Zrozumienie, co decyduje o miejscu i czasie występowania trzęsień ziemi, jest jednym z kluczowych wyzwań współczesnej sejsmologii oraz aktywnej tektoniki. Choć mechanizmy pojedynczych wstrząsów na uskokach – pęknięciach w skorupie ziemskiej, wzdłuż których dochodzi do przemieszczeń – są już stosunkowo dobrze poznane, wciąż nie do końca rozumiemy, co je wyzwala. W jaki sposób naprężenia kumulują się i zmieniają między kolejnymi wstrząsami? Badania w tym zakresie prowadzi mgr Marta Woszczycka – doktorantka Międzynarodowej Środowiskowej Szkoły Doktorskiej przy Centrum Studiów Polarnych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. W ramach projektu PRELUDIUM badaczka analizuje zależności pomiędzy przeszłymi trzęsieniami ziemi, a także wzajemne związki aktywności sejsmicznej i wulkanicznej w regionie rzeki Colca w południowym Peru.

Zespół badawczy realizujący prace terenowe w dolinie rzeki Colca. Od lewej: dr Andrzej Tyc, Elvis Caza Soto (lokalny przewodnik), dr Krzysztof Gaidzik, mgr Marta Woszczycka

Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego prowadzą badania w regionie kanionu Colca od 2006 roku, początkowo w ramach Polskich Wypraw Naukowych do Peru kierowanych przez prof. dr. hab. inż. Andrzeja Paula z Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie. Efektem tej inicjatywy było wpisanie Geoparku Colca i Wulkanu Andagua na listę Światowej Sieci Geoparków UNESCO w 2019 roku.

Mgr Marta Woszczycka dołączyła do badań tego regionu na studiach magisterskich pod kierunkiem promotora dr. Krzysztofa Gaidzika, kierownika projektu NCN OPUS (nr 2020/39/B/ST10/00042) pt. „Ewolucja rzeźby i aktywna tektonika w Andach Środkowych”. Obecnie jako doktorantka realizuje własny projekt NCN PRELUDIUM pt. „Czynniki wywołujące i potencjalne interakcje aktywności sejsmicznej i wulkanicznej w regionie rzeki Colca, Andy Środkowe, południowe Peru”. Wspólnie z dr. Gaidzikiem oraz dr. Andrzejem Tycem uczestniczyła w dwóch wyprawach naukowych do Peru (lipiec–sierpień 2024 i 2025 roku). Kolejna ekspedycja naukowa na teren Ameryki Południowej odbędzie się latem 2026 roku.

Lokalna tektonika doliny rzeki Colca

Peru znajduje się w strefie subdukcji, gdzie płyta oceaniczna Nazca wsuwa się pod płytę południowoamerykańską – proces ten odpowiada zarówno za wysoką aktywność sejsmiczną całego kraju, jak i wulkaniczną Andów. Szczególną uwagę badaczy zwraca region doliny rzeki Colca charakteryzujący się częstym występowaniem płytkich trzęsień ziemi.

– Niektórzy badacze uważają, że większość trzęsień ziemi w dolinie Colca ma ściśle tektoniczne pochodzenie. Inni sugerują jednak, że istotną rolę odgrywają tutaj procesy magmowe. Według jednej z hipotez powstawanie intruzji magmowych w głębi Ziemi może prowadzić do lokalnych zmian naprężeń oraz wzrostu ciśnienia płynów w skałach, co może z kolei destabilizować uskoki i wywoływać nagły wzrost aktywności sejsmicznej. Te złożone interakcje pomiędzy tektoniką a wulkanizmem pozostają jednym z najbardziej interesujących problemów badawczych regionu – wyjaśnia mgr Marta Woszczycka.

Obszar ten cechuje się również wyraźną aktywnością wulkaniczną związaną z wulkanem Sabancaya, a także obecnością licznych źródeł termalnych i gejzerów. Choć aktywność sejsmiczna i wulkaniczna stanowią poważne zagrożenie dla lokalnych społeczności, region ten jest niezwykle atrakcyjny dla naukowców. Dodatkowo suchy klimat i skąpa roślinność sprawiają, że skutki tych procesów stosunkowo wolno ulegają degradacji, dzięki czemu wyraźnie zaznaczają się w rzeźbie terenu.

– Zarówno na zdjęciach satelitarnych, jak i w terenie widać krajobraz ukształtowany przez współczesną aktywność tektoniczną. To wielkie przestrzenie z niedużym zagęszczeniem ludności i ograniczoną działalnością rolniczą. Efekty aktywnej geologii są tutaj bardzo wolno zacierane – z uwagi na zachodzącą powoli erozję powstała struktura pozostaje nienaruszona przez wiele lat – mówi badaczka.

Współpraca polskich i peruwiańskich zespołów badawczych

Warto zaznaczyć, że trzęsienia ziemi występują na badanym obszarze głównie na małych głębokościach (poniżej 20 km), co sprawia, że są szczególnie odczuwalne i niebezpieczne dla lokalnej społeczności oraz infrastruktury.

Pobór próbek osadów do datowania w wykopie – szurfie paleosejsmologicznym w pobliżu Pinchollo, z widokiem na wulkan Hualca Hualca. Na zdjęciu: dr Krzysztof Gaidzik oraz mgr Marta Woszczycka

– Nadrzędnym celem naszych działań jest lepsze określenie zagrożenia sejsmicznego, dlatego że jest to region zamieszkały i wciąż niedostatecznie zbadany. Dla mnie ważne jest poczucie sensu pracy, którą wykonuję. Oczywiście fascynuje mnie aspekt naukowy – poszerzanie wiedzy oraz zrozumienie mechanizmów rządzących aktywnością sejsmiczną i wulkaniczną. Jednak równie istotne jest dla mnie to, by moje badania naprawdę służyły mieszkającym tutaj ludziom, a także pomogły im dostrzec wyjątkowość tego obszaru oraz jego wartość kulturową, historyczną i przyrodniczą – opowiada doktorantka.

Polskie badania prowadzone są we współpracy z peruwiańskimi uniwersytetami oraz ośrodkami naukowymi, m.in. takimi jak INGEMMET (Instituto Geológico Minero y Metalúrgico), którą dopełniają cenne informacje przekazywane naukowcom przez lokalnych przewodników oraz mieszkańców andyjskich wiosek.

– Podczas rozmów z lokalną społecznością dowiedzieliśmy się, że aktywność jednego z gejzerów zmieniała się na przestrzeni lat, dzięki czemu mogliśmy porównać to zjawisko z aktywnością pobliskich uskoków. To informacje, które nie są monitorowane i rejestrowane przez urządzenia techniczne, ale doskonale obserwowane przez żyjących tam ludzi, którzy na co dzień obcują z takimi zjawiskami – podkreśla badaczka.

Badania terenowe i wykorzystywane metody

Choć współczesne sieci sejsmologiczne dostarczają coraz dokładniejszych danych, ich historia jest stosunkowo krótka i obejmuje zaledwie około stu lat. Naukowcy korzystają również z zapisów historycznych, jednak i te w przypadku Peru sięgają najwyżej pięciuset lat. Tymczasem wiele uskoków tektonicznych generuje silne trzęsienia ziemi znacznie rzadziej – w odstępach liczonych w setkach lub tysiącach lat. Oznacza to, że obserwując współczesną aktywność sejsmiczną, widzimy jedynie fragment znacznie dłuższej historii.

Z tego względu coraz większe znaczenie mają badania paleosejsmologiczne, które pozwalają scharakteryzować przeszłą aktywność sejsmiczną w znacznie szerszym zakresie, niż umożliwiają to zapisy instrumentalne. Polegają one na analizie deformacji zachowanych w osadach i formach terenu, które powstały w wyniku dawnych trzęsień ziemi. W tym celu naukowcy wykonują tzw. szurf paleosejsmologiczny – wykop przecinający uskok i odsłaniający zdeformowane osady oraz przemieszczenia warstw na jego ścianach. Oprócz wykonania odpowiednich pomiarów oraz pobrania próbek do datowania, kluczowa jest interpretacja zebranych wyników (dokonana w terenie!). Zespół poświęca kilka dni na szczegółową analizę i dokumentację ścian szurfu, ponieważ widoczność poszczególnych struktur zmienia się w zależności od kąta padania światła i układu cieni.

– Te naturalne „archiwa geologiczne” pozwalają odtworzyć historię aktywności uskoków na przestrzeni tysięcy lat, określić częstotliwość występowania trzęsień ziemi oraz oszacować ich potencjalną wielkość – dodaje mgr Marta Woszczycka.

Jednym z narzędzi pozwalających analizować wzajemne oddziaływania trzęsień ziemi jest wykorzystywana przez badaczkę koncepcja zmiany naprężenia Coulomba. Metoda ta opiera się na założeniu, że do trzęsienia ziemi dochodzi w momencie zgromadzenia się na uskoku wystarczającej ilości naprężenia. Analiza pokazuje, jak jedno trzęsienie ziemi może zmienić jego rozkład na sąsiednich uskokach – niektóre dodatkowo obciąża, przyspieszając pojawienie się kolejnego wstrząsu, inne natomiast odciąża, przez co potrzeba więcej czasu, aby naprężenie znów się nagromadziło. Metoda umożliwia również badanie skutków wywołanych przez procesy magmowe, takie jak intruzje lub ruch magmy. Badacze podkreślają jednak, że uwzględnianie wyłącznie krótkotrwałej zmiany naprężenia jest niewystarczające.

– Znacznie większe znaczenie mogą mieć naprężenia akumulowane stopniowo przez setki lub tysiące lat, zarówno w wyniku kolejnych trzęsień ziemi, aktywności wulkanicznej, jak i przez powolne narastanie naprężenia między kolejnymi wstrząsami – zaznacza naukowczyni.

Celem badań mgr Marty Woszczyckiej jest połączenie dwóch podejść: odkrywania śladów dawnych trzęsień ziemi zapisanych w osadach oraz analizy narastania i zmiany naprężenia w skorupie ziemskiej przez setki, tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat. Takie spojrzenie pozwala nie tylko odtworzyć historię wstrząsów z odległej przeszłości, lecz także lepiej zrozumieć przyczynę ich współczesnego występowania oraz potencjalnego powiązania z aktywnością wulkanów.