O prastarych superkontynentach, superminerałach i superwyzwaniach - rozmawiamy z Moniką A. Kusiak, inicjatorką i głównym wykonawcą projektu w ramach konkursu GRIEG, którego start planowany jest na wrzesień.

Na czym polega projekt, skąd wziął się pomysł i czy wcześniej prowadzone były podobne badania?

Najważniejszym pomysłem projektu było przetestowanie hipotezy, że północna część Półwyspu Labrador, Zachodnia Grenlandia oraz Ziemia Enderby na Antarktydzie Wschodniej bardzo dawno, bo przed ok. 3,6 mld lat były fragmentami jednego kontynentu. Czyli we wczesnym archaiku mieliśmy jeden, wspólny kontynent, składający się również z części dzisiejszej Arktyki i Antarktydy. Pomysł na projekt pojawił się zupełnie przypadkowo. Kilka lat temu ukazała się publikacja Allen’a Nutman’a pracującego na Grenlandii, w której pojawiła się koncepcja wspólnego fragmentu skorupy Ziemi mającego elementy znajdowane w tych dziś odległych od siebie obszarach. Jako że od dawna interesowałam się zjawiskami „wczesnej Ziemi”, od lat pracowałam na skałach z Antarktyki Wschodniej i Labradoru, czyli jednych z najstarszych skał na Ziemi. Ponieważ wyniki moich dotychczasowych badań wskazują na istnienie skał podobnego wieku w tych obszarach, postanowiłam przetestować tę, nie do końca popularną hipotezę. Będziemy więc próbować skorelować „północ” z „południem”, Arktykę z Antarktydą.

Czy dużo wiemy o tej niewyobrażalnie odległej przeszłości?

Ziemia ma, jak wiemy 4,5 miliarda lat. Wszyscy słyszeli o Pangei czy Gondwanie, ale to superkontynenty, które pojawiły się znacznie później. Pomysł, że 3,6 mln lat temu istniał kontynent to dość odważna hipoteza. Właśnie w obszarach polarnych objętych projektem odkryto najstarsze skały na Ziemi. Nieco młodsze odkryto również w południowej Afryce i północnych Chinach. Z Hadeiku, czyli pierwszych 500 mln lat od powstania Ziemi, nie mamy niemal nic. Jedyną ‘kapsułą czasu’ jest minerał cyrkon, który daje nam wiedzę na temat tego, jak wyglądała skorupa naszej planety. Z okresu pomiędzy 4,0 a 3,0 mld lat temu jest zachowany częściowy zapis skalny w zaledwie kilku miejscach na Ziemi, a informacja na temat składu izotopowego i chemicznego pozwala nam wnioskować o tym, jaka ta skorupa była. Większość z tych obszarów pozostaje, jednakże nadal niezbadana, szczególnie tych, które są obecnymi rejonami polarnymi i subpolarnymi. To tam właśnie istnieje największy potencjał do odkrywania fragmentów najstarszej skorupy. W projekcie będziemy wykorzystywać właśnie cyrkon, czyli krzemian cyrkonu, kruchy, przezroczysty minerał, rozpowszechniony składnik skał magmowych (takich jak granity), metamorficznych (np. gnejsy) oraz osadowych (np. piaskowce). Pamięta on początki naszej planety i jest bardzo odporny na wietrzenie i temperaturę. W projekcie, oprócz hipotezy dotyczącej wspólnej geologicznej historii fragmentów Antarktydy, Grenlandii i Labradoru, będziemy również testować hipotezę dotyczącą mechanizmów ówczesnej tektoniki płyt. Czy były one podobne do obecnych? Kiedy się rozpoczęły? I jak wyglądała nasza pierwsza skorupa młodej Ziemi?

Jak sprawdzić, czy to, co obecnie znajduje się niemal na przeciwległych krańcach globu, tworzyło niegdyś jeden kontynent?

Chcemy sprawdzić oczywiście, czy fragmenty skał pobranych z tych terenów jest tego samego wieku, ale to nie wszystko: czy mają również podobną sygnaturę geochemiczną, taki „izotopowy odcisk palca” skały. Chodzi o izotopy uranu, toru, ołowiu, tlenu, lutetu i hafnu. Będą to więc przede wszystkim badania geochemiczne. Jednakże, i geofizyką zajmiemy się w projekcie. Planujemy podjąć się stworzenia rekonstrukcji paleograficznych, czyli „odtworzyć globus sprzed miliardów lat”.

Fig. 1. Przykład ziaren cyrkonu z Ziemi Enerby (Antarktyda Wschodnia) z zaznaczonymi miejscami analiz oraz uzyskanym wiekiem w milionach lat. Obraz wykonany w katodoluminescencji, różna jasność ziaren wynika ze zróżnicowanej zawartości U, ziarno po lewej stronie zawiera 678 ppm U, natomiast po prawej 165 ppm U.

Jakie największe wyzwania stoją przed projektem?

Wyzwań jest kilka, głównie logistycznych. Będziemy dysponować świeżo pobranymi próbkami z Labradoru i Grenlandii, natomiast nie mamy pewności, czy uda się pozyskać nowe próby z Antarktydy. Na szczęście, jesteśmy w posiadaniu depozytorium archiwalnego i mamy na czym pracować. Bardzo liczę jednakże na partnerów australijskich i ekspedycję ich lodołamaczem.

Projekt jest finansowany z funduszy Europejskiego Obszaru Gospodarczego – zatem będzie realizowany wspólne z partnerem z Państwa-Darczyńcy?

Tak, projekt będzie realizowany z dr. Larsem Auglandem, z Uniwersytetu w Oslo. Lars jest kierownikiem laboratorium geochronologii, a nasze doświadczenie i umiejętności są różne, tak więc współpraca daje nam szansę na interdyscyplinarność i wzajemne uzupełnianie się. Chcemy też włączyć do współpracy Australijczyków i Szwedów.

A jak bada się ten wiek?

W każdej metodzie próbkę skały trzeba pokruszyć. Należy uzyskać preparat danego minerału. Próbki są dokumentowane pod mikroskopem optycznym, potem pod mikroskopem elektronowym, gdzie określamy skład chemiczny minerałów. Do analiz izotopowych, używamy spektrometrii mas. Możemy analizować całe ziarno minerału, bądź jego fragment. Będziemy badać różne izotopy w jednym minerale, ale też wiele minerałów, żeby uzyskać kompleksową informację o procesach, jakim podlegały. W projekcie oprócz cyrkonu, zajmiemy się innymi minerałami akcesorycznymi, na przykład fosforanami (monacyt i apatytów), czy baddeleitem, tlenkiem cyrkonu: którego spodziewamy się w dajkach maficznych, czyli intruzjach skał magmowych przecinających warstwy starszych skał. Analizy dajek będą wykorzystywane do badań paleomagnetycznych. Metoda paleomagnetyczna opiera się na trwałym w czasie geologicznym, naturalnym namagnesowaniu skał, o kierunku zgodnym z lokalnym wektorem pola magnetycznego w momencie ich krzepnięcia lub sedymentacji. Namagnesowanie to jest jednocześnie świadkiem pierwotnej pozycji geograficznej miejsca powstania skał, w tym przypadku dajek. Za część paleomagnetyczną w projekcie będzie odpowiedzialny prof. Marek Lewandowski.

W projekcie przewidziano szereg prac terenowych, z czym się wiążą?

Prace terenowe w tak odległe i niedostępne rejony wiążą się przede wszystkim z wyrafinowaną logistyką i organizacją. Na Grenlandię jeździmy w czerwcu-lipcu, na Labrador latem, a na Antarktydę w grudniu-styczniu. Na wszystkie prace związane z poborem prób musimy oczywiście uzyskać odpowiednie pozwolenia. Na Labradorze istnieje również wymóg współpracy z ludnością rdzenną – Inuici opiekują się nami w terenie, są kapitanami łodzi. Ważne jest uszanowanie stanowisk archeologicznych czy miejsc pochówku. Musimy dokumentować wszystkie znalezione przy okazji prac artefakty, ślady przodków, np. narzędzia z kwarcytów – a tych nie brakuje. Z drugiej strony dzielimy się zdobytą wiedzą, a mieszkańcy tych obszarów mogą lepiej poznać miejsce, w którym żyją.

Z kolei na południu będziemy częścią ekspedycji międzynarodowej. Zdobycie próbek nie jest proste - odkrywki to fragment odkrytej skały w lodzie, przez cały rok. Pobranie materiału jest utrudnione i najczęściej ma się na to bardzo mało czasu – ograniczonego np. dostępnością helikoptera. Ale te trudności to element przygody – wyrwania Ziemi choć części wielkiej tajemnicy jej najdawniejszej przeszłości!

Konkurs GRIEG - konkurs Narodowego Centrum Nauki w ramach tzw. funduszy EOG i funduszy norweskich spotkał się z ogromnym zainteresowaniem. Co za tym idzie, konkurencja była bardzo duża: na 305 złożonych wniosków finansowanie otrzymało 28, z czego tylko 12 przedsięwzięć z dziedziny Nauk Technicznych i Ścisłych otrzymało wsparcie. Tym bardziej cieszy, że w tej grupie jest projekt Instytutu Geofizyki PAN, i to o wartości prawie 5 mln złotych, dotyczący badań polarnych.