Wykopywanie polskiej zmarzliny
Z miesiąc temu paru moich znajomych poruszył nius podany przez jeden z wortali pogodowych o dokopaniu się do polskiej wiecznej zmarzliny. Mnie ten nius zdziwił nie samym meritum, bo wydawało mi się, że sprawa jest stara i znana. I tak jest – portal odgrzebał nius sprzed 6 lat. Zanim się jednak o tym przekonałem, odszukałem jeszcze papierowy artykuł o tej sprawie. Skoro zaś nie jest ona – jak widać – powszechnie znana, to uznałem, że też mogę ją – nomen omen – odkopać.
To, że coś dziwnego dzieje się pod polskim biegunem zimna, wiadomo już od kilkudziesięciu lat. Jest to teren nieźle eksplorowany przez geologów, zwłaszcza pod kątem występowania rud. W tamtych okolicach żelazo jest powszechne na powierzchni. Kiedy będąc w Puszczy Rominckiej, brałem wodę ze studni, mogłem w kubku obserwować warstwę rdzy zbierającą się na powierzchni wody. W porównaniu z nią woda oligoceńska zostawiająca osad w baniaku, co z kolei znam z czasów, gdy warszawska woda z kranu może i była zdatna do picia, ale z powodu uzdatniania związkami chloru niesmaczna, to mały pikuś.
No dobra, związek między żelazem kilkadziesiąt centymetrów pod powierzchnią z tym kilkaset metrów głębiej chyba jest żaden. W końcu rudy darniowe są w wielu miejscach Polski, ale w niewielu są równocześnie rudy w głębszych warstwach bogate na tyle, by je eksplorować.
Ostatecznie z planów wydobycia rud żelaza, a także tytanu i wanadu, zrezygnowano. Szacunkowy zysk wydaje się zbyt mały w porównaniu z szacowanym kosztem, i tak było nawet w czasach, gdy nie uwzględniano kosztów zniszczenia środowiska. Krążyły też pogłoski, że prawdziwy powód to naciski ZSRR, któremu nie na rękę byłby taki przemysł pod samą granicą. Jednak odwierty pozostały i pozostały dane z tych poszukiwań.
A dane te są zadziwiające. Jak wiadomo, im dalej w głąb Ziemi, tym cieplej. Rozgrzane jądro emituje ciepło ku powierzchni, a powierzchnia je wypromieniowuje. Od drugiej strony temperaturę ziemi kształtuje atmosfera. Temperatura gleby jest bardziej stała niż powietrza. Kiedy np. wiosną w Polsce dobowa amplituda temperatury powietrza łatwo osiąga kilkanaście stopni, już na głębokości 10 cm ma kilka stopni, a na głębokości pół metra praktycznie jest stała, nie licząc trendu ocieplającego wiosną i ochładzającego jesienią. Poza tym jest nieco opóźniona, tak że wiosną nadal rośnie, mimo kilkudniowych przymrozków, a jesienią spada – mimo nawrotów babiego lata. Na głębokości kilku metrów temperatura gleby jest zbliżona do średniej rocznej temperatury powietrza (podobnie jak w jaskiniach czy głębokich piwnicach), co w Polsce oznacza ok. 8 °C.
Tak jest też koło Suwałk. Gdy bada się temperaturę w odwiertach, zaczyna się ona około 7-8 °C. W jednym z otworów wiertniczych, koło Filipowa, niemal liniowo rośnie. Na głębokości ok. 400 m, gdzie są utwory kredowe, osiąga 13 °C i dalej rośnie z głębokością. Kredowe tutaj oznacza wiek, niekoniecznie skład, który na tej głębokości to głównie piaski. Ciekawszy jest skład głębiej. Rudy metali znajdują się na głębokości ponad 850 m w obrębie masywu zbudowanego z anortozytu. Jest to skała złożona głównie z glinokrzemianu wapnia. Nie wiem, czy to cecha wszystkich anortozytów, czy tylko tego suwalskiego, ale ma on bardzo mało izotopów radioaktywnych. A to właśnie współczesny rozpad promieniotwórczych izotopów jest odpowiedzialny za 80 proc. strumienia energii cieplnej wnętrza Ziemi.
W Państwowym Instytucie Geologicznym w 2004 r. powstała mapa gęstości ziemskiego strumienia ciepła. Są miejsca, głównie między Wartą a Odrą, gdzie strumień ten przekracza 100 mW/m2, a są takie, gdzie jest on niższy niż 50 mW/m2 (np. koło Bydgoszczy czy Olsztyna). Najsłabszy strumień wydaje się znajdować właśnie kolo Suwałk (choć w skali półkuli północnej jest dość przeciętny).
Filipów leży na skraju masywu anortozytowego. W otworach wiertniczych bliżej jego centrum temperatura jest prawie stała mimo wzrostu głębokości, aż do utworów kredowych. Po ich przekroczeniu zaczyna wzrastać z podobnym tempem jak w Filipowie (przez co temperaturę taką, jak pod Filipowem na 400 metrach, osiąga na głębokości kilometra). Są jednak jeszcze bardziej centralnie położone otwory, np. Wygorzel, gdzie temperatura od razu spada i na głębokości ponad 200 m osiąga niespełna 4 °C. W tych miejscach jednak nie drążono głębszych otworów.
W związku z tym PIG podjął starania o wykonanie kolejnego wiercenia, tym razem zaprojektowanego nie na poszukiwanie kopalin, a na pomiar temperatury. W porównaniu z rekordowymi odwiertami otwór Udryń PIG-1 wiercono krótko i płytko. Zakończono go 24 lipca 2010 r. na głębokości 450 m, przy czym dokładny pomiar temperatury (+0,07 oC) udało się wykonać 3 sierpnia na głębokości 356, gdyż sonda nie mogła przedostać się głębiej – prawdopodobnie z powodu zamarznięcia otworu poniżej (wcześniej z niższej warstwy wypompowano wodę o temperaturze 1,9 oC). Zatem potwierdziło się to, co przypuszczano już w latach 80. – pod Suwalszczyzną jest warstwa wiecznej zmarzliny pamiętająca ostatnie zlodowacenie (już wtedy wypompowywana woda przypominała wodę ze zmarzliny syberyjskiej). Obecnie zakłada się więc, że wieczna zmarzlina ma strop na głębokości 357 m, a spąg co najmniej na 450 m (bo tylko tyle obejmuje odwiert).
Skąd ten relikt? Wieczna zmarzlina powstaje jako zjawisko peryglacjalne. Ziemia zamarza i odmarza w prawie całej Europie i na dużym obszarze Azji i Ameryki Północnej, ale żeby mówić o wiecznej czy według niektórych wieloletniej zmarzlinie, musi nie rozmarzać co najmniej przez dwa lata z rzędu. Jak pisałem wyżej, wierzchnia warstwa ziemi bardziej reaguje na temperaturę powietrza. Dlatego wieczna zmarzlina zalega też pod rozmarzającą co lato cienką warstwą gleby w Arktyce, na Syberii czy Dalekim Wschodzie. O nieoczywistych zjawiskach związanych tajaniem zmarzliny pisałem półtora roku temu. Jeszcze z badań sprzed odwiertu wiadomo, że w czasie gdy wieczna zmarzlina powstawała w północno-wschodniej Polsce, średnia temperatura w tym rejonie wynosiła ok. -10 oC (czyli była kilkanaście stopni niższa niż dziś). To oznacza, że ziemia mogła zamarzać coraz głębiej i głębiej, i nie tajać, nawet gdyby chwilowo na powierzchni robiło się cieplej. Przyrost zmarzliny trwał właściwie do 14-13 tysięcy lat wstecz, a należy pamiętać, że w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat na tym obszarze dłużej panował klimat arktyczny lub subarktyczny niż umiarkowany.
Lód z definicji jest zimny. Paradoksalnie jednak pod samym lądolodem warunki do powstania głębokiej zmarzliny niekoniecznie są najlepsze, bo jego czapa ma właściwości izolujące. Nie jest to świetna izolacja, ale w porównaniu z gołą ziemią, która łatwo wypromieniowuje ciepło, zauważalna. Przypominam, że z głębi Ziemi wciąż płynie słabszy czy silniejszy strumień ciepła. Im grubsza czapa, tym silniejsza izolacja, a w dodatku większe ciśnienie i pod lądolodem woda może po prostu topnieć, tworząc podlodowe jeziora i strumienie (co jest dobrze znane osobom interesującym się prognozami topnienia lodowców). Lądolód ostatniego zlodowacenia był stosunkowo cienki, a na jego przedpolu było bardzo zimno. Warstwa osadów w okolicach Suwałk sprawiała, że chłód wnikał powoli, ale po ociepleniu klimatu, równie powoli wnika ciepło.
Ostatecznie kilkanaście tysięcy lat temu ziemia w tym rejonie była przemarznięta na co najmniej pół kilometra. Nie jest to, w porównaniu z niektórymi rejonami Syberii, wcale tak dużo. Przez następne tysiąclecia od góry wnikało ciepło atmosferyczne, a od spodu ciepło głębinowe. W ten sposób warstwa zmarzliny chudła i chudła, aż do dzisiejszej postaci, która zachowała się na poziomie jurajsko-kredowym.
Odkrycie takiej reliktowej, głębokiej warstwy zmarzliny jest wyjątkowe. Z jednej strony na jej zachowanie wpłynęły dość unikatowe warunki (długie położenie na obrzeżu zlodowaceń, słaby strumień cieplny), z drugiej – podobnych soczewek zmarzliny w Europie na północ od Alpidów może być więcej, tylko jeszcze ich nie odkryto. Badacze z PIG-u podejrzewają, że podobna może leżeć na masywie anortozytowym pod Kętrzynem.
Jak na razie jednak wygląda na to, że Suwalszczyzna to nie tylko epicentrum polskiego chłodu (nie licząc gór), ale jego hipocentrum.
Piotr Panek
fot. G. Olesiuk, Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, licencja
Jan Szewczyk (2007). Suwalskie okno w glacjalną przyszłość Świat Nauki, 9 (193), 42-49
Komentarze
Zimno mi. Ręce i nogi drgają. Nie mogę nic napisać.
„osobom interesującym się prognozom” 🙂
Ciekawe, jaką temperaturę miały rdzenie wiertnicze z tej głębokości.
Wiadomo coś o tym?