– Moja pierwsza wyprawa geologiczna w Tatry odbyła się pod koniec lat 80. ubiegłego wieku. Kiedy z ekipą wracaliśmy z materiałem badawczym na skróty do schroniska, pogoniło nas stado jeleni. Musieliśmy zawrócić i do schroniska dotarliśmy dopiero po północy – wspomina dr hab. Aleksandra Gawęda z Katedry Geochemii, Mineralogii i Petrografii (WNoZ). Tak dramatyczne wydarzenia nie przestraszyły jednak młodej adeptki geologii, która od prawie 30 lat zajmuje się badaniem geologicznej przeszłości Tatr.

Dr hab. Aleksandra Gawęda z Wydziału Nauk o Ziemi UŚ

Obalanie mitów

Dr hab. Aleksandra Gawęda przygotowywała rozprawę doktorską w zespole naukowym śp. prof. zw. dr. hab. Kazimierza Kozłowskiego, współtwórcy Uniwersytetu Śląskiego i Wydziału Nauk o Ziemi.

– Profesor był dla nas wzorem. To on wskazał mi moje miejsce w nauce. Pamiętam, jak zlecił mi pierwsze prace terenowe, których celem było badanie krystalicznych skał Tatr. Od tej wyprawy upłynęło 28 lat, nie ma już Pana Profesora między nami, a ja wciąż tam wracam, by móc lepiej poznać geologiczną przeszłość niezwykle interesującego pasma górskiego w łańcuchu Karpat – wspomina badaczka.

Jak dodaje, początek prowadzonych w Tatrach badań od razu pozwolił dostrzec pewne nieścisłości pomiędzy otrzymanymi wynikami a opisami opublikowanymi w specjalistycznej literaturze.

– W jednej z pierwszych prestiżowych publikacji udowadniałam, że badany materiał powstał w zupełnie innym czasie geologicznym, niż można było wyczytać w dostępnych opracowaniach. Późniejsze badania potwierdziły moją tezę: wiek izotopowy pegmatytów Tatr Zachodnich datowany był na okres orogenezy waryscyjskiej, a zatem miał około 345 mln lat – wyjaśnia geolog.

Od czasu pierwszych odkryć zmieniły się przede wszystkim metody badawcze, dziś naukowcy dysponują nowocześniejszymi narzędziami i lepiej wyposażonymi laboratoriami, ale ich wykorzystanie potwierdziło jedynie wyniki już wcześniej uzyskane przez dr hab. Gawędę.

Jednym z celów prowadzonych badań 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 tym 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.

Uproszczony model kolizji kontynentalnej, której skutkiem był trwający 30 milionów lat magmatyzm granitoidowy w Tatrach

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.

Silny intelektualista potrzebny od zaraz

– 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.

Przykładowy kryształ minerału cyrkonu ukazujący jego strefową budowę wewnętrzną. Kolejne strefy powstawały w wyniku następujących po sobie wydarzeń geologicznych (wieki podane w milionach lat)

Dr hab. Aleksandra Gawęda przywołuje też anegdoty związane z przewożeniem materiału do badań z Tatr na Wydział Nauk o Ziemi.

– Spotkani ludzie oczywiście zawsze dziwią się naszym górskim „pamiątkom”, które zabieramy z terenu Tatrzańskiego Parku Narodowego. Kiedyś wracałyśmy z dr hab. Jolantą Burdą Doliną Chochołowską. Niosłyśmy potwornie ciężkie plecaki i byłyśmy już bardzo zmęczone. Zdesperowane postanowiłyśmy podjechać bryczką, nie licząc nawet na jakiekolwiek pokwitowanie górala. Jakież było nasze zdziwienie, kiedy gazda na koniec podróży wystawił nam... fakturę VAT. Płatność kartą niestety nie była możliwa – opowiada ze śmiechem geolog.

Poruszając się często poza szlakami turystycznymi, badacze są narażeni także na kontakty z dzikimi zwierzętami.

– Mój kolega wracał kiedyś z dosyć pokaźnym materiałem skalnym o zmroku ze stanowiska i niestety na swojej drodze spotkał niedźwiedzia. Choć był skrajnie zmęczony, nie chciał porzucać głazu i zrezygnowany powiedział tylko: „A ty czemu jeszcze nie śpisz?”. Miś spojrzał na niego i, ku zdziwieniu geologa, poszedł swoją drogą. W naszym zawodzie zawsze pamięta się okoliczności towarzyszące pobieraniu prób – dodaje naukowiec.

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.

– Nasz zespół wykonał benedyktyńska pracę. W tych warunkach silny fizycznie intelektualista w zespole badawczym jest na wagę złota – mówi ze śmiechem dr hab. Gawęda. – Ciężka praca przyniosła świetne efekty. 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.

Ślady przeszłości

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

– 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. Taki przekrój jednego z wyselekcjonowanych przez nas minerałów można zobaczyć na zamieszczonym obok zdjęciu – 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.