Wyobraź sobie, że całą powierzchnię Europy lub Północnej Ameryki pokrywa lawa nieustannie wylewająca się z głębin Ziemi. Nie mamy pewności, czy wydostaje się w jednoczesnym wybuchu wielu wulkanów, czy powoli wycieka na powierzchnię Ziemi, ale wiemy, że proces ten trwa maksymalnie do 10 milionów lat. Takie zjawiska zachodziły na naszej planecie wielokrotnie, znacząco ją przekształcając. Z pewnością znów się wydarzą, choć wątpliwe, by Homo sapiens stąpał jeszcze wtedy po Ziemi. Tak zwane wielkie pokrywy lawowe (large igneous provinces – LIP) albo raczej to, co po nich pozostało, bada dr Ashley Gumsley z Instytutu Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Dr Ashley Gumsley wskazujący na dajkę

Błękitna kropka, na której żyjemy, nie zawsze była przyjaznym dla życia miejscem. Ziemia wielokrotnie utrudniała rozwój żyjącym na niej organizmom, czasem prowadząc do niemal kompletnej ich zagłady. Za zdecydowaną większość masowych wymierań możemy winić aktywność naszej planety. Kres erze dinozaurów 66 milionów lat temu, równie dobrze jak uderzenie asteroidy, mogły przynieść trapy Dekanu, które pojawiły się w tamtym czasie w Indiach, a powstały w serii następujących po sobie LIP-ów, czyli wspomnianych wcześniej procesów powstawania wielkich pokryw lawowych.

– Wymieranie kredowe zmiotło z powierzchni Ziemi blisko 75% żyjących organizmów. Tymczasem wymieranie pod koniec permu, około 252 milionów lat temu, było dużo gorsze, bo zniknęło niemal 83% życia. Podejrzewa się o to trapy syberyjskie, a zatem LIP-y, które pokryły niemalże cały obszar Syberii. Wydaje się, że w tym drugim przypadku spływająca do oceanu lawa zatruła wodę, zmieniając jej chemię do stopnia, w którym morskim organizmom było niezwykle trudno funkcjonować – tłumaczy geolog z UŚ.

Po żarze przyszedł wielki chłód

Ziemskiemu życiu na pierwszym etapie tworzenia się wielkich pokryw lawowych groziło zatrucie gazami lub oparami towarzyszącymi wypływom lawy. Kolejnym zagrożeniem był pojawiający się niedługo później nagły spadek temperatury. To on w dużo większym stopniu i na znacznie dłuższy okres potrafił doprowadzić do diametralnego przemeblowania natury na naszej planecie.

Emisja gazów i pyłów do atmosfery zmieniała klimat na kilka sposobów. Początkowo przysłaniały one światło słoneczne, skutkując nastaniem tzw. wulkanicznej zimy. Nagłe ochłodzenie środowiska wpłynęło na znajdujące się w nim organizmy – wiele z nich nie było w stanie przetrwać tak szybkiej zmiany warunków. W następnym etapie czekał je jednak prawdziwy test wytrzymałości.

Do ostatniego zjawiska powstania wielkich pokryw lawowych doszło 20–30 milionów lat temu na obszarze dzisiejszej Ameryki Północnej, ale nie wywołało ono globalnego zlodowacenia. Ogromne ilości lawy, jakie wydostały się wówczas na powierzchnię, w pewnym momencie zaczęły tracić temperaturę, przybierając formę twardych skał, które podlegały procesom wietrzenia, polegającym na wychwytywaniu i wiązaniu przez nie znacznych ilości dwutlenku węgla z atmosfery. Na tym etapie przyspieszało ochładzanie się klimatu. W historii naszej planety bywały momenty, gdy niemal cała została pokryta lodem i śniegiem – tzw. Ziemia śnieżka znacznie hamowała ewolucję i nie sprzyjała życiu.

Dorwać się do wnętrza Ziemi

W swych badaniach dr Ashley Gumsley przede wszystkim skupia się na LIP-ach prekambryjskich, czyli starszych niż 540 miliony lat. Jego celem jest odkrycie, jakie warunki panowały na naszej planecie miliony lat temu i co nam o nich mówią warstwy geologiczne.

Model obrazujący wdzieranie się gorącej magmy w skały

– Pracuję na częściach skorupy Ziemi, które są bardzo stare i stabilne, a takie znaleźć można tylko w paru miejscach. W pierwszej kolejności muszę wybrać obszar, który wydaje się szczególnie obiecujący. Przeszukuję m.in. obrazy z Google Earth, na których moją uwagę przykuwają dajki – wyjaśnia naukowiec z UŚ.

Dajki są intruzjami magmy, niezgodnymi z układem starszych warstw skalnych. To właśnie nimi przed milionami lat lawa przedostawała się z wnętrza planety na jej powierzchnię. Można je dostrzec na zdjęciach satelitarnych – ciągną się na setki lub – jak w Kanadzie – na tysiąc kilometrów. Na tle innych warstw skalnych wyróżniają się ciemnym kolorem, choć nie wszędzie można je tak łatwo dostrzec, jak np. w liczącym 3 miliardy lat wschodnioaustralijskim kratonie Pilbara.

– W Republice Południowej Afryki, w obrębie kratonu Kaapvaal, dajki nie są zbyt dobrze wyeksponowane na powierzchni, ponieważ przykrywa je gruba warstwa gleby. Tutaj pomaga działalność rzeczna, bo wcinanie się koryt rzecznych w podłoże skalne tworzy naturalne odsłonięcia skał. W takich miejscach, wzdłuż rzek, dajki można łatwo rozpoznać po wyróżniającym się kolorze i charakterystycznym ukształtowaniu – tłumaczy dr Ashley Gumsley.

Czasem trudno ocenić wiek danej skały, zwłaszcza gdy wiele różnych systemów dajek wdziera się w stary pluton. Wtedy można jedynie powiedzieć, że dajki są młodsze niż skały, które przecinają. Z pomocą przychodzą chemicy i fizycy. Ci pierwsi mogą coś powiedzieć o składzie chemicznym – dajki są nośnikiem informacji z płaszcza Ziemi, z którego pochodzi ich materiał. Fizycy z kolei poszukują wskazówek dotyczących orientacji względem pola magnetycznego. Kiedy skała magmowa się wychładza, formują się w niej minerały, które zachowują w sobie zapis pola magnetycznego Ziemi w danej chwili.

Wyzwania geologa

Dzięki staraniom dr. Ashleya Gumsleya na Wydziale Nauk Przyrodniczych w Sosnowcu udało się zmodernizować laboratorium do przygotowywania skał, w którym możliwy jest pierwszy etap badań nad LIP-ami.

– Mogę tutaj pokruszyć skałę, wyseparować z niej interesujące mnie minerały w celu ich wydatowania. Nie mogę jednak w tym miejscu przeprowadzić właściwej analizy izotopowej. Choć w Polsce mamy odpowiednie do tego urządzenia analityczne, nie są one wykorzystywane i skalibrowane do mojego typu badań – mówi badacz, który ściśle współpracuje z Muzeum Historii Naturalnej w Sztokholmie.

– To, czym się zajmuję, nie może być zbadane w Polsce, ponieważ analizie poddaję bardzo specyficzny minerał – baddeleyit (ZrO2). Tylko kilka osób na świecie jest w ogóle w stanie ją przeprowadzić. Podstawowy problem stanowi wyseparowanie tego minerału. Mój poprzedni przełożony w Szwecji, prof. Ulf Söderlund, opracował metodę, która sprawia, że ten proces jest prostszy, a ja zaimplementowałem ją w zbudowanym przeze mnie laboratorium MAGIC na Uniwersytecie Śląskim – wyjaśnia dr Ashley Gumsley i dodaje, że obecnie jedynie dwa laboratoria na świecie korzystają z tej metody.

Po wyseparowaniu minerał jest używany do datowania, co w przypadku prac prowadzonych przez geologa z UŚ również nastręcza pewnych trudności. Spośród pięciu laboratoriów na świecie mogących podołać temu zadaniu znów najbliższe jest w Sztokholmie. Naukowiec stara się jednak o to, by pozyskać odpowiedni sprzęt dla wydziału w Sosnowcu. Znacznie obniżyłoby to koszty badań oraz pozwoliłoby zaoszczędzić cenny czas.

Polskie perspektywy

– Pierwszy raz odwiedziłem Polskę w 2018 roku. Jedną z przyczyn, dlaczego tak chętnie tutaj przyjechałem, był fakt, że w tym kraju dużą wagę przykłada się do badań podstawowych. Inna jest też atmosfera niż na Zachodzie, gdzie europejscy i amerykańscy naukowcy mocno ze sobą rywalizują. Są też przekonani, że wszystko, co robią, powinno stanowić szybki przełom w odkryciach naukowych i mieć bezpośredni wpływ na społeczeństwo. Niestety nie wszystko może takie być. W nauce mamy zarówno przełomy, jak i pracę u podstaw, która często prowadzi do przełomów – mówi dr Ashley Gumsley.

Obecnie naukowiec realizuje dwa projekty w ramach konkursów Narodowego Centrum Nauki – OPUS oraz SONATINA. W pierwszym przypadku prace geologa wiążą się z LIP-ami i globalnymi zlodowaceniami. Drugi projekt dotyczy wykorzystania kilku różnych minerałów występujących w dajkach do przetestowania stopnia zachowania się informacji magnetycznych w wielkich pokrywach lawowych.

Geolog nie poprzestaje na pracy terenowej i w laboratorium. Chętnie włącza się również w popularyzację nauki. Podczas GeoPikniku – wydarzenia cyklicznie odbywającego się na Wydziale Nauk Przyrodniczych w Sosnowcu – zorganizował dla uczestników zabawę w płukanie złota.