Orogen Dynamics Team zagląda do wnętrza Ziemi

Mający siedzibę w AGH Orogen Dynamics Team to międzynarodowy zespół geologów, który ślady procesów zachodzących głęboko we wnętrzu Ziemi odnajduje w górach. Metody pracy uczonych, historię oraz nowe projekty grupy poznajemy dzięki rozmowie z kierownikiem zespołu dr. hab. inż. Jarosławem Majką, profesorem na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska.

Naukowcy odkrywają te szczególne formy dzięki temu, że uprzednio pogrążone fragmenty płyty oceanicznej wynoszone są z powrotem na powierzchnię w trakcie orogenezy. Górotwory natomiast stale erodują, odsłaniając skały metamorficzne, czyli uformowane właśnie m.in. w warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury. Członkowie Orogen Dynamics Team szukają ich nawet w surowych i odludnych obszarach arktycznych: na Spitsbergenie, Wyspie Ellesmere’a czy Grenlandii.

Zagadkowe eklogity

Kiedy geolodzy natrafią na interesujący egzemplarz, poddają go dokładnym analizom laboratoryjnym. Jak przebiegają takie dociekania, pokazuje przykład odkrycia w Górach Skandynawskich dokonanego przez Michała Bukałę (dr, PAN) i Christophera Barnesa (dr, PAN), ówczesnych doktorantów prof. Majki w AGH. Natrafili oni na skały, które sklasyfikowali jako eklogity. Skały tego typu charakteryzuje zdolność do akumulacji dużej ilości minerałów uwodnionych, czyli zawierających w składzie chemicznym wodę. W tym przypadku zostały jednak w pewnym momencie fluidu pozbawione.

Uwagę uczonych zwróciło też, że zostały zdeformowane w sposób kruchy, do czego normalnie nie powinno dojść na dużej głębokości przy stosunkowo wysokiej temperaturze, czyli w warunkach, w których skały wykazują właściwości plastyczne. – Początkowo nie wykluczaliśmy, że mogło do tego dojść później, podczas ekshumacji. Wykorzystując jednak m.in. badania z użyciem mikrotomografu rentgenowskiego, ustaliliśmy, że spękania są wypełnione fazami wysokociśnieniowymi. To oznacza, że do powstania spękań musiało dojść w bardzo wysokim ciśnieniu i dość wysokiej temperaturze, a więc na dużej głębokości – opowiada kierownik Orogen Dynamics Team.

Ostatecznie geolodzy doszli do wniosku, że minerałami uwięzionymi w skale, które zostały pozbawione fludiu, były lawsonit i glaukofan. Kiedy po subdukcji została ona poddana wysokiej temperaturze, minerały zaczęły uwalniać wodę. Spowodowało to wzrost ciśnienia fluidu wewnątrz skały, w efekcie czego doszło do jego gwałtownego uwolnienia (hydroszczelinowania) i jej rozsadzenia.

– Natrafiliśmy prawdopodobnie na miejsce będące hipocentrum potężnego zdarzenia sejsmicznego bądź leżące w jego bezpośrednim sąsiedztwie. Podobne zjawisko wywołało trzęsienie ziemi w meksykańskim Chiapas w 2017 roku, gdzie hipocentrum trzęsienia również znajdowało się w obrębie płyty subdukującej. Normalnie nie możemy takich zdarzeń obserwować, w przeciwieństwie np. do słynnego uskoku San Andreas, gdzie hipocentra występują na bardzo małych głębokościach. Jest to dla mnie najbardziej ekscytujące odkrycie ostatnich trzech lat – podkreśla prof. Majka.

Początki Orogen Dynamics Team

Początki Orogen Dynamics Team sięgają 2015 roku, kiedy prof. Majka utworzył zespół w AGH, korzystając z grantu SONATA BIS. Geolog zdobył wcześniej bogate doświadczenie naukowe. Studia ukończył w Akademii Górniczo-Hutniczej, gdzie miał okazję u boku prof. dr. hab. inż. Macieja Maneckiego oraz dr. inż. Jerzego Czernego, a pod opieką prof. dr. hab. inż. Andrzeja Maneckiego, prowadzić badania w Arktyce. Po obronie doktoratu został zaproszony do pracy przez Słowacką Akademię Nauk, gdzie jego zainteresowania naukowe koncentrowały się głównie na Karpatach.

Później przyszedł czas na Uniwersytet w Uppsali. – To był powrót do Arktyki, ponieważ osobą, która mnie tam zaprosiła, był prof. David Gee – żywa legenda badań arktycznych. Uczyłem się u boku jego i innych osób, które poznawałem. Około 2014 roku pojawiły się czas i możliwości, żeby postawić nogę z powrotem w Alma Mater i zbudować zespół – opowiada prof. Majka.

Początkowo zatrudnienie w grupie znalazło kilka osób, obecnie jest ich kilkanaście – afiliowanych nie tylko przy Akademii Górniczo-Hutniczej, ale też przy innych uczelniach i instytucjach naukowych. Ważną rolę odgrywają związki z Uniwersytetem w Uppsali, który obok AGH nadal stanowi miejsce zatrudnienia prof. Majki i – jak mówi – wysuniętą bazę Orogen Dynamics Team. Afiliowani przy zespole doktoranci otrzymują dyplom dwóch uczelni, a samodzielni uczeni mają w Szwecji status badacza wizytującego. Tym pierwszym tamtejsze prawo umożliwia również promocję magistrantów, co stanowi wartościowy element w ich naukowym CV.

– Grupa łączy ludzi w różnym wieku, zarówno tych, dla których pierwszym miejscem pracy jest AGH, jak i osoby afiliowane przy innych ośrodkach polskich i zagranicznych. Są u nas osoby z różnych kręgów kulturowych i różnych narodowości. Mamy dobry balans jeśli chodzi o wiek, płeć i doświadczenie – podkreśla kierownik grupy.

Prof. Majka dodaje, że struktura grupy ma otwarty charakter, a każdy z członków zobowiązany jest do pomocy innym. Szczególnie dotyczy to tych, którzy są na dalszych etapach kariery naukowej.

– W niektórych kręgach wzbudza czasem zdziwienie, że wszyscy mówimy sobie po imieniu, nie zwracając uwagi, jaki kto ma tytuł czy stopień naukowy. To nie są ważne sprawy. Istotne, żeby ludzie się wzajemnie szanowali i czuli w naturalny sposób, że choć w pewnych sytuacjach muszą okazywać innym respekt, to na co dzień są grupą znajomych. Kiedy będą się ze sobą dobrze czuć, będę też razem dobrze pracować – zdradza swoją receptę na kierowanie zespołem.

Nowe projekty: badania w Pienińskim Pasie Skałkowym i odkrywanie tajemnic kwarcu

W najbliższym czasie członkowie Orogen Dynamics Team afiliowani przy Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska rozpoczną realizację trzech nowych projektów, które uzyskały dofinansowanie z Narodowego Centrum Nauki. Koordynatorem jednego z nich będzie prof. Majka. Ma on szansę zmodyfikować model ewolucyjny zamknięcia Tetydy alpejskiej i zaktualizować wiedzę o powstaniu Zachodnich Karpat.

Uwaga uczonych skupia się głównie na Pienińskim Pasie Skałkowym, który zdaniem geologów jest powierzchniowym przejawem głębszej struktury, sięgającej prawdopodobnie płaszcza ziemskiego. Jest on uważany za tzw. szew tektoniczny, czyli miejsce zetknięcia dwóch płyt kontynentalnych, rozdzielonych wcześniej płytą oceaniczną. Zwykle w takich miejscach powinny znajdować się pozostałości tej ostatniej i skały metamorficzne, przede wszystkim wysokociśnieniowe. We wspomnianym rejonie ich jednak brakuje. Naukowcy zadają wobec tego pytanie: czy zostały one głęboko pogrążone, zerodowane czy utracone w inny sposób?

W celu udzielenia odpowiedzi uczeni planują m.in. zakrojone na szeroką skalę badania petrologiczne. – Kiedy patrzymy na tzw. materiał detrytyczny, czyli obsypujący się z erodowanych skał, i minerały odporne na erozję oraz wietrzenie, widzimy zestaw, który pasuje. Wiele osób nad tym pracowało, my jednak chcemy pójść krok dalej. Planujemy zbadać, w jakich warunkach powstały niektóre z tych minerałów, i je datować. Jeśli uzyskamy warunki ciśnienia i temperatury oraz wiek zbieżny ze znanym nam okresem przebiegu procesu subdukcji i kolizji, wówczas nasze hipotezy się potwierdzą – wyjaśnia prof. Majka.

Analizy petrologiczne zostaną uzupełnione o badania geofizyczne, których wynikiem będzie zobrazowanie wgłębnej struktury skorupy i górnego płaszcza ziemskiego w interesującym uczonych obszarze, czyli de facto od Krakowa po Eger na Węgrzech.

Nową wiedzę o kwarcu i jego wysokociśnieniowym analogu – koezycie – ma szansę przynieść projekt dr inż. Karoliny Kośmińskiej. Minerał ten powszechnie występuje w skałach metamorficznych, jednak wciąż skrywa przed geologami wiele tajemnic. Żeby dowiedzieć się o nim więcej, uczeni chcą poddać szerokiemu spektrum badań petrologicznych naturalne okazy z Alp, Spitsbergenu i Skandynawii. Będą też badać próbki, które sami spreparują w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.

Przy okazji sprawdzą również, czy technika obrazowania oparta na impedancji akustycznej, stosowana wcześniej do badania skał osadowych, sprawdzi się również w przypadku skał metamorficznych. Jeśli tak, naukowcy spróbują na tej podstawie skalibrować nowe narzędzie do geotermobarometrii. – Dzięki niej będziemy chcieli się dowiedzieć, w jakich warunkach skała wynurzona do powierzchni osiągała równowagę – uzupełnia prof. Majka. Badania będą prowadzone we współpracy z prof. dr. hab. inż. Tadeuszem Stępińskim z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki.

Szacowanie ilości dwutlenku węgla uwięzionego w litosferze

Nie tylko odpowiedzi na pytania o dzieje Ziemi, ale też podstaw do rozważań o przyszłości naszej planety może dostarczyć projekt dr Alessii Borghini, która do AGH trafiła z Uniwersytetu w Poczdamie.

Dr Borghini w ramach kierowanego przez siebie projektu zajmie się głębokim obiegiem substancji lotnych (np. woda, dwutlenek węgla, chlor, fluor, brom czy jod), który zachodzi podczas subdukcji płyty kontynentalnej, kiedy dwa kontynenty kolidują ze sobą. Pogrążana płyta w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury może podlegać procesom dehydratacji i częściowego przetapiania, uwalniając substancje lotne do płaszcza ziemskiego.

W celu zbadania tego procesu geolożka planuje poddać analizie skały swoiste dla płaszcza zawierające minerały, które posiadają zdolność do akumulacji interesujących ją substancji. Materiał do badań zostanie pobrany w Górach Skandynawskich, Masywie Czeskim i Alpach Julijskich. Na ich podstawie uczona zamierza opisać model ich obiegu w trakcie orogenez, podczas których powstały wymienione wypiętrzenia, czyli dla znacznej części fanerozoiku (między 420 a 90 mln lat temu).

Wyniki badań mogą mieć znaczenie w kontekście lepszego zrozumienia zmian klimatu na Ziemi. Substancje lotne uwolnione w trakcie subdukcji płyty oceanicznej do płaszcza ziemskiego są częściowo emitowane do atmosfery w trakcie procesów wulkanicznych, natomiast w przypadku subdukcji płyty kontynentalnej proces ten nie zachodzi i wspomniane związki są prawdopodobnie magazynowane w płaszczu, w tym odgrywający kluczową rolę w efekcie cieplarnianym dwutlenek węgla.

O ile pierwszy casus został przez naukowców dobrze opisany liczbowo, o tyle drugi wciąż kryje wiele niewiadomych. – Gdyby uczeni zajmujący się zmianami klimatycznymi chcieli sięgnąć np. do danych mówiących o tym, jak długo recyklowany jest węgiel czy inne pierwiastki, nie ma ich bądź istnieją w formie fragmentarycznej. Dr Borghini ma zaawansowane badania za sobą, pewne koncepcje w tym zakresie i pracę w recenzji w renomowanym magazynie „Science”. Teraz chce pójść krok dalej i będzie kontynuować swoje badania w naszym zespole, jako beneficjentka prestiżowego programu UE Marie Skłodowska-Curie Actions – mówi prof. Majka.