagyobb kristályokat hoz létre. Az amorf karbonát képződése alapvetően befolyásolja a cseppkövek geokémiai adatainak értelmezését, mivel a zárványvizsgálatok mellett az utólagos és ezért a kiválást követően a szerkezetet a külső oldatok számára megnyitó folyamat számos egyéb elemzési módszert is érint. Az urán utólagos kimosódása, vagy a pici pórusokban másodlagosan képződő karbonát befolyásolja az U-Th-sorozatos és a radiokarbon kormeghatározást. A nyomelemek utólagos bekerülése vagy kilúgozódása szintén megváltoztatja az eredeti, környezetre utaló összetételeket. Így az amorf karbonát jelenléte alapvetően meghatározhatja az adott cseppkő paleoklimatológiai alkalmazhatóságát.
 
Az ismeretek alkalmazása: hőmérséklet- és csapadékváltozások az utolsó interglaciális során

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A Baradla-barlang monitorozásával megismertük a barlang működését, az évszakos jelenségek elemzéséből kimutattuk a karsztvízrendszer homogenitását, a barlang zárt, nem szellőzött jellegét, a friss karbonátkiválások vizsgálatából pedig az egyensúlyi frakcionációhoz közeli körülményeket. A recens, az utóbbi kb. 150 évet lefedő cseppkövek elemzéséből meghatároztuk a cseppkőösszetétel és a meteorológiai mérésekből származó szezonális hőmérséklet- és csapadékadatok közötti összefüggéseket. Mindezen tudással felvértezve pontosabban tudjuk értelmezni a régmúltban képződött cseppkövek adatait. Az NK 101664 OTKA-projekt keretében – többek között – elvégeztük egy, az utolsó interglaciális időszakban képződött cseppkő elemzését (Demény et al., 2017b).

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Az elmúlt mintegy kétmillió évben folyamatos, de egyre nagyobb fluktuációkkal jellemzett lehűlésen ment keresztül a Föld. A Milutin Milanković által felállított elmélet szerint a Föld pályaparamétereit három fő mutatószám írja le. Az excentricitás azt adja meg, hogy a Nap körüli pálya mennyiben tér el a kör alaktól, és mennyire válik elliptikussá. A tengelydőlés azt jelenti, hogy a Föld forgástengelyének a Nap körüli pálya síkjával bezárt szöge mennyire tér el a merőlegestől. A precesszió pedig a forgástengely forgása, rögzített helyzetű csillagokhoz viszonyított irányának ciklikus változása. Az excentricitás kb. százezer éves, a tengelydőlés kb. 41 000 éves, a precesszió pedig kb. 25 800 éves ciklicitást mutat. Mindezek egymásra épülésével a hosszú távú lehűlés trendjére az utóbbi kb. 800 ezer év során kb. 100 ezer éves ritmussal erős lehűlési (glaciális) szakaszok és ezek között rövidebb felmelegedési (interglaciális) szakaszok fordultak elő. Jelenleg egy interglaciális időszakban élünk, amely kb. 11 700 évvel ezelőtt kezdődött. Ezt megelőzően az ún. utolsó interglaciális (last interglacial, LIG) kb. 130 ezer évvel ezelőtt kezdődött, és 105 ezer évvel ezelőtt torkollott jégkorszaki lehűlésbe.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Tekintettel arra, hogy számos klímamodell és megfigyelés szerint jelenleg felmelegedési folyamat zajlik, nagyon fontos megértenünk, hogy a Kárpát-medence hogyan viselkedett a maihoz hasonló interglaciálisok során, a mainál melegebb időszakok milyen csapadékeloszlást mutattak, a többi interglaciális során milyen felmelegedési és lehűlési szakaszok voltak, a mai esemény mennyiben általános és mennyiben egyedi. A folyamatok pontos feltérképezéséhez azonban az adatokhoz minél pontosabb kort és minél nagyobb időbeli felbontást kell szolgáltatni. Ha évtizedes léptékű folyamatokat kívánunk vizsgálni, akkor a koradatoknak és paleoklíma-adatoknak is ilyen felbontást kell lehetővé tenniük.

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A Baradla-barlangban gyűjtöttünk egy kidőlt cseppkőképződményt, amely kb. 40 cm magas volt, és két egymás mellett álló cseppkő összenövéséből jött létre. A cseppköveket hosszában kettévágva nagyon hasonló belső szerkezetet, szöveti elemeket látunk, ami a párhuzamos képződést jelzi. Ezt alátámasztották a koradatok is, mindkét cseppkő a kb. 129–105 ezer évvel ezelőtti időszakot fedi le, ami megfelel az utolsó interglaciálisnak (5. ábra).
5. ábra. A BAR-II dupla cseppkő koradatai
(Demény et al., 2017b alapján). BP: Before Present, a jelenhez viszonyított kor években. A távolságot a cseppkő csúcsától mérjük

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A korvizsgálatok mellett a stabilizotóp-geokémiai vizsgálatok komplex tárházát vetettük be. Egy milliméternél jobb felbontással, fogorvosi fúróval mintáztuk meg a cseppköveket, majd a mintákból szén- és oxigénizotópos elemzést végeztünk. Emellett kb. 0,5 cm-es darabokat kivágva a bezárt oldatzárványok vizét is elemeztük az általunk kifejlesztett lézerspektroszkópos módszerrel (lásd fent). Az amorf karbonát képződésének hatásáról készített tanulmány (Demény et al., 2016a) alapján tudjuk, hogy a zárványba zárt víz oxigénizotóp-összetétele nem a képződés időszakára jellemző, így ezzel nem foglalkoztunk. Ellenben a δD értékekből paleohőmérséklet-adatokat tudtunk származtatni. Az értékek nemcsak az egyéb, korábbi tanulmányokban bemutatott, de rosszabb időbeli felbontású becslésekkel voltak összhangban, hanem a távolabbi atlanti régióból származó hőmérsékletrekordokkal is egyezést mutattak (6. ábra).
6. ábra. A BAR-II cseppkőből és egy atlanti-óceáni üledékekből nyert (sea surface temperature, SST [Goñi et al., 2012]) hőmérsékletadatok

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A stabilizotóp-geokémiai adatok kombinált elemzéséből az utolsó interglaciális időszakán belül a hőmérséklet, a csapadékmennyiség és a csapadék évszakos eloszlásának változásait mutattuk ki. Mivel egy adat nem adat, a baradlai cseppkő adatait szélesebb, Európát és a Földközi-tenger tartományait lefedő, az adott időszakból származó klímarekordokkal vetettük össze. A cseppkövek összetételét – mint láttuk – nagyon sok helyi hatás befolyásolja, ezért bár az adott helyszínre jellemző klímakörülmények megfejtése nehézkes, a klímaváltozási események ütemezése nagyon jól illeszkedett mindegyik rekordban. A tanulmány a következő fő megállapításokra vezetett. Kimutattuk, hogy az interglaciális kialakulását (a megelőző jégkorszaki hidegből történő felmelegedést) követően, 124–126 ezer évvel ezelőtt a Kárpát-medencében és tágabb régiójában egy erősen csapadékos időszak alakult ki, ami a téli csapadék mennyiségének növekedésével járt. Ez a klímaváltozási folyamat az időbeli egybeesés alapján egy, a felmelegedéshez köthető jégsapkaolvadási eseményhez köthető, amelynek során az Atlanti-óceán északi részét édesvíz öntötte el, átrendezve az óceáni áramlatok eloszlását és így a kontinens felé történő hő- és csapadékszállítást. Ezt követően a további felmelegedés kb. 120 ezer évvel ezelőtt optimális (meleg, egész évben csapadékos) körülményeket hozott létre a Baradla-barlang környezetében. A következő eljegesedéshez vezető globális lehűlés nagyon hirtelen (évszázadon belüli) változást okozott, először a csapadékmennyiség drasztikus csökkenésével, majd a lehűlés közvetlen hatásával. Kb. 105 ezer évvel ezelőtt a klíma olyan száraz és hideg lett a Baradla-barlang környezetében, hogy a cseppkőképződés leállt (7. ábra). Mindezen eseményeket szinkronizálva látjuk az európai és a déli–keleti mediterrán térségben, amely változásokat az Észak-Atlantikum működéséhez kapcsolhatjuk. A helyzet nagyon hasonló a jelen interglaciális, a holocén során végbement és jelenleg is működő folyamatokhoz. Az Atlanti-óceán működésének Európa klímájára kifejtett hatását több ezer évre visszamenő léptékben számos tanulmány alapján már jól ismerjük (8. ábra), a jelen tanulmány szerint ezeket a folyamatokat a még távolabbi múltba hatolva is láthatjuk.
7. ábra. A BAR-II dupla cseppkő adatainak paleoklímára vonatkozó értelmezése
 
Összefoglalás

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

A barlangok karbonátképződményeit (szpeleotémáit) jó korolhatóságuk és a klímakörülményeket tükröző számos geokémiai adat (proxy) lehetősége a paleo­klíma kutatásának egyik legfontosabb tárgyává teszik. A klíma és az összetétel kapcsolatának bonyolultsága azonban a barlangok működésének megértését, több éves monitorozását kívánja meg. Ennek során feltárjuk az évszakos hatások meglétét vagy hiányát, a karbonátkiválások létrejöttének mechanizmusát. Az eredmények ismeretében értelmezhetjük a cseppkövek geokémiai adatait a múltban fennállt klímakörülmények meghatározására. Így a vizsgálatok térben és időben a nanométertől a kontinentális léptékig, napjainktól több százezer éves távlatig terjednek. A cseppkövekből nyert paleoklíma-adatok ismeretében a lokális klímamodellek megbízhatósága fokozható, így a későbbiekben a proxy adatok és a lokális modellek összevetése lesz a fő irányvonal.
8. ábra. Az észak-atlanti oszcilláció (NAO) és az óceáni áramlások hatása az európai klímára.
NAO+ állapot (nagyobb izlandi és azori légnyomáskülönbség) esetén az észak-atlanti jet ÉNY-ra szállítja a hőt és csapadékot, NAO– állapotban a mediterrán térségbe (Wanner et al., 2001). Erős felmelegedés esetén a sarki jégsapkából beáramló édesvíz az óceáni áramlást gyengíti és délre nyomja, hasonló hatást okozva. Ennek a hatását látjuk a holocén és az utolsó interglaciálist lefedő cseppkövek adataiban is (Demény et al., 2017b)
 
Köszönetnyilvánítás

Hivatkozás

Kérjük, válassza ki az önnek megfelelő formátumot:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be.

Jelen munka az Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs (NKFI) Hivatal által finanszírozott OTKA NK 101664 projekt eredményeit mutatja be. Az eredmények csak igazi csapatmunka során jöhettek létre, ezért minden, az irodalomjegyzékben szereplő társszerzőnek ezúton nyilvánítom köszönetemet az elvégzett munkáért és a cikkekhez adott hozzájárulásért.
 
Irodalom
Czuppon György – Demény Attila – Leél-Őssy Szabolcs et al. (2017): Cave Monitoring in Béke and Baradla Caves (Northeastern  Hungary): Implications for Condition of Formation Cave Carbonates. International Journal of Speleology. (közlésre elfogadva)
Demény Attila (2015): Lézerspektroszkópia: új technika a hidrológiai és paleoklíma-kutatás területén. Magyar Tudomány. 176, 462–469. link
Demény Attila – Czuppon György – Kern Zoltán et al. (2016a): Recrystallization-Induced Oxygen Isotope Changes in Inclusion-hosted Water of Speleothems – Paleoclimatological implications. Quaternary International. 415, 25–32. DOI: 10.1016/j.quaint.2015.11.137 link
Demény Attila – Németh Péter – Czuppon György (2016b): Formation of Amorphous Calcium Carbonate in Caves and Its Implications for Speleothem Research. Scientific Reports. 6:39602. DOI:10.1038/srep39602 link
Demény Attila – Németh Alexandra – Kern Zoltán (2017a): Recently Forming Stalagmites from the Baradla Cave and Their Suitability Assessment for Climate–proxy Relationships. Central European Geology. 60, 1–34. DOI: http://dx.doi.org/10.1556/24.60.2017.001 link
Demény Attila – Kern Zoltán – Czuppon György et al. (2017b): Stable Isotope Compositions of Speleothems from the Last Interglacial – Spatial Patterns of Climate Fluctuations in Europe. Quaternary Science Reviews. 161, 68–80. DOI: 10.1016/j.quascirev.2017.02.012 link
Fairchild, Ian J. – Baker, Andy (2012): Speleothem Science. Wiley-Blackwell
Goñi, Maria Fernanda Sánchez – Bakker, Pepijn – Desprat, Stéphanie et al. (2012): European Climate Optimum and Enhanced Greenland Melt during the Last Interglacial. Geology. 40, 627–630. DOI: 10.1130/G32908.1 link
Molnár Mihály (2006): A szén és az idő: radiokarbon kormeghatározás. Fizikai Szemle. 6, 181. link
Szeidovitz Győző – Surányi Gergely – Gribovszki Katalin (2008): Estimation of an Upper Limit on Prehistoric Peak Ground Acceleration Using the Parameters of Intact Speleothems in Hungarian Caves. Journal of Seismology. 12, 1, 21–33. DOI: 10.1007/s10950-007-9068-9 link
Wanner, Heinz – Brönnimann, Stefan – Casty, Carlo (2001): North Atlantic Oscillation – Concepts and Studies. Surveys in Geophysics. 22, 321–382. DOI: 10.1023/A:1014217317898 link
Wynn, Peter M. – Fairchild, Ian J. – Frisia, Silvia (2010): High-resolution Sulphur Isotope Anal­ysis of Speleothem Carbonate by Secondary Ionisation Mass Spectrometry. Chemical Geology. 271, 101–107. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2010.01.001 link