Sopky – okná do hlbín Zeme

I napriek sústredenému úsiliu špičkových odborníkov v bývalom ZSSR najhlbší vrt do kontinentálnej kôry na kolskom polostrove dosiahol len hĺbku 12 200 m. Ďalší superhlboký vrt v Bavorsku neďaleko hraníc s Českou republikou zatiaľ “uviazol″ v hĺbke vyše 6 500 m. Z uvedeného vyplýva, že najhlbšími – a to prírodnými – sondami do hlbín (50–200 km!) Zeme sú vulkány. Je na vulkanológoch, aby pozorne študovali všetky typy uzavrenín (xenolitov), ktoré láva na svojej výstupnej ceste inkorporuje. Poskytujú totiž doteraz všeobecne nedocenené množstvo informácií rôzneho druhu.

Sopky svojou činnosťou ovplyvňovali vývoj ľudstva počas celej jeho histórie. V dobách, kedy jednotlivé etniká mali dostatok životného priestoru, sopkám sa radšej vyhýbali. V dôsledku postupného zaľudňovania našej planéty však ľudia museli osídliť aj oblasti v blízkosti sopiek, či priamo ich svahy. Od tej chvíle pre ľudské populácie sopečných oblastí nastal nepravidelne sa opakujúci zápas o prežitie vulkanických katakliziem. Súčasne ľudstvo do svojho povedomia postupne ukladalo poznané zákonitosti vulkanickej aktivity. Už pred niekoľkými tisícročiami ľudia pochopili, že sopečná činnosť neprináša len ničivé následky. Zistili, že vulkanický popol v mnohých prípadoch predstavuje vhodný substrát pre poľnohospodárstvo, resp. že produktom sopečnej činnosti sú niektoré suroviny, napr. pemza, ale aj obsidián, síra, či rôzne kovy. Obyvatelia Islandu, Nového Zélandu a ďalších vulkanicky aktívnych oblastí sa naučili využívať teplo zemských hlbín. Vo veku jadrovej energie sa aktívne sopky stali cenným zdrojom informácií o útrobách našej planéty, najmä o vrchnom plášti a astenosfére.

Po tomto úvode je namieste otázka: Čím sú zaujímavé aktívne sopky, resp. sopky geologickej minulosti pre súčasných vulkanológov a petrológov? Ich význam je mnohostranný: Lávy vznikajúce v hĺbkach stoviek kilometrov pod zemským povrchom skrývajú informácie o fyzikálnych podmienkach panujúcich v miestach ich vzniku. Z ich pestrého chemického (a následne aj minerálneho) zloženia možno vyčítať údaje potrebné pre tvorbu modelov zloženia podpovrchových zón geoidu. Nemenej zaujímavá je aj skutočnosť, že lávy vystupujúce zemskou kôrou alebo vrchným plášťom po ceste “zbierajú″ útržky okolitých hornín. Štúdium týchto útržkov, ktoré vulkanológovia nazývajú xenolitmi, poskytuje reálnu predstavu o zložení rôznych “úrovní″ vrchného plášťa a zemskej kôry. Keď si uvedomíme, že plášť Zeme je miestom generovania mnohých dôležitých globálnych geologických procesov, ale súčasne aj miestom primárnej akumulácie surovín tak prepotrebných pre civilizáciu 20. a ďalších storočí, neprekvapí nás, že práve štúdiu xenolitov sa venujú bádateľské tímy popredných svetových univerzít všetkých kontinentov.

Výpovedná hodnota xenolitov v rôznych typoch láv a z nich vzniknutých výlevných hornín je výrazne rozdielna. Bazaltové (čadičové) lávy sú svojím zložením najbližšie zloženiu vrchnoplášťovej hmoty, z ktorej vznikli parciálnym vytavením. Geochemické štúdiá bazaltov z najrôznejších kontinentálnych i oceánskych nálezísk si vynútili ich podrobnejšie členenie. Podľa chemického a následne aj minerálneho zloženia rozlišujeme niekoľko základných typov bazaltov: vápenatoalkalické, tholeiitické, alkalické a iné. Paralelne s geochemickými štúdiami prebiehalo aj experimentálne overovanie podmienok vzniku rôznych typov bazaltových tavenín. Ukázalo sa, že alkalické bazalty majú mnoho pozoruhodných vlastností. Objem výtavku z pyrolitu (pôvodnej hmoty vrchného plášťa) v prípade alkalických bazaltov je najnižší (5–7 % z celkového objemu pyrolitu). Vytavovanie alkalických bazaltových láv prebieha za najvyšších tlakov, t.j. v podstate v najhlbších úrovniach. Xenolity v alkalických bazaltoch majú “suchú″ (bez OH) minerálnu asociáciu (olivín, pyroxén, spinel) a reprezentujú xenolity úrovní, v ktorých dochádza ku vzniku bazaltových láv. Je príznačné, že tieto typy xenolitov sú známe len z alkalických bazaltov. Keď sme dospeli až potiaľto, je namieste položiť otázky: Ako vyzerajú horniny z najväčších hĺbok? Aké majú zloženie? Sú známe aj zo strednej Európy? Aké sú veľké? Na tieto a na niektoré iné možné otázky sa pokúsim odpovedať na nasledúcich riadkoch.

Peridotitové xenolity v alkalických bazaltoch

V učebniciach a kompendiách o eruptívnych horninách peridotity sú charakterizované ako ultramafické (t.j. obsahujú viac ako 90 % mafických – tmavých minerálov) ale zároveň aj ultrabázické (s nižším ako 45 % obsahom SiO₂) horniny. Majú jednoduché minerálne zloženie: olivín, pyroxén, prípadne ďalšie silikátové i rudné minerály.

Zo všetkých hornín, ku ktorým má človek prístup, práve spinelové peridotity vznikajú v najväčších hĺbkach. Nečudo, že v polovici šesťdesiatych a začiatkom sedemdesiatych rokov nastala doslovná poľovačka na tieto horninové rarity. V súčasnosti je na všetkých kontinentoch i na početných oceánskych ostrovoch a súostroviach evidovaných niekoľko stoviek miest výskytu spinelových peridotitov.

Jednoduché minerálne zloženie peridotitov, umožňuje len približné dešifrovanie podmienok ich vzniku. Pre určenie tlaku a teploty panujúcej v miestach primárneho výskytu peridotitov sú dôležité minerály citlivé na tlak. Na základe ich prítomnosti môžeme určiť, pri akom tlaku vzniklo dané minerálne zoskupenie. Tlakovoindikačnými minerálmi sú plagioklas, spinel, granát, ale aj diamant či vysokotlakové minerály: coesit a stišovit. Posledné dva menované sú modifikáciami kremeňa (SiO₂). Tieto geneticky dôležité minerály sú uvedené v podstate podľa zvyšujúceho sa tlaku, pri ktorom sú stabilné. V praxi to znamená, že plagioklasové peridotity vznikli a sú stabilné pri nižšom tlaku ako spinelové peridotity atď. Po stručnom úvode môžeme uviesť jednu zo základných premís problematiky xenolitov:

Prevažná väčšina peridotitových xenolitov patrí do skupiny spinelových peridotitov, a to bez ohľadu na miesto výskytu xenolitov. Je zaujímavé, že xenolity, či sa vyskytujú na kontinentoch alebo v oblastiach oceánov, majú v podstate zhodné základné znaky.

Ako vznikli?

Xenolity spinelových peridotitov (ale nielen tieto typy xenolitov) boli vulkanológom známe už koncom 19. storočia. V prvej polovici 20. storočia boli označované ako “olivinické gule″, “olivinické pecky″ alebo “olivinické zhluky″ a boli považované za integrálnu súčasť materskej horniny (alkalického bazaltu), ktorá ich obklopovala. V období intenzívneho záujmu o vrchný plášť Zeme Ross so spolupracovníkmi upozornili na jednotné zloženie xenolitov prakticky zo všetkých známych nálezísk. To vzbudilo záujem o týchto “poslov hlbín″ našej planéty.

Existuje len málo odborných problémov, na ktoré majú prírodovedci jednotný názor. Neprekvapí, že aj názory na pôvod uzavrenín (xenolitov) peridotitov v alkalických bazaltoch sa líšia. Ktoré sú základné skupiny názorov na pôvod týchto fenoménov?

• Podľa najstarších vysvetlení sa jedná o dôsledok akumulácie kryštálov priamo z obklopujúcej magmatickej taveniny. Akumulácia olivínu a pyroxénu je produktom frakčnej kryštalizácie v priebehu výstupu bazaltových tavenín cez zemskú kôru, resp. kryštalizácie až po dosiahnutí zemského povrchu. Základným argumentom proti takýmto interpretáciám je mnohonásobné zistenie rozdielnosti chemického zloženia napr. olivínu (ale aj ďalších prítomných zložiek) v samotnej uzavrenine a v okolitej hornine. V ich zložení existuje skok, ktorý bol mnohonásobne dokázaný pomocou elektrónového mikroanalyzátora. Okrem toho niektoré fenomény pozorované na mineráloch xenolitov neboli zistené na mineráloch v samotnom bazalte. V súčasnosti takéto predstavy o vzniku xenolitov sú ojedinelé.
• Xenolity (najmä v nedávnej minulosti) boli časťou autorov považované za útržky materiálu vrchného plášťa, z ktorého za priaznivého tlaku a teploty (a najmä pri dostatku vody) vznikli parciálnym tavením bazaltové taveniny. Proti takejto interpretácii svedčia merania niektorých geofyzikálnych veličín vrchného plášťa Zeme, nápadná homogenita zloženia xenolitov z oblastí kontinentov i oceánov, ako aj samotné chemické zloženie xenolitov.
• V posledných rokoch si najviac zástancov získala predstava, podľa ktorej xenolity reprezentujú refraktorné (ťažkotaviteľné) rezíduum, ktoré zostáva vo vrchnom plášti (v astenosfére) po odtavení magiem alkalických bazaltov (obr. obrázek). Keď sa magma dostáva do vzostupného pohybu, strháva so sebou útržky hmoty, ktorá zostala na mieste po odtavení čadičovej magmy. Takéto predstavy nachádzajú podporné argumenty vo väčšine petrologických, geochemických i geofyzikálnych zistení.

Merná hmotnosť bazaltov je 2,98 g/cm³. Merná hmotnosť spinelových peridotitov je vyššia, dosahuje 3,25 g/cm³. Uvedené výrazné rozdiely medzi transportným médiom (bazaltovou taveninou) a unášanými telieskami (spinelovými peridotitmi) dokumentujú, že výnos ťažších hmôt v ľahšom unášacom prostredí je možný jedine v prípade rýchleho prúdenia unášacieho média (bazaltovej taveniny). Znamená to, že bazaltová magma preniká kontinentálnou kôrou o hrúbke napr. 35 km (k čomu treba pripočítať desiatky kilometrov najvyššej časti vrchného plášťa) na zemský povrch v priebehu niekoľkých hodín či dní. A práve rôzna rýchlosť je pravdepodobnou príčinou toho, že v niektorých alkalických bazaltoch sú xenolity veľmi časté, zatiaľ čo na iných miestach v tých istých horninách, resp. v rôznych lávových prúdoch jedného vulkánu, môžu aj chýbať.

Ako vyzerajú?

Xenolity spinelových peridotitov sú zrnité (2–5 mm) horniny žltozelenej farby. Svojím sfarbením sa zreteľne líšia od okolitého čadiča, ktorý je jemnozrnitý až celistvý a má podstatne tmavšie (tmavosivé až čierne) sfarbenie. Veľkosť xenolitov je variabilná – ich priemer je v rozsahu milimetrov až prvých desiatok centimetrov. Styky s okolitým čadičom sú ostré, resp. na leme xenolitov je vyvinutá 1–2 mm široká zóna alterácie. Na zložení xenolitov opisovaného typu sa už voľným okom dajú odlíšiť ich základné fázy: sklovite číry, vysokohorečnatý olivín, jablkovozelený chrómový diopsid, nažltlý enstatit a čierny Cr-Al-Fe-Mg spinel. V priebehu transportu xenolitov došlo miestami k ich dezintegrácii až na útržky o veľkosti niekoľkých milimetrov.

Obraz xenolitov spinelových peridotitov v polarizačnom mikroskope sa vyznačuje niektorými charakteristickými znakmi. Patrí medzi ne častá undulozita (obláčkovité postupné zhášanie pri skrížených polaroidoch) olivínu, kink banding olivínu a pyroxénov (esovité poprehýbanie lineárnych fenoménov týchto minerálov), veľmi často je v pyroxénoch pozorovaná exolúcia (odmiešanie) pôvodne tuhého roztoku ortopyroxénu a klinopyroxénu, a ďalšie znaky. Tieto znaky sú dôsledkom uplatnenia sa tlaku, resp. jeho zmeny v priebehu výstupu xenolitov k zemskému povrchu. Keďže uvedené fenomény sú opísané z xenolitov v čerstvo vyvretých lávach, ktoré neprekonali žiaden geologický proces, pri ktorom by sa uplatnil tlak, pripisujú sa podmienkam panujúcim vo vrchnom plášti Zeme, prípadne podmienkam, ktoré na xenolity pôsobili počas ich výstupu na zemský povrch.

A iné typy xenolitov?

Všetky ostatné typy xenolitov (eklogity, granulity, gabrá, amfibolity, ruly, rôzne typy slabo metamorfovaných i nemetamorfovaných hornín) sa nachádzajú v alkalických bazaltoch, ako aj vo všetkých ostatných typoch vulkanických hornín. To znamená, že uvedené horninové typy predstavujú prostredie, ktorým rôzne typy magiem prenikajú k zemskému povrchu. Menšia časť xenolitov týchto kôrových hornín je magmatickou taveninou resorbovaná až splynú so svojím prostredím, ktoré spätne (chemicky) ovplyvňujú. Tieto typy xenolitov poskytujú informácie o zložení rôznych “poschodí″ zemskej kôry. Súčasne dokumentujú výnimočné postavenie a význam xenolitov peridotitov v alkalických bazaltoch.

Sú známe aj zo strednej Európy?

Vrchnoplášťové xenolity sú známe z kenozoických a kvartérnych alkalických bazaltov rôznych globálnych geologických jednotiek strednej Európy: Českého masívu, predpolia Východných Álp, vnútorných Západných Karpát i Panónskeho bazénu (obr. obrázek). V strednej Európe prevládajú xenolity spinelových peridotitov, iné typy peridotitov sú zriedkavejšie. ¹⁾