Aktualności

Kontynenty wciąż rosną

Mapa świata z kontynentami i oceanami

grafika źródło Dreamstime

Kontynenty wciąż rosną
badania i nauka

Geolodzy widzą kontynenty takimi, jakie są – raczej stale się zmieniającymi, niż trwałymi na przestrzeni czasu. Projekt badawczy dr inż. Katarzyny Walczak z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska ma pozwolić lepiej poznać mechanizmy ich wzrostu.

Ameryka Północna, Ameryka Południowa, Europa, Azja, Afryka, Australia, Antarktyda – kiedy wyobrażamy sobie Ziemię, wyraźnie widzimy przed oczami zarys tych siedmiu kontynentów, które czynią naszą planetę unikatową w Układzie Słonecznym. Jednocześnie zdajemy sobie sprawę, że skorupa ziemska nie zawsze wyglądała w ten sposób.

Kontynenty stale się przemieszczają i zmieniają swoje kształty. Kiedyś ziemie współczesnej Ameryki Północnej i Grenlandii wchodziły w skład kontynentu Laurencja, a dzisiejsza północna Europa – kontynentu Baltica. Oddzielały je wody oceanu Japetus. Zdaniem naukowców zmieniło się to w sylurze – okresie geologicznym, który rozpoczął się około 443 miliony lat temu i trwał przez ponad 20 milionów lat. Mniej więcej wtedy te dwa kontynenty się zderzyły. Doszło do subdukcji – procesu, który zachodzi na styku płyt litosfery i polega na wciągnięciu jednej płyty litosfery pod drugą. Chociaż ten proces jest bardzo powolny, to gdy naprężenia stają się zbyt duże, może dojść do gwałtownego wyzwolenia energii, które skutkuje trzęsieniem ziemi. Piętrzący się w wyniku zderzenia materiał skalny może z kolei prowadzić do powstawania łańcuchów górskich jak Góry Skandynawskie, czyli struktur geologicznych, których kształty wciąż są widoczne na terenie współczesnej Europy.

Dawne wyspy wciąż czekają na odkrycie

Dr inż. Katarzyna Walczak była członkinią zespołu dr. inż. Jarosława Majki, prof. AGH, który prowadził badania właśnie w tym rejonie. Samo znalezienie tam śladów subdukcji nie było zaskakujące – znajomość genezy powstania łańcuchów skalnych wskazywała, że będą się tam znajdować. Jednak zamiast śladów pojedynczej subdukcji, naukowcy właściwie na całej rozciągłości kaledonidów skandynawskich znajdowali ślady świadczące o kilku kolejnych, następujących po sobie etapach subdukcji.

– Zaczęliśmy się zastanawiać: dlaczego wszędzie widzimy ślady kilku etapów? Doszliśmy do wniosku, że być może ocean Japetus, który dzielił wtedy Balticę i Laurencję, wcale nie wyglądał tak, jak my sobie wyobrażamy dzisiejszy Ocean Atlantycki. Może to wyglądało bardziej tak, jakby wyobrazić sobie obszar między Australią a Azją? Tam mamy mnóstwo wysp związanych z wulkanizmem i łuków wyspowych powstających w strefach subdukcji – mówi dr inż. Katarzyna Walczak.

Na korzyść teorii wysuniętej przez badaczy może świadczyć znalezienie na tych terenach zarówno zasadowych skał dna oceanicznego, jak i skał kwaśnych, które mogą wskazywać właśnie na obecność pomiędzy kontynentami łuków wyspowych albo mikrokontynentów.

Aby przekonać się, czy teoria jest słuszna, naukowcy postanowili przeprowadzić bardziej szczegółowe badania geologiczne rejonów prehistorycznego oceanu Japetus. Projekt „Jak rosną kontynenty? Kompleks płaszczowin Köli w Kaledonidach Skandynawskich jako naturalne laboratorium akrecji kontynentalnej” otrzymał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki. Dr inż. Katarzyna Walczak jest jego kierowniczką, a w skład zespołu wchodzą naukowcy z Katedry Mineralogii, Petrografii i Geochemii Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH oraz Wydziału Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska Uniwersytetu Wrocławskiego.

– Przede wszystkim chcielibyśmy określić, w jakich środowiskach powstawały te skały, które zostały akretowane (czyli przyłączone) do kontynentu Baltici i w jakim okresie czasu one powstawały – mówi o głównych celach projektu jego kierowniczka. – Takim pytaniem, które narosło z poprzedniego projektu jest to, jak wyglądał ten ocean, i jakie procesy na nim zachodziły, że doprowadziły do powstawania tej nowej skorupy kontynentalnej. Interesuje nas też sam proces powstawania tych łuków – czy one były związane z subdukcją, czy to były jakieś stare fragmenty kontynentów albo mikrokontynenty.

Obóz namiotowy nad brzegiem jeziora Láddejávrre. Fot. Katarzyna Walczak

Obóz namiotowy naukowców AGH. W centralnej części jezioro Láddejávrre, nad jeziorem cztery namioty. W tle widać góry częściowo pokryte śniegiem.

Niełatwo znaleźć, choć wiadomo czego szukać

Góry Skandynawskie, powstałe w wyniku zderzenia Laurencji i Baltici, mają genezę podobną do Himalajów i prawdopodobnie kiedyś przypominały te najwyższe obecnie góry także wyglądem. Przez miliony lat zdążyły już jednak wyerodować i obecnie są znacznie niższe. Dla badaczy to znaczące udogodnienie.

– Dzięki temu, że ten orogen jest wyerodowany, jest tak, jakby ktoś przekroił Himalaje i pozwolił nam zajrzeć do środka. Z geologicznego punktu widzenia dostęp do tych skał jest łatwy. Co więcej, Skandynawia, szczególnie północna, ma to do siebie, że tam szata roślinna jest na tyle skąpa, że te skały są w miarę dobrze odsłonięte. Nie musimy się ich doszukiwać ani się do nich dokopywać; możemy tam pójść, pobrać próbkę, obejrzeć jak wyglądają relacje między poszczególnymi skałami. Natomiast dostęp do samych terenów często jest utrudniony, bo wiele z nich należy do Saamów – natywnych mieszkańców północnej Skandynawii, którzy wypasają tam renifery i niechętnie zapraszają obcych. Nie ma tam ścieżek ani dróg – często to praca w izolacji, daleko w górach – opowiada badaczka.

Wyprawa musi być szczegółowo zaplanowana z wyprzedzeniem także z innych względów. Obszar, z którego można pobrać próbki skał jest ogromny, a ilość próbek, które badacze będą mogli pozyskać – ograniczona. Skały, z których pobierane są próbki charakteryzują się dużą gęstością, dlatego zbiór nawet niewielkich próbek waży w sumie setki kilogramów. Aby zoptymalizować ich pobieranie i upewnić się, że jak najwięcej z nich okaże się użytecznych w odpowiedzi na postawione pytania, naukowcy już zanim wyruszą w teren, muszą dokładnie wiedzieć czego i gdzie będą szukać.

– Z dużą pomocą przyszli nam pracownicy Szwedzkiej Służby Geologicznej, którzy udostępnili nam mapy tego terenu sporządzane w latach 70. i 80. ubiegłego wieku, a także podzielili się doświadczeniami pracy w tym terenie. Przed wyprawą musimy bardzo szczegółowo zaplanować co i gdzie pobieramy, a to często są miejsca, gdzie jesteśmy w stanie dolecieć tylko helikopterem albo dotrzeć pieszo, idąc kilka dni. Musimy więc uwzględnić jedzenie, spanie, pracę terenową, zaplanować jakie i ile próbek pobierzemy. Zazwyczaj na miejscu i tak weryfikuje się te plany, bo okazuje, że to, co my spotykamy, ma się nijak do map, albo są one zbyt ogólne.

Transport helikopterem w odległy teren badań. Fot. Katarzyna Walczak

Helikopter z napisem ARCTIC AIR tuż nad powierzchnią ziemi. W tle widać góry z miejscami pokryte śniegiem.

Nic nie stoi w miejscu

Praca geologów przypomina pracę detektywów – starają się odtwarzać przebieg procesów na podstawie odkrywanych śladów. Nawet, jeżeli badają procesy zachodzące obecnie, nie mogą obserwować ich bezpośrednio, ponieważ zachodzą na tyle wolno i w tak dużej skali, że dostrzeżenie ich gołym okiem nie jest możliwe (na przykład kontynenty wciąż przemieszczają się o kilka centymetrów rocznie).

Ze względu na trudności badawcze i złożoność zagadnienia nie możemy być pewni jak, krok po kroku, przebiegały procesy skutkujące obecnym wyglądem Ziemi. Wśród naukowców panuje jednak zgoda, że zanim wyodrębnił się jakikolwiek kontynent, kule ziemską okrywał niemal jednolity ocean magmy, który następnie stygł tworząc pierwszą skorupę. Zalążki obecnych kontynentów pojawiły się znaczenie później, gdy zaczął zachodzić proces dyferencjacji skorupy, czyli jej zróżnicowania się. W tym procesie zaczęły się wyodrębniać kwaśne skały, które posiadając mniejszy ciężar właściwy, mogły „unosić się” ponad gęstszą skorupą bazaltową. W ten sposób powstały pierwsze zalążki kontynentów.

Nie znaczy to jednak, że obecnie nie dochodzi już do żadnych zmian. Jak sugeruje tytuł projektu badawczego dr inż. Katarzyny Walczak kontynenty wciąż się zmieniają.

– „Nowe” skały kontynentów powstają głównie nad strefami subdukcji, gdzie cieńsza, gęstsza skorupa oceaniczna wnika z powrotem do wnętrza Ziemi, gdzie jest przetapiana, a powstała magma migruje w kierunku powierzchni tworząc skały magmowe. Procesy te możemy obserwować w łańcuchach wulkanicznych, zwanych „łukami wyspowymi”. Kontynenty powiększają swoje rozmiary dzięki sukcesywnemu dołączaniu skał łukowych do swoich krawędzi, czyli procesowi zwanemu akrecją.

Chociaż większą część kontynentów stanowią kratony (czyli najbardziej utwardzone, najstarsze fragmenty skorupy kontynentalnej, charakteryzujące się duża stabilnością), to przyrost kontynentów w strefach subdukcji wcale nie stanowi marginalnych części. Mogą to być setki kilometrów kwadratowych powierzchni, a co więcej – często bogatych w złoża cennych metali.

– Australia przesuwa się na północ i kiedyś zadokuje do Azji. Wtedy wszystkie łuki wysp znajdujące się obecnie na północ od niej zostaną włączone do kontynentu, zostaną wepchnięte na kontynent. A razem z nimi, zostaną wepchnięte fragmenty dna oceanicznego i osady, które zbierają się na tym dnie. Wtedy skorupa kontynentalna to nie będzie tylko Azja i Australia, tylko też to, co jest między nimi. I taka sytuacja musiała zajść również na styku Laurencji i Baltici czyli w dzisiejszych Górach Skandynawskich.

Doktorantka Isabel Carter (AGH, Upsala University) w trakcie prac terenowych. Fot. Katarzyna Walczak

Doktorantka AGH w trakcie badań terenowych stoi na skałach przy linii brzegu. Z lewej strony widać wodę, w górnej części zdjęcia skały porośnięte są trawą.

Wszystko zostawia ślad

Wykorzystywane metody możemy podzielić na dwie kategorie.

Pierwsze są związane z geochronologią – ich celem jest określenie wieku zachodzenia procesów geologicznych. Izotopowe metody datowania, stosowane do określania wieku powstawania skał magmowych, w ostatnich latach dynamicznie się rozwijały. Dzięki ich obecnemu poziomowi zaawansowania naukowcy będą mogli poznać wiek poszczególnych mas skalnych przyłączanych do kontynentu w procesie akrecji. Takie badania polegają na mierzeniu stosunków zawartości poszczególnych izotopów uranu i ołowiu w maleńkich kryształach cyrkonu, które z kolei pozwalają na wyliczenie wieku krystalizacji tego minerału z magmy. W skałach, które nie zawierają cyrkonu, można zastosować podobne metody dla minerałów takich jak rutyl czy baddeleyit. Do przeprowadzania takich analiz służy spektrometr masowy, czyli urządzenie, do którego wprowadza się maleńką część minerału i który pozwala poznać jego skład izotopowy. Taką niewielką ilość materiału „pobieramy” np. przy pomocy lasera – odparowuje się maleńką ilość minerału i ta odparowana część wysyłana jest dalej do spektrometru, gdzie wykonany zostaje pomiar.

Druga grupa metod badawczych wykorzystywanych do poszerzenia wiedzy o procesach geologicznych ma na celu wnioskowanie o środowisku tektonicznym, w jakich te procesy miały miejsce.

Badania geochemiczne są jak odczytywanie „odcisku palca” środowiska tektonicznego w skałach magmowych. Dzięki nim możemy wnioskować w jakim środowisku powstawały badane skały.

Część próbek skalnych pobranych w trakcie prac terenowych zostanie rozkruszona, zmielona i uśredniona, by zawierała elementy z całej skały. Na tak przygotowanej próbce zostaną przeprowadzone zarówno badania chemiczne, jak i badania izotopowe.

– To pozwoli nam odpowiedzieć na pytania dotyczące powstawania tej konkretnej skały. Zawartości poszczególnych pierwiastków budujących skałę, ale przede wszystkich pierwiastków śladowych, czyli tych których w skale jest naprawdę mało, są wskaźnikami środowiska tektonicznego, w jakim powstawała skała. Pozwolą nam odpowiedzieć np. na pytania jakie były źródła magmy z której powstawały, czy ich powstawanie było związane z kolizją kontynentalną, czy ich geneza związana jest ze środowiskami kontynentalnymi czy oceanicznymi. Badania geochemiczne zostaną uzupełnione analizami izotopów ołowiu i neodymu w tych samych skałach. Dodatkowo zostaną przeprowadzone badania izotopów hafnu i tlenu w cyrkonach – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Walczak.

Cyrkony to minerały, które są bardzo wytrzymałe, więc często przechodzą przez różne etapy – powstają, krystalizując najczęściej z magmy, następnie „przeżywają” erozje tych skał, są deponowane w osadach, później te osady mogą być metamorfizowane, przetapiane lub metamorfizowane i przetapiane. Cyrkony mogą zatem zawierać w sobie zapis czasem kilku wydarzeń geologicznych. Możemy mieć zatem magmę, która powstaje gdzieś w środku kontynentów, gdzie taki minerał będzie „produkowany”, później wraz z erodowanym materiałem cyrkon znoszony jest do oceanu, gdzie razem z innymi minerałami tworzy osad, następnie jest „pochłaniany” przez strefę subdukcyjną, gdzie – poprzez przetopienie materiału – znowu powstaje magma. Dzięki badaniom składu chemicznego oraz właśnie sygnatur izotopowych hafnu i tlenu w cyrkonie, możemy wnioskować, w jakich warunkach dana część cyrkonu powstała, czyli wnioskować o wydarzeniach, o tym jaką drogę przeszły te minerały.

Jest to możliwe dzięki temu, że izotopy różnych pierwiastków wybierają pewne środowiska chętniej od pozostałych. Na przykład izotopy tlenu różnią się ciężarem, woda bogatsza w lżejsze izotopy tlenu będzie parowała chętniej niż ta bogata w cięższe izotopy. Dlatego można się spodziewać, że cięższe izotopy tlenu będą związane bardziej z wodą morską, a lżejsze – z wodą opadową, czyli środowiskiem bardziej kontynentalnym.

– Badania geochemiczne skał przyłączonych do Baltici były prowadzone głównie prawie 40 lat temu, a dotychczas wykonanych zostało niewiele zaawansowanych, nowoczesnych badań geochemicznych i izotopowych, mogących dostarczyć większej ilości szczegółów na temat źródeł skał magmowych i procesów, w których powstawały. Stąd planowane przez nas systematyczne zastosowanie takich metod w celu określenia czasu i środowiska powstawania terenów Japetusa oraz ich ewolucji i akrecji. Mamy nadzieję, że zastosowanie nowoczesnego podejścia do problemu pozwoli nam uzyskać znacznie pełniejszy obraz procesów tektonicznych prowadzących do formowania się i wzrastania nowej skorupy kontynentalnej – podsumowuje naukowczyni z AGH.

Sprzęt niezbędny w pracy terenowej. Fot. Katarzyna Walczak

Na skalistym podłożu leży sprzęt do pracy w terenie, min. młotek, ołówki, notes.

Inne artykuły z kategorii Nauka

Najnowsze artykuły