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.

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.

 

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.

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).

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.

 

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).

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).

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.

 

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.

 

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.