Kép: Depositphotos/grankin13d

A Földtani és Geokémiai Intézet kutatási portfóliója talán a legszerteágazóbb az összes magyarországi kutatóhelyek közül. Hogyan lehet összefoglalni a küldetésüket, amely összefogja az önök által kutatott tématerületeket?

– Alapvető küldetésünk a Kárpát-Pannon-térség termé­szeti környezetének geológiai és geokémiai megisme­rése, miközben természetesen kikitekintünk a tágabb, akár globális léptékű tudományos kérdésekre is. Geo­kémiai szempontból vizsgáljuk például a klíma- és kör­nyezet­vál­tozások, illetve a környezetszennyezés hatá­sait, valamint a természetes környezet és az emberi társadalom kapcsolatát is. Emellett természetesen nagyon fontos feladatunk a hazai geológiai, geokémiai kutatá­sok képviselete a nemzetközi téren.

A mi szaktudásunkat olyan sok célra lehet alkalmazni, hogy nem szabad e kutatásokat ennél jobban fókuszálni.

Az Intézet a paleoklimatológiától az archeometrián keresztül a barlangi ásványok nanoszerkezeteinek vizsgálatáig számtalan dologgal foglalkozik. Össze lehet ezeket a témákat egyeztetni?

– A kutatási témáinkat a szemléletünk köti össze. Mi nagyrészt geológusok vagyunk, bár ez az utóbbi időszakban változásnak indult. Amikor én elkezdtem az intézetben dolgozni a nyolcvanas évek végén, még szinte kizárólag geológusok dolgoztak itt. A részarányuk mára a felére csökkent, hiszen egyre több egyéb diszciplínát művelő kutató, például geográfusok, vegyészek, meteorológusok és környezetkutatók csatlakoztak hozzánk, ami jól mutatja az intézet feladatainak kiszélesedését. Bár ez minden tudományágra igaz, de talán a földtudományra jellemző a legerőteljesebben, hogy a tudományterületei mára teljesen összeértek, és ma már meghatározó a multi- és interdiszciplinaritás szerepe. Az archeometria jó példa arra, hogy ma már egy kutató nem tud megélni a saját szűk szakterületén bezárkózva, hanem kapcsolódnia kell a társtudományokhoz. A felületes szemlélő talán úgy hiheti, hogy nem elég fókuszáltak a kutatá­saink. Valójában azonban a mi szaktudásunkat olyan sok célra lehet alkalmazni, hogy nem szabad e kutatásokat ennél jobban fókuszálni, hanem minél több forrást kell biztosítani arra, hogy az egyes témacsoportjaink job­ban kiteljesedhessenek.

Aphrodisiasi márvány

Mivel foglalkozik az archeometria?

– Az archeometria a régészeti leleteket, például a márványokat, kerámiákat vagy akár az emberi csontleleteket vizsgálja geokémiai módszerek segítségével. A régészeti leletek a mi szemünkben ugyanolyan geológiai objektumok, mint a kőzetek vagy az ásványok. A vizsgálataink szempontjából nincs különbség a tekintetben, hogy én kimegyek a carrarai kőfejtőbe, és egy kalapáccsal török mintát a márványtömbökből, vagy ez a minta egy több ezer éves szoborból származik. Utóbbiakat hagyományosan régészek és művészettörténészek vizsgálták, de ezzel rengeteg információt szem elől tévesztettek, amelyeket csak a geokémikusok képesek feltárni. 

A régészeti leletek a mi szemünkben ugyanolyan geológiai objektumok, mint a kőzetek vagy az ásványok.

Egy régész kollégánk, Burucs Júlia például ókori római császárokat ábrázoló portrészobrokat vizsgált, és az volt a kérdése, hogy honnan származik a szobor anyagául szolgáló márvány. Egészen nagy, borsónyi mintát kaptunk a márványból, így számos kőzettani és geokémiai vizsgálatot tudtunk rajta végezni. Megállapíthattuk, hogy nagy valószínűséggel Aphrodisiasból származott a márvány, mert az ottani márványtípussal egyezett a leginkább. A régész ezen információ alapján számos újabb művészettörténeti és régészeti kérdést tudott felvetni, és olyan ismere­tekre tett szert, amit sem ő, sem mi nem tudtunk volna egye­dül elérni.

Burucs Júlia régész mintát vesz a Caracalla márványportréból.

Hogyan viszonyulnak a régészek a geokémiához? Ezek tradicionálisan egymástól nagyon távol álló – bölcsészeti és természettudományos – tudományágak voltak. Van bennük affinitás a kollaborációra?

– Most már keresik velünk a kapcsolatot. Felnőtt egy fiatal régészgeneráció, amely gyakorlatilag természet­tudományi kutatást művel. Természetesen szükségük van a bölcsészeti, történettudományi tudásra is, de a modern régészet által alkalmazott módszerek egyre inkább a természettudományokhoz állnak közelebb. Korábban együttműködtünk a Régészeti Intézet egyik kutatójá­val, aki magyarországi rézkori lelőhelyeket vizsgált, és a leletek ¹⁴C radiokarbonos kormeghatározásával foglalkozott. A 14-es tömegszámú szénizotóp a kozmikus sugárzás hatására keletkezik a légkörben, majd a szén-dioxid közvetítésével bekerül a fotoszintetizáló növények szöveteibe, onnan pedig a talajba és a faanyagba. Később radioaktív bomlás révén elbomlik, emiatt a relatív koncentrációja lecsökken más szénizotópokhoz képest, így az arányuk alapján meghatározható a tárgy kora. Ez a módszer fizikusi gondolkodást tesz szükségessé, de a régész kolléga olyan elsőrangú modellt állított fel ezzel kapcsolatban, hogy leesett az állam. Bölcsész létére nagyon elmélyült a radiokarbon kormeghatározás részleteiben, ezért mondom, hogy az utóbbi időszakban a régészet részéről egyre nagyobb az igény a kooperációra. De nemcsak a bioarcheológiai kutatásokban veszünk részt, hanem vizsgálunk élettelen régészeti leleteket, például márvány- vagy fémtárgyakat, sőt nemesfém tárgyakat is. Részt vettünk például a Seuso-kincsek elemzésében is.

Fekete gyémántok

Az Intézet kutatási témái közül talán a gyémánt­kutatáson akadhat meg leginkább a laikusok szeme. Milyen szempontból vizsgálják a gyémántokat?

– Tavaly sikerült elnyernünk egy rendkívül kompetitív (mindössze 10-15 százalékos nyerési eséllyel kecseg­tető) NKKP- (Nemzeti Kutatási Kiválósági Program) projektet a gyémántkutatásra, amelynek vezetője a tudomány­terület nemzetközi hírű szaktekintélye, Németh Péter, akinek a munkásságára jellemző, hogy nemrégiben fel­kér­te a Londoni Földtani Társaság folyóirata, hogy írjon összefoglaló tanulmányt az általa is vizsgált gyémántok kutatásának aktuális állapotáról. Persze ehhez arra is szük­ség volt, hogy Arizonában is gyümölcsöző kapcsola­to­kat épített ki az ottani kollégákkal, és használhatja az esz­kö­zeiket. Bár a gyémántok természetes módon megragad­ják az ember fantáziáját, mi nem az ékszerekbe foglalt bril­liánsokkal, hanem a mikro- és polikristályos, ipari alkalmazásokra is használt gyémántokkal foglalkozunk. Ezek egyi­ke a különleges, és még mindig vitatott eredetű carbo­na­do gyémánt. Emellett a projekt célja olyan gyémántok vizs­gálata, amelyekben kristályosodási hibák lépnek fel, és grafittal való összenövések jelennek meg. Ilyenek például a meteoritbecsapódáskor keletkező mikrogyémántok.

Bár a gyémántok természetes módon megragadják az ember fantáziáját, mi nem az ékszerekbe foglalt briliánsokkal, hanem a mikro- és polikristályos, ipari alkalmazásokra is használt gyémántokkal foglalkozunk.

Ezek a gyémántok tehát ránézésre egyáltalán nem tűnnek gyémántnak?

– A polikristályos carbonado gyémántok úgy néznek ki, mint egy darab bazalt, csak éppen rettenetesen kemények.

Mikro-polikristályos carbonado gyémántok megjelenése és szerkezete. Bal oldali panel: fényes felületű fekete carbonado gyémánt szemcse. Jobb oldali panel: carbonado szemcse törött felületének pásztázó elektron mikroszkópos képe az ékkőgyémántra nem jellemző, üres, irányított pórusokkal és a szegélyen ritkaföldfém-foszfát kitöltéssel (nyíl).

Jelenleg a Föld két, egymástól távol eső régiójában, Dél-Amerikában és Közép-Afrikában bányásszák őket, de amikor keletkeztek, több mint 3 milliárd évvel ezelőtt e térségek egybefüggőek voltak, hiszen az Atlanti-óceán mindössze 60 millió évvel ezelőtt nyílt fel. A Panama-csatorna építésekor rengeteg ilyen gyémántot használtak fel a vágógépekben. Ma az ipari gyémántokat már mesterségesen állítják elő, ugyanakkor továbbra is kérdés, hogy hogyan tudjuk őket még keményebbé tenni. Más felhasználási területeken pedig éppen a rugalmasságuk lenne előnyös, erre a célra szándékosan grafitrétegeket építenek beléjük. A keményebbé tételükhöz szerkezeti módosulásokat kell beléjük építenünk (és ezzel foglalkozik a kollégánk is), úgynevezett ikresedést – 180 fokkal elforgatott kristályegységeket – hozunk létre a kristályszerkezetben. Ezáltal mechanikailag ellenállóbbá válik az anyag. A grafitrétegek beépítésével nemcsak a gyémánt rugalmassága nő meg, de a vezetőképessége is megváltozik. Ily módon úgynevezett diafit, gyémánt-grafit szerkeze­te­ket hozhatunk létre. Az említett kutató, Németh Péter e diafit szerkezetek nemzetközi hírű szakértője. Ezek a módosult gyémántok mesterségesen is létrehozhatók; miközben a cél a keménység, a rugalmasság vagy a vezető­képesség növelése, időnként azonban, például meteoritbecsapódás alkalmával, természetes módon is kialakulhatnak ezek az átmeneti szerkezetek. Ezért találták meg ezeket a kristályokat az arizonai Canyon Diablo térségében lévő meteorkráterben is. Miközben ezeket a természetes diafit kristályokat vizsgáljuk, sokat tanulunk belőlük, és ezt a tudást felhasználhatjuk a mesterséges gyémántok készítésekor. Itt tehát a geokémia, az ásványkőzettan és a technológia találkozik egymással.

Diafit (gyémánt-grafit) szerkezet a Canyon Diablo meteoritból. A pirossal körvonalazott központi rész (~ 1,5 nm) jelöli a nanokristályos gyémántot, a zöld szín pedig a grafitot. A piros és a zöld közötti átmeneti szín a gyémánt és grafit átmeneti kötéstípusára utal. Az összetett szénszerkezet felhasználható a jövőbeli mérnöki alkalmazások fejlesztésére.

Az Ön által említett vizsgálatok rendkívül eszközigényesek, különböző spektrométerek, elektronmikroszkópok szükségesek hozzájuk. E tekintetben fel tudják venni a versenyt a nyugati intézményekkel?

– Sajnos azt kell mondanom, hogy a rendelkezésünkre álló eszközpark nemhogy a nyugati, de még egyes régió­beli intézetek lehetőségeivel sem vetekszik. Ezért az ötletekben, a rátermettségben és a tehetségben kell fel­vennünk velük a versenyt. Minthogy budapesti inté­zet vagyunk, a régió viszonylagos fejlettsége miatt a leg­több európai uniós pályázatból is kimaradunk. Gyakran kell azzal szembesülnöm, hogy a lehetőségeink meg sem közelí­tik a partnerekét. Nemrégiben próbáltam egy konferen­cián reklámozni az egyik laboratóriumunkat egy szlovák kollé­gának, és említettem neki, hogy milyen tömeg­spekt­ro­méterünk van – azt remélve, hogy együttműködést kezd­hetünk velük. Erre mosolyogva elmondta, hogy nekik milyen berendezéseik vannak. Mintha én ajánlottam volna neki egy Opelt, miközben nekik van két Mercede­sük. És ez nem is egy pozsonyi, hanem „csak” a beszterce­bá­nyai egyetem volt. Több más külföldi intézet meglátogatásakor is hasonló tapasztalataim voltak. Egészen kiváló szakmai munkát kell végeznünk ahhoz, hogy ezek­kel az eszközökkel összemérhető eredményt érhessünk el. A gyémántkutatási programunk jó példa arra, hogy ez nem esélytelen.

Az Intézet egy másik kutatási programja a régmúlt földi éghajlatát vizsgálja. Hogyan kapcsolódik a paleoklimatológia a geokémiához?

– Ezek a kutatásaink is azt az alapvető célt szolgálják, hogy megértsük, hogy a Föld egésze, illetve szűkebb élőhelyünk hogyan fog megváltozni, és ebben milyen szerepük van a társadalmi folyamatoknak. A paleoklimatológiai vizsgálatok végső célja is az, hogy megtudjuk, milyen változások várhatók a Kárpát-Pannon régióban. Ha jósolni akarunk, ahhoz modelleket kell alkotnunk. A klimatoló­giai modellek azonban sohasem tökéletesek, folyamatosan fejleszteni kell őket. Van egy kiváló fiatal kollégánk, Topál Dániel, aki a sarkvidéki területek klímamodelle­zé­sével foglalkozik. Csakhogy felmerül a kérdés, hogy honnan tudjuk megállapítani, hogy a klímamodelljeink elég jók-e, és hogyan tudjuk csökkenteni a bizonytalanságukat. Nos, úgy, hogy megpróbáljuk ezeket a modelle­ket a múltban már lejátszódott klímaváltozásokra alkalmazni. Ha jól modellezik a régmúlt éghajlatváltozásait, akkor megfelelők a felállí­tott elméletek.

Ezek a paleoklimatológiai kutatásaink is azt az alapvető célt szolgálják, hogy megértsük, hogy a Föld egésze, illetve szűkebb élőhelyünk hogyan fog megváltozni, és ebben milyen szerepük van a társadalmi folyamatoknak.

Cseppkőévgyűrűk

De honnan tudhatjuk, hogy a múltbéli klímaváltozások hogyan játszódtak le?

– Próbálunk olyan geológiai képződményeket keresni, amelyek magukba zárták az éghajlatváltozás bizonyos paramétereire utaló nyomokat, és a segítségükkel vissza­tekerhetjük az időt. Itt, a Kárpát-medencében a hőmérséklet- és csapadékszint-változások visszafejtésének talán legpontosabb módszere a cseppkövek vizsgála­ta. A hőmérséklet-változás megváltoztatja a csapa­dék deu­té­rium/hidrogén (²H/¹H) arányát, illetve a ¹⁸O-¹⁶O (vagyis két különböző oxigénizotóp) arányát. A hőmérséklet függvényében ugyanis változik az eső forrás­régió­ja (a Kárpát-medencében jellemzően az Atlanti-óceán vagy a Földközi-tenger), és míg ideér a nedvesség, megváltozik az izotóp-összetétele is. A csapadék lassan beszivárog a barlangba, majd a csöpögő vízből kiválik a kalcium-karbonát (CaCO₃), és beépül a cseppkőbe. A cseppkőre pedig a fák évgyűrűihez hasonlóan elkülöníthető rétegekben rakódik le a kalcium-karbonát. De az anyagösszetétel más változásaiból is következtethetünk az éghajlatra. Ha például nagyon megemelkedik a hőmérséklet, és le­csökken a csapadék mennyisége, vagyis félsivatagos ég­hajlat alakul ki, akkor a barlang felett gyakorlatilag meg­szűnik a talajban a szerves működés. Ilyenkor pedig a foszfor (amely általában a szerves molekulákkal mozog) nem képes mobilizálódni, így a cseppkőként kiváló mészkőnek lecsökken a foszfortartalma. Ha viszont meleg és csapadékos éghajlat jellemzi a térséget és az időszakot, akkor az intenzív szerves működés miatt sok foszfor fog elvándorolni a talajból. Hasonló módon egyéb kémiai és izotóp-összetételekből tudunk következtetni a cseppkőréteg képződésekor fennállt hőmérsékletre, csapadékmennyiségre, szezonalitásra. A különböző éghajlatjelző tulajdonságok, úgynevezett proxik együttes vizsgála­tát nevezzük multiproxi-elemzésnek.

Próbálunk olyan geológiai képződményeket keresni, amelyek magukba zárták az éghajlatváltozás bizonyos paramétereire utaló nyomokat, és a segítségükkel visszatekerhetjük az időt.

Ezt a tudást hogyan lehet felhasználni a jövőbeli klíma előrejelzésére?

– Globális klímamodellek már nagyon régen léteznek, de a hangsúly az utóbbi években eltolódott a minél nagyobb felbontású lokális modellek felé. A klímaváltozás nagyon különböző hatásokkal fog járni a bolygó, sőt Európa kü­lönböző régióiban. Ha meg akarjuk tudni – bizonyos való­színűséggel –, hogy milyen éghajlatra kell felkészülnünk Magyarországon az évszázad közepére vagy éppen 2100-ra, akkor olyan modelleket kell alkotnunk, amelyek specifikusan a Kárpát-Pannon régióra fognak működni. Ehhez azonban pontosan meg kell ismernünk az itteni klíma múltbéli alakulását. Bár jelenleg az ország jelentős területei – főképpen a dél-alföldi régió – haladnak a ki­szá­radás felé, egyáltalán nem biztos, hogy a hőmérséklet to­váb­bi emelkedésével tovább csökken majd a csapadékmennyiség. A paleoklimatológiai modellek ugyanis arra utalnak, hogy egy ponton megfordul majd e trend, és növe­kedni fog az ország területét jellemző csapadékmennyiség. E tudás hosszú távon életbevágó lehet a hatékony alkalmazkodás szempontjából.

Működik még egy kutatócsoport az Intézetben, amelynek neve, a NanoCave, egyszerre utal a nanoszerkezetekre és a barlangokra. Mivel foglalkoznak?

– A NanoCave kutatócsoport vizsgálatai átmenetet képeznek a gyémántkutatás és a cseppkőkutatás között, hiszen mindkettő nanométeres léptékű kristályszerke­zetekkel foglalkozik. A csoport tagjai transzmissziós elektronmikroszkóppal dolgoznak, ezzel vizsgálják az ásványi szerkezeteket. Az egyik vizsgált jelenséget még jóma­gam fedeztem fel Németh Péter közreműködésé­vel 2016-ban. Úgy találtuk, hogy a cseppkövek felületén nagyon furcsa folyamat játszódik le, ami befolyásolja a geokémiai összetételüket, és ezáltal a belőlük levonható paleoklimatoló­giai következtetéseket is; ez pedig a bakteriális karboná­tok jelenléte. Szinte minden kőzet felszínén élnek baktériu­mok, és a cseppkövek felszínén speciális amorf karboná­to­kat választanak ki, ami egy idő múlva kristályos kalcittá változik. E folyamat alapvetően megváltoztatja a cseppkőképződés folyamatát. Viszont ha elpusztulnak ezek a baktériumok, például a környezetszennyezés következtében, akkor megváltozik a cseppkövek kristályszerkezete is.

Bakteriális karbonát a Baradla-barlangból. A baktériumok felszínét 50–100 nm-es méretű amorf kalcium-karbonát (ACC) gömbök (fekete nyilak) borítják. A bakteriális tevékenység nyomait lyukak formájában (fehér nyilak) láthatjuk a kalcitkristályok felszínén. Az ACC-nek kulcsszerepe van a karbonátképződés és a biológiai ásványosodás megértésében, továbbá segíti a klímakutatás egyik legfontosabb anyagának, a barlangi karbonátképződményeknek a megismerését.

Vagyis a bakteriális karbonátok befolyásolják a csepp­kövek vizsgálatából levonható következtetéseket?

– Igen, mert ez a hatás jellemzően eltérő kalcitkristály-szerkezetet hoz létre. Ezt a jelenséget előttünk még sen­ki sem vizsgálta, pedig alapvető jelentősége van, ha a cseppköveket a paleoklíma vizsgálatához akarjuk hasz­­nálni. Emellett ezeknek a kutatásoknak alkalmazott tudományi hozadékuk is lehet. A baktériumok amorf karbonátokat választanak ki, és e kristályokat az ipar számos területen, például a kozmetikumok és a festékek gyártása során alkalmazza. Vagyis a természetesen képződő amorf kalcium-karbonátok vizsgálatával fejleszthetjük a mesterséges karbonátok gyártástechnológiáját is.•

Címlapkép: Depositphotos/grankin13d