Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

W ostatniej dekadzie jesteśmy świadkami wzrostu zainteresowania hipogenicznymi (w języku polskim używa się również określenia hypogeniczny) modelami rozwoju krasu i jaskiń. W przeciwieństwie do klasycznych modeli, o których uczymy się z podręczników, są one oparte na założeniu, że rozwój jaskiń może zachodzić również dzięki ruchowi ku górze – ascenzji wód podziemnych związanych z głębokim krążeniem w skorupie ziemskiej. Część tych wód nigdy nie miała kontaktu z atmosferą i powierzchnią Ziemi, są to tzw. wody juwenilne, pochodzące z procesów geologicznych we wnętrzu Ziemi. Wody uczestniczące w procesach hipogenicznych mogą być również wodami atmosferycznymi, które w głąb infiltrowały z powierzchni Ziemi. Głębokie krążenie wód podziemnych daje im możliwość kontaktu z różnymi warunkami w skorupie ziemskiej, a co za tym idzie możliwość ich podgrzania i nasycenia substancjami chemicznymi sprzyjającymi wzrostowi ich agresywności w stosunku do otaczających skał (np. dwutlenek węgla, siarkowodór). Dla rozwoju procesów hipogenicznych, a w efekcie powstawania jaskiń tego typu są predysponowane obszary występujące w strefach aktywności tektonicznej lub wulkanicznej.

Modele hipogeniczne (jest ich wiele, w zależności od głównego czynnika decydującego o agresywności wód penetrujących skały) rozwoju jaskiń pozwalają na rozwiązanie, przynajmniej części, przypadków trudnych do wyjaśnienia za pomocą klasycznych procesów rozpuszczania skał węglanowych pod wpływem wody opadowej nasyconej dwutlenkiem. Procesy hipogeniczne są aktywne współcześnie w wielu obszarach na świecie, najbliżej nas w miejscu znanych kąpielisk termalnych – na Słowacji (np. Beszeniowa, Wyżnie Drużbaki) czy w Czechach (np. Teplice nad Beczwą z udostępnionymi do zwiedzania Zbraszowskimi Jaskiniami Aragonitowymi i słynną Hranicką Przepaścią, poznaną do głębokości niemal 400 m i wypełnioną słabym kwasem węglowym). W jaskiniach występujących w takich obszarach stosunkowo łatwo rozpoznać jest przejawy działania procesów hipogenicznych – asocjacje różnych minerałów tworzących skupienia na ścianach, podwyższona zawartość dwutlenku węgla w atmosferze jaskini oraz morfologia korytarzy jaskiniowych, wskazująca na działanie całego frontu rozpuszczania skał skierowanego ku górze. Bardzo skomplikowanym zadaniem badawczym jest rozpoznanie efektów działania takich procesów w obszarach, w których były one aktywne wiele milionów lat temu, i to w warunkach geologicznych zupełnie odmiennych od współczesnych. Najczęściej jedynym reliktem etapu hipogenicznego w rozwoju jaskiń takich obszarów są zachowane fragmenty form na ścianach i stropie korytarzy jaskiniowych, sam układ tych korytarzy, świadczące o dawnych zjawiskach ascenzji. Zadanie to jest dodatkowo utrudnione przez powszechne w przyrodzie zjawisko konwergencji morfologicznej – podobieństwa form, będących wynikiem różnych procesów (np. pod względem formy kratery na Księżycu są podobne do dużych lejów krasowych na Ziemi, ich geneza jest jednak skrajnie różna). Konwergencja odnosi się również do rzeźby jaskiń.

Efektem coraz większego zainteresowania nauk o Ziemi badaniami jaskiń hipogenicznych są coraz liczniejsze konferencje i publikacje. Ważną rolę w poznawaniu i wykorzystaniu modeli hipogenicznych do wyjaśnienia zagadkowych zjawisk w obszarach krasowych w różnych zakątkach Ziemi odgrywają, zainicjowane w ostatnich latach, międzynarodowe projekty badawcze. Złożoność zjawisk hipogenicznych, a jednocześnie ich uniwersalne występowanie, niezależne od położenia i warunków klimatycznych są przedmiotem projektu badawczego Hypogene Caves Morphology – Europe/Australia Comparison (Morfologia jaskiń hipogenicznych – badania porównawcze w Europie i Australii) – HYPOCAVE. W ramach tego projektu, współpraca naukowców z Polski (Uniwersytet Śląski w Katowicach – koordynator projektu), Słowenii (Instytut Badań Krasu Słoweńskiej Akademii Nauk i Sztuki) i Australii (Uniwersytet w Sydney) była w latach 2010–2013 finansowana przez Komisję Europejską (7 Program Ramowy, działania „Marie Curie”) oraz rząd Australii. Naukowcy zajęli się próbą wyjaśnienia genezy jaskiń, których morfologia jest trudna do wytłumaczenia klasycznymi modelami rozwoju krasu, a nie występują one w obszarach współcześnie aktywnych procesów hipogenicznych. Wybrane do badań jaskinie na Wyżynie Krakowsko-Częstochowskiej (popularnie nazywanej Jurą), nie dość że powstały ponad 5 milionów lat temu, to w okresie ostatnich dwóch milionów lat były kilkakrotnie poddawane surowemu klimatowi glacjalnemu. Ponadto znaczna ich część została dodatkowo zniszczona w wyniku eksploatacji żył kalcytu, używanego w XIX i pierwszej połowie XX wieku w przemyśle szklarskim. Z kolei jaskinie na terenie wschodniej Australii (Capricorn Caves w okolicy Rockhampton w stanie Queensland oraz Wellington Caves w Nowej Południowej Walii) powstały niemal 200 milionów lat temu i wielokrotnie były wypełniane osadami, a następnie z nich opróżniane. Dlatego historia naturalna jaskiń tych regionów jest zagadnieniem nadal nierozwiązanym. Obszary krasowe Słowenii są natomiast podawane jako podręcznikowe przykłady klasycznego modelu rozwoju jaskiń, a udział procesów hipogenicznych w ich genezie nie był tu dotychczas rozpatrywany. Do badań wybrano więc kilka „dziwnych”, niepasujących do obowiązujących modeli, jaskiń na pograniczu Gór Dynarskich i Alp. Synergiczność działania specjalistów w dziedzinie nauk o Ziemi (mineralogów, sedymentologów, geochemików, geomorfologów czy speleologów) oraz komplementarność zaplecza laboratoryjnego, pozwoliły na efektywne i twórcze wykorzystanie potencjału instytucji uczestniczących w projekcie.

Projekt HYPOCAVE nie zakończył się z chwilą rozliczenia środków z Komisji Europejskiej i merytorycznie jest kontynuowany przez powstały międzynarodowy zespół badawczy, poszerzany o kolejnych naukowców. Jednym z interesujących kierunków badań prowadzonych aktualnie w ramach HYPOCAVE jest próba poznania przyczyny i roli procesu dedolomityzacji w hipogenicznej genezie owych „dziwnych” jaskiń w Słowenii (m.in. jaskini Mravljeto brezno v Gošarjevih rupah). Dedolomityzacja, czyli przeobrażenie minerału dolomitu w kalcyt (dedolomit), jest procesem znanym od połowy XIX wieku, opisanym przez Adolfa von Morlota (szwajcarski badacz znany m.in. z faktu przeprowadzenia pierwszej syntezy minerału dolomitu w warunkach laboratoryjnych). Jeszcze do niedawna dedolomityzacja była uważana jedynie za proces diagenezy skał węglanowych, będący efektem zaburzenia równowagi stosunku wapnia i magnezu w tych skałach, głównie w celu wyjaśnienia procesów sedymentacyjnych. Słoweński przypadek badany w ramach projektu HYPOCAVE jest jednak inny. Jaskinie rozwinęły się w dedolomicie, zabarwionym dodatkowo związkami żelaza (specyficzny pomarańczowy kolor, kontrastujący z szarością pierwotnej skały), powstałym w wyniku procesu przeobrażenia dolomitu pod wpływem roztworów, bogatych w siarczany, migrujących ku powierzchni wzdłuż szczelin uskokowych. Choć cały zespół badanych jaskiń leży dziś poza zasięgiem aktywnych procesów hipogenicznych, to jest on położony w strefie jednego z najważniejszych uskoków tektonicznych Gór Dynarskich – uskoku Idrija, gdzie lokalnie występują studnie głębinowe i źródła wód bogatych w siarkowodór.

Nowatorski model genezy jaskiń w dedolomitach został przygotowany do druku przez zespół autorski – B. Otoničar, Y. Dublyansky, A. Osborne, A. Tyc, S. Philipp, w artykule „Cave inception in dedolomite (a case study from central Slovenia)”. Będzie on prezentowany na organizowanej w kwietniu 2016 roku w Carlsbad (Nowy Meksyk, USA) konferencji DEEP KARST 2016 – Origins, Resources and Management of Hypogene Karst. Aktualnie trwają również badania izotopowe (izotopów stabilnych siarki), które pozwolą na ustalenie genezy siarczanów biorących udział w procesie dedolomityzacji pierwotnych skał masywu. Śladowe ilości siarczanu wapnia (gipsu) zostały stwierdzone na kontakcie dedolomitu ze skałą nieprzeobrażoną w badanych jaskiniach Gór Dynarskich.

Opracowanie: 
Dr Andrzej Tyc (Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego)