Kőzetliszt (2 - 62,5 µm): egy rejtélyes mérettartomány az üledékes kőzetvilágban

Kevés olyan különleges méretű ásványi szemcsét ismerünk környezetünkből, mint a kőzetliszt. A sokak által jól ismert homokszemeknél kisebb méretű törmelékekről beszélünk, melyek az ujjlenyomatunk rovátkáiba éppen beleférnek. Mégis több köbkilométernyi mennyiségben találjuk meg őket, mint dombságaink, talajtakarónk egyik legfőbb alkotóeleme. Hazánktól még távolabb utazva a jégpajzsok rétegsorában, valamint az óceánok aljzatán szintén hatalmas mennyiségben halmozódtak fel ezek a kőzetliszt méretű szemcsék.

Finom homok - durva kőzetliszt - közepes kőzetliszt - finom kőzetliszt szemcsék

Kőzetliszt... A magyar elnevezés rendkívül találó, hiszen a hétköznapi finomra őrölt lisztéhez hasonló igen apró, 2–62,5 µm (tehát 1/500 – 1/16 mm) átmérőjű szemcseméret ezek. (Csak, hogy jobban el tudjuk képzelni ezt a méretet: hajszálaink átmérője - egyénektől függően ­- körülbelül 20 és 180 µm közt változik.) Ha a minket körülvevő földtani környezetre és talajtakaróra tekintünk és megvizsgáljuk az apró ásványi szemcsékből felépülő törmelékes üledékes kőzeteket, arra lehetünk figyelmesek, hogy a néhány és főként a néhánytíz mikronos szemcsék mennyisége számos esetben kiugróan nagynak adódik.

Mégis mostohán kezelik ezt a mérettartományt, nem csak a hétköznapi életben, de olykor szakmai berkekben is komoly keveredést okozva ezzel. Gyakran hallani a legkülönbözőbb médiumok híradásaiban, hogy:

 „a Balaton mentén ez és ez a löszfal újra leszakadt” NEM!

vagy

„szaharai homokot fújt hazánk légkörébe a szél” NEM!

vagy 

(kombinálva a Balatont és a szaharai port):

„Hiába mondhatjuk eseménytelennek a Kárpát-medence mai időjárását, a Balaton felett így is érdekes légköri jelenséget figyeltek meg siófoki munkatársaink. (...) A magasban a poros sivatagi eredetű levegőben az ott található nedvesebb területeken szokatlan altocumulus jellegű felhőzet tud létrejönni. A nedvesség a sivatagi homokra kicsapódva hamar kihullik a felhőből, így az altocumulusokból szabályos virgák jönnek létre.” NEM!

Ezek a kijelentések jellemzően helytelenek. Vannak ugyan a Balaton mellet is löszfalak, de a híradásokban szereplő események legtöbbször Fonyód, Balatonkenese vagy éppen Tihany függőleges partfalaihoz kapcsolódnak, melyek alapanyaga homok (62,5–2000 µm) és agyag (<2 µm). Ezzel ellentétben a lösz döntően kőzetliszt méretű szemcsékből épül fel. 
A balatoni magaspartok szemcséi a miocén korban, a Pannon-tó mélyén halmozódtak fel, annak szint- és partvonal ingadozásai voltak a legfőbb tényezői a lerakódott szemcseméret-változásoknak. 

Lóczy L. 1913. A Balaton környékének geológiai képződményei és ezeknek vidékek szerinti telepedése. (A Balaton Tudományos Tanulmányozásának Eredményei I. kötet I. rész I. szakasz).

Ezzel szemben a löszök alapanyaga a pleisztocén jégkorszakokban gyakoribbá váló porviharok során akkumulálódott. A glaciálisok során a felhalmozódó szárazföldi jégtakaró őrlő és a fagyváltozékonyság kőzetaprózó hatására nagy mennyiségben képződtek a szél által könnyen szállítható, kőzetliszt méretű ásványi szemcsék. A selfek szárazra kerülése következtében fokozódó kontinentalitás és a nagy anticiklonális központok kialakulása miatt az uralkodó szelek ereje, munkavégző képessége megnőtt. A gyérülő növényzet pormegkötő hatását kevésbé tudta kifejteni, így hatalmas mennyiségű ásványi por került a levegőbe. A száraz-hideg periódusokban a talajosodási és mállási folyamatok nem tudtak lépést tartatni a fokozódó intenzitású porhullással, és a felhalmozódó poranyagból arra alkalmas környezeti viszonyok mellett, törmelékes üledékes kőzet, lösz képződött.

A szaharai por esetében éppen ellentétes a kép, ekkor sok esetben homokszemcséket vizionálnak a hírszerkesztők a kőzetliszt helyett. Noha, nagyritkán 30-40 µm-os, ilyen szempontból óriásinak számító szemcséket is hazánk fölé sodorhat az afrikai eredetű légáramlat, de ez még mindig nem éri el a homok mérettartományát.

De miért is oly fontos ez számunkra? Nem esünk-e bele a szőrszálhasogatás hibájába? Nem!

Sok gonddal járhat a helytelen szóhasználat, nevezzük nevén ezeket a lerakódásokat felépítő szemcséket. Csak ha például a legtöbb kőzetlisztet szállító közeg, a szél és a légköri poranyag kérdéskörét vizsgáljuk máris számos tudományterület eredményeinek felhasználására van szükségünk, hogy a folyamatokat rendszerként elemezhessük (pl. a kőzetliszt-méretű szemcsék kialakulásának földtani folyamatai; a porviharokat eredményező szinoptikus meteorológiai viszonyok és légtömegek mozgáspályáinak, trajektóriáinak elemzése; az ásványi por biogeokémiai ciklusokban betöltött szerepe; éghajlatmódosító folyamatok kölcsönhatásai; antropogén hatások stb.).

A földrajzi gondolkodásmód szintetizáló jellege alapjaiban szükséges azoknak a tér- és időbeli kereteknek az egységes kezeléséhez, melyeket figyelembe kell vennünk munkánk során. Különböző tudományterületek művelőinek is meg kell ismerniük a másik szakterület helyes nevezéktanát.

Besugárzási viszonyok

A légköri por közvetlen és közvetett módon is képes befolyásolni Földünk energiaháztartását. Az atmoszférába juttatott ásványi szemcsék legfontosabb közvetlen hatása a Napból érkező rövidhullámú sugárzás visszaverésében, szórásában és elnyelésében van. Az, hogy e három folyamat közül melyik játszódik le, a szemcsék méretétől, mikromorfológiai és mineralógiai tulajdonságaitól, illetve a vertikális eloszlásuktól függ. A teljes sugárzási mérlegben betöltött szerepük azért is nehezen megállapítható, mert egy-egy porfelhőben többféle anyagú (kvarc, kalcit, gipsz, agyagásványok, csillámok, stb.) és többféle alakú egyedi ásványi szemcse, valamint aggregátum található, melyek más és más optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A sötétebb színű szemcsék (pl. hematit, goethit) több sugárzást nyelnek el, lokálisan fűtő hatásúak, míg a világosabbak esetében a hőmérséklet-csökkenést eredményező visszatükrözés (pl. sókristályok) és szórás (pl. kvarc) a domináns. Az ásványi összetétel a lehordási terület földtani felépítésétől függ döntően, de a légköri szállítás folyamán állandóan változik, hiszen a nagyobb és/vagy nehezebb szemcsék korábban kihullhatnak a porfelhőből, módosítva ezzel a radiatív tulajdonságokat is.

A besugárzást közvetett módon is alakítják a porviharok. A kőzetliszt méretű szemcsék a légkörbe jutva a felhőképződéshez szükséges kondenzációs magként is viselkedhetnek, melyek nélkül nem alakulhatnának ki a felhőket felépítő cseppek. A kondenzációs magvak számának növekedése adott vízgőztartalom mellett több, de kisebb méretű felhőcsepp kialakulásához vezet, így a felhő színe világosabb lesz, tehát több sugárzást ver vissza. A kisebb cseppek másik tulajdonsága, hogy légköri tartózkodási ideje viszonylag hosszú, következésképpen a felhő radiatív hatását hosszabban fejti ki, illetve a csapadék valószínűsége csökken, növelve ezzel a terület ariditását és a légkörbe kerülő por mennyiségét.

A légköri por és a szén-dioxid mennyisége

Az atmoszféra szén-dioxid koncentrációja a Föld energiaháztartásának jelentős módosító tényezője, melynek mennyiségét többek között biológiai folyamatok szabályozzák. Az arid-szemiarid lehordási területekről származó évi több milliárd tonna ásványi por jelentős mennyisége hullik tengerekbe, óceánokba. A világtengerek egyes, a szárazföldektől, tengeráramlásoktól távoli területei biológiai értelemben sivatagnak tekinthetők, így a szél által szállított tápanyagban (Fe, P, stb.) gazdag poranyag mennyisége döntő szerepet játszik ezeknek a tengeri ökoszisztémáknak a működésében. A tápanyagtöbblet katalizálja a fotoszintézist, hozzájárulva ezzel a fitoplankton szervezetek által megkötött CO₂ mennyiségének az emelkedéséhez, csökkentve ezzel annak légköri koncentrációját. A légkörbe kerülő foszfor globális léptékű legfőbb forrása a sivatagi területekről kifújt ásványi por, mely a teljes légköri foszfát mérleg 83%-át (~1.15 millió tonna/év) jelenti. A szaharai forrásokból származó ásványi por tekinthető a legfőbb külső foszfor-forrásnak mind az Atlanti-óceán, mind a Földközi-tenger viszonylatában. Egyes felvetések szerint a dél-amerikai esőerdők számára is nagy jelentőségű az észak-afrikai eredetű ásványi porként érkező foszfor.

A légköri por jelentősége egyéb környezeti folyamatokban

A Szahara területéről évente több száz millió tonna ásványi por jut el Európába. A Földközi-tenger térségében jellemző vörös talajok kialakulásában döntő szerepe volt a mintegy 5 millió éve jelen lévő szaharai porkitörések során leülepedett kőzetliszt méretű ásványi pornak, melyet a szemcseeloszlási adatokon túl az agyagásványos összetétel (paligorszkit) is igazol. A terra rossa talajok alapanyagának hullóporos eredetére vonatkozó adatokat ismerünk Portugáliából, Spanyolországból, Olaszországból, Horvátországból, Görögországból és Törökországból is. Az isztriai és dalmáciai löszök poranyagának jelentős hányada szintén szaharai eredetű por. Por! Nem homok. A mediterrán vörös talajok közel sem nevezhetők homokos talajoknak.

A Mediterráneum légkörének állapotát is befolyásolja a szaharai por, egészségügyi problémák lehetőségét növelve ezzel. A légköri PM10-es (!!!, 10µm-nél kisebb) szállópor koncentrációja Spanyolország, Olaszország és Görögország egyes régióiban a szaharai porkitörések alkalmával gyakran az egészségügyi határérték fölé emelkedik, emiatt az új európai emisszió csökkentési direktívák betartása esetenként nem valósítható meg.

Az egészségügyi határérték a légköri szállópor 10 μm-nél kisebb szemcséire (PM10) 24 órára vonatkoztatva 50 μg/m³, míg az éves átlag 40 μg/m³-nél nem lehet nagyobb. Ezzel szemben a légkör természetes porkoncentrációja a főbb forrásterületeken a mérések szerint 10² μg/m³-10⁵ μg/m³ közötti tartományban váltakozik. A határértékek betartását azonban számos esetben (pl. Olaszország, Görögország) nehezítik az ország-, sőt kontinens határokon is átnyúló természetes folyamatok következtében kialakult nagyméretű porkitörések, melyek során nem ritkák a 20 000-25 000 μg/m³-es értékek sem.

A tápanyagként a tengerekbe hulló por egyes területeken káros hatású is lehet. Számos helyről vannak információink arról, hogy a sivatagokból származó porhullások után káros hatású algavirágzás indul meg, melyet a Karenia brevis idegmérget termelő gyilkos algafaj elszaporodása okoz. A Karib-térségben a szaharai eredetű porhullások nyomán gyakran alakulnak ki tömeges korallpusztulási periódusok.

Egyes forrásterületekről származó porkitörések alkáliákban gazdag anyaga a csapadék pH-viszonyait is módosíthatja, hozzájárulva ezzel a savas esők gyakoriságának csökkenéséhez. Szaharai eredetű porhullásos események felismeréséhez azonosító bélyegként használják a megnövekedett kémhatású csapadékokat. A Pireneusok és az Alpok enyhén-lúgos tavai a XX. század második felében a szaharai por hatására nem váltak savassá, ellentétben például a Skandináv térség hasonló tavaival.

Szemcseméret meghatározás

De mit is tekintünk egy többmillió szemcséből álló törmelékes üledékes kőzet- vagy talajminta szemcseméretének? Ezeknek a lerakódásoknak a jellemző összetételét nem egyetlen számmal, hanem szemcseeloszlási görbével szoktuk kifejezni. A néhány tized mikrontól pár milliméterig tartó skálát osztályközökre osztjuk fel és meghatározzuk, hogy egyes tartományokba mennyi szemcse található. Ezt az értéket, a mérési technológiától függően megadhatjuk darabszám-, térfogat- vagy éppen tömeg-százalékban.

A legegyszerűbb mérési módszer, amikor a begyűjtött mintáinkat egy szitasoron rázzuk vagy mossuk végig úgy, hogy a fentről lefelé finomodó hálójú szitákat használunk. Ilyenkor 5-10 mérettartományba (értsd szitába) eső tömegeket mérünk meg és a méreteloszlásunkat 5-10 oszlop fogja reprezentálni egy hisztogramon. Üledékföldtanban és a modern talajtanban mára már inkább a lézerfény elhajlásán és szórásán alapuló méret-meghatározást alkalmazzuk, ebben az esetben már csak néhány gramm mintára van szükségünk. A lézerdiffrakciós készülék két eltérő hullámhosszú lézerfényt bocsát ki az üledék-szuszpenziót tartalmazó tégelyre, majd az áteső fénymintázatot egy detektorrendszerrel gyűjti és analizálja. A készülék pontosságából adódóan ebben az esetben a méretskálánkat már mintegy 100 osztályközre tudjuk felbontani, melyekre a szemcsék térfogatszázalékát határozzuk meg.

A legmodernebb eljárásokat alkalmazva, minden egyes szemcséről digitális felvételeket készítünk, melyek alapján számos méret- és alaktani paramétert könnyűszerrel meg tudunk határozni műszerünk szoftverének segítségével. A számítási kapacitások növekedésével és a technológiai fejlődésnek köszönhetően a korábban alkalmazott optikai mikroszkópos felvételek manuális elemzését mára már felváltotta az automatizált képfeldolgozásos megközelítés, így egy mérés során már többszázezer szemcséről készítünk képeket és ezek alapján határozzuk meg a darabszám szerinti szemcseeloszlási-görbéket.

Mennyi?

A szárazföldek mintegy 10%-át fedik a döntően kőzetliszt méretű szemcsékből felépülő löszök és löszszerű üledékek. Jelentős löszterületeket találunk Nyugat- és Közép-Európában az alpi és a fennoskandináv pleisztocénben eljegesedett területek közti korridorban és a Kárpát-medencében. Ezeket keleti irányban a nagyvastagságú ukrán, belső-ázsiai, kínai és szibériai löszök követik. Észak-Amerikában kiterjedt lösszel fedett területek találhatók a Mississippi és mellékfolyói völgyeiben, Washington és Oregon államokban, valamint Alaszkában a Yukon és a Tanana folyó völgyében. Dél-Amerikában a Pampákról ismeretesek nagy területeket fedő löszök. A glaciálisok során a felhalmozódó szárazföldi jégtakaró őrlő és a fagyváltozékonyság kőzetaprózó hatására nagy mennyiségben képződtek a szél által könnyen szállítható, kőzetliszt méretű ásványi szemcsék. A selfek szárazra kerülése következtében fokozódó kontinentalitás és a nagy anticiklonális központok kialakulása miatt az uralkodó szelek ereje, munkavégző képessége megnőtt. A gyérülő növényzet pormegkötő hatását kevésbé tudta kifejteni, így hatalmas mennyiségű ásványi por került a levegőbe.

Mindezen klasszikusnak nevezhető területeken kívül számos további régióból írtak le szerzők löszöket, így Új-Zélandról, Izraelből, Tunéziából, Grönlandról és a Spitzbergákról is. Megfigyelhető, hogy jelentősen eltérő éghajlatú és földrajzi környezetű térségekről van szó: egykor (vagy éppen most is) periglaciális klímájú területekről és folyamatosan meleg éghajlattal rendelkező régiókról. A két típus közötti legfontosabb hasonlóság, hogy mindkét vidéken jelentős mennyiségű porfelhalmozódással számolhatunk a löszök képződésének idejére.

Megkülönböztethetünk tehát „meleg” és „hideg” löszöket, ezek szerint nem csupán a jéghez köthető a kőzetliszt méretű szemcsék kialakulása, hanem a sivatagi, félsivatagi területeken is képződik sivatagperemi löszképződéshez elégséges mennyiségű finom szemcse. Ezt laboratóriumi kísérletekkel is bizonyították, de a száraz térségekből évente kifújt milliárd tonna nagyságrendű por is alátámasztja ezeknek a vizsgálatoknak az eredményeit.

A száraz-forró térségekben zajló további kutatások során egyre több területről érkeztek újabb adatok és beszámolók löszképződésre vonatkozóan, mint például Afganisztán, Bahrein, Namíbia, Pakisztán, Nigéria, Irán, Szíria, Jemen és Arab Emirátusok területéről.

Hazai löszeink poranyagának kérdésköre szintén viszonylag korán felkeltette a kutatók érdeklődését és a szél domináns szerepét már a XIX. század végén felismerték. Azonban a származásra vonatkozó nyitott kérdések teljes egészükben máig sem tisztázottak. A kőzetliszt méretű szemcséket egyesek ázsiai sivatagi területek anyagának, a pleisztocén glaciálisok idején kialakult nagykiterjedésű európai belföldi jégtakaró előteréből származó törmeléknek vagy éppen szaharai porforrások felől származtatták. A fagy okozta aprózódással képződött törmelékanyag folyóvízi szállítása az 1930-as években jelenik meg először. Ezt a részben átmeneti folyóvízi szállítást később újabb kutatások is megerősítették, a löszeink alapanyagának egy része a Morva-medencéből, az Alpok glaciális kori lepusztulás termékeiből és a kárpáti fliss mállástermékeiből származik, melyet a Duna és a Tisza szállítottak a Kárpát-medencébe. Majd az árterekről a szél fújta ki az ott lerakott finomszemcsés törmeléket.

Miért van ennyi kőzetliszt?

Hullóporos eredetű üledékek esetében a nagymennyiségű kőzetliszt méretű szemcse jelenlétét a szél munkavégzőképességének fizikai háttere magyarázza. Ez az a szemcseméret-tartomány, amelybe tartozó szemcséket a szél levegőbe emelni és elszállítani képes. Folyóvízi szállítás során a víz nagyobb fajsúlya miatt nagyobb, durva homokszemcsék is könnyedén szállítódnak lebegtetve. Ekkora méretű üledékeket a szél csak centiméterről-centiméterre, méterről-méterre ugráltatva (szaltáltatva) tud mozgatni, ezért is olyan szépen lekerekítettek, gömbölyűek a szél által szállított futóhomok szemcséi, ellentétben a szögletes folyóvízi homokkal. A szélsebességétől, gyorsulásától és a levegő egyéb fizikai paramétereitől (pl. fajsúly, viszkozitás, turbulencia) függő munkavégzőképesség jellemzően a kőzetliszt méretű szemcsék szállítását teszi lehetővé; a nagyobb szemcséket „nem bírja el”, míg a kisebbek az azok közt kialakuló kohézió miatt kerülnek nehezebben a levegőbe.

Jobban megvizsgálva egyéb más üledékeket is, vagy egyáltalán például a szél által mozgatott szemcsék forrásterületét még mindig szembeötlő a néhány tíz mikrométeres szemcsék határozott megjelenése a szemcseméret-eloszlási görbéken. Nem csupán azért halmozódik fel ennyi kőzetliszt méretű szemcse, mert a rendkívül szelektív szél általi szállítás ezt a mérettartományt részesíti előnyben, hanem úgy tűnik, alapból több ekkora méretű törmelékszemcse van.

És a homok: