(zobacz)

(zobacz)

(zobacz)

(zobacz)

ZAMROŻONY CZAS Jan Szewczyk, 6 kwietnia 2005

Nie tylko badanie rdzeni lodowych z Antarktydy, czy Grenlandii może być źródłem cennych informacji na temat klimatu jaki panował na Ziemi przed setkami tysięcy lat. Całkiem niedawno okazało się, że unikalna w skali naszego kontynentu anomalia geotermiczno-hydrogeochemiczna, jaka występuje w północnowschodniej części Polski, w rejonie tzw. suwalskiego masywu anortozytowego, może w istotny sposób poszerzyć naszą wiedzę o paleoklimacie. Wyniki tych badań pomogą również w poznaniu czynników wpływających na współczesny reżim termiczny Ziemi. Zmiany klimatu i związane z nimi zmiany temperatur powierzchni Ziemi, pozostawiają ślady w postaci zmian temperatury litosfery - i to zarówno w obrębie warstw przypowierzchniowych, jak i w zalegających na głębokości nawet kilku kilometrów skałach osadowych i krystalicznych.
Jak to możliwe?

Głębokościowa inwersja temperatury w profilach otworów wiertniczych na obszarze masywu suwalskiego

Wysunięto wówczas hipotezę, że zjawisko mogło być związane z ostatnim zlodowaceniem. Uznano, że przyczyną inwersji temperatury była głęboka infiltracja wychłodzonych wód poglacjalnych, pochodzących z topniejącego lądolodu (Majorowicz,1976, 1982). Rozważania, związane z analizą typów wód poziemnych w utworach mezozoiku, pozwoliły na wysunięcie nowatorskiej, jak na ówczesne czasy, hipotezy o istnieniu w tym rejonie bardzo głębokiej wieloletniej zmarzliny (Michalski, 1985). Uznano, że obserwowane typy wód wgłębnych są efektem przemian kriogenicznch. Oceniano, że wieloletnia zmarzlina sięgała do głębokości bliskiej 600 metrów.

Całkiem niedawno na podstawie analiz zmienności strumienia cieplnego stwierdzono, że w profilach głębokich otworów wiertniczych praktycznie na obszarze całej Polski widoczne są zaburzenia termiczne związane ze zmianami klimatycznymi okresu plejstocen-holocen.

Powtórne badania w rejonie suwalskiej anomalii geotermiczno-hydrochemicznej, prowadzone wspólnie z Instytutem Geofizyki Czeskiej Akademii Nauk z Pragi, doprowadziły do potwierdzenia związków anomalii z głęboką wieloletnią zmarzliną, jaka istniała tu w przeszłości. Jak dotychczas jest to jedyne miejsce w Europie Centralnej, w którym stwierdzono bezpośrednio istnienie śladów tak głębokiej wieloletniej zmarzliny. Jest to jednocześnie dowód na istnienie bardzo niskich średnich rocznych temperatur powietrza, na tym obszarze Europy, w przeważającym okresie trwania późnego plejstocenu.

Ocieplenie – ale jakie?

Mimo nagromadzenia na świecie w ostatnich latach bardzo dużej liczby informacji na temat warunków klimatycznych ostatniego zlodowacenia, ilościowa wartość średnich temperatur dla tego okresu pozostaje dotychczas zagadnieniem bardzo kontrowersyjnym. Stosowane w badaniach takie metody jak analiza pyłkowa, badanie stosunku ilości izotopów 18O oraz 16O, czy izotopów wodoru (D/H), przyrostu słojów drzew czy badania osadów głębokowodnych są metodami pośredniego określania paleotemperatury - wymagają kalibracji w jednostkach skali temperatury. Dokładność tych metod dramatycznie spada dla okresów stadialnych (zimnych) dominujących w rozważanym okresie klimatycznym.

Względne zmiany temperatury w okresie ostatnich 160 tysięcy lat określone na podstawie badań rdzeni lodowych na stacji Wostok na Antarktydzie (Petit i in. 1999). Pokazane zostały również prawdopodobne okresu obecności lądolodu na obszarze północnej Polski w okresie zlodowacenia wisły
(Behre K.E. 1989 - Biostratigraphy in the last glacial period in Europe. Quatern. Sc. Res. 8)

Modelowania geotermiczne przeprowadzone na podstawie najnowszych danych z rejonu anomalii suwalskiej wykazały, że gwałtowny wzrost temperatur w okresie ustępowania zlodowacenia wyniósł na obszarze północnowschodniej Polski ponad 18 stopni Celsjusza! (Šafanda, Szewczyk, Majorowicz, 2004, Geophysical Research Letters, no.31).
To w sposób istotny zmienia dotychczasowe poglądy – uważano bowiem do niedawna, że wartość średniego wzrostu temperatury nie przekraczała 8 stopni Celsjusza.

Należy podkreślić, że w odróżnieniu od obszarów biegunowych, w których zmianom klimatycznym w okresie zlodowacenia wisły towarzyszył znaczny przyrost miąższości lądolodu (np. dla centralnej części Antarktydy ponad 1500 metrów - Petit i in. Nature 1999, vol. 399) zmianom klimatycznym w ciągu tego samego okresu na obszarze masywu suwalskiego nie towarzyszyła istotna zmiana miąższości utworów
-sumaryczna miąższość osadów okresu zlodowacenia wisły na Suwalszczyźnie to tylko 6-10 metrów. Redukcja miąższości osadów ułatwia znacznie kalkulację paleotemperatur; modelowanie staje się zatem bardziej wiarygodne.

Wyjątkowe warunki

Wykonane w latach 2003-2004 precyzyjne pomiary temperatury w istniejących na tym obszarze otworach hydrogeologicznych, potwierdziły jednoznacznie zarówno istnienie zjawiska inwersji temperatury, jak i trend powiększania jej wielkości w kierunku centrum masywu.

Analiza czynników mogących wpłynąć na powstanie, a następnie przetrwanie tak głębokiej zmarzliny na Suwalszczyźnie, wskazuje, że przyczynę należy widzieć w równoczesnym i niezależnym wystąpienie dwóch czynników tj. niskiej wartości strumienia cieplnego oraz bardzo porowatych i zawodnionych utworów nadkładu osadowego.

Wstępny model zaniku wieloletniej zmarzliny dla obszaru Udrynia obliczony przy współpracy z Instytutem Geofizyki Czeskiej Akademii Nauk

Niska wartość strumienia cieplnego, uwarunkowana bardzo niską radioaktywnością naturalną anortozytów, tworzących masyw suwalski, stała się przyczyną występowania w okresie ostatniego zlodowacenia ujemnych temperatur do głębokości blisko 600 metrów. Nadkład osadowy pełnił tu rolę warstwy izolującej, której obecność wydłużyła proces powstania zmarzliny, ale równocześnie znacznie opóźniła proces jej degradacji, jaki zapoczątkowany został w chwili gwałtownego ocieplenia klimatu.

Korygowanie mapy

Duża zmiana temperatur powierzchniowych spowodowała znaczne zaburzenia reżimu termicznego warstw podpowierzchniowych, i to do głębokości sięgających blisko 2000 metrów.
Zaburzona została w sposób znaczący wielkość ziemskiego strumienia cieplnego. W dotychczas opracowanych mapach strumienia cieplnego, zarówno polskich jak i zagranicznych, nie uwzględniano tego czynnika – mapy są w poważnym stopniu zniekształcone.

W najnowszej, opracowanej w roku 2004 w Państwowym Instytucie Geologicznym mapie strumienia cieplnego dla obszaru Niżu Polskiego (jeszcze nieopublikowanej), m.in. dzięki wynikom analiz danych geotermicznych z obszaru masyw suwalskiego, po raz pierwszy został uwzględniony wpływ czynnika paleoklimatycznego.

Projekt Szypliszki

W celu dokładnego zbadania profilu termicznego w strefie suwalskiej anomalii geotermiczno-hydrochemicznej, planuje się wykonanie otworu wiertniczego o głębokości 450 metrów. Optymalnym miejscem dla projektowanego otworu będą okolice miejscowości Szypliszki – tutaj bowiem znajduje się centralna część anomalii.

Otwór wiertniczy zostanie wykonany w ramach tematu badawczego Państwowego Instytutu Geologicznego „Zintegrowany program płytkich wieceń badawczych dla rozwiązania istotnych problemów geologicznych Polski”. Program kierowany jest przez doc. dr hab. Jerzego Nawrockiego, a finansowany przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.

Morfologia terenu północnowschodniej Polski z zaznaczonym obszarem badań. Pokazana została lokalizacja projektowanego otworu Szypliszki PIG-1 na tle grawimetrycznej anomalii Bouguera (izolinie na rysunku) wyznaczającej zarys suwalskiego masywu anortozytowego

Podstawowym zadaniem otworu wiertniczego będzie określenia stopnia zachowania pozostałości wieloletniej zmarzliny w centralnej części masywu suwalskiego. W szczególności zbadany zostanie profil temperatury w warunkach ustalonego reżimu termicznego, typ wód wgłębnych, ich skład chemiczny, stopień przeobrażeń, a także ich wiek, zachowanie struktur mrozowych w rdzeniach wiertniczych, parametry petrofizyczne w tym termiczne skał. Wyniki tych badań będą stanowiły podstawę m.in. dla wykonania modelowań paleoklimatycznych pozwalających na odtworzenie warunków klimatycznych dla okresu późnego plejstocenu.

Przewiduje się, że odwiercony do głębokości 450 metrów otwór będzie obejmował w całości utwory kredy dolnej, w której spodziewane są najlepiej zachowane pozostałości wieloletniej zmarzliny. Skały podłoża krystalicznego w miejscu projektowanego otworu badawczego znajdują się na głębokości około 840 metrów poniżej powierzchni terenu, natomiast strop utworów kredy dolnej, będącej głównym celem badawczym znajduje się na głębokości około 391 metrów.

Istnieją uzasadnione przesłanki, że ślady wieloletniej zmarzliny mogły zachować się tutaj w formie mniej zaburzonej ociepleniem holoceńskim, a nawet lokalnie, fragmentarycznie zmarzlina mogła przetrwać do czasów współczesnych.

Projektowany otwór wiertniczy będzie bezpośrednią weryfikacją hipotezy badawczej. Badania geofizyczne, litologiczne, hydrogeologiczne wyjaśnią stopień zaawansowania procesów zaniku wieloletniej zmarzliny, a także pozwolą na dokładniejsze określenie średniej efektywnej wielkości temperatury dla okresu późnego plejstocenu. Wynik naukowy badań tego unikalnego obiektu będzie miał istotne znaczenia dla poznania warunków klimatycznych tego okresu nie tylko dla obszaru Europy.

dr Jan Szewczyk
Państwowy Instytut Geologiczny - Zakład Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej