Czas geologiczny i nazwy przedziałów czasowych
Przez ponad 2 wieki pracy uczonych udało się dość dobrze wyznaczyć daty poszczególnych wydarzeń w historii naszej planety. Wiemy obecnie niemal na pewno, że Ziemia istnieje przez niewyobrażalne liczbę 4.6 miliardów lat (4600 MY - milionów lat). Ogrom tego czasu jest praktycznie niemożliwy do ogarnięcia przez człowieka bez zastosowania jakichś porównań czy systematyzacji. Aby lepiej orientować się w tej gigantycznej czasowej otchłani uczeni nadali odpowiednim częściom dziejów nazwy. Nazwy te pochodzą głównie z języka greckiego lub od odległych, często egzotycznych miejsc, gdzie opisano dobrze skały z danego przedziału czasu, w związku z tym bywają dziwaczne i niemal niemożliwe do zapamiętania. Sprawę komplikuje jeszcze fakt, że nasi rodzimi geolodzy dążą do wprowadzania nazw maksymalnie spolszczonych, łatwiejszych w odmianie, które dość mocno odstają od oryginałów (np. zamierzchła epoka Rhyacian to u nas Riak). Abyś Czytelniku nie musiał nadwyrężać pamięci, możesz w każdej chwili odwołać się do zamieszczonych osobno tabel chronologicznych przedstawiających nazwy i daty odcinków czasu geologicznego liczone wstecz od współczesności. Największe, liczące setki milionów lat przedziały czasu historii Ziemi to eony, które dzielą się na trwające dziesiątki milionów lat ery. Te z kolei podzielono na okresy, epoki i wieki (geologiczne oczywiście). Ponieważ nim dalej sięgamy w głębię czasu geologicznego tym mniej o nim wiemy, co powoduje nierównomierny podział jednostek (widać to po datach w pierwszej kolumnie tabel). W miarę zbliżania się do współczesności ilość danych, które posiadamy rośnie wykładniczo i pozwala znacznie szczegółowiej datować wydarzenia z przeszłości. Dlatego też szczególnie ważną dla Lubelszczyzny najmłodszą erę kenozoiczną pokazano w osobnej tabeli z dokładnością do poziomu wieków, ery mezozoiczną i paleozoiczną tylko do poziomu epok, a najstarsze ery proterozoiczna i archaiczna zasłużyły tylko na poziomy okresów czy nawet er.
Niszczenie i zasypywanie powierzchni Ziemi
Teraz kilka słów na temat geologii jako nauki, która zajmuje się „budową, własnościami i historią Ziemi oraz procesami zachodzącymi w jej wnętrzu i na jej powierzchni, dzięki którym ulega ona przeobrażeniom” jak to rozwlekle podsumowuje wikipedia. Opowiem teraz w dużym skrócie co współczesna geologia mówi nam obecnie o Ziemi, aby wprowadzić trochę potrzebnych nam terminów fachowych.
Na bieżąco na Lubelszczyźnie rzadko jesteśmy świadkami naturalnych przeobrażeń powierzchni Ziemi. Czasem gwałtowna powódź Wisły czy Bugu zmieni koryto rzeki lub utworzy nowy ląd, prędzej człowiek zbuduje nowe góry kopalnianych hałd, jak w Bogdance lub wykopie nową dolinę pod obwodnicę Lublina. Większość procesów kształtowania Ziemi zachodzi bardzo, bardzo powoli, ale dzięki nieograniczonemu czasowi prowadzi do zmian tak wielkich, że nie dorównają im największe dzieła człowieka.
Spacerując po lubelskim Placu Wolności można wstąpić do pięknego, gotyckiej jeszcze proweniencji, kościółka sióstr Brygidek. Gdy staniemy przed profilowanym wejściowym portalem zauważymy, że schody prowadzą do niego w dół a poziom podłogi kościoła jest niemal metr niższy od poziomu ulicy. To właśnie skromny dowód geologicznych procesów zachodzących tuż pod naszym nosem. Kościółek w czasach Władysława Jagiełły zbudowano oczywiście z wejściem na poziomie ziemi. Wzniesiono go w niewielkim oddaleniu od murów miejskich, na skraju i nieco poniżej miejskiego płaskowyżu dawnego przedmieścia krakowskiego, zbudowanego z lessu – mało spoistej skały trudnej do odróżnienia od zwykłej gliny (pamiętacie prolog?). Zanim utwardzono drogi i zabudowano okolicę, każda ulewa zmywała nieco lessu z góry i przemieszczała go w okolicę kościoła, by przez 600 lat podnieść poziom ziemi wokół świątyni tak, aż potrzebne stały się schody. W taki sam sposób woda i wiatr do spółki z mrozem i lodowcami żłobi i niszczy powierzchnię lądów w jednym miejscu, po czym z pomocą grawitacji rozdrobniony materiał skalny transportowany jest w inne niższe miejsce, gdzie układa się w kolejne warstwy. Nazywamy to w geologii wietrzeniem i osadzaniem lub erozją i depozycją. Materia wędruje z przystankami na wydmach, w rzekach i jeziorach, ale ostatecznym tej pielgrzymki zwykle jest morze. Na głębiach, gdzie nurt wody zwalnia materia, która nie dała rady się rozpuścić opada i zalega zdawałoby się na wieczność na dnie morskim. Jasne, że na lądzie przeważa sukcesywne ścieranie, które niszczy przedtem złożone depozyty materii skalnej, podczas gdy w morzach dominuje osadzanie. Jeśli materii jest dużo i zapis trwa długo pierwotne warstwy utworzone ze żwirów, pasków, jeszcze mniejszych cząstek mułu i wreszcie najdrobniejszych iłów, zaczynają być zgniatane, odwadniane i z czasem przemienią się w skałę. Skały takie nazywamy osadowymi okruchowymi (na przykład zlepieńce, piaskowce, mułowce, iłowce - ogólniej łupki). Dla ścisłości, dla geologa piasek i muł to także skały, tylko niezwięzłe. Ku uciesze geologów w morzach, jeziorach i rzekach natura zapisuje w ten sposób warstwa po warstwie jak litera po literze swoją historię, a ku ich utrapieniu na lądach wcześniejszy zapis skalny jest litera po literze wydrapywany.
Czasem do budowy nowych warstw skał przyczyniają się stworzenia żywe. Podczas swego istnienia wychwytują z wody mórz i jezior pierwiastki, które wbudowują w swoje ciała, by po śmierci zrzucić swoje szkieleciki na dno, lub osadzić w postaci minerałów w budowlach rafowych. Tak powstają skały osadowe organiczne np. wapienie i margle. Dla utrudnienia pracy badacza dziejów Ziemi najczęściej jest tak, że równocześnie z lądu przynoszone są osady mineralne a zwierzęta morskie dorzucają do tego swoją organiczną produkcję, powstające wtedy skały mają skład pośredni okruchowy i organiczny.
Gdyby na tym kończyły się procesy geologiczne, dość szybko w skali geologicznej (czyli w ciągu kilku milionów lat) powierzchnia Ziemi uległaby zeszlifowaniu w jednych miejscach i zaszpachlowaniu w innych. Dna mórz zostałyby zasypane, lądy starte do postaci wielkiej płaskiej równiny a woda pokryłaby całą Ziemię ciągłą, równą warstwą. Tymczasem nasze doświadczenie mówi, ze góry wciąż stoją, a oceany dalej bywają bardzo głębokie. Okazuje się, że erozja i depozycja to nie koniec przemian, a może nawet nie początek.
Tworzenie nowej skorupy ziemskiej i jej ruchy
Wygląda na to, ze jakaś siła w głębi planety demoluje niektóre fragmenty jej powierzchni i unosi je na tysiące metrów w górę co niweczy mrówczą robotę grawitacji. Co jest motorem tych procesów? Już obserwacje górników głębokich kopalni, że nim głębiej tym Ziemia jest gorętsza a i oczywiście ciśnienie zalegających warstw skalnych z głębokością także rośnie. Wiemy dzisiaj, że jest to skutkiem powstania pierwotnej Ziemi jako rozżarzonej kuli, która jeszcze nie zdążyła ostygnąć wewnątrz i jest dodatkowo stale podgrzewana przez rozpadające się w głębi pierwiastki radioaktywne. Na pewnych głębokościach temperatura jest już tak wysoka, że skały pomimo olbrzymiego ciśnienia przestają być sztywnym ciałem stałym i zaczynają przypominać plastelinę. Oprócz wielkiego żelazno-niklowego jądra wewnętrznego cała reszta planety (jądro zewnętrzne i płaszcz) jest albo płynna, albo plastyczna na tyle, by pod wpływem różnych sił przemieszczać się i wyginać powoli, ale nieubłaganie. Tylko cienka niby naskórek zewnętrzna warstwa kuli ziemskiej nazywana skorupą ziemską jest wystarczająco chłodna i twarda by zachować sztywność. Skorupa i płaszcz różnią się składem chemicznym, ale dla nas większe znaczenie mają ich własności mechaniczne - część sztywną nazywamy litosferą a część plastyczną astenosferą. Przy udziale zespojonych z nią niżej leżących plastycznych warstw sztywna litosfera jest przemieszczana w pionie i poziomie, łamana i rozdzierana. Wszelkie ruchy skorupy, zarówno jej przesuwanie poziome, unoszenie, opadanie, wyginanie i pękanie oraz związane z nimi zjawiska nazywamy w geologii tektoniką.
Dlaczego jednak materia w głębi planety porusza się? Otóż rozgrzana do 4 a może 7 tysięcy °C półpłynna materia z okolic jądra Ziemi unosi się ku górze niczym nagrzana woda w czajniku przez warstwę płaszcza (tzw. astenosferę) w gigantycznych bąblach i rozpływa pod skorupą w różnych kierunkach, by po schłodzeniu zacząć znowu opadać w głąb. Generuje to znaczne siły i powoduje powstawanie w skorupie planety olbrzymich naprężeń, które mogą czasem rozładować się gwałtownie w niszczycielskich trzęsieniach Ziemi. W pewnych miejscach, gdzie pióropusze rozgrzanej materii docierają do skorupy (tak zwane plamy gorąca) jest ona rozgrzewana szczególnie mocno, roztapiana i rozciągana na boki. W spękania skorupy ku górze wdziera się się rozgrzana materia z płaszcza, która na skutek mniejszego ciśnienia w otoczeniu staje się upłynnionym skalnym stopem - to magma. Kiedy magma dotrze do powierzchni staje się lawą, wylewającą się mniej lub bardziej gwałtownie w postaci wulkanów. W przypadku den oceanicznych wytwarzany przez wulkany materiał usypuje się w wielkiej pryzmie ku górze aż osiągnie powierzchnię morza tworząc wyspę wulkaniczną. Jeśli plama gorąca zmienia swoje położenie względem płyty litosfery, wyspy wulkaniczne tworzą się ciągle w innym miejscu aż uformuje się ich szereg zwany łukiem wyspowym. Tego typu łukiem wysp są Hawaje. Zastyganie schłodzonej magmy z płaszcza na różnych wysokościach i lawy na powierzchni tworzy powszechnie występującą skałę zwaną bazaltem. Skała ta jest przedstawicielem nowej kategorii skał magmowych, jest pierwotnym i jednym z głównych budulców skorupy ziemskiej. Współdziałanie kilku plam gorąca, szczególnie pod lądem, gdzie ciepło jest słabo odprowadzanie, może doprowadzić do rozerwania płyty litosfery na znacznej długości. Tworzy się wtedy wielki podłużny system szczelin z zapadliskiem pośrodku nazywany ryftem. Jeśli ruchy astenosfery trwają nadal to krawędzie pękniętej płyty dodatkowo wybrzuszają się i coraz bardziej rozchodzą, a szczeliny skorupy sukcesywnie wypełnia tworzący się bazalt. W dolinę ryftu napływa woda tworząc nowy ocean z nowym bazaltowym dnem i wielkim popękanym grzbietem śródoceanicznym szczeliny ryftowej na środku. Tak powstały dna wszystkich oceanów, w których bazalt, czyli w dużym uproszczeniu zastygnięty materiał z płaszcza wraz z morskimi osadami tworzy jedyną warstwę skorupy Ziemi na około 5-8 km grubości. To tak zwana skorupa oceaniczna. Inaczej wygląda sprawa z kontynentami. W ich przypadku na plastrze bazaltu spoczywa dodatkowo o wiele grubsza (do kilkudziesięciu kilometrów) warstwa innych dużo lżejszych skał, o ich powstawaniu opowiem dalej.
Działanie strefy ryftowej na oceanie
Gorąca materia płaszcza unosząca się z jądra podgrzewa skorupę tworząc plamę gorąca i wulkany. Jeśli płyta oceaniczne przesuwa się z nad plamą gorąca nie zawsze ulega rozerwaniu, lecz wulkany powstające ciągle w nowym miejscu tworzą łuk wysp typu Hawajów. Kiedy siły rozciągające sprawiają, że stara skorupa pęka, ta brzegi rozsuwają się i unoszą tworząc grzbiet podmorski. W dnie powstałego rowu ryftowego wylewa się i stygnie nowa skorupa oceaniczna. Jest ona zbudowana ze skał płaszcza które stygnąc na powierzchni tworzą bazalty, a w głębi gabra. Nowo utworzona skorupa oceaniczna cały czas odsuwa się na boki od ryftu unosząc stare wulkany, w ryfcie tworzą się ciągle nowe wulkany i nowe dno oceanu. Tak powstaje nowy grzbiet śródoceaniczny.
Działanie strefy ryftowej na kontynencie
Gorąca materia płaszcza unosząca się z jądra podgrzewa skorupę tworząc uniesioną w górę plamę gorąca i wulkanizm - początkowo wulkany wyrzucają gęstszą i lżejszą lawę z przetopionej skorupy kontynentalnej. Stara sztywna skorupa kontynentalna pęka wreszcie, jej brzegi unoszą się i rozsuwają, w dnie powstałego rowu ryftowego wylewa się i stygnie nowa skorupa, teraz z głębi wydostaje się także cięższa i rzadsza lawa bazaltowa. Trwa to czasem długo i opór kontynentalnej skorupy sprawia, że na tym etapie proces się zatrzymuje i aktywność ryftu zamiera. Jeśli jednak dochodzi do ostatecznego rozsunięcia obu części kontynentu, w powstałej przerwie zaczyna tworzyć się skorupa oceaniczna. Jeśli uzyska ona połączenie z morzem, zapadlisko wypełnia woda – powstaje nowy ocean ze swoim ryftem oceanicznym.
Niszczenie skorupy i powstawanie gór
Bardzo ciekawe rzeczy dzieją się także gdy zamiast sił rozciągających skorupę przeważają siły ściskające. Jest tak, kiedy znacznie ochłodzone fragmenty astenosfery stają się tak ciężka, że zaczynają tonąć w płaszczu pociągając litosferę. Jeżeli dzieje się to na oceanie, to dość ciężka skorupa bazaltowa jest wciągana w dół i tonie w płaszczu a w dnie powstaje rów oceaniczny. Tam właśnie znajdują się największe głębie morskie jak Rów Mariański. Formuje się przy nim tzw strefa subdukcji. Zanurzająca się skośnie w dół bazaltowa skorupa z jednej strony zabiera ze sobą także róże złożone przedtem na dnie morza nieskonsolidowane osady, skały osadowe i wodę. Wszystko to trafia setki kilometrów wgłąb Ziemi, jest podgrzewane, roztapia się i zaczyna przebijać z powrotem ku powierzchni. Tak powstająca magma ma już inny skład niż magma płaszcza produkująca bazalty. Magma tego typu jest dość lepka i pełna rozpuszczonych gazów. Zależnie od tego czy zastygnie w głębi skorupy, czy też przebije się bliżej powierzchni, będą z niej powstawać różne nowe typy ogólnie mniej gęstych niż bazalt skał magmowych np. granity i andezyty. Czasem małe a czasem olbrzymie, zawierające tysiące kilometrów sześciennych masy magmy zastygłej na dużych głębokościach skorupy nazywamy intruzjami. Uwalniane z magmy w niższych ciśnieniach gazy (głownie tlenki węgla i siarki oraz para wodna) silnie napierają na nadległe nad komorami magmy skały. Jeśli te popękają i ustąpią, skutkuje to wybuchami wulkanów jak i w przypadku stref ryftowych, ale ogólnie wulkany te z powodu innej magmy są zwykle bardziej gwałtowne, czyli bardziej eksplozywne. Erupcje tego typu rozsiewają na skorupie warstwy materiału skalnego w różnej postaci. Może to być rozdrobniony pył wulkaniczny, mniejszy gruz lub wielkie bomby wulkaniczne i wreszcie masy płynnej jeszcze lawy.
Nic dziwnego, że tak maltretowana skorupa Ziemi podzieliła się na liczne, różnej wielkości fragmenty – płyty tektoniczne i pozostaje w ciągłym ruchu od stref ryftowych, gdzie powstaje nowa skorupa, do stref subdukcji, gdzie skorupa jest pożerana przez płaszcz. Ale nie w całości. Część unoszonych na bazaltowej płycie oceanicznej niczym krosty łuków wysp zbudowanych z lżejszej skały magmowej i skał osadowych różnego pochodzenia jest zbyt lekka, aby zatonąć w płaszczu. Skały te zostaną niczym wycieraczką zdrapane z pogrążającej się płyty przez jej współtowarzyszkę niedoli – płytę przeciwległą, czyli górną. Warstwy tych skał oddzielają się pod wpływem ściskania płyt niby łuski, unoszą ku górze a jeśli są jeszcze wystarczająco plastyczne ulegną też skomplikowanemu pofałdowaniu. Wraz z efektami aktywności wulkanicznej materiał ten buduje łuki wysp strefy subdukcji towarzyszące rowom oceanicznym. Przykładem tego typu wysp są Wyspy Japońskie i Archipelag Malajski.
Bardziej skomplikowana jest sytuacja, gdy jedna z płyt lub obie niosą na sobie kontynent. Kontynenty to w geologii nie tylko duży suchy ląd nie pokryty morzem. Kontynenty to wielkie cokoły przeważnie lekkich skał, które wznoszą się ok. 5km ponad dno bazaltowych basenów oceanicznych. Pomimo lżejszych skał ich grubość i masa jest tak wielka, że jak góra lodowa kontynent pogrąża się w płaszczu dużo głębiej niż z niego wystaje i bazaltową warstwę płyty wgniata nawet do 30 km. Kiedy dolna przyciągnie kontynent do łuku wysp strefy subdukcji, między nimi utworzy się zamknięty fragment oceanu zwany basenem załukowym. Bliskość stałego lądu i aktywnych wulkanicznie wysp sprawia, że jego dno zasypuje straszna, czasem wielokilometrowa masa osadów. Kiedy kontynent dotrze do strefy nie będzie on w stanie zatonąć, jest zbyt lekki - subdukcja się musi się na nim zatrzymać. Teraz płytą dolną staje się gęstsza płyta oceaniczna, która wsuwa się pod kontynentalną i zostawia na jej krawędzi olbrzymie ilości osadów basenu załukowego i łuków wysp. Strefa przetapiania pogrążonych skał dotyczy teraz krawędzi kontynentu i tam powstają spękania, wlewanie się intruzji magmowych i wulkany, a złuszczone i spiętrzone osady oraz łuki wysp tworzą nadbrzeżne wysokie góry typu andyjskiego.
Jeśli obie płyty niosą kontynenty to zderzają się one ze sobą w prawdziwie spektakularny i najbardziej skomplikowany sposób. Najpierw ocean znika, a osady i łuki wysp zgniatane są i wypiętrzane. Przy okazji w spękania wdziera się także magma a czasem jeden kontynent wbija się w drugi lub pod drugi niczym taran - zależy to od twardości i gęstości budujących je mas skalnych. Powstają wtedy śródkontynentalne najwyższe góry typu himalajskiego, takie procesy formowania się pasm górskich nazywamy górotworzeniem lub orogenezami.
Działanie oceanicznej strefy subdukcji
Tonięcie chłodniejszych skał płaszcza porusza płyty oceaniczne ku sobie i jedna z nich zanurza się pod drugą, po czym jest wciągana w płaszcz razem z częścią niesionych na niej osadów. Brzeg pobliskiego kontynentu jest pasywny – stanowi tylko źródło osadów gromadzących się na dnie. Wciągane w płaszcz skały są częściowo przetapiane i unoszą się ku górze roztapiając skorupę i tworząc łuk wysp wulkanicznych. Część osadów na dnie jest zgniatana i fałdowana w czasie zdrapywania przez górną płytę. Niesiony przez dolną płytę kontynent jest lekki, sztywny i nie chce zatonąć - teraz płyta oceaniczna staje się dolną i jest wciągana. Strzaskany i sfałdowany materiał osadowy i łuku wysp wypiętrza się w łańcuch górski a nowe wulkany tworzą się teraz na kontynencie.
Kolizja kontynentów w strefie subdukcji
Kiedy obie zbliżające się płyty niosą na sobie kontynenty początkowo brzegi kontynentów produkują tylko osady zalegające dno oceanu, a strefa subdukcji działa jak na oceanie. Wreszcie ocean zamyka się, a zgromadzone osady i łuki wysp są ściskane między kontynentami, wulkany tworzą się teraz na kontynencie niesionym przez górną płytę. Ostatecznie kontynent dolny wbija się pod kontynent górny a spiętrzone i sfałdowane osady i skały magmowe są wpychane daleko na dolny kontynent. Tworzą się wysokie góry typu himalajskiego. Obciążenie masą skał powoduje pogrążenie także górnego kontynentu i znaczne pogrubienie skorupy. Przedzierająca się przez spękania magma z czasem skonsoliduje skorupę w szew kontynentalny. Ostatecznie subdukcja wygasa.
Powstawanie kontynentów
Zapewne czytelniku zauważyłeś, że kontynenty mogą właściwie tylko przyrastać zgarniając z płyt oceanicznych łuki wyspowe i zderzając się z innymi kontynentami. Rzeczywiście, kontynenty składają się z pasów skał kolejnych orogenez niczym pień drzewa z kolejnych słojów przyrostu. Wśród tych przyrostów możemy wyróżnić pewne elementy o wspólnym pochodzeniu jak fragmenty starej skorupy z przynależnymi im pasami skał wulkanicznych i osadów, które nazywamy terranami. Powstające w dawnych górotworzeniach pasma górskie dawno już zostały starte na proch i wróciły do mórz w postaci osadów, ale w kontynencie tkwią nadal ich ślady w postaci tzw "korzeni". Skały kontynentów w wielu miejscach pogrążają się bardzo głęboko lub znajdą się w sąsiedztwie magmy, gdzie w wysokiej temperaturze i ciśnieniu ulegają przemianie, niezależnie od pochodzenia zaczynają przypominać skały magmowe. To jeszcze jedna grupa skał – skały metamorficzne, przykładem takich skał są gnejsy. Tak przerobione skały stają się sztywniejsze, nie ulegają fałdowaniu i zgniataniu, mówimy, że skorupa kontynentalna ulega konsolidacji. Najstarsze elementy kontynentów zostały skonsolidowane już tak dawno, że trudno ustalić kiedy. Te części lądów przez resztę historii Ziemi odgrywały rolę twardych, sztywnych jąder, czyli kratonów, wokół których rozgrywał się dalszy taniec płyt litosfery. Stare, mocno przeobrażone skały wokół kratonów, określane są jako platformy kontynentalne.
Wszystkie opisane tu fenomeny dzieją się tak wolno, że w czasie ludzkiego życia, a nawet za życia wielu pokoleń Ziemia robi wrażenie stałej i niewzruszonej. Ale nawet jeśli płyty tektoniczne poruszają się ledwie 2 cm rocznie, to w ciągu 1000 lat będzie to 20 metrów, w ciągu miliona lat - 20 kilometrów, a w ciągu 100 milionów - 2000 kilometrów. Dzięki takim czarom wielkich otchłani czasowych odległość dzieląca kontynenty europejski i amerykański może powstać w ledwo 2% całych dziejów Ziemi!
Tak w błyskawicznym streszczeniu wygląda aktualna teoria ewolucji skorupy Ziemi nazywana tektoniką płyt lub nową tektoniką globalną, chociaż powstała już ponad pół wieku temu. Sądzę, że to wystarczy, aby zacząć teraz snuć opowieść o dziejach geologicznych naszego regionu lubelskiego. Po więcej szczegółów zainteresowanych zapraszam do listy źródeł, a część poznamy już przy omawianiu szczegółowej historii Lubelszczyzny. Możemy bowiem tego nie zauważać, ale nasz mały zakątek podlega takim samym prawom geologii jak inne części tej wielkiej i dynamicznej struktury nazwanej Ziemią.