Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Dr hab. Aleksandra Gawęda z Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Ślaśkiego zajmuje się badaniami rozwoju masywu krystalicznego Tatr.

Jednym z celów prowadzonych badań peleograficznych jest rekonstrukcja dawnego położenia kontynentów, mórz i oceanów oraz charakterystyka procesów, które miały wpływ na geografię Ziemi sprzed milionów lat. 

– Analizy paleogeograficzne są o tyle ważne, że zmiany dokonujące się kilkaset wieków temu nie zakończyły się jeszcze i trwają nadal. Dziś otwiera się Ocean Atlantycki czy Morze Czerwone. Potężne trzęsienie ziemi na Sumatrze, które miało miejsce w 2016 roku, było efektem m.in. nasuwania się na siebie ogromnych płyt tektonicznych – wyjaśnia dr hab. Gawęda.

Rekonstrukcje wydarzeń z przeszłości pozwalają zatem nie tylko wyjaśniać efekty dynamicznych procesów zachodzących we wnętrzu i na powierzchni Ziemi, lecz również mogą wiele powiedzieć o tym, co naszą planetę czeka w najbliższej geologicznej przyszłości. Naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego zwraca uwagę na jeszcze jeden ważny aspekt. Rekonstrukcje paleogeograficzne zostały już opracowane dla sporej części łańcuchów górskich kontynentu eurazjatyckiego. Badania te prowadzone są równolegle w wielu ośrodkach naukowych świata. Istnieje jednak znacząca luka w otrzymanych dotychczas wynikach i dotyczy ona właśnie obszaru znajdującego się na terenie Polski.

– Dostępne dziś interpretacje kończą się w punkcie zetknięcia łańcucha Alp i Karpat. Dalej analizowana jest paleogeograficzna przeszłość azjatyckich pasm górskich. Tymczasem przez terytorium naszego kraju przebiega granica bardzo ważnej z punktu widzenia paleogeografii płyty wschodnioeuropejskiej, dlatego, prowadząc nasze badania, staramy się wypełnić brakujące fragmenty opowieści o geologicznej przeszłości naszego kontynentu – tłumaczy badaczka.

Zestawienie dat badanych próbek skał wraz z odtworzonymi procesami, które w tym czasie zachodziły, oraz połączenie wyników badań z analizami prowadzonymi na obszarach wschodnich i zachodnich pasm górskich pozwoli odtworzyć pełny obraz paleogeograficzny dzisiejszego obszaru eurazjatyckiego.

Część badań wpisujących się w tę tematykę realizowana była przez dr hab. Gawędę w ramach grantu dotyczącego prewaryscyjskiego rozwoju masywu krystalicznego Tatr. Jego celem było m.in. określenie wieku izotopowego skał zwanych amfibolitami oraz przebadanie pozostałości skał płaszcza Ziemi – eklogitów – zaklinowanych w różnych strefach tektonicznych. Naukowcy chcieli również określić tempo wynoszenia masywu Tatr po kolizji waryscyjskiej oraz przebadać efekty tego wynoszenia.

– Wydawać by się mogło, że tak dobrze znane góry jak Tatry nie kryją już żadnych tajemnic, a ich geologiczna historia została dobrze poznana. Nic bardziej mylnego! Wyniki otrzymane przez mój zespół pozwalały obalać kolejne mity narosłe wokół geologicznej przeszłości tego pasma – przekonuje dr hab. Gawęda. Zanim jednak zostały przeprowadzone badania właściwe zgromadzonego materiału, zespół naukowców musiał starannie wyselekcjonować próbki do badań.

– Nigdy nie pobieramy materiału przypadkowo. Musimy wcześniej bardzo dobrze poznać teren i przeprowadzić wstępne analizy, by potem rozpocząć właściwy etap badań geologicznych – mówi dr hab. Gawęda.

Na początku zawsze przeglądane są mapy geologiczne, topograficzne i satelitarne. Nic jednak nie zastąpi dokładnego dokonywanego na miejscu zapoznania się z ukształtowaniem terenu. Pierwsze próbki poddawane są analizom petrograficznym i geochemicznym, a następnie izotopowym, by można było odszukać materiał pasujący do założeń badawczych. Dopiero wtedy naukowcy ponownie ruszają w Tatry, by po uzyskaniu odpowiednich pozwoleń Tatrzańskiego Parku Narodowego pobrać trzy do pięciu pięćdziesięciokilogramowych prób materiału skalnego do badań właściwych. Skały pochodzą zazwyczaj z nieporośniętych skał pionowych i zlokalizowane są poza tatrzańskimi szlakami turystycznych. Dopiero ten materiał pozwala badaczom ustalić daty i opisywać procesy, które w tym okresie historycznym miały miejsce i ukształtowały geologicznie badane struktury.

Zadanie datowania skał pochodzących z płaszcza Ziemi jest jednak o tyle trudne, iż jedynym minerałem umożliwiającym datowanie, który przetrwał wysokie temperatury i ciśnienia, jest cyrkon o wzorze ZrSiO₄. Jednak jego obecność w pierwotnej magmie bazaltowej uzależniona jest od szeregu czynników, takich jak koncentracja krzemionki (SiO₂), zawartość pierwiastka cyrkonu (Zr), lotności tlenu itp. Na ogół w badanych przez naukowców skałach z płaszcza Ziemi szansa na znalezienie tego minerału jest niewielka, dlatego wyseparowanie odpowiedniej liczby ziaren o sporej wielkości (minimum kilkadziesiąt mikrometrów) wymaga żmudnej pracy na kilkudziesięciu kilogramach skał pobieranych w terenie i transportowanych na własnych plecach z grani głównej Tatr.

– Pracując w ekstremalnych warunkach terenowych, opróbowaliśmy wybrane odsłonięcia dobrze rokujące dla separacji cyrkonów i... odnieśliśmy sukces. Nie tylko przeprowadziliśmy datowanie zgromadzonego materiału, lecz również opisaliśmy procesy, które doprowadziły do powstania takiej struktury Tatr, jaką obserwujemy dzisiaj – dodaje.

Wszystkie informacje o przeszłości geologicznej badanych zmian zapisane są zatem w wyselekcjonowanych próbkach cyrkonu.

– Teraz interesuje nas przekrój minerału, jądro oraz jego kolejne strefy różniące się od siebie datą powstania i procesem geologicznym, w wyniku którego się pojawiły. Badając strukturę, dopasowujemy wydarzenie z przeszłości geologicznej do okresu liczonego w milionach lat – opowiada dr hab. Gawęda. – Innymi słowy, strefy tworzące strukturę przekroju cyrkonu, liczące zaledwie kilkanaście mikrometrów, niosą informacje o wydarzeniach geologicznych sprzed kilkuset milionów lat. Jednym z efektów badań było opisanie procesów, które zaszły w okresie orogenezy waryscyjskiej w Tatrach, a zatem około 350– 340 mln lat temu.

Jak wyjaśnia dr hab. Gawęda, nastąpiła wtedy ostateczna kolizja płyt kontynentalnych i związany z nią tzw. intensywny magmatyzm granitoidowy. Te wydarzenia zapisane są głównie w skałach Tatr Wysokich stanowiących niezwykle interesujący przykład mieszania magm o różnym pochodzeniu. Wytłumaczenia takiej zmienności składu chemicznego, fazowego i izotopowego teoretycznie bardzo prostych skał granitowych należy szukać w historii powstania i ewolucji magmy będącej efektem topienia bardzo zróżnicowanych skał z górnej i dolnej skorupy kontynentalnej oraz z górnego płaszcza.

– Takie pomieszania magm najczęściej powstaje, gdy zsuwająca się (subdukująca) płyta oceaniczna ulega zerwaniu i opada w płaszcz. Powoduje to lokalny brak równowagi i powstałe stopy krzemianowe mają takie właśnie mieszane charakterystyki – wyjaśnia dr hab. Gawęda i dodaje, że Tatry wciąż jeszcze kryją wiele tajemnic ze swojej przeszłości geologicznej, które zamierza konsekwentnie odkrywać. 

Małgorzata Kłoskowicz

Pelna wersja artykułu ukazała się drukiem w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 2017 244 (4) styczeń]