CZTERY ŻYWIOŁY GEOLOGII Redaktorzy wydania: Agata JURKOWSKA Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH Katedra Analiz Środowiskowych, Kartografii i Geologii Gospodarczej Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie jurkowska.a@gmail.com Beata STOŻEK Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego beata.stozek@gmail.com Redaktor techniczny: Waldemar OBCOWSKI obco@go2.pl Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego Korekta Merytoryczna dla rozdziału „Ogień” Ewa KOSZOWSKA (ING UJ) Zbigniew SAWŁOWICZ (ING UJ) dla rozdziału „Ziemia” Karolina LEWINSKA (IGFiKŚP UAM) Korekta językowa: Marta SZCZEPANIK Projekt graficzny okładki oraz ilustracje: Waldemar OBCOWSKI (ING UJ) ISBN 978-83-63663-57-5 Udostępniono na licencji: CC-BY-NC-SA 4.0 Polska Wydawnictwo Naukowe “Akapit”, Kraków 2015 tel/fax (012) 280-71-51; kom. 608 024 572 e-mail: wn@akapit.krakow.pl; www.akapit.krakow.pl Spis treści 1. Ogień 1.1 Narodziny Prasłońca..............................................................6 1.2 Jak powstał Układ Słoneczny......................................................7 1.3 Płonąca planeta..................................................................7 1.4 „Iron catastrophy”...............................................................8 1.5 Teoria wielkiego zderzenia.......................................................9 1.6 Płynne jądro i co dalej.........................................................10 1.7 Wielkie prowincje magmowe i superwulkany........................................13 1.8 Przykłady popularnych skał magmowych-głębinowych i wulkanicznych 16 1.9 Atrakcje geoturystyczne.........................................................18 1.10 Przykładowy scenariusz pt. „Ewolucja planery”...................................19 1.11 Spis literatury.................................................................22 2.Woda 2.1 Woda............................................................................24 2.2 Woda na Ziemi...................................................................24 2.3 Skąd się wzięła woda na Ziemi...................................................24 2.4 Woda to życie...................................................................25 2.5 Woda pod lupą...................................................................27 2.6 Czy z wody powstają skały?.......................................................30 2.7 Zawartość węglanu wapnia w wodzie...............................................30 2.8 Skały osadowe...................................................................30 2.9 Atrakcje geoturystyczne.........................................................37 2.10 Scenariusz lekcji..............................................................39 2.11 Spis literatury.................................................................41 3.Wiatr 3.1 Powietrze.......................................................................44 3.2 Zmienność skaładu powietrza w dziejach Ziemi....................................44 3.3 Efekt cieplarniany..............................................................46 3.4 Izotopy tlenu w geologii........................................................47 3.5 Ruch powietrza, czyli wiatr.....................................................47 3.6 Skały osadowe okruchowe.........................................................49 3.7 Atrakcje geoturystyczne.........................................................52 3.8 Scenariusz lekcji...............................................................54 3.9 Spis literatury.................................................................56 4. Ziemia 4.1 Od skały do czarnoziemów, czyli procesy i czynniki glebotwórcze w pigułce....58 4.2 Wybrane przykłady skał macierzystych............................................61 4.3 Barwa gleby.....................................................................64 4.4 Atrakcje geoturystyczne.........................................................68 4.5 Przykładowy scenariusz pt. „ Znaczenie wody w glebie”...........................70 4.6 Spis litearury..................................................................72 Inspiracją do napisania tej książki była nasza pasją do nauk przyrodniczych, a przede wszystkim do geologii. Od najmłodszych lat biegałyśmy po kamieniołomach z młotkiem w ręce w poszukiwaniu skamieniałości i minerałów, choć wtedy jeszcze się nie znałyśmy. Mamy nadzieję, że takich osób jak my jest więcej, lecz ze względu na to, że w szkole niewiele mówi się o geologii i historii Ziemi mało kto decyduje się rozwijać swoją pasję na studiach wyższych. Właśnie dlatego postanowiłyśmy napisać książkę, który umożliwi pasjonatom geologii poszerzenie swojej wiedzy pod czujnym okiem specjalistów, a także zapoznanie się z badaniami jakie prowadzą geolodzy-naukowcy. Agata Jurkowska i Beata Stożek Za codzienne podtrzymywanie na duchu i niegasnącą wiarę w moje możliwości Wojtkowi i naszym chłopakom - Jeremiemu i Teo, dziękuję. Beata Za dyskusje naukowe oraz pomoc dziękuję Ewie Świerczewskiej-Gładysz z Uniwersytetu Łódzkiego. Za cierpliwość i wyrozumiałość dziękuję Mikołajowi. Agata Za nieocenione uwagi i dyskusje, naszym recenzentom - profesorowi Joachimowi Szulcowi z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie oraz profesorowi Kazimierzowi Wiechowi z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie dziękujemy. Agata i Beata Publikacja finansowana jest ze środków przyznanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej na podstawie umowy nr 35/UD/SKILLS/'2014 o wykorzystanie nagrody przyznanej w konkursie eNgage w ramach projektu SKILLS współfinansowanego z Europejskiego Funduszu Społecznego. „ Tego świata, jednego i tego samego świata wszechrzeczy, nie stworzył ni żaden z bogów, ani żaden z ludzi, lecz był on, jest i będzie wiecznie żyjącym ogniem zapalającym się według miary i według miary gasnącym.” Heraklit z Efezu OGIEŃ Beata Stożek Ogień fascynował ludzi od zawsze. Jednym z fundamentalnych wynalazków prehistorycznych cywilizacji była umiejętność jego rozpalania. Mogłoby się wydawać, że w tym momencie historii ludzkości, człowiek nauczył się ogień kontrolować - jednak nic bardziej mylnego. W tym rozdziale pokazane zostały procesy, które powiązane są z ogniem i na które my, ludzie, nie mamy żadnego wpływu, co gorsza jesteśmy od tych procesów całkowicie zależni i im podlegli. 1.1 Narodziny Prasłońca Około 4,56 miliarda lat temu, pod wpływem własnej grawitacji zaczyna zapadać się obłok molekularny, nazywany często także obłokiem międzygwiazdowym. Co właściwie znaczy, że się zapada? Otóż cząstki, które występują w obłoku, z niejasnej i jak dotąd będącej zagadką dla naukowców przyczyny, zaczynają wykazywać tendencję ruchu w kierunku środka, gdzie następuje wzrost gęstości. Obłok zbudowany jest w przeważającej części z atomów wodoru, dodatkowo występują w nim także atomy helu oraz sporadycznie atomy innych pierwiastków. W miejscu zagęszczenia cząsteczek wzrasta ciśnienie, a jednoczesne kurczenie się obłoku sprawia, że następuje wzrost gęstości, a obłok nagrzewa się. Powstające ciepło emitowane jest z gęstniejącej masy w postaci promieniowania podczerwonego, dzięki temu, pomimo wzrostu pozostałych parametrów, przez pewien czas obłok nie nagrzewa się. Po pewnym czasie gęstość tego tworu jest już tak duża, że nie przepuszcza promieniowania, a temperatura w jego wnętrzu zaczyna rosnąć bardzo szybko. Fig. 1. Dysk akrecyjny protogwiazdy (wirujący obłok mający kształt dysku charakterystyczny jest dla każdej protogwiazdy, także Protosłońca, dżet - skolimowany strumień materii plazmowej, wyrzucany przez protogwiazdę). Czy wiesz, że Słońce w swoim składzie zawiera około 2 % pierwiastków ciężkich? Świadczy to o tym, że Słońce nie powstało tylko z materii pozostałej po Wielkim Wybuchu, ale zawiera w sobie też pierwiastki pozostałe po wybuchu supernowej. Z bezładnego początkowo obłoku międzygwiazdowego powstaje kulisty twór nazywany Protosłońcem lub Prasłońcem. Kurczący się obłok, podobnie jak łyżwiarz przyciągający ręce do siebie w trakcie wykonywania obrotów, ma coraz mniejszy moment bezwładności. Ponieważ moment pędu pozostaje stały, wraz ze spadkiem wartości momentu bezwładności, musi wzrosnąć prędkość obrotowa, gdyż iloczyn tych wartości jest równy momentowi pędu. Obłok obraca się więc coraz szybciej, przyjmując kształt dysku ze skondesowanym centrum w postaci Protosłońca (fig. 1). Dalsze jego zgęszczenie się zależy w dużej mierze od momentu pędu - jeżeli będzie za duży, spowoduje zbyt szybki ruch dysku i nie pozwoli na zagęszczenie się materii. 6 1.2 Jak powstał Układ Słoneczny? Wirujący obłok mający kształt dysku niejako wymusił gromadzenie się cząstek w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu. Doprowadziło to do licznych zderzeń pomiędzy tymi cząstkami. Zderzając się, wykazywały one tendencję do łączenia się, i w ten sposób formowały coraz większe obiekty. Obiekty te mogły się łączyć, powiększając swoją masę lub ulegać fragmentacji i cały proces rozpoczynał się od nowa. Po wielu milionach lat zderzeń, wyłoniło się kilka obiektów skupiających sporą ilość materii - nazywamy je protoplanetami. Skład chemiczny tych obiektów zależał w dużej mierze od ich odległości od Słońca. Najbliżej, w największej temperaturze łączyły się cząstki zbudowane z trudno topliwych metali i krzemianów, w dalszej odległości w protoplanety łączyły się obiekty oblepione lodem i dwutlenkiem węgla. Na dalekich obrzeżach obłoku łączyły się cząstki oblepione metanem i amoniakiem. W ten sposób w „bliskim” sąsiedztwie Prasłońca wyłoniły się cztery protoplanety, które w procesie akrecji trwającym jeszcze około 100 mln lat przekształciły się w planety typu ziemskiego, zwane inaczej planetami skalistymi. W dalszej odległości od Prasłońca uformowały się gazowe giganty. Prasłońce podczas gęstnienia wchłonęło w siebie z obłoku międzygwiazdowego 99,86 % znanej nam materii. Jego wnętrze zaczęło płonąć, a w jądrze rozpoczęła się reakcja termojądrowa, przetwarzająca wodór w hel. Energia, która zaczęła się uwalniać podczas fuzji jądrowej, sprawiła, że Słońce zaczęło świecić. Czy wiesz, że temperatura we wnętrzu Słońca znacznie wzrosła wraz z rozpoczęciem się reakcji termojądrowej? Obecnie naukowcy uważają, że temperatura we wnętrzu Słońca wynosi 16 mln oC, natomiast na powierzchni zaledwie 6000 tys. oC. Przejście do etapu reakcji termojądrowej, oprócz świecenia zaowocowało także niezwykłym wzrostem aktywności młodej gwiazdy, która zaczęła wyrzucać z siebie ogromne ilości materii. Pędzący z prędkością 2 tys. km/h wiatr słoneczny dosłownie zmiatał rozproszone w przestrzeni resztki materii w kierunku zewnętrznej krawędzi dysku, poza elipsoidy planet. Te resztki materiału, który nie dołączył do formujących się planet, utworzyły prawdopodobnie Pas Kuipera. 1.3 Płonąca planeta Od czasu uformowania się około 4,54 miliarda lat temu Ziemia narażona była na liczne bombardowania powierzchni mniejszymi ciałami niebieskimi. Wraz ze wzrostem aktywności Słońca bombardowanie nasiliło się na skutek wiejącego wiatru słonecznego. Ziemia była wówczas wyjątkowa gorąca, a jej powierzchnia składała się z rozpuszczonych metali przypominając ogromny, płonący ocean lawy (fig. 2). 7 Fig. 2. Potoki lawowe. Co wpływało na tak wysoką temperaturę Ziemi? Oprócz oczywistego wpływu licznych bombardowań powierzchni meteorytami, które niezatrzymywane (z powodu braku atmosfery) wpadały wprost we wrzącą lawę, istotny był sam proces akrecji planety oraz ciepło uzyskane w wyniku reakcji promieniotwórczych, przebiegających zarówno na powierzchni jak i we wnętrzu Ziemi. Intensywne bombardowanie przyczyniło się do wzrostu masy ziemskiej, co spowodowało zwiększenie pola grawitacji Ziemii, dzięki czemu nasza planeta mogła zatrzymać wodę w postaci gazowej. To z kolei doprowadziło do wychłodzenia się powierzchni i utworzenia pierwszej skorupy. Wydawać by się mogło, że kolejne etapy ewolucji naszej planety będą przebiegać spokojnie - nic bardziej mylnego! (Więcej informacji o pojawieniu się wody na naszej planecie w rozdziale pt. „Woda”). Czy wiesz, że każdego dnia na powierzchnię Ziemi spada ok. 100 ton materiału kosmicznego w postaci pyłu lub małych meteorytów? 1.4 „Iron catastrophy” Gdyby zapytać dziś uczniów szkoły podstawowej „jak zbudowane jest wnętrze Ziemi?”, to przynajmniej połowa odpowie, że Ziemia ma jądro, a co niektórzy bez problemu wymienią także płaszcz i skorupę. Jeśli jednak zapytamy - „czy Ziemia zawsze miała warstwy?”, spowodujemy wśród słuchaczy lekką konsternację i raczej nie uzyskamy odpowiedzi. Jak zatem wyglądała Ziemia na początku swojego istnienia? Z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że na początku swojego istnienia była homogenicznym tworem. W poprzednim podrozdziale dowiedzieliśmy się, że pod wpływem różnych czynników temperatura na powierzchni naszej planety zaczęła wzrastać. W pewnym momencie został przekroczony punkt 1538 oC (temperatura topnienia żelaza) i od tej chwili rozpoczęła się dyferencjacja. Wydarzenie to nazywa się „żelazną katastrofą” (ang. iron catastrophy). Roztopione żelazo, jako znacznie cięższe i gęstsze od pozostałych składników planety, zaczęło spływać do wnętrza Ziemi (fig. 3). Potencjalna energia grawitacyjna, uwalniana przy pogrzebaniu żelaza, prowadziła do zwiększenia temperatury i przekroczenia punktu topnienia większości składników, w następstwie czego w szybkim czasie utworzyło się płynne jądro otoczone krzemianowym płaszczem. 8 Fig. 3. Ziemia przed i po ’’żelaznej katastrofie”. 1.5. Teoria wielkiego zderzenia Teorie, według których Ziemia zderzyła się z innym ciałem niebieskim, czy to wielką asteroidą, czy planetą wielkości Marsa, od dawna funkcjonowały w przestrzeni naukowej, starając się wyjaśnić powstanie naszego sztucznego satelity. Dopiero niedawno udało się jednoznacznie potwierdzić, że takie wydarzenie istotnie miało miejsce. Na kursie kolizyjnym z naszą planetą stanęła planeta Thea (nazwana od imienia greckiej tytanidy, która m.in. wydała na świat Selene czyli Księżyc), której wymiary mogły być zbliżone do Marsa. Dotychczas sądzono, że podczas kolizji, która miała miejsce około 4,5 miliarda lat temu, mniejsza planeta rozpadła się całkowicie, natomiast Ziemi udało się wyjść z tego zdarzenia z niewielkim ubytkiem masy. Powstałe w wyniku zderzenia tony materiału skalnego miały być materiałem wyjściowym, z którego uformował się Księżyc (fig. 4). Zgodnie z tą hipotezą skład skał księżycowych powinien w znacznym stopniu odbiegać od składu skał ziemskich, ponieważ Thea różniła się składem od naszej planety. Obecne badania dowodzą, że materiałem źródłowym, z którego zbudowany jest Księżyc jest Ziemia. W momencie kolizji Ziemia wirowała znacznie szybciej niż obecnie, doba trwała około 2-3 godziny, a bardzo duża siła odśrodkowa sprawiła, że podczas zderzenia mogła się oderwać ilość materiału wystarczająca do powstania księżyca. Dlaczego dzisiaj doba trwa 24 godziny? Po katastrofie zmienił się całkowicie układ sił grawitacyjnych i na Ziemię, poza Słońcem, działają także siły grawitacyjne naszego satelity - to one ostatecznie doprowadziły do zwolnienia ruchu obrotowego. Fig. 4. Teoria wielkiego zderzenia - od kolizji Ziemi i planety Thei do uformowania się Księżyca. 9 1.6. Płynne jądro i co dalej? Pomimo, że od uformowania się naszego Układu Słonecznego minęło już kilka miliardów lat, Słońce nadal wysyła w naszym kierunku wiatr słoneczny. Strumień cząstek, składający się głównie z protonów i elektronów, dociera do Ziemi z różnym natężeniem, w zależności od poziomu aktywności Słońca. Szczęśliwie dla nas, nad Ziemią roztacza się niewidzialna bariera, która chroni nas przed szkodliwym działaniem promieniowania kosmicznego - ziemskie pole magnetyczne (fig. 5). Starając się wytłumaczyć powstanie tej niezwykle ważnej osłony, musimy cofnąć się do rozważań na temat wnętrza Ziemi. Fig. 5. Wiatr słoneczny i pole magnetyczne Ziemi. Fig. 6. Budowa wnętrza Ziemi. 10 Wnętrze Ziemi składa się z pięciu warstw, pomiędzy którymi występują powierzchnie nieciagłości bądź strefy przejściowe (fig. 6). W środku naszej planety usytuowane jest jądro wewnętrzne, zbudowane z żelaza w postaci stałej. Jakim cudem zbudowane z żelaza jądro może mieć postać ciała stałego, skoro temperatura jego topnienia, wynosi jak już wcześniej zaznaczono, 1538oC? We wnętrzu Ziemi, według najnowszych badań, panuje ciśnienie 4 mln atmosfer i to właśnie dlatego, przy temperaturze zbliżonej do 6000oC, możliwe jest występowanie żelaza w postaci stałej. Następna warstwa to jądro zewnętrzne, również zbudowane z żelaza, tym razem występującego w formie ciekłej. Właśnie ciekłe jądro wewnętrzne uważa się za generator ziemskiego pola magnetycznego. W jądrze zewnętrznym występują wirowe prądy elektryczne, które działają jak jednobiegunowy generator Faradaya. Oznacza to, że jądro wewnętrzne zachowuje się jak samowystarczalne dynamo. Napędem tego geodynama są prawdopodobnie prądy konwekcyjne, występujące w płynnym jądrze. Ruchy konwekcyjne znane są także, a może przede wszystkim, z płaszcza ziemskiego usytuowanego nad jądrem zewnętrznym. Do dziś naukowcy nie są zgodni, czy konwekcja odbywa się w całym płaszczu, czy dolny i górny płaszcz mają oddzielne komórki konwekcyjne (fig. 7). Ze względu na duże zróżnicowanie pomiędzy dolnym a górnym płaszczem coraz częściej zakłada się drugi wariant. Mechanizm konwekcji polega na wznoszeniu się gorącego materiału, w tzw. prądzie konwekcyjnym, do podstawy litosfery (w przypadku konwekcji w płaszczu górnym) i do strefy przejściowej (w przypadku konwekcji w płaszczu dolnym). Rozpływając się wzdłuż granicy, materiał ten oddaje ciepło i wraca do wnętrza Ziemi jako opadający prąd konwekcyjny. W ten sposób zamyka się komórka konwekcyjna. Fig. 7. Modele konwekcji w płaszczu: a) dwuwarstwowa, komórki konwekcyjne tworzą się oddzielnie w górnym i dolnym płaszczu; b) jednowarstwowa, obejmująca cały płaszcz (grubość komórek 2900km, szerokość od 4 do 12 tys. km). 11 Zarówno dolny j ak i górny płaszcz zbudowany j est ze stałych skał. Jak zatem jest możliwe, że skały płaszcza „płyną” w komórkach konwekcyjnych? Panujące ciśnienie 140 GPa w płaszczu dolnym i temperatura ponad 1500oC sprawiają, że skały mają właściwości plastyczne i mogą poruszać się z prędkością kilku milimetrów lub nawet kilku centymetrów na rok. Ze zjawiskiem konwekcji związane jest jeszcze jedno zagadnienie - tektonika płyt. Teoria ta zakłada, że zewnętrzna powłoka Ziemi - litosfera, jest sztywna i podzielona na części - płyty tektoniczne. W skład litosfery wchodzi skorupa i cześć perydotytowa górnego płaszcza. Płyty tektoniczne leżą na astenosferze - części płaszcza górnego, która jest częściowo płynna, ma dużą lepkość i plastyczność, co umożliwia ruch płyt względem siebie. Fig. 8. Litosfera i astenosfera. Czy wiesz, że podstawy teorii tektoniki płyt zostały wprowadzone już w 1912 r. przez Alfreda Wegenera, według którego świat składał się z płyt litosfery poruszających się względem siebie? Teoria ta, nazywana dryftem kontynentów, oparta była głównie na geologicznych przesłankach takich jak kształt kontynentów czy ciągłości formacji skalnych na różnych kontynentach. Spotkała się ona z chłodnym przyjęciem i trafiła na margines rozważań naukowych. Dopiero gwałtowny rozwój geofizyki, sejsmologii i badań dna oceanicznego doprowadził do reaktywacji teorii dryftu kontynentów. Fig. 9. Jedną z konsekwencji teorii tektoniki płyt jest ruch kontynentów. W tym wypadku widzimy „pożegnanie” Afryki i Ameryki Południowej. Oba kontynenty oddalają się obecnie od siebie z prędkością 1,5 cm/rok. 12 Jednym z dowodów na poparcie teorii tektoniki płyt jest ruch kontynentów. 138 mln. lat temu nastąpił rozpad Gondwany, w wyniku czego Ameryka Południowa i Afryka oddalają się wciąż od siebie (fig. 9). Największą niewiadomą dotyczącą tektoniki płyt,jest mechanizm napędzający ruch płyt. Po tym, jak odkryto zjawisko konwekcji w płaszczu, właśnie tym zjawiskiem próbowano tłumaczyć przesuwanie się płyt. Miejsca wznoszenia się prądu konwekcyjnego miały być powiązane z tworzeniem się nowej skorupy wzdłuż grzbietów oceanicznych, natomiast miejsca, w których prąd konwekcyjny wracał do wnętrza Ziemi miały być wiązane ze strefami subdukcji. Dziś już wiadomo, że konwekcja, chociaż ma znaczący wpływ na ruch płyt, nie jest jednak jedynym jego czynnikiem. Wypływ magmy w strefach spreadingu (grzbiety oceaniczne) powoduje w tych miejscach podniesienie litosfery. Jej ciężar i nacisk wymuszają oboczny ruch litosfery na zewnątrz od grzbietu oraz pogrążanie się schłodzonych, względnie ciężkich płatów litosfery w astenosferze, ciągnących za sobą resztę płyty w kierunku strefy subdukcji. Zjawisko to, nazywane grawitacyjnym zsuwaniem się płyty tektonicznej, może być kolejną przyczyną przemieszczania się płyt tektonicznych (fig. 10). Ostatnią warstwą jest skorupa ziemska, która wraz z najwyższą częścią płaszcza górnego tworzy litosferę. Zbudowana ze skał magmowych kwaśnych (skorupa kontynentalna) i zasadowych (skorupa oceaniczna), poddawana jest ciągłym procesom endogenicznym, m.in. wulkanizmowi. 1.7. Wielkie prowincje magmowe i superwulkany Na temat wulkanizmu i wulkanów możemy dowiedzieć się dziś z wielu źródeł. Jedno z najbardziej interesujących zagadnień z obszaru geologii jest omawiane w przedszkolu, gdzie wykonuje się doświadczenia polegające na zmieszaniu octu z sodą oczyszczoną. Po zabarwieniu tej mieszanki na czerwono przypominać ma ona wyglądem lawę, wprawiając w zachwyt 5-latków. 13 Fig. 11. Aktywne wulkany, „pierścień ognia” oraz strefy subdukcji (czerwonymi punktami zaznaczono aktywne wulkany, natomiast żółte linie pokazują położenie dzisiejszych stref subdukcji). Patrząc na mapę aktywności wulkanicznej, możemy szybko dojść do wniosku, że wybuchy i występowanie wulkanów najczęściej związane są z granicami płyt tektonicznych. Najwięcej czynnych wulkanów odnotowuje się w rejonach stref subdukcji, wokół Pacyfiku, gdzie tworzą one „pierścień ognia” (fig. 11). Czy wiesz, że najwięcej czynnych wulkanów znajduje się w Indonezji? Jest ich 75. Tam też miała miejsce największa katastrofa wulkaniczna we współczesnym świecie - wybuch wulkanu Tambora, który w 1815 roku zabił około 100 tys. ludzi. W historii Ziemi zdarzały sie jednak epizody wulkaniczne, czasem bardzo krótkie, czasem trwające kilka milionów lat, które nie miały nic wspólnego z „klasycznym wulkanizmem” związanym z granicami płyt tektonicznych. Wspólną cechą tych wydarzeń było wygenerowanie olbrzymich ilości magmy - stąd nazwa „wielkie pokrywy lawowe” (fig. 12). Wielkie pokrywy lawowe powstały zarówno na skorupie kontynentalnej, jak i oceanicznej tworząc trapy, podwodne płaskowyże (?), kontynentalne pokrywy bazaltowe, czy oceaniczne pokrywy bazaltowe. Wielkie płaskowyże lawowe najczęściej zbudowane są ze skał maficznych o składzie bazaltów, choć zdarzają się także bardziej nasycone krzemionką. Badacze nie są zgodni co do genezy wielkich pokryw lawowych. Część z nich uważa, że odpowiedzialne za to są pióropusze płaszcza (plamy gorąca, ang. hot spots), czyli wznoszące się w kierunku skorupy strumienie nagrzanej materii płaszcza. Pióropusze płaszcza zbudowane są z „głowy” pióropusza o dużej średnicy, oraz wznoszącego się za nią cienkiego ogona. Docierając do astenosfery, pióropusz wpływa na skorupę, w której tworzy się wybrzuszenie. Gdy skorupa pod wpływem gorąca zostanie uszkodzona, następuje wylew wielkich ilości nagromadzonej lawy. Część badaczy z kolei przypisuje te zjawiska wulkaniczne teorii tektoniki płyt, z założeniem, że oddalone od miejsc aktywnych tektonicznie wylewy lawy, związane są z rozszerzaniem się skorupy (tworzeniem się stref ryftowych) i mają charakter pasywny. Obie teorie są prawdopodobnie słuszne. Jedną z najbardziej znanych wielkich pokryw lawowych są trapy Dekanu na Półwyspie Indyjskim. Grubość pokrywy lawowej wynosi ponad 2 km i zajmuje powierzchnię 14 prawie 0,5 mln. km2. Ten trwający z różnym natężeniem 4 miliony lat epizod wulkaniczny datowany jest na późną kredę i paleogen (dawniej wczesny trzeciorzęd). Tak wysoka aktywność wulkaniczna musiała mieć istotny wpływ na środowisko nie tylko lokalnie, ale także globalnie, co mogło być jednym z powodów masowego wymierania, w którym wyginęły też dinozaury. Przykładem podmorskich płaskowyżów może być Ontong Java, leżący niedaleko wybrzeży Australii. Płaskowyż ten formował się w mezozoiku, w dwóch oddzielnych epizodach. Grubość pokrywy lawowej wynosi średnio 30 km i zajmuje obszar wielkości Alaski. Objętość lawy jest tak ogromna, że 5 kilometrową warstwą bazaltu można by pokryć powierzchnię wielkości Stanów Zjednoczonych. Fig. 12. Położenie największych pokryw lawowych. W 2005 roku telewizja BBC wyemitowała dwugodzinny film „Superwulkan - scenariusz katastrofy”. Jest to fabularyzowany dokument, opowiadający o zniszczeniach, jakich może dokonać superwulkan, znajdujący się pod Parkiem Narodowym Yellowstone. W filmie, oprócz animacji, przedstawione są także wypowiedzi geologów przewidujących koniec Stanów Zjednoczonych i ogólnoświatową katastrofę. Emisja filmu wprowadziła do naukowych konwersacji pojęcie „superwulkanu” i rozpoczęła debatę zwolenników i przeciwników tej teorii. Superwulkany powstają wskutek ogromnej erupcji, wyrzucając z siebie wielkie ilości lawy nagromadzonej w komorze magmowej pod powierzchnią ziemi. Objetość lawy przekracza zazwyczaj 1000 km3. Charakterystyczną cechą superwulkanów jest ich stosunkowo płaski kształt, obecność zjawisk hydrotermalnych, takich jak gejzery czy fumarole, oraz pozostała po erupcji kaldera, której średnica może dochodzić do kilkudziesięciu kilometrów. Według zwolenników teorii tak ogromny wybuch musi doprowadzić do globalnych zmian klimatu, nie wspominając o zniszczeniach obejmujących setki kilometrów wokół takiego wulkanu. Przykładem na potwierdzenie idei superwulkanu mają być badania nad wybuchem wulkanu Toba, który miał miejsce około 74 tysięcy lat temu. Ta najpotężniejsza od 2 milionów lat erupcja wyrzuciła z siebie 3 tys. km3 lawy.Dla porównania wybuch Wezuwiusza, który unicestwił Herkulanum i Pompeje, wyrzucił zaledwie 5 km3. Kaldera po wybuchu Toby ma prawie 100 km długości i 30 km szerokości (fig. 13). Archeolodzy stwierdzili, że wybuch superwulkanu przeżyło tylko kilka tysięcy ludzi, stąd mamy tak wąską pulę genetyczną. Badania wykonane także na człekokształtnych mieszkańcach Azji i Afryki oraz tygrysach bengalskich potwierdziły wcześniejszą tezę. Czy w dzisiejszych czasach należy obawiać się wybuchu superwulkanu? Czy jesteśmy w stanie przewidzieć, gdzie nastąpi taka katastrofa? Geofizycy starają się 15 znaleźć odpowiedź na to pytanie niemal każdego dnia. Wulkany są nieprzewidywalne. Obserwujemy zmiany w ich okolicy, wzmożoną lub obniżoną aktywność, ustawiamy w ich okolicy najnowocześniejszy sprzęt pomiarowy, wykrywający nawet najlżejszy ruch w obrębie skorupy, a mimo to nie potrafimy odpowiedzieć sobie na zadane powyżej pytania. Fig. 13. Katastroficzna wizja wybuchu superwulkanu Toba. 1.8. Przykłady popularnych skał magmowych - głębinowych i wulkanicznych Sfotografowane skały stanowią część petrologicznej kolekcji dr Beaty Dziubińskiej. Obsydian (pochodzenie okazu nieznane) Zaliczany do kwaśnych skał wulkanicznych, nazywany bywa także szkłem wulkanicznym (fig. 14). Powstaje podczas bardzo szybkiego stygnięcia lawy. Ze względu na właściwości (twardy, kruchy, ostrokrawędzisty przy rozłupaniu) wykorzystywany już w epoce kamienia łupanego. Występuje dość powszechnie. W Polsce znany jest m. in. z Górnego Śląska. Fig. 14. Obsydian. 16 Bazalt o teksturze migdałowcowej (Lubiechowa) Zaliczany do zasadowych skał wulkanicznych (fig. 15). Prezentowany okaz pochodzi z okresu permu. Podczas stygnięcia lawy powstały próżnie po ulotnieniu sie gazów, które w późniejszym etapie zostały wypełnione między innymi przez następujące minerały: agat, kwarc, kwarc dymny, baryt czy kalcyt. Powszechnie stosowany w budownictwie. Fig. 15. Bazalt o teksturze migdałowcowej. Perydotyt biotytowy (Kaltes Thal Harzburg) Zaliczany jest do skał ultramaficznych. Biotytowa odmiana skały występuje bardzo rzadko (fig. 16). Na podstawie badań uważa się, że perydotyt jest skałą, mającą udział w budowie górnego płaszcza, Głównym minerałem jest oliwin, który może występować w różnych ilościach (40-100% objętości skały), dodatkowo występują pirokseny oraz inne akcesoryczne minerały. Fig. 16. Perydotyt biotytowy. 17 1.9. Atrakcje geoturystyczne 1. Kamieniołom Snozka na Górze Wdżar Lokalizacja: Kluszkowce k. Czorsztyna GPS: N: 49°27'22", E: 20°19'11" Ciekawym miejscem w Pieninach jest kamieniołom andezytów, który możemy odwiedzić na południowym zboczu Góry Wdżar (fig. 17). Andezyty należą do skał wulkanicznych, które na terenach Polski występują stosunkowo rzadko. Mają barwe szarą z widocznymi fenokryształami plagioklazów, piroksenów i amfiboli. Wykorzystywany był głównie jako surowiec budowlany. Obecnie strome skały kamieniołomu służą amatorom turystyki wspinaczkowej. Fig. 17. Nieczynny kamieniołom andezytów Snozka, Góra Wdżar (fot. W. Stożek). 2. Czarna Góra Lokalizacja: Regulice k. Alwerni GPS: N: 50° 04’ 42", E: 19° 31’ 02" Nieczynny kamieniołom Czarna Góra w Regulicach był eksploatowany na skalę przemysłową do II wojny światowej (fig. 18). Naprzemianległe ułożenie skał wulkanicznych i skał piroklastycznych sugeruje, że mamy tu do czynienia ze stożkiem wulkanicznym. Główną skałą wulkaniczną jest zbliżony składem chemicznym do bazaltów diabaz. Ma on charakterystyczną czerwonawo- filetową barwę. Część skał występujących w kamieniołomie ma strukturę migdałowcową (dawniej nazywano takie skały melafirami). Do kamieniołomu prowadzi mocno zniszczona, leśna droga, nieprzejezdna w okresie opadów deszczu. Fig. 18. Nieczynny kamieniołom w Regulicach (fot. W. Stożek). 18 3. Ryodacyty z Miękini Lokalizacja: Miękinia k. Krzeszowic GPS: N: 50° 09’ 31", E: 19° 35’ 46" Nieczynny kamieniołom skał wylewnych jest położony w miejscowości Miękinia (fig. 19) Budujące go skały, nazywane zwyczajowo „porfirami”, na podstawie składu chemicznego zostały zaklasyfikowane jako ryodacyty. Są to permskie utwory wulkaniczne, charakteryzujące się czerwoną lub fioletowo-czerwoną barwą. Jako fenokryształy występują skalenie, kwarc lub biotyt. Skały te były eksploatowane przez miejscową ludność dla celów budownictwa drogowego i kolejowego. Kamieniołom jest dostępny dla zwiedzających. Może pomieścić duże grupy zainteresowanych. Fig. 19. Nieczynny kamieniołom w Miękini (fot. W. Stożek). 1.10. Przykładowy scenariusz pt. „Ewolucja planety” Główny cel zajęć: Celem zajęćj est próba pokazania uczniom, że procesy, o których czytamy w podręcznikach dotyczących powstania naszej planety oraz całego Układu Słonecznego, możemy obserwować każdego dnia. Takie pojęcia jak gęstość, pole magnetyczne czy konwekcja towarzyszą nam w codziennym życiu i możliwość ich zinterpretowania oraz nazwania dostarczyć może wiele satysfakcji. Jednocześnie, wykonując doświadczenia, uczniowie mają możliwość lepszego opanowania materiału, dotyczącego ważnych etapów w ewolucji Ziemi. Doświadczenie 1 Materiały dydaktyczne: 1.2 „Jak powstał Układ Słoneczny”, 1.3 „Płonąca planeta” oraz 1.4 „Iron Catastrophy” + zagadnienia dotyczące ewolucji planety z programu nauczania geografii dla szkół ponadpodstawowych Materiały: (doświadczenie każdy uczeń wykonuje samodzielnie) - podane ilości wyliczono dla grupy 10 osób 19 1. Próbówki stożkowodenne typu Falcon 50 ml, z zakrętką - 10 szt. 2. Pipety 10 ml - 10 szt. 3. Łyżeczki plastikowe - 10 szt. 3. Zlewki 250 ml - 5 szt. 4. Miód - 150 ml 5. Płyn do naczyń - 150 ml 6. Woda - 150 ml 7. Olej roślinny - 150 ml 8. Alkohol- 150 ml 9 Barwniki spożywcze - 2 kolory Opis doświadczenia: 1. Do każdej zlewki nalać kolejno miód, płyn do naczyń, wodę, olej i alkohol. Alkohol i wodę zabarwić barwnikiem spożywczym na wyraziste kolory, np. czerwony i niebieski. 2. Rozdać uczniom pipety i probówki. 3. Każdy uczeń, za pomocą łyżeczki, wprowadza do próbówki 10 ml miodu, następnie używając pipety wprowadza kolejne roztwory w kolejności: płyn do naczyń, zabarwiona woda, olej, zabarwiony alkohol. Ciecze wprowadzamy „po ściance”, żeby uniknąć ich wymieszania. Omówienie wyników: Postępując zgodnie z instrukcją, każdy uczeń powinien otrzymać 5 kolorową „kolumnę gęstości”, którą można potraktować jako wizualizację rozkładu gęstości we wnętrzu Ziemi. Doświadczenie 2 Materiały dydaktyczne: 1.7 „Geodynamo Ziemi” + zagadnienia dotyczące magnetyzmu ziemskiego z programu nauczania geografii dla szkół ponadpodstawowych Materiały: (doświadczenie można wykonać w grupach lub przeprowadzić w postaci pokazu) 1. Zwojnica prądowa z płytką szklaną (specjalna do eksperymentów) 2. Magnez sztabkowy 3. Płytka szklana, cienka, o wymiarach czterokrotnie większych od magnesu 4. Opiłki żelaza 5. Igła magnetyczna Opis doświadczenia: 1. Przygotowujemy magnes sztabkowy układając na nim szklaną płytkę tak, aby magnes znalazł się dokładnie pod jej środkiem. 2. Rozsypujemy na płytkę opiłki żelaza. 3. Delikatnie stukamy w płytkę, wymuszając ruch opiłków. 4 Włączamy zwojnicę prądową i na powierzchni szklanej płytki rozsypujemy opiłki żelaza. Omówienie wyników: Opiłki żelaza na płytce szklanej, położonej na magnesie sztabkowym, podobnie jak i te rozsypane na zwojnicy, układają się wzdłuż linii pola magnetycznego. Możemy przyjąć założenie, że jeden z końców cewki, podobnie jak jeden z końców magnesu, to biegun południowy, a drugi to biegun północny. Przykładając igłę do pola magnetycznego zwojnicy, zaobserwujemy, że ustawi się ona zgodnie z liniami pola, wskazując nasz hipotetyczny 20 biegun północny. Jeżeli zmienimy kierunek pradu - zmienią się także nasze bieguny, co możemy zobaczyć ponownie przykładając igłę magnetyczną. Jeżeli spojrzymy na obrazek, przedstawiający ziemskie pole magnetyczne zobaczymy, że rozkład jego linii jest identyczny z tym, który uzyskaliśmy za pomocą magnesu lub cewki. Doświadczenie 3 Materiały dydaktyczne: 1.8. Superwulkany i wielkie prowincje magmowe + zagadnienia dotyczące wulkanizmu z programu nauczania geografii dla szkół ponadpodstawowych Materiały: (doświadczenie wykonuje nauczyciel) 1. Wulkan z masy solnej (lub żaroodporna miska o szerokim dnie) 2. 200 g dichromianu amonu 3. Etanol (lub inny rozpuszczalnik do zainicjowania reakcji spalania) 4. Zapałki Opis doświadczenia: Dichromian amonu wsypujemy do prowizorycznego wulkanu lub do żaroodpornej miski. Dla szybszego zainicjowania reakcji dodajemy na powierzchnię kilka kropli etanolu, lub innego dostępnego odczynnika, a następnie podpalamy. Obserwujemy przebieg reakcji, która ma dosyć gwałtowny charakter. Ze względów bezpieczeństwa „wybuch” powinien mieć miejsce pod dygestorium. Sugeruje się użycie okularów ochronnych. Omówienie wyników: Podczas spalania dichromianu amonu zachodzi następująca reakcja chemiczna (NH4)2Cr2O7 ^ Cr2O3 + N2 + 4H2O w wyniku której otrzymujemy zielony proszek będący tlenkiem chromu. Sam przebieg spalania dichromianu może przypominać wybuch wulkanu i w chemii nosi nazwę „wulkanu chemicznego”. Na przykładzie tego doświadczenia można pokazać uczniom, że w wyniku erupcji z wulkanu wydobywa się nie tylko lawa, ale także, a czasem nawet przede wszystkim, wydobywają się ogromne ilości pyłów i popiołów, których zasięg i wpływ na środowisko jest zdecydowanie bardziej długoterminowy i bardziej szkodliwy niż lokalnie występujące potoki lawowe. 21 1.11. Spis literatury Artymowicz P., 1995. Astrofizyka układów planetarnych, PWN, Warszawa, 560ss Bolewski A. & Manecki A., 1993. Mineralogia szczegółowa. Polska Agencja Ekologiczna, Warszawa, 662ss Cuk M & T. Stewart S.T. 2012. Making the Moon from a Fast-Spinning Earth: A Giant Impact Followed by Resonant Despinning, Science, 338: 1047- 1052 Czechowski L., 1994. Tektonika płyt i konwekcja w płaszczu Ziemi. Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa, 251ss Decker R. & Decker B., 1981. Volcanoes, W. H. Freeman & Co, San Francisco, 250pp Fisher R.V., Heiken G. &Hulen J.B., 1998. Volcanoes: Crucibles of change, Princeton University Press, New Jersey, 336pp Jurewicz E. & Nejbert K., 2005. Geotectonic position of the so-called Pieniny Mts. andesites. Mineralogical Society of Poland - Special Papers, 25: 179-183 Krafft M., 1993. Volcanoes: Fire from the Earth, Harry N. Abrams, New York, 207pp Muller J. & Lesch H., 2004, Nasz Wszechświat - o gwiazdach, planetach i czarnych dziurach, Świat książki, Warszawa, 216ss Pittich E. & Kalmancok D.,1990. Niebo na dłoni, PW „Wiedza Powszechna”, Warszawa, 417ss Planety Układu Słonecznego, 1999, Prószyński i S-ka, Warszawa Rapp G.R., 2002. Archaeomineralogy. Springer, Berlin, 326pp Ryka W. & Maliszewska A., 1991. Słownik petrograficzny, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa (wyd. II popr. i uzup), 165ss Scarth A., 1994. Volcanoes: An introduction, UCL Press, London, 287pp Shu F.H., 2003. Galaktyki, gwiazdy, życie -fizyka wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa, 623ss Sinha F. D., 2007. Natural disaster reduction. South East Asian realities, risk perception and global strategies. Anthem Press, London, 146ss White R. & McKenzie D., 1989. Magmatism at rift zones. The generation of volcanic continental margins and flood basalts. Journal of Geopfysical Research, 94: 7685-7729 Ziołkowski K., 2006. Zdziwienia. Wszechświat ludzi o długich oczach”, WAM, Kraków, 277pp http://science.nasa.gov/ 22 Początkiem wszechrzeczy jest woda” Tales z Miletu WODA Agata Jurkowska Rozdział ten, dotyczy wody, a więc zagadnienia tak obszernego, że nawet (bez lania wody) można byłoby napisać o nim całą książkę. Ja postanowiłam się skupić na przedstawieniu wody, jako żywiołu związanego z powstawaniem skał osadowych. Geolog, widzi oceany jako środowisko życia organizmów, z pancerzyków których powstały skały i płytkie bezodpływowe zatoki z wodą morską, jako miejsce powstawania ewaporatów. 2.1. Woda Woda - tlenek wodoru, związek chemiczny o wzorze H2O (fig. 20). Występuje w stanie ciekłym, gazowym (para wodna) lub stałym (lód). Jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych, dlatego większość wody na Ziemi to woda słona (97,38%). Ponadto w wodzie rozpuszczone są gazy atmosferyczne, z których w największym stężeniu występuje dwutlenek węgla (CO2). Fig. 20. Cząsteczka wody. 2.2. Woda na Ziemi Woda na Ziemi występuje głównie w oceanach, które zajmują 70,8% powierzchni globu, ale także w rzekach i jeziorach. W postaci stałej wodę spotykamy w lodowcach i lądolodach, a w postaci gazowej w atmosferze (chmury). Fig. 21. Cząsteczka wody, związek tlenu z wodorem Kolorem niebieskim oznaczono tlen, a białym wodór. 2.3. Skąd się wzięła woda na Ziemi? Odpowiedź na to pytanie wciąż nastręcza wiele trudności. Ostatnie badania naukowe meteorytów, które powstały w różnych momentach formowania się Układu Słonecznego, wskazują, że woda na Ziemi była od czasu jej narodzin. Zespół naukowców (Sarafian, i in., 2014) dowiódł na podstawie badań węglistych chondrytów (fig. 22) (najstarszych znanych meteorytów, które utworzyły się w tym samym czasie co Słońce, a przed powstaniem planet) oraz chondrytów pochodzących z asteroidy Vesta, które utworzyły się 14 milinów lat po powstaniu Układu Słonecznego, że mają one podobny skład chemiczny. Potwierdza to wcześniejsze przypuszczenia, że to właśnie meteoryty węgliste mogły być źródłem wody na Ziemi. Naukowcy nie wykluczają że pewna część wody mogła powstać późnej, jednak już na początku istnienia naszej planety było jej na tyle dużo, by życie mogło powstać. 24 Czy wiesz, że chondryty smoliste to grupa meteorytów kamiennych, które zawierają ok. 4% węgla i 20 % wody? Stwierdzono też występowanie w nich pewnych grup aminokwasów. Fig. 22. Meteoryt, chondryt węglisty. Okaz pochodzi ze zbiorów Muzeum Geologicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego. 2.4. Woda to życie Fig. 23. Smokers, komin hydrotermalny. Obraz namalowany przez Waldemara Obcowskiego (2013), w kolekcji Instytutu Nauk Geologicznych UJ. Pierwsze organizmy żywe (bakterie) powstały w powstały ok. 3,8 mld lat temu w środowisku wodnym, najprawdopodobniej w pobliżu kominów hydrotermalnych (fig. 23). Woda stanowiła dla nich nie tylko schronienie przed zabójczym promieniowaniem, ale również źródło pożywienia. Od tej pory życie bardzo bujnie rozwijało się w środowisku wodnym, zarówno w oceanach, jak i w wodach słodkich. Szacuje się, że już w ordowiku (485 mln lat temu) na skutek bujnego rozwoju organizmów doszło do przepełnienia nisz ekologicznych (fig. 24). 25 Czy wiesz, że kominy hydrotermalne, zwane również smokersami, są środowiskiem życia bakterii chemosyntetyzujących, które wytwarzają energię z reakcji utleniania prostych związków nieorganicznych? Nisza ekologiczna- to miejsce i funkcja organizmów w strukturze ekosystemu. Fig. 24. Życie w ordowickim oceanie. Organizmy żywe w toku ewolucji nabyły przystosowania umożliwiające im zasiedlenie coraz mniej sprzyjających środowisk. Postępująca specjalizacja spowodowała, że drapieżniki stały się coraz bardziej skuteczne w polowaniach, a ofiary coraz szybciej umykały oprawcom. Życie w środowisku wodnym wymusiło na organizmach żywych wykształcenie przystosowań, które umożliwiły im sprawne poruszanie się, unikanie zasypania przez osad, a także oddychanie rozrzedzonym powietrzem. I tak właśnie w świecie zwierzęcym pojawiły się opływowe kształty, aparaty hydrostatyczne (fig. 25), skrzela oraz płetwy. Fig. 25. Aparat hydrostatyczny amonita. Amonit zamieszkiwał tylko ostatnią komorę muszli (zwaną komorą mieszkalną). Pozostała część muszli podzielona była przegrodami na komory, które wypełnione były gazem. Amonit regulował stężenie gazu przy pomocy syfonu, co umożliwiało mu poruszanie się w kolumnie wody. 26 2.5. Woda pod lupą W wodzie żyje wiele organizmów, które nie są widoczne gołym okiem. Zaliczamy do nich plankton, który biernie unosi się na powierzchni zbiorników wodnych. Pomimo swoich niewielkich rozmiarów, organizmy planktoniczne odegrały i nadal odgrywają bardzo znaczącą rolę w kształtowaniu ekosystemów. Poniżej zostaną omówione cztery główne grupy mikroorganizmów, które są szczególnie przydatne w badaniu skał osadowych. Kokolitofory to mikroskopijne (2-30 pm) samożywne organizmy morskie z grupy Coccolithophyceae. Zwykle nazywa się je glonami wapiennymi albo złotowiciowcami, ale tak naprawę od roślin odróżnia je posiadanie chlorofilu a i c (rośliny mają a i b). Zabarwione są brązowym barwnikiem zwanym fukoksantyną. Organizmy te budują wapienne szkieleciki, które składają się z pojedynczych tarcz, ściśle do siebie przylegających (fig. 26). W sprzyjających warunkach nasłonecznienia, temperatury i przy dostępności składników odżywczych organizmy te bardzo szybo się namnażają co powoduje że woda oceaniczna przybiera mleczny kolor na obszarze nawet kilkuset metrów kwadratowych. Są one uznawane za głównych producentów biomasy we współczesnych oceanach. Z ich pancerzyków, które przez miliony lat opadały na dno oceanów, utworzyły się pokłady węglanowych. Do takich skał zaliczamy m.in. opoki. Fig. 26. Mikrofotografia z elektronowego mikroskopu skaningowego pokazująca skamieniałe kokosfery (s) zbudowane z płytek kokolitowych oraz pojedyncze płytki kokolitowe (k) powstałe z rozpadu kokosfer, tworzące skałę. Kokosfery stanowią zewnętrzny szkielet glonów - kokolitofor - żyjących w strefie fotycznej mórz i oceanów. Kiedy glony obumierają, opadają na dno i ich szkielety mogą przekształcić się w osad węglanowy, zwany kredą. Fot. dr Agnieszka Ciurej, Instytut Nauk Geologicznych, Polska Akademia Nauk. Czy wiesz, że do oglądania kokkolitów wypreparowanych ze skał używa się elektronowych mikroskopów skaningowych, które umożliwiają uzyskanie powiększeń rzędu 3 000 000 razy? IvD WH D520041 2014-03-13 NL D8.7 x1 5k 50 um 27 Otwornice to grupa jednokomórkowych, morskich mikrorganizmów heterotroficznych, które mogą swobodnie unosić się w toni wodnej (planktoniczne) lub spoczywać na dnie (bentoniczne). Otwornice tworzą wapienne pancerzyki (fig. 27, 28) lub budują je poprzez zlepianie ziaren, które znajdą na dnie oceanu. Te niewielkie organizmy zawdzięczają swoją nazwę obecności niewielkich otworków w pancerzu, przez które wypuszczają nibynóżki. W skałach wapiennych znajduje się mnóstwo pancerzyków otwornic (Fig. 10), są one doskonałymi narzędziami do datowania skał. Fig. 27. Zdjęcie otwornicy planktonicznej Globotruncanella petaloidea (Gandolfi) wykonane przy użyciu mikroskopu elektronowego z mastrychckich utworów kredy piszącej z Cementowni „Chełm”. Zdjęcie wykonała dr Zofia Dubicka z Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Fig. 28. Zdjęcie otwornicy planktonicznej Heterohelix striata Ehrenberg wykonane przy użyciu mikroskopu skaningowego z mastrychckich utworów kredy piszącej z Cementowni „Chełm”. Zdjęcie wykonała dr Zofia Dubicka. Fig. 30. Zdjęcie radiolarii z gatunku Dyctiomytra framosa. Zdjęcie wykonane przy użyciu mikroskopu elektronowego. Zdjęcie wykonała dr hab. Marta Bąk z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Radiolarie (promienice) to mikroskopijne pierwotniaki planktoniczne o rozmiarach 0,1-0,2 mm. Większość z nich posiada krzemionkowy szkielecik w postaci igieł lub płytek (fig. 30). Z nagromadzenia pancerzyków radiolarii na dnie oceanicznym, powstał radiolaryt. Okrzemki to jednokomórkowe glony o rozmiarach do 2 mm. Ich ściany komórkowe pokryte są z zewnątrz warstwą krzemionki. Szkieleciki okrzemek składają się z dwóch skorupek, z których większa zwana wieczkiem zachodzi na mniejszą zwaną denkiem. Z nagromadzenia pancerzyków okrzemek powstała tzw. ziemia okrzemkowa, czyli diatomit, który jest szeroko wykorzystywany w przemyśle. Czy wiesz, że aby wydobyć pancerzyki otwornic ze skał osadowych, paleontolodzy wielokrotnie gotują skały z dodatkiem soli glauberskiej,która najpierw ulega rozpuszczeniu, a następnie krystalizuje zwiększając swoją objętość i tym samym powoduje, że skała ulega rozpadowi? Powstały osad szlamuje się, czyli przesiewa przez sito o zmniejszających się oczkach. Następnie zbiera się osad z ostatniego sita i ogląda go pod lupą, w poszukiwaniu otwornic (fig. 31). Bardziej nowoczesną metodą jest poddawanie próbki skalnej działaniu ciekłego azotu (metoda opisana przez Remina i in., 2008), a następnie polewanie gorącą wodą. Taki proces powoduje „szok termiczny" w wyniku którego skała szybciej ulega dezintegracji (rozpada się na mniejsze fragmenty). Następnie próbkę szlamuje się i ogląda pod lupą. n ■*♦.*** | «««I _____ Fig. 31. Proces dezintegracji skały i szlamowania w celu przygotowania preparatu do analizy otwornicowej. 29 2.6. Czy z wody powstają skały? Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem substancji polarnych, które mogą ulec strąceniu w postaci soli, gdy dochodzi do parowania. Minerały powstające w wyniku odparowywania wody morskiej nazywamy ewaporatami i zaliczamy do nich: gips, anhydryt, halit (sól kamienna), sylwin, karnalit. Jednym z miejsc tworzenia się ewaporatów jest sebha, czyli nadmorska równina w strefie ciepłego i suchego klimatu, która jest okresowo zalewna przez morze. Intensywne parowanie sprawia, że z wody morskiej wytrącają się pokłady ewaporatów. W wyniku wytrącania się węglanu wapnia z wody powstają nacieki jaskiniowe. Oczywiście jest to długotrwały proces, tak więc tempo przyrostu nacieków jest bardzo powolne. 2.7. Zawartość węglanu wapnia w wodzie Zawartość dwutlenku węgla (CO2) w wodzie wpływa na wytrącanie się węglanu wapnia (CaCO3). Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie wchodzi w połączenia z wodą, dając słaby kwas węglowy, który ulega dysocjacji: H2CO3 ~ H + + HCO3- Jon HCO3- łatwo reaguje z jonami metali lekkich, szczególnie z wapniem, dając dwuwęglan wapnia Ca(HCO3)2. Jest to związek nietrwały, który ulega rozpadowi z wytworzeniem słabo rozpuszczalnego węglanu wapnia (CaCO3). Ca(HCO3)2 ~ CaCO3 + CO2 + H2O Rozkład dwuwęglanu odbywa się w trakcie np. fotosyntezy roślin, które w dzień wykorzystują go w dużych ilościach i powodują deficyt dwutlenku węgla. 2.8. Skały osadowe Skały osadowe, jak sama nazwa wskazuje, powstały w wyniku akumulacji materiału okruchowego przynoszonego przez czynniki zewnętrzne: wodę, lodowiec, wiatr (skały osadowe okruchowe), szczątków zwierzęcych i roślinnych (skały osadowe organogeniczne) w wyniku wytrącania z roztworu wodnego (skały osadowe chemiczne) (fig. 32). Fig. 32. Podział skał osadowych w zależności od sposobu powstawania. 30 W tym rozdziale zostaną omówione skały osadowe organogeniczne oraz chemiczne. Składy osadowe okruchowe zostały omówione w rozdziale „Powietrze”. 2.8.1. Skały osadowe organogeniczne Skały te są bardzo rozpowszechnione w całej Polsce. Mają znaczenie gospodarcze, i geoturystyczne (ścieżki i parki krajobrazowe). W skałach tych oprócz mikroskamieniałości bardzo często występują również makroskamieniałości roślin i zwierząt. Wapień Fig. 33. Węglanowa skała osadowa, składająca się z kalcytu (Ca CO3) lub aragonitu (Ca CO3). W zależności od pochodzenia może zawierać bioklasty (skamieniałości roślinne i zwierzęce) oraz fragmenty skał i minerałów (materiał detrytyczny, np. kwarc). Skała przybiera różne zabarwienie w zależności od składników, np. obecność tlenków żelaza zabarwia skałę na kolor czerwony. Fig. 33 Triasowy wapień z muszlami mięczaków. Zbiory Muzeum Instytutu Nauk Geologicznych UJ. Czy wiesz, że kalcyt i aragonit to ten sam związek chemiczny (węglan wapnia), krystalizujący w dwóch odmianach polimorficznych: trygonalnej (kalcyt) lub rombowej (aragonit) (fig. 34, 35)? 31 Fig. 34 Kryształy kalcytu. Zbiory Muzeum Instytutu Nauk Geologicznych UJ. Fig. 35. Kryształy aragonitu. Zbiory Muzeum Instytutu Nauk Geologicznych UJ. Opoka Fig. 36. Węglanowa skała osadowa, bogata w krzemionkę pochodzenia organicznego. Skały te zbudowane są z kokolitów, otwornic oraz krzemionki pochodzącej z igieł gąbek krzemionkowych. W obrębie opok często występują krzemienie i czerty. Skała barwy białej, często brudząca palce. Czy wiesz, że skały węglanowe (tj. zawierające powyżej 50% objętościowych skałotwórczych minerałów węglanowych) od pozostałych można łatwo odróżnić polewając niskostężonym (3-5%) kwasem solnym? Skały zawierające węglany będą się intensywnie burzyły w wyniku polania kwasem. 32 Kreda pisząca Jest to skała o barwie białej lub jasnożółtej, silnie brudząca, stosunkowo lekka. Znana z okresu kredowego, który swoją nazwę wziął od pokładów tej skały. Zmieszana ze sproszkowanym gipsem, używana jest jako kreda do tablicy. Skała ta zbudowana jest z kokolitów oraz otwornic. Diatomit Fig.37. Skała złożona głównie z skorupek okrzemek, które spojone są krzemionkowym (opalowym) cementem. Od ziemi okrzemkowej różni się większą zwięzłością. Jest zwięzłą skałą o barwie białej, żółtej lub jasnoszarej. Fig. 37. Diatomit. Kolekcja dydaktyczna Instytutu Nauk Geologicznych UJ. 33 Radiolaryty Są zwięzłymi skałami krzemionkowymi, utworzonymi głównie ze szkielecików radiolarii, połączonych krzemionkowym spoiwem. Często zawierają domieszki związków żelaza lub substancji węglowe i ilastej, nadające tym skałą barwę wiśniową, zielonoszarą lub czarną. Węgiel kamienny, węgiel brunatny i torf Fig. 38. Węgiel kamienny jest skałą o barwie czarnej, powstałą ze szczątków roślinnych, które pod przykryciem osadu, w warunkach beztlenowych uległy uwęgleniu. Zawartość pierwiastka węgla wynosi 75-97%, w węglu kamiennym, 62-75% w węglu brunatnym i poniżej 60 % w torfie. Fig. 38. Węgiel kamienny z odciskiem Lepidodendrona. Zbiory Muzeum Geologicznego Instytutu Nauk Geologicznych UJ. 2.8.2 Skały osadowe chemiczne Skały te są szeroko wykorzystywane w przemyśle. Czy wiesz, że terminy gips i anhydryt często bywają używane w podwójnym znaczeniu, jako nazwy minerałów i monomineralnych (składających się z jednego minerału) skał? Poprawna nazwa dla tych skał to gipsyty i anhydryty. Gipsyt Jest to skała monomineralna i głównym jej składnikiem jest minerał gips (fig. 39), podrzędnie może występować anhydryt, halit, węglany. Skały gipsowe drobnokrystaliczne noszą nazwę alabaster. Szczególną formą krystalizacji gipsu jest róża pustyni, która powstaje w piasku pustynnym w wyniku parowania gruntowych wód zasobnych w rozpuszczone siarczany.Skały gipsowe są białe lub przeźroczyste mają krystaliczną strukturę i są na tyle miękkie, że można je zarysować paznokciem. 34 Fig. 39. Kryształy gipsu. Opis w tekście. Okaz pochodzi ze zbiorów Muzeum Geologicznego Instytut Nauk Geologicznych UJ Halityt Skała potocznie zwana solą kamienną, monomineralna zbudowana głównie z halitu (NaCl), najczęściej przeźroczysta lub lekko szara (fig. 40). Cechą charakterystyczną jest słony smak. W zależności od domieszek innych składników może przyjmować barwę szarą (minerały ilaste), pomarańczową (domieszki hematytu), natomiast niebieskie zabarwienie jest prawdopodobnie spowodowane defektami sieci krystalicznej. Fig. 40. Kryształy halitu. Opis w tekście. Okaz pochodzi ze zbiorów Muzeum Geologicznego Instytutu Nauk Geologicznych UJ. 35 2.8.3. Metody badań skał osadowych Skały osadowe organogeniczne badamy przy użyciu mikroskopu optycznego, petrograficznego. Czy wiesz, że petrologia to nauka zajmująca się badaniem fizycznych i chemicznych właściwości skał, a także ich genezą? Mikroskopia optyczna Mikroskop optyczny Do badania skał osadowych wykorzystuje się mikroskop optyczny. Jest to standardowy mikroskop, który umożliwia przy użyciu świtała przechodzącego oraz zestawu soczewek obserwację preparatów skał. Preparaty mikroskopowe skał, czyli tzw. „płytki cienkie” Fig. 41. Preparat mikroskopowy tzw. płytka cienka. Oczywiście aby oglądnąć skałę pod mikroskopem, należy wcześniej przygotować odpowiedni preparat. Do jego przygotowania potrzebne są specjalistyczne narzędzia. Przygotowanie takiego preparatu opiera się na wycięciu „plastra” skały o grubości 30 pm i naklejeniu go na szkiełku podstawowym (fig. 41), co pozwala na oglądnie preparatu w świetle przechodzącym. Do badania preparatów sypkich (piaski, żwiry) w mikroskopie optycznym wykonuje się preparaty utwardzane na płytkach cienkich lub zatapiane w pierścieniach aluminiowych. Mikroskop polaryzacyjny Mikroskop ten, na pierwszy rzut oka wygląda podobnie jak mikroskop optyczny. Jednak różni się od niego obecnością dwóch filtrów polaryzacyjnych (tzw. nicole), skrzyżowanych względem siebie pod kątem 90°. Jeden z filtrów to polaryzator i umieszczony jest pomiędzy źródłem światła i analizowaną próbką, a drugi analizator, pomiędzy próbką a tubusem. Dzięki takiemu rozwiązaniu przez próbkę przechodzi światło spolaryzowane liniowo. Jeżeli próbka nie wykazuje aktywności optycznej, zostaje ono pochłonięte przez analizator. Aktywna optycznie próbka skręca płaszczyznę polaryzacji światła, umożliwiając jego transmisję przez analizator, dając charakterystyczne barwy interferencyjne. Analiza tych barw pozwala na identyfikację danego minerału. 36 Czy wiesz, że dwójłomność substancji, to zdolności do podwójnego załamywania światła? Zdolność taką posiada np. kryształ kalcytu. 2.9. Atrakcje geoturystyczne Niemal w każdym regionie Polski znajdują się naturalne wychodnie skał, czy też nieczynne kamieniołomy, które mogą stanowić atrakcje geoturystyczne. Ze względu na fakt, że niniejsza książka stanowi część większego projektu, który będzie realizowany w Krakowie, opiszę tutaj wybrane atrakcje geoturystyczne z Krakowa i okolic. 1. Bonarka Lokalizacja: Kraków GPS: N: 50° 2’17. 39"; E: 19° 57’ 15.44" Fig. 42. Rezerwat Przyrody Nieożywionej w dawnym kamieniołomie Bonarka. Obecnie Rezerwat Przyrody Nieożywionej utworzony w nieczynnym kamieniołomie na terenie Krakowa. W kamieniołomie możemy zobaczyć dwa typy skał: górnojurajskie wapienie w dnie kamieniołomu, ścięte równą powierzchnią, zwaną powierzchnią abrazyjną, oraz górnokredowe opoki z czertami i warstwami margli, które budują ściany kamieniołomu. Na samym dnie kamieniołomu można zauważyć, że wapienie tworzą wystające bloki, które powstały jako efekt tektoniki uskokowej. W obrębie górnokredowych opok i margli znaleźć można liczne skamieniałości: gąbki, jeżowce, belemnity. Obiekt jest dobrze utrzymany i regularnie koszony, co umożliwia swobodne wejście nawet dla dużym grupom. Kamieniołom położony jest poniżej głównej drogi ruchu, co sprawia, że stanowi wspaniałe miejsce na weekendowe wypady. 37 2. Rezerwat Przyrody Zimy Dół Lokalizacja: okolice Krakowa GPS: N: 50° 3’41. 586"; E: 19° 40’ 31.1518" Rezerwat, utworzony w 1991 obejmuje tylko fragment doliny Zimny Dół z wywierzyskiem. W rezerwacie można podziwiać jurajskie wapienie skaliste, które utworzyły się w ciepłym jursjakim morzu. Zbudowane są z gąbek oraz mikrobialitów (glony i sinice), które tworzyły potężne rafy. Wapienie tworzą malownicze ostańce w obrębie rezerwatu. W rezerwacie można obserwować również zjawiska krasowe w znajdującej się tam jaskini. Ścieżki w obrębie rezerwatu są dobrze utrzymane, a niewielka ilość turystów, nawet w sezonie letnim umożliwia swobodne spacery w ciszy i spokoju. 3. Kamieniołom Dębnik Lokalizacja: okolice Krakowa GPS: N: 50° 9’53. 706"; E: 19° 40’ 18.7922" Nieczynny kamieniołom znajdujący się we wsi Dębnik na Wyżynie Krakowsko- Częstochowskiej. W kamieniołomie, należącym do oo. Karmelitów, wydobywano dewoński wapień, który ze względu na swoje właściwości w XVII i XVIII wieku wykorzystywany był w kamieniarstwie. Ze względu na fakt, iż skała ta uzyskuje bardzo wysoki poler, często bywa błędnie określana jako marmur. Znajdujący się niedaleko kamieniołomu klasztor w Czernej posiada wiele zdobień wykonanych z tej skały. Wapienie dębnickie osadziły się w morzu, w którym bujnie rozwijało się życie, o czym świadczą licznie występujące skamieniałości m.in. amfipory i stromatopory obecnie zaliczane do kolonijnych gąbek, 38 które tworzyły struktury rafowe. W najwyższym kompleksie można oglądać tempestyty, czyli utwory powstałe w wyniku działania sztormów. W zachodniej części kamieniołomu znajdują się nieregularne szczeliny i pęknięcia wypełnione czerwono-rdzawym materiałem - terra rosa (tzw. czerwona gleba, składa się głównie z minerałów ilastych oraz uwodnionych wodorotlenków i tlenków żelaza). Warto nadmienić, że sam obiekt jest duży i dobrze utrzymany, co sprawia, że można go swobodnie zwiedzać dużymi grupami. W pobliżu kamieniołomu biegnie ścieżka dydaktyczna po stoku doliny Racławki. Fig. 44. Nieczynny kamieniołom Dębnik Fot. Dr hab. Bogdan Kołodziej z Instytutu Nauk Geologicznych UJ. 2.10. Scenariusz lekcji W tym dziale zamieszczam propozycje scenariusza lekcji, która może być przeprowadzona w klasie. Scenariusz ten dostosowany jest do młodzieży gimnazjalnej oraz licealnej. Tytuł zajęć: Jak powstają skały osadowe? Cel: Celem zajęć jest zapoznanie uczniów z różnymi rodzajami skał osadowych oraz mechanizmami ich powstawania. Doświadczenie 1: Powstawanie osadowych skał organogenicznych Materiały: muszle małży, ślimaków (zachowane w całości lub połamane), fragmenty drewna, liście, pudełko (może być po butach), worek na śmieci lub reklamówka, dwa kubki plastikowe, gips modelarski (może też być masa papierowa), woda. Instrukcja: Przytnij plastikową reklamówkę lub worek na śmieci, tak by obłożyć dokładnie wnętrze pudełka. Następnie w pudełku wymieszaj gips z wodą, w odpowiednich proporcjach (jeżeli dysponujesz gotową masą papierową, przenieś ją do pudełka). Wsyp do gipsu muszle, fragmenty drewna i liście, a następnie wlewamy mieszaninę do dwóch plastikowych kubków. Kubki odłóż w ciepłe miejsce i pozostaw na ok. 5 dni. 39 Następnie wyjmij zawartość kubka. Powstały „sztuczny wapień” porównujemy do prawdziwej skały. Cel doświadczenia: Ćwiczenie ma na celu zobrazowanie z czego składają się skały osadowe organogeniczne. Procesy przypominające przebieg ćwiczenia, można obserwować w przyrodzie. Gips, to osad wapienny, który opada na dno oceanu i przykrywa znajdujący się na dnie detrytus muszlowy. Następnie dochodzi do lityfikacji (czyli kamienienia) osadu, co powoduje powstanie litej skały. Oczywiście w trakcie lityfikacji osad jest poddawany wysokiemu ciśnieniu, wywieranemu przez nadległy materiał, co może spowodować deformację i rozpuszczanie znajdujących się w nim muszli. Doświadczenie 2: Sedymentacja w zbiorniku wodnym Materiały: Słoik z nakrętką lub plastikowa butelka z nakrętką, piasek, żwir, muszle (mogą być pokruszone), fragmenty drewna, liście. Instrukcja: Umieść w słoiku (lub butelce) zgodnie z kolejnością: piasek, muszle małży, fragmenty drewna liście oraz żwir. Następnie napełnij słoik (lub butelkę) wodą i zakręć. Wstrząsaj butelkę (lub słoik) z zawartością przez ok. 3 minuty. Następnie odłóż naczynie i obserwujemy jak kolejne warstwy będą się układały. Co można powiedzieć o sposobie ułożenia warstw w naczyniu? Cel ćwiczenia: Ćwiczenie ma na celu zobrazowanie przebiegu sedymentacji w zbiorniku wodnym. Procesy, które uczestnicy obserwowali w czasie wykonywania ćwiczenia, zachodzą w zbiornikach wodnych (morzach, oceanach). Zjawisko to nazywamy sedymentacją i akumulacją materiału. Podczas wstrząsania naczynia dochodzi do mieszania materiału o różnej frakcji (wielkości), a następnie do jego depozycji w warstwach w zależności od wielkości i ciężaru materiału. Najcięższe ziarna opadają na dno najszybciej. Na skutek różnej gęstości materiałów dochodzi do rozdziału substancji niejednorodnych. Ćwiczenie 1: Środowiska powstawania skał osadowych Materiały: Zdjęcie płytkiej zatoki nadmorskiej, zdjęcie obrazujące wnętrza jaskini, zdjęcie obrazujące rafę w oceanie, zdjęcie jeziora z widocznym jego dnem, zdjęcie lasu, podpisy: wapień z koralowcami, nacieki jaskiniowe, gips, sól, kreda pisząca, kreda jeziorna, torf, węgiel kamienny. Instrukcja: Dopasuj poszczególne skały do środowisk ich powstawania. Cel doświadczenia: Ćwiczenie ma na celu zobrazowanie środowisk tworzenia się skał osadowych. Dzięki dopasowaniu poszczególnych skał do środowisk uczestnicy zajęć utrwalają sobie wiedzę dotyczącą tworzenia się poszczególnych skał, ale także procesów ich powstawania. 40 2.11. Spis literatury Czubla, P., Mizerski, W. & Świerczewska-Gładysz, E., 2004. Przewodnik do ćwiczeń z geologii. Wydawnictwo Naukowe PWN. 224 ss. Dzik, J. 1992. Dzieje życia na Ziemi, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 578 ss. Gradziński, R., 1972. Przewodnik geologiczny po okolicach Krakowa. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. 334 ss. Gradziński, R., Gradziński, M. & Michalik, S., 1994. Przyroda. Zarząd Zespołu Jurajskich Parków Krajobrazowych. Kraków. 119 ss. Lehmann, U. & Hillmer, G., 1991. Bezkręgowce kopalne. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa. 406 ss. Małecki J.& Tarkowski R. 1999 Zarys paleontologii ogólnej i systematycznej. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-dydaktyczne AGH, Kraków. Manecki, A. & Muszyński, M (red)., 2008. Przewodnik do petrografii. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne. Kraków. 552 ss. Orłowski, S. & Szulczewski, M., 1990. Geologia historyczna, Warszawa. 410 ss. Radwańska, U., 2007. Podstawy paleontologii. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego. 210 ss. Remin, Z., Dubicka, Z., Kozłowska, A. & Kuchta, B. 2012. A new method of rock disintegration and foraminiferal extraction with the use of liquid nitrogen [NL2]. Do conventional method lead to biased paleoenvironmental and paleocological interpretations? Marine Micropaleontology, (86-87): 11-14. Ryka, W. & Maliszewska, A. 1982. Słownik petrograficzny. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa. 403 ss. Sarafian, A.R., Nielsen, S.G., Marschall, H.R. & McCubbin, F.M., Monteleone, B.D., 2014. Early accretion of water in the inner solar system from a carbonaceous chondrite- like source. Science, 346 (6209): 623-626. Stanley, S. M., 2002 Historia Ziemi, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa. 659 ss. www.kalcyt.blogspot.com 41 „Powietrze: magazyn światła, ognia i wody.” Georg Christoph Lichtenberg POWIETRZE Agata Jurkowska Rozdział ten dotyczy powietrza, rozumianego jako mieszanina gazów, bez której nie możemy istnieć, ale także jako siła sprawcza, kształtująca oblicze naszej planety. Dla geologa to z jednej strony czynnik kształtujący życie organizmów, a z drugiej strony żywioł niszczący i akumulujący materiał skalny. 3.1. Powietrze Powietrze to mieszanina gazów i aerozoli, składająca się na atmosferę ziemską. Skład tej mieszaniny zmieniał się w historii Ziemi w bardzo szerokim zakresie. Współcześnie dominującym składnikiem (% objętościowe w troposferze do wysokości 13 km ponad powierzchnią Ziemi) jest azot (78,084%), na drugim miejscu występuje tlen (20,946%), następnie argon (0,934 %), dwutlenek węgla (0,036%) i pozostałe. Z wymienionych składników współcześnie notuje się zmienność zawartości dwutlenku węgla. 3.2. Zmienność składu powietrza w dziejach Ziemi Pierwotna atmosfera ziemska składała się najprawdopodobniej z dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej, a także tlenku węgla i wodoru. Starsze modele atmosfery ziemskiej zakładały obecność metanu i amoniaku. Natomiast pewne jest, że pierwotna atmosfera ziemska nie zawierała tlenu i była silnie redukcyjna. Jako dowód na brak tlenu w pierwotnej atmosferze można przytoczyć obecność w skałach osadowych minerałów, które ulegają rozkładowi w warunkach tlenowych (np. piryt), dane izotopowe, a także skład atmosfery innych planet. Do tej pory uważano, że geochemiczne dowody wskazują na wzrost tlenu w atmosferze ok. 2,3 mld lat temu (Kasting, 2001) co nastąpiło za sprawą pojawienia się fotosyntezujących sinic (fig. 45). Jednak ostatnie badania wykonane na najstarszej znanej paleoglebie pochodzącej z utworów Południowej Afryki (Crowe i in., 2013) wskazują, że tlen pojawił się w atmosferze już 3 mld lat temu. Oczywiście było to o wiele niższe stężenie tlenu niż współcześnie. Fig. 45. Zdjęcie nitkowatej sinicy współczesnej z rodzaju Leptolyngbya wykonane przy użyciu mikroskopu optycznego. Autorem zdjęcia jest dr hab. Bartosz Płachno z Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytetu Jagiellońskiego. Czy wiesz, że sinice, inaczej cyjanobakterie, to samożywne organizmy zaliczane do prokariotów? Obecność chloroplastów oraz zdolność do fotosyntezy upodabnia je do roślin, do których dawniej były zaliczane. Z geologicznego punktu widzenia pozostałościami po sinicach sąstromatolity (Fig. 46), czyli budowle węglanowe, które sąnajstarszym i najczytelniejszym zapisem pojawienia się życia na Ziemi. 44 Fig. 46. Wizualizacja krajobrazu w prekambrze. Na pierwszym planie widoczne budowle sinicowe, czyli stromatolity. Zespół zjawisk wywołanych pojawieniem się tlenu w atmosferze określa się mianem Wielkiego Zdarzenia Oksydacyjnego (lub Katastrofy Tlenowej). Oczywiście wzrost zawartości tlenu w atmosferze nie był natychmiastowy, ponieważ początkowo tlen wiązany był z minerałami ulegającymi szybkiemu utlenieniu (np. piryt, uraninit). Prawdopodobnie zmiana składu powietrza, nastąpiła później niż w oceanach. Na obecność tlenu w oceanach wskazywać mogą BIF-y (nazwa od angielskiego terminu Banded Iron Formation, czyli wstęgowe złoża żelaza). Paradoksalnie tlen dla swoich jednokomórkowych „producentów” okazał się toksyczny i spowodował kres panowania bakterii beztlenowych. W karbonie, zwanym okresem roślin, wegetacja flory była tak bujna, że poziom tlenu wzrósł prawdopodobnie do ok. 35%, co z kolei spowodowało osiągnięcie gigantycznych rozmiarów przez niektóre ważki. Ogromne pokłady martwiej materii roślinnej były przysypywane osadem i w warunkach beztlenowych pod wpływem rozkładu bakteryjnego utworzył się z nich węgiel kamienny. Kolejnym okresem, w którym stężenie tlenu w atmosferze było wyższe niż obecnie, była kreda. Jednak trudno tutaj o jednoznaczne dane, niektórzy naukowcy uważają, że stężenie mogły wynosić nawet 30 %. Przy takim stężeniu tlenu temperatura samozapłonu jest niska, co przy wysokiej temperaturze powietrza i licznych wyładowaniach atmosferycznych może być przyczyną wielu pożarów. Dowodem są zwęglone szczątki roślin, czy skamieniałe pokłady popiołów często znajdowane w utworach górnej kredy. Czy wiesz, że pierwsze rośliny okrytonasienne pojawiły się w kredzie? Naukowcy przypuszczają, że to właśnie częste pożary przyczyniły się do tak intensywnego rozwoju tych roślin. 45 3.3. Efekt cieplarniany Efekt cieplarniany to zjawisko podwyższenia temperatury w atmosferze spowodowane obecnością gazów cieplarnianych. Atmosfera ogranicza ilość wypromieniowanej z powierzchni planety energii cieplnej w przestrzeń kosmiczną. Proces tej spowodowany jest przez obecność gazów cieplarnianych, pyłów i aerozoli w atmosferze. Efekt cieplarniany jest zjawiskiem korzystnym, ponieważ prowadzi do podwyższenia temperatury powierzchni Ziemi. Bez efektu cieplarnianego temperatura ta wynosiłaby prawdopodobnie -19°C. Do gazów cieplarnianych (szklarniowych) zaliczamy: parę wodną, dwutlenek węgla, metan, freony, podtlenek azotu. Głównym źródłem gazów cieplarnianych w atmosferze są procesy naturalne, czyli aktywność wulkaniczna oraz działalność biologiczna roślin i zwierząt. Najbardziej znanym gazem cieplarnianym jest dwutlenek węgla i to o nim mówi się najczęściej. Ja natomiast chciałabym się skupić na metanie (CH4). 3.3.1. Klatraty metanowe Ogromne złoża metanu znajdują się w tzw. „lodzie metanowym”. Jest to substancja złożona z zamarzniętej wody oraz metanu i znajduje się na dnach mórz i oceanów a także na stokach kontynentalnych. Cząsteczka metanu uwięziona j est w klatratach, czyli w strukturze, w której występuje regularna sieć krystaliczna jednego związku (w omawianym przypadku wody), a w jej lukach nieregularnie rozmieszczone są cząsteczki innej substancji (w tym przypadku cząsteczki metanu) (fig. 47). Na skutek podwyższenia temperatury oceanów może dojść do uwolnienia cząsteczek metanu do atmosfery. Ze względu na fakt, że klatraty trwałe są tylko w wąskim zakresie temperatur i ciśnień, rzadko są spotykane w środowisku naturalnym. 46 Na Ziemi występują na dnie mórz i oceanów oraz w trwale zamarzniętym gruncie. Uwolnienie ogromnych ilości metanu do atmosfery razem mogłoby mieć katastrofalne skutki. Można przypuszczać, że taka sytuacja miała miejsce na przełomie permu i triasu i była jedną z przyczyn największego wymieranie w dziejach Ziemi. Obecnie zdania naukowców są podzielone co do jednoznacznej przyczyny tego wymierania. Wśród potencjalnych „sprawców” wskazuje się także wybuchy wulkanów (o czym miałyby świadczyć ogromne wylewy lawy tzw. trapy syberyjskie), zmiana konfiguracji kontynentów, czy wreszcie upadek planetoidy. Czy wiesz, że w wyniku wymierania na granicy perm/trias szacuje się, że ok. 95% gatunków organizmów morskich przestało istnieć? 3.4. Izotopy tlenu w geologii Tlen, czyli obok dwutlenku węgla najbardziej interesujący nas składnik powietrza, występuje w stanie wolnym w postaci cząsteczek dwuatomowych, O2 oraz trójatomowych, zwanych ozonem, O3, w postaci izotopów stabilnych: O16, O17, O18. Badanie stosunku izotopów tlenu (O18/O16) w muszlach skamieniałych mięczaków dostarcza istotnych danych o paleoklimacie. Stosunek izotopów (O18/O16) jest stały w danym czasie. Organizmy żywe przyswajają więc tlen z zachowaniem danego stosunku izotopów. Przyswajanie zostaje zatrzymane w momencie śmierci organizmu. Lżejszy izotop tlenu odparowuje z morza łatwiej niż cięższy przez co para wodna i opady atmosferyczne są w niego wzbogacone, co sprawia że mniej się go znajduje w morzu. Podczas zlodowacenia część wody, która odparowała z mórz (z większą zawartością lżejszego izotopu tlenu) zostaje uwięziona w masie lodu. Reasumując, im więcej w wodzie jest O16, tym klimat był cieplejszy, a im więcej O18, tym klimat był chłodniejszy. Czy wiesz, że okresy zlodowaceń (glacjałów) w plejstocenie zostały wyróżnione właśnie na podstawie badań izotopów tlenu? 3.5. Ruch powietrza, czyli wiatr Wiatr to poziomy lub prawie poziomy względem powierzchni ziemi, ruch mas powietrza, wywołany przez różnicę ciśnień lub ukształtowanie terenu. Wiatr odgrywa bardzo ważną rolę w kształtowaniu powierzchni Ziemi, a zespół procesów, za które odpowiada, w geologii nazywamy działalnością eoliczną. Na działalność eoliczną składają się: deflacja (czyli przenoszenie cząstek gleby i rozkruszonych skał), korazja (czyli szlifowanie powierzchni skał przez niesione przez wiatr ziarna piasku) oraz deponowanie cząstek na powierzchni gleby (czyli wydmy). Zatem wiatr spełnia funkcję niszczącą, budującą i transportową. Działalność rzeźbotwórcza wiatru uzależniona jest od jego siły, charakteru podłoża, rodzaju i stopnia pokrycia terenu, wilgotności podłoża oraz działalności człowieka. Obszarami do najłatwiejszej obserwacji działalności wiatru są tereny pustynne i niskie wybrzeża. Czy wiesz, że nazwa „procesy eoliczne" pochodzi od Eola, w mitologii greckiej władcy wiatru? 47 Niszcząca działalność wiatru: Deflacja Temu procesowi ulegać mogą tylko luźne fragmenty, okruchy skalne o rozmiarach odpowiednich do siły wiatru w danym momencie. Charakterystyczne formy, które tworzą się w efekcie deflacji to: misy deflacyjne, ostańce deflacyjne czy bruk deflacyjny (fig. 48). Inicjalna powierzchnia terenu Bruk deflacyjny Fig. 48. Wywiewanie materiału o drobnej frakcji (a) powoduje powstanie bruku deflacyjnego (b). Korazja Proces ten ograniczony jest do strefy tuż przy powierzchni gruntu. W wyniku tego zjawiska powstają grzyby skalne (fig. 49), graniaki, wygłady eoliczne. Fig. 49. Proces powstawania grzyba skalnego, w wyniku korazji. 48 Budująca działalność wiatru: Wydmy, czyli piaszczyste wyniesienia usypane przez wiatr. W zależności od warunków środowiska wydmy przyjmują różne kształty. W zależności od środowiska występowania wyróżniamy wydmy nadmorskie i śródlądowe. Czy wiesz, że wydmy występują również na innych planetach, gdzie określa się je nazwą unda? Do tej pory zostały zaobserwowane na Marsie, Wenus i Tytanie (księżyc Saturna). Lessy, to utwory pochodzenia eolicznego zbudowane z pyłu, a pod względem mineralogicznym głównie z kwarcu oraz węglanu wapnia i skaleni. Rozprzestrzenienie lessów na świecie jest znaczne, w Polsce najczęściej są spotykane na Wyżynie Lubelskiej. Dokładny opis tej skały znajduje się w rozdziale pt. „ziemia”. Czy wiesz, że pochodzenie pyłu, który był transportowany przez wiatr, a następnie deponowany w formie lessów, jest wciąż przedmiotem wielu sporów i kontrowersji? W środowisku współczesnym rolę obszarów źródłowych dla pyłów odgrywają równiny akumulacyjne powstałe w miejscu dawnych jezior. Zmarszczki eoliczne (ripplemarki) to drobne, regularne grzbieciki zbudowane z piasku, powstałe w wyniku przesuwania ziaren piasku przez wiatry. Podobnie jak wydmy mają łagodną stronę dowietrzną i stromą zawietrzną. 3.6. Skały osadowe okruchowe Skały osadowe okruchowe powstają w wyniku nagromadzenia powstałych w wyniku wietrzenia bloków okruchów skalnych i ziaren mineralnych. Wyróżnia się wśród nich skały luźne i zwięzłe (poszczególne ziarna związane są spoiwem; patrz: fig. 32). Czy wiesz, że erozja to proces niszczenia powierzchni terenu przez wodę, wiatr, powietrze, a wietrzenie to rozpad fizyczny i chemiczny skał na skutek działania energii słonecznej, powietrza, wody organizmów? Przy charakterystyce skał okruchowych niezbędne jest podanie ich frakcji, czyli średniej wielkości materiału okruchowego, z którego jest zbudowana skała. Wyróżniamy cztery główne frakcje: żwirową (> 2mm), piaskową (0,1-2mm), mułową (0,1-0,01) i pyłową (iłową) (< 0,01). Skały okruchowe piroklastyczne Są to skały, które powstają z materiału wyrzuconego przez wulkan i nagromadzonego na powierzchni ziemi w mniejszej lub większej odległości od krateru. Czy wiesz, że największe znalezione bomby wulkaniczne mają wielkość kilku metrów, a ich waga dochodzi do 200 ton?! 49 Scoria (fig.50) Jest to porowata skała wulkaniczna o gąbczastej strukturze, bardzo lekka. Pory są efektem rozgazowania magmy. Zwykle czarna lub ciemnobrązowa, powstaje z magmy bazaltowej lub andezytowej, poprzez zastyganie lawy lub wyrzucenie jej w powietrze. W odróżnieniu Fig. 50 Scoria. Okaz pochodzi z prywatnej kolekcji dr Agaty Jurkowskiej z Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie. Tufy (fig.51) Jest to lekka, zwięzła i porowata skała zbudowana z materiału piroklastycznego (piasku i popiołu wulkanicznego) scementowanego spoiwem krzemionkowym lub ilastym. Ze względu na rodzaj lawy z której powstały wyróżniamy tufy andezytowe, bazaltowe, ryolitowe i inne. Skałą podobną do tufu jest tufit, który różni się od niego większą zawartością materiału osadowego, co związane jest z jego genezą (środowisko wodne). Fig. 51. Tuf. Okaz pochodzi z kolekcji dydaktycznej Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Psefity Jest to grupa, do której zaliczane są skały o średnich rozmiarach ziaren przekraczających 2 mm. Grupa ta obejmuje m.in. brekcje, żwiry i zlepieńce. 50 Zlepieniec zygmuntowski (fig. 52) Zlepieńce, inaczej konglomeraty, to skały składające się z otoczaków o rozmiarach od 2 do 100 mm spojonych spoiwem. Najbardziej znane są zlepieńce zygmuntowskie z permskich utworów Gór Świętokrzyskich, które w XVII wieku stanowiły surowiec do wykonania pierwszej kolumny Zygmunta III Wazy w Warszawie (obecna jest wykonana z granitu strzegomskiego). Zlepieńce te zbudowane są z otoczaków wapieni dewońskich tkwiących w węglanowym cieście skalnym o zabarwieniu wiśniowym. Fig. 52. Zlepieniec zygmuntowski. Zdjęcie wykonał dr Zbigniew Remin z Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Psamity Luźne skały o tej frakcji (piaskowej) określane są jaki piaski, a zwięzłe jako piaskowce. Piaskowce (fig. 53) Zwięzłe skały okruchowe, o frakcji piaszczystej, których głównym składnikiem jest kwarc. Poszczególne ziarna scementowane są spoiwem krzemionkowym, węglanowym, żelazistym lub ilastym. W zależności od zwartości poszczególnych składników może przybierać barwy od białej i szarej poprzez żółtą, zieloną, a nawet czarną. Fig. 53 Piaskowiec z widocznym warstwowaniem. Okaz pochodzi z kolekcji dydaktycznej Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. 51 Aleuryty Zaliczamy do nich skały w których dominuje najdrobniejsza frakcja mułowa. Są to m.in. lessy, które zostały omówione w rozdziale Ziemia. Pelity Zaliczamy do nich skały zbudowane z najmniejszej frakcji pyłowej. Skały ilaste są silnie higroskopijne, co oznacza, że mogą wchłonąć od 40 do 70% wody w stosunku do swojej pierwotnej objętości. W stanie wilgotnym są bardzo plastyczne, wraz z wysychaniem cecha ta zanika. Dzięki odporności na wysoką temperaturę stały się doskonałym surowcem do produkcji materiałów ogniotrwałych. Kaolin (glinka ogniotrwała) Skała składająca się głównie z kaolinu, zawiera również kwarc i mikę. Powstaje na skutek wietrzenia skał magmowych, metamorficznych i osadowych. Skała jest tłusta i śliska w dotyku, łatwo rozciera się w palcach. Iły Skała zbudowana głównie z minerałów ilastych z domieszką łyszczyków oraz pyłu kwarcowego. Należą do skał luźnych (w stanie suchym do spoistych), ich powierzchnia jest tłusta i śliska w dotyku. Najczęściej ma barwę szarą, przy większej zawartości związków żelaza oraz w zależności od stopnia utlenienia może mieć barwę niebieskozieloną bądź czerwoną. Cechą charakterystyczną jest zwiększanie objętości (pęcznienie) wraz ze wzrostem wilgotności. 3.7. Atrakcje geoturystyczne 1. Nieczynny kamieniołom Zygmuntówka Lokalizacja: okolice Kielc GPS: N 50° 49' 2", E 20° 29' 9" Fig. 54. Kamieniołom Zygmuntówka. Zdjęcie wykonał dr Michał Stachacz z Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Nieczynny kamieniołom znajduje się na południowo-zachodnim stoku Czerwonej Góry, leżącej w Paśmie Bolechowickim Gór Świętokrzyskich. Kilkaset metrów od drogi wojewódzkiej z Kielc do Chęcin. 52 Wzniesienie zbudowane jest z dewońskich wapieni przykrytych permskimi zlepieńcami, które określa się lokalną nazwą zlepieńców zygmuntowskich. Pierwsze ślady eksploatacji skał pochodzą z XVI wieku. Warstwy zlepieńców zalegają pod kątem 10° w kierunku południowo-wschodnim i osiągają miąższość ok. 150 m. W obrębie otoczaków tworzących zlepieńce natrafić można na liczne skamieniałości koralowców. Warstwy zlepieńców pocięte są żyłami kalcytowymi. W permie istniała na tym obszarze płytka zatoka, do której sypane były otoczaki skał dewońskich budujących pobliskie wzgórza. Kamieniołom jest bardzo malowniczym miejscem, idealnym na niedzielny spacer lub wycieczkę większą grupą. Przez Czerwoną Górę przebiega czerwony szlak turystyczny z Chęcin do Kielc. 2. Piaskownia w Zwierzyńcu Lokalizacja: okolice Buska Zdroju GPS: N 50°30’40.48’’; ES 20°43’25’’ Fig. 55. Piaskownia w Zwierzyńcu. Zdjęcie wykonał dr Michał Stachacz z Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Żółtą strzałką oznaczono soczewkę bogatą w skamieniałości. Nieczynna piaskownia we wsi Zwierzyniec, położonej na południe od Chmielnika. W ścianie nieczynnej piaskowni odsłaniają się naprzemianległe drobnoziarniste piaski i zapiaszczone muły. W obrębie tych warstw skamieniałości jest stosunkowo niewiele, za to warto zwrócić uwagę na soczewkę żwirowca, która przepełniona jest skamieniałościami małżów, ślimaków oraz glonów koralinowych. Utwory te osadziły się w miocenie w czasie wycofywania się morza, w pobliżu wybrzeża osłoniętego od otwartego morza barierą. Jest to wspaniałe miejsce dla miłośników skamieniałości, ponieważ można je zbierać na kilogramy! 3. Pustynia Błędowska Lokalizacja: okolice Olkusza GPS: N 50°21'17,18" E 19°30'53,31" Leży na pograniczu Wyżyny Śląskiej i Wyżyny Olkuskiej i jest największym obszarem lotnych piasków w Polsce. Długość pustyni to niecałe 10 km, a szerokość 4 km. Należy zaznaczyć, że określenie pustynia jest tutaj stosowane w sensie zwyczajowym, dla podkreślenia odmienności tego miejsca od pozostałych krajobrazów Polski. 53 Pustynia Błędowska ma swoje początki w plejstocenie, kiedy to w czasie kolejnych zlodowaceń osadzane były utwory piaszczysto-żwirowe. Jednak w holocenie doszło do ocieplenia klimatu i na terenie dzisiejszej pustyni zaczęła się dominować bujna roślinność leśna. Powstanie Pustyni Błędowskiej należałoby raczej wiązać z ośrodkiem górniczo- hutniczym w Olkuszu, w którym wydobywano na dużą skalę rudy ołowiu i srebra. Fig. 56. Pustynia Błędowska. Do obróbki rud wykorzystywano piece hutnicze, które opalane były węglem drzewnym z okolicznych lasów. Dodatkowo wypas bydła przyczynił się do zerwania ściółki leśnej, co z kolei odsłoniło zalegające poniżej piaski. Obszar ten stanowi doskonałe miejsce do pieszych wędrówek. Przez pustynię przebiega żółty szlak pustynny. 3.8. Scenariusz lekcji W tym dziale zamieszczam propozycje scenariusza lekcji, która może być zrealizowana w warunkach szkolnych. Doświadczenie 1: Efekt cieplarniany Materiały: dwa pudełka po butach o podobnych wymiarach, linijka, gleba (ilość uzależniona od wielkości pudełka, tak aby pokryła całe dno pudełka na grubość ok. 5 cm), dwa termometry zewnętrzne, przeźroczysta folia spożywcza. Cel doświadczenia: Celem doświadczenia jest zapoznanie uczestników ze zjawiskiem efektu cieplarnianego. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez atmosferę ziemską i dociera do powierzchni Ziemi. Ok. 30% promieniowania ulega odbiciu i jest wysyłane z powrotem w przestrzeń kosmiczną, pozostałe 50% jest absorbowane przez atmosferę i powierzchnię Ziemi. Zaabsorbowana energia zamieniana jest w ciepło. Ciepło transportowane jest do atmosfery, powodując jej ogrzewanie. Dzięki obecności w atmosferze gazów cieplarnianych ciepło nie jest tracone, tylko zatrzymywane. Podobną funkcję w doświadczeniu 1 będzie spełniała przeźroczysta folia plastikowa Instrukcja: Wypełnij oba pudełka ziemią, tak aby zakryła dno, na grubość ok. 5 cm (przy użyciu linijki). Następnie do każdego pudełka włóż termometr. Zakryj szczelnie jedno z pudełek folią przeźroczystą (fig. 57) Następnie połóż pudełka w nasłonecznionym miejscu na zewnątrz. Dokonuj odczytu temperatury w każdym pudełku co 15 minut przez ok. 40-60 minut. 54 Fig. 57. Sposób wykonania doświadczenia nr. 1. Opis w tekście. Eksperyment ten można rozbudować poprzez umieszczenie w pudełkach różnych substancji, np. gleby, skał, trawy, i obserwację zmian temperatury w poszczególnym pudełku w cyklu dobowym. Doświadczenie 2: Wietrzenie eoliczne Materiały: pudełko (np. po butach) z pokrywką, piasek (w zależności od wielkości pudełka, tak aby przykrył dno warstwą o grubości 5 cm), glina, kilka suchych gałązek, sucha gleba, niewielkie fragmenty skał, słomka, taśma klejąca. Cel doświadczenia: Celem doświadczenia jest obserwacja skutków erozji eolicznej. Na skutek ruchów powierza drobny materiał jest transportowany, a następnie deponowany w formie wydm. Instrukcja: Każdą gałązkę obklej u dołu gliną, a następnie ustaw na dnie pudełka. Wypełnij pudełko w kolejności: glebą, fragmentami skał oraz piaskiem. W jednej ze ścianek wykonaj niewielką dziurę, ponad warstwą z piasku, a następnie włóż do niej słomkę. Zakryj pudełko przykrywką i obklej taśmą. Następnie dmuchnij wielokrotnie do wnętrza pudełka przy użyciu słomki. Zdejmij pokrywkę i zapisz zmiany, które zaobserwowałeś. 55 3.9. Spis literatury Beerling, D., 2007. The emerald planet: how plants changed Earth’s history. Oxford University press. 47 ss. Brown, S., Scott, A., Glasspool, I. & Collinson, M., 2012. Cretaceous wildfires and their impact on the Earth system. Cretaceous Research, 36: 162-190. Crowe, S. A., D0ssing, L.N., Beukes, N.J., Bau,M., Kruger, S. J., Frei, R. &. Canfield, D.E., 2013. Atmospheric oxygenation three billion years ago. Nature, 501: 535-538. Kasting, J.F., 2001. The rise of atmospheric oxygen. Science, 293 (5531): 819-820. Manecki, A. & Muszyński, M (red)., 2008. Przewodnik do petrografii. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne. Kraków. 552 ss. Migoń, P., 2006. Geomorfologia. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa. 460 ss. Seinfeld, J. H. & S. N., Pandis.2006. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. Willey. 1326 ss. Stanley, S. M., 2002 Historia Ziemi, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa. 659 ss. Ryka, W. & Maliszewska, A. 1982. Słownik petrograficzny. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa. 403 ss. www.kalcytblogspot.com. 56 „Mnie ta ziemia od innych droższa, ani chcę, ani umiem stąd odejść.” Władysław Broniewski ZIEMIA Beata Stożek Podczas zajęć w szkole, zapytałam sześciolatków, co to jest „ziemia”. W dużym uproszczeniu usłyszałam dwie odpowiedzi. Pierwszą była odpowiedź, że ziemia to planeta, na której żyjemy. Druga odpowiedź brzmiała mniej więcej tak: to jest TO COŚ, po czym się chodzi. „TO COŚ” okazało się być zarówno glebą, jak i piaskiem, jak i ściółką, a w niektórych przypadkach, nawet skałą. Bo takie skojarzenia nasuwają się, gdy słyszymy słowo „ziemia”. Ten rozdział w większości skupi się na glebie, jednak czasem będzie dotyczył także pozostałych elementów, wymienionych przez „młodych naukowców”. 57 4.1. Od skały do czarnoziemów, czyli procesy i czynniki glebotwórcze w pigułce Najbardziej zewnętrzną warstwą występującą na powierzchni Ziemi, mającą miąższość zaledwie 1,5 do ok. 2 m, a będącą jednym z najważniejszych czynników niezbędnych do życia jest gleba. Jest to warstwa biologicznie czynna, dynamiczna, stale się rozwijająca lub ulegająca niszczeniu. Powstaje w wyniku procesów glebotwórczych, pod wpływem działania wielu czynników. 4.1.1. Procesy glebotwórcze Gleby powstają w wyniku procesów glebowych, polegających na przekształceniu skały macierzystej w pełni uformowany profil z poziomami glebowymi. Taki proces nazywamy pedogenezą. Jednocześnie, obok procesu tworzenia się gleb, przebiegają procesy wietrzenia (fig. 58). Wietrzenie Pierwszym z podstawowych procesów, bez którego nie jest możliwe powstawanie gleb, jest proces wietrzenia skał macierzystych. Wyróżnia się trzy główne typy wietrzenia: fizyczne, chemiczne oraz biologiczne. Wietrzenie fizyczne polega na mechanicznym rozdrabnianiu skały, bez wpływu najej skład chemiczny. Może być wywołane różnymi czynnikami np.: warunkami atmosferycznymi. Wietrzenie chemiczne polega na rozpuszczaniu skały pod wpływem substancji chemicznie czynnej i na zmianie składu chemicznego (powstawanie nowych minerałów) rozdrabnianej skały, np.: pod wpływem dwutlenku węgla lub działania kwasów humusowych. Wietrzenie biologiczne polega na dezintegracji skały macierzystej w wyniku działalności organizmów żywych np.: porostów, korzeni drzew. 4.1.2. Procesy glebotwórcze właściwe Humifikacja Jedną z najważniejszych cech gleby jest obecność próchnicy, która odpowiedzialna jest za żyzność gleb. Procesem, na drodze którego powstaje próchnica jest humifikacja. Zjawisko to polega na rozkładaniu przez organizmy żywe (bakterie, grzyby) materii organicznej i wtórnej syntezie związków próchnicznych. Mineralizacja Mineralizacja towarzyszy procesowi humifikacji i polega na przekształceniu związków organicznych w nieorganiczne proste związki mineralne np.: CO2, NH3, H2O 58 Fig. 58. Główne etapy powstawania gleb a) początek dezintegracji skały macierzystej, b) postępowanie wietrzenia skały macierzystej i pojawienie się materii organicznej, c) formowanie się poziomów glebowych, d) pełny profil glebowy Czy wiesz, że mineralizacja materii organicznej może odbywać się zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych? Jeżeli odbywa się przy udziale tlenu, mamy do czynienia z butwieniem, jeżeli w warunkach anoksycznych, mówimy o gniciu. Procesy związane z migracją związków organicznych i mineralnych, związane często z przesiąkaniem wody przez materiał glebowy, przyczyniają się do powstawania poziomów glebowych, a tym samym do kształtowania się profili glebowych. Poniżej wymieniono niektóre z poziomów glebowych (fig. 59). Poziom próchniczny - poziom, na którym znajduje się większość cząstek próchniczych, od jego miąższości zależy żyzność gleby. Poziom wymywania (eluwialny) - poziom, z którego pod wpływem działania wody została wymyta większość związków mineralnych i organicznych, im poziom wymywania ma większą miąższość tym bardziej nieurodzajna gleba. Poziom wmywania (wzbogacania) - poziom, do którego zostały przetransportowane składniki, wymyte z wyżej położonych poziomów. Poziom glejowy - poziom, który pod wpływem długo zalegającej wody i panujących warunków beztlenowych, przybrał barwę szarą, niebieskawą lub zielonkawą. W różnych typach gleb występują także inne poziomy, zwane diagnostycznymi, związane z charakterystycznymi warunkami tworzenia się tych gleb, np. poziom bielicowania (albic) w glebach bielicoziemnych, poziom brunatnienia (cambic) w brunatnoziemnych, czy poziom rdzawienia (sideric) w glebach rdzawoziemnych. 59 4.1.3. Główne czynniki glebotwórcze Oprócz procesów, w wyniku których powstają gleby, duże znaczenie, nadające glebom ich szczególny charakter, mają czynniki glebotwórcze. Wśród najważniejszych czynników, wpływających na gleby są: Skały macierzyste - od rodzaju skały bardzo często zależy typ gleb, istnieją rodzaje gleb genetycznie związane z danym typem skał np.: rędziny tworzą się tylko na skałach wapiennych a czarnoziemy na lessach. Klimat - klimat ma ogromne znaczenie na powstawanie typów gleb, w skali światowej tendencję tę można zauważyć przy analizie mapy gleb strefowych. Ważnymi czynnikami tutaj są temperatura, nasłonecznienie, ilość opadów. Flora i fauna - często od charakteru roślinności (nierozerwalnie związanej również z klimatem) zależy, z jakim typem gleby będziemy mieć do czynienia. Na lessach terenów stepowych rozwiną się najżyźniejsze czarnoziemy, ale na lessach zalegających pod terenami zalesionymi, rozwiną się gleby brunatne. Woda - ruch wody w glebie ma duże znaczenie dla procesów glebowych, także obecność wód powierzchniowych, cieków wodnych czy bagien wpływa na typ powstających gleb. W okolicach rzek, mogą utworzyć się mady rzeczne, będące bardzo żyznymi glebami, ale już gleby glejowe, tworzące się w okolicach terenów bagiennych, nie nadają się do uprawy. Czas - wszystkie procesy wymienione powyżej wymagają czasu i nie jest to rok czy dwa, ale są to nawet tysiąclecia. Działalność człowieka - każdy z nas oddziaływuje na gleby, czy to poprzez zabudowywanie jej powierzchni, uprawę mechaniczną, nawadnianie lub drenaż, nawożenie. Takie typy gleb zostały zaklasyfikowane jako gleby antropogeniczne. poziom organiczny poziom próchniczny poziom wymywania poziom wzbogacania poziom skały macierzystej poziom skały litej Fig. 59. Przykład profilu glebowego, z zaznaczonymi najważniejszymi poziomami glebowymi. 60 Czy wiesz, że jednym z najważniejszych czynników w procesach glebowych jest edafon? Nazwą tą określa się wszystkie organizmy żywe występujące w glebie, takie jak: mikroorganizmy, zwierzęta typu pierścienice, larwy owadów oraz glony. Niektórzy zaliczają do edafonów także geokseny, czyli zwierzęta żyjące na powierzchni, wykorzystujące glebę jako środowisko żeru lub kryjówkę. Edafon stanowi około 5% całej objętości gleby. 4.2. Wybrane przykłady skał macierzystych Bazaltoidy - należą do wylewnych skał magmowych, charakteryzują się strukturą afanitową, drobnoziarnistą lub rzadziej porfirową. Głównymi minerałami tych skał wylewnych są plagioklazy oraz pirokseny (fig. 60, 61). Dodatkowo mogą występować amfibole, biotyt, skaleniowce czy oliwiny. Jako minerały akcesoryczne często pojawiają się związki żelaza (Fe) i tytanu (Ti). Czy wiesz, że często, obok fenokryształów (dużych kryształów w masie afanitowej lub drobnoziarnistej) w bazaltoidach występują ksenolity? Ksenolitami nazywamy fragmenty innych skał. Najczęściej spotykanymi ksenolitami w dolnośląskich wulkanitach są ksenolity oliwinowe lub piroksenitowe, które mogły się tworzyć w płaszczu litosferycznym. Skały te zawierają duże ilości CaO i MgO przy niskich zawartościach SiO2 oraz K2O i Na2O. Głębinowym odpowiednikiem zasadowych skał wylewnych są gabra. Największe powierzchnie zajmowane przez zasadowe wulkanity związane są z wielkimi pokrywami lawowymi (patrz rozdział „Ogień”). Do jednych z bardziej znanych należą Trapy Dekańskie w Indiach czy Trapy Syberyjskie w Federacji Rosyjskiej, W Polsce pokrywy lawowe występują w okolicach Lubania na Dolnym Śląsku. Na skałach pochodzenia wulkanicznego rozwijają się gleby wulkaniczne. Zaliczane są do gleb astrefowych, a ich występowanie ograniczone jest do terenów pokrytych przez skały wylewne lub skały piroklastyczne (np. tufy). Gleby te uważane są za bardzo żyzne, niektóre charakteryzują się ciemną barwą i dużą zawartością próchnicy. Gleby pochodzące z wietrzenia skał wulkanicznych nazywamy andosolami. Fig. 60. Zdjęcie bazaltu z widocznym ksenolitem płaszczowym. 61 Fig. 61. Zdjęcie bazaltu wykonane przy użyciu mikroskopu skaningowego elektronowego (SEM) z wykorzystaniem elektronów wstecznie rozproszonych (BSE). Zdjęcie wykonała Beata Stożek. Lessy - są skałami osadowymi, okruchowymi - inaczej możemy powiedzieć klastycznymi. W zależności od domieszki innych frakcji (czyli wielkości ziaren) lessy różnią się od siebie. Czy wiesz, że less jest skałą zwięzłą? Termin skała zwięzła oznacza, że ziarna skały są ze sobą połączone na tyle, by tworzyć nieraz wysokie, strome ściany, jednak pod wpływem niewielkiego nawet nacisku np. zgniecenia w dłoni, rozpadają się. Oprócz skał zwięzłych mamy jeszcze skały lite, bardzo silnie zespojone, np. piaskowce, oraz skały luźne, w których okruchy nie są połączone ze sobą np. piasek. Klasyczne lessy frakcji składają się głównie z frakcji pyłu kwarcowego, którego ziarna mają rozmiar od 0,002 mm do 0,05 mm. Jeżeli skała ta zawiera znaczną ilość większej frakcji piaskowej (od 0,05 mm do 2 mm), to określana jest jako less piaszczysty. Można to sprawdzić poprzez rozgniecenie fragmentu skały w palcach - w przypadku frakcji piaszczystej okruchy piasku będą wyczuwalne. Jeżeli less zawiera bardzo dużo drobnej frakcji iłowej (o rozmiarze poniżej 0,002 mm) to skała określana jest jako less ilasty. Lessy ilaste w przeciwieństwie do lessów klasycznych są znacznie bardziej plastyczne, trudniej jest je skruszyć w palcach i są wyraźnie mniej przepuszczalne dla wody, co znaczy, że charakteryzują się o wiele mniejszą porowatością. Często lessy mogą być także mylone z utworami lessopodobnymi - np. bardzo drobnym piaskiem lub gliną drobnoziarnistą. Lessy mogą zawierać domieszki innych minerałów. Najczęściej występującym minerałem obok kwarcu jest kalcyt (węglan wapnia), czasem w lessach spotyka się także skalenie. Czy wiesz, że w lessach tworzą się konkrecje, zwane kukiełkami lessowymi? Są to konkrecje węglanu wapnia, który został wymyty z wierzchnich warstw lessu i zakumulował się w szczelinach głębszych warstw lessu. Kukiełki lessowe mogą osiągać długość nawet do kilkunastu centymetrów (fig. 62). 62 Fig. 62. Zdjęcie przedstawia kukiełkę lessową, okaz udostępniony dzięki uprzejmości Muzeum Geologicznego Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego. Lessy powstają w wyniku akumulacji materiału eolicznego (nawianego przez wiatr). Problemem dla wielu badaczy jest pochodzenie tego materiału. Dziś wiadomo już, że materiał ten nie był transportowany na duże odległości i raczej został „przywiany” z bliskiej okolicy, jednak pytanie wciąż budzi, czy powstał on z wietrzenia istniejących skał, czy może z niszczenia osadów rzecznych. Lessy powstawały w okresach zlodowaceń (klimat zimny i suchy) na obszarach, które nie były pokryte lodem. W okresach ociepleń tworzyły się na nich gleby, a przy następnych zlodowaceniach osadzały kolejne partie pokrywy lessowej. W ten sposób utworzyły się gleby kopalne. Właściwości fizyczne lessów związane są z zawartością wody. Less o niskiej zawartości wody może tworzyć wysokie, pionowe skały, jednak podniesienie poziomu wody doprowadza do utworzenia błotnistej mazi. Łatwo zatem ulega wodnej erozji tworząc głębokie wąwozy. Często tworzy podobne do krasowych formy np. leje czy jaskinie, jednak mechanizm tych procesów jest inny niż w przypadku krasu i nazywa sie sufozją. Lessy są skałami, na których powstają liczne typy gleb z zależności od klimatu, szaty roślinnej i uwarunkowań terenu. Do najżyźniejszych gleb na Ziemi, powstających na lessach, należą czarnoziemy, które tworzą się w klimacie umiarkowanym, kontynentalnym. Istotny wpływ na powstawanie czarnoziemów ma szata roślinna - tworzą się na obszarach pokrytych trawami, czyli stepach. Ich cechą charakterystyczną jest duża zawartość próchnicy wysyconej kationami wapnia i magnezu, co nadaje im wyjatkową jakosć. W Polsce obecność czarnoziemów jest znikoma (ok. 1%), jednak u naszych sąsiadów, na Ukrainie, czarnoziemy występują w bardzo dużej ilości. Kolejnym typem stosunkowo żyznych gleb, które mogą tworzyć się na pokrywach lessowych, są brunatnoziemy. Tworzą się one w klimacie umiarkowanym, przy współudziale roślinności lasów mieszanych i lasów liściastych. Nie są tak żyzne jak czarnoziemy, jednak przy odpowiednim nawożeniu dają bardzo wysokie plony. Kolor brązowy związany jest z procesem brunatnienia, który polega na pokrywaniu ziaren glebowych cząstkami żelaza. W Polsce brunatnoziemy stanowią ponad 50% wszystkich typów gleb, również na świecie są jednymi z bardziej rozpowszechnionych. Innym typem gleb często powiązanych z lessową skałą macierzystą 63 są gleby napływowe - deluwialne. Należą one do gleb astrefowych. Tworzą się w wyniku akumulacji materiału zmywanego przez wody powierzchniowe. Osadzają się u podnóży stoków i są charakterystyczne dla terenów pofałdowanych (w przeciwieństwie np. do czarnoziemów, które wymagają terenów płaskich). Gleby te są silnie warstwowe i należą do najżyźniejszych gleb związanych z lasami wyżynnymi i mokrymi. W Polsce gleby napływowe zajmują zaledwie 5% i związane są z terenami górzystymi i wyżynnymi. Fig. 63. Fragment lessu pochodzący z wąwozu lessowego k. Alwerni, okaz pochodzi z prywatnej kolekcji Beaty Stożek z Instytutu Nauk Geologicznych UJ. 4.3. Barwa gleby Pierwszą cechą gleby, jaką zwykle dostrzegamy, jest barwa. Różne kolory przyciągają nasz wzrok i sugerują, skąd wzięła się nazwa „kolory ziemi”, powszechnie stosowana w architekturze wnętrz. Odcienie kremowe, żółte i czerwone przeplatają się z zielonymi, brązowymi i niemal czarnymi. Nawet najmniej zainteresowani geografią bez większego zastanowienia stwierdzą, że żółte osady niosą ze sobą wody Żółtej Rzeki w Chinach. Zapytani o białe piaski wymienią zbudowane z gipsu wydmy z Nowym Meksyku, będące pomnikiem przyrody, czy krzemianowe białe piaski Florydy lub Estonii, przyciągające i kuszące swoją barwą turystów. Podobnie zachwycają czerwone wzgórza Tęczowej Doliny w Australii, czy ceglaste piaski Red Desert w Wyoming, szczególnie podczas zachodów słońca, sprawiając wrażenie, że Ziemia płonie. A czy komuś trzeba tłumaczyć, czym są czarnoziemy Ukrainy? Od czego zatem zależą kolory gleby i jaką wiedzę niosą ze sobą? Na barwę gleby najsilniej wpływają trzy składniki: skład mineralogiczny, zależny od procesów wietrzenia i typu skały macierzystej oraz od wtórnych efektów procesów glebotwórczych, zawartość i skład materii organicznej - chociaż bez analiz laboratoryjnych trudno jest oszacować zawartość materii organicznej i jej skład, to barwa gleby może w tym pomóc, wilgotność gleby - jeżeli j gleba jest silnie nasiąknięta wodą przez długi czas, może to doprowadzić do powstania charakterystycznych zmian kolorów związanych z rozwojem procesów redukcyjnych w środowisku beztlenowym. 64 Standardowo barwa gleby opisywana jest według systemu kolorów Munsella. Ten trójwymiarowy system oparty jest na założeniu, że każdy kolor posiada trzy charakterystyczne cechy: odcień, nasycenie i jasność, w związku z tym każdy kolor występuje na trzech osiach układu barw. System kolorów Munsella. W skali zastosowano rozwiązania numeryczne przyznając dla każdego atrybutu skalę stopniową, co pozwala dokładnie określać barwę przedmiotu/substancji. Fig. 65. Przykład użycia systemu kolorów Munsella do oznaczenia charakterystycznej barwy gleby. 65 4.3.1. Barwa gleby - minerały Jednymi ze stałych komponentów gleb są nieorganiczne związki mineralne. Pochodzą one z dwóch źródeł. Minerały pierwotne są skutkiem wietrzenia skalnego podłoża. Jako skały macierzyste mogą występować zarówno skały magmowe, metamorficzne, jak i osadowe. W trakcie procesów glebotwórczych również powstają minerały-określamy je minerałami wtórnymi. Zarówno minerały pierwotne, jak i wtórne mają bardzo duże znaczenie w zabarwieniu gleby (fig. 67). Niekwestionowanym zwycięzcą jest tutaj Fe3+, które w zależności od minerału, a czasem także od rozmiaru minerału, daje największą gamę kolorów. Stosunkowo duże kryształy getytu (FeOOH), powyżej 1 mm zabarwiają glebę na kolor żółty, natomiast mniejsza frakcja powoduje zabarwienie brązowe. Hematyt barwi zawsze na czerwono, jednak przy relatywnie większej frakcji można zauważyć kolor czerwono-purpurowy (fig. 66). Podobnie dzieje się w przypadku lepidokrokitu, który przy drobnej frakcji zabarwia glebę na kolor czerwony, a przy frakcji większej na czerwonawo- żółty. Fig. 66. Śmietana hematytowa (pyłowa forma występowania hematytu) - Rudki, okaz udostępniony dzięki uprzejmości Muzeum Geologicznego Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońśkiego. Minerał Wzór chemiczny Rozmiar Kolor ziemi Getyt FeOOH >1 mm Żółty Getyt FeOOH <1 mm Ciemnobrązowy Hematyt Fe 2O3 ~ 0,4 mm Czerwony Hematyt Fe203 ~ 0,1 mm Purpurowo - czerwony Lepidokrokit FeOOH ~ 0,5 mm Czerwonawo -żółty Lepidokrokit FeOOH ~ 0,1 mm Czerwony Glaukonit K(SixAU-x) Ciemnoszary (Al,Fe,Mg)010 (OH) 2 Piryt FeS2 Czarny Jarosyt KFe3(0H)5(S04)2 Bladożółty Todorokit Mn04 Czarny Kalcyt CaC03 Biało-szary Dolomit CaMg(C03)2 Biały Gips CaS04*2H20 Bardzo bladobrązowy Kwarc Si02 Jasnoszary Fig. 67. Minerały mające największy wpływ na kolory gleby. 66 Bardzo ważną kwestią mającą wpływ na zabarwienie gleby, związaną z minerałami, są warunki klimatyczne i tlenowe. Niektóre minerały nie występują w gorącym klimacie, inne preferują warunki bardziej redukcyjne, tzn. warunki o ograniczonych zasobach tlenu, często na terenach zawodnionych. Charakterystyczne żółte lub żółto-brązowe gleby, za kolor których odpowiedzialny jest getyt, występują zazwyczaj w klimacie umiarkowanym, czerwone, i purpurowo-czerwone barwy gleba przyjmuje częściej w klimacie tropikalnym. Getyt, hematyt i lepidokrokit są charakterystyczne dla gleb dobrze natlenionych, natomiast todorokit najczęściej spotykany jest w odtlenionych osadach, ponieważ tworzy się w środowisku redukcyjnym. 4.3.2. Barwa gleby - materia organiczna Najważniejszym elementem gleby jest materia organiczna, w skład której wchodzą szczątki roślinne i zwierzęce na różnych etapach rozkładu, humus glebowy zwany często próchnicą glebową oraz organiczne produkty stanowiące resztki działalności życiowej organizmów żywych. W porównaniu do części mineralnej, procesy zachodzące w części organicznej gleby charakteryzują się dużą dynamiką. Pomimo tego, jej składniki są na tyle stałe i trwałe, że umożliwiają na jej podstawie dokonywanie klasyfikacji i można je traktować j ako cechy diagnostyczne. Jedną z cech gleby, za którą odpowiedzialna j est materia organiczna, jest kolor. Materia organiczna ma kolor czarny, więc słusznie zakłada się, że im ciemniejsza dana gleba, tym zawiera więcej materii organicznej. Mając świadomość że materia organiczna nigdy nie jest jedynym składnikiem gleby, należy przy szacowaniu koloru wziąć pod uwagę wzajemne oddziaływanie na siebie dwóch składowych: części mineralnej i części organicznej. W ocenie barwy, w zależności od dominacji jednej lub drugiej strony, może pomóc umieszczony poniżej diagram. Jako punkt całkowitej bieli uznaje się osady zbudowane z kalcytu, dolomitu, gipsu lub kwarcu (fig. 68). Fig. 68. Diagram ukazujący przypuszczalny kolor gleby w zależności od zawartości żelaza oraz zawartości materii organicznej. 67 4.3.3. Barwa gleby - wilgotność Kolor, albo właśnie brak charakterystycznego koloru, może powiedzieć nam wiele także 0 warunkach środowiskowych związanych z obecnością wody. W strefie zwrotnikowej 1 podzwrotnikowej w okresie pory deszczowej gleby przez większą część czasu są zakryte wodą. Podobne sytuacje mają miejsce w okresach podtopień, powodzi lub wysokiego poziomu wód gruntowych. Takie długotrwałe pozostawanie pod wodą, prowadzi do powstawania warunków anaerobowych w glebie. Tlen szybko usuwany jest z takiego środowiska, a bakterie tlenowe przechodzą w stan uśpienia. Niektóre bakterie beztlenowe używają żelaza Fe3+ z getytu i hematytu jako akceptora elektronów podczas ich metabolizmu. Żelazo Fe3+ redukowane jest do bezbarwnego, rozpuszczalnego w wodzie żelaza Fe2+ i wraca z powrotem do gleby. Niektóre bakterie beztlenowe zamiast związków żelaza używają np. jonów Mn4+ jako akceptora elektronów i redukują jon manganowy do postaci Mn2+, który, podobnie jak Fe2+, jest rozpuszczalny w wodzie i również nie ma zabarwienia. Redukcja jonów powoduje utratę pigmentu i pozostawia glebę szarą, pozbawioną specyficznego koloru. Zazwyczaj taka gleba jest niejednolita i ma charakterystyczne „cętki” Jeżeli obszar gleby znajduje się pod wodą dłuższy czas, cała gleba może na podmokniętym obszarze zrobić sie szara, zielonkawa lub niebieskawa. 4.4. Atrakcje geoturystyczne 1. Łupki pstre z Łabowej Lokalizacja: Lubomierz k. Limanowej GPS: N: 49° 36’ 45", E: 20° 11 ,24" Łupki pstre, odsłaniające się w rzece Mszanka za Szkołą Podstawową w Lubomierzu pochodzą z eocenu. Są to utwory hemipelagiczne (czyli utwory tworzące się na stoku kontynentalnym). Łupki mają czerwone, lub czerwono-wiśniowe zabarwienie, są masywne, występują w nich wkładki mułowcowo-ilaste i przewarstwione są łupkami szaroniebieskimi (fig. 69). W przypadku wysokiego stanu wody raczej niewidoczne. Fig. 69 Odsłonięcie łupków pstrych w Lubomierzu (fot. W. Stożek) 68 2. Pustynia siedlecka Lokalizacja: Siedlec GPS: N: 50° 69’ 89", E: 19° 52’ 89" Fig. 70 Pustynia Siedlecka (zdjęcie pochodzi ze strony www.janow.pl). Pustynia Siedlecka jest pozostałością po dawnym wyrobisku piasków formierskich - wydobywano tu czyste piaski kwarcowe. Piaszczyste osady gromadziły się tutaj w jurze, na dnie oceanu. W okresie zlodowaceń powstały tu moreny, o czym świadczą wysokie na 30 m pagórki (fig. 70). 3. Wawóz lessowy w Alwerni Lokalizacja: wzgórze Podskale w Alwerni GPS: N: 50° 04’ 06", E: 19° 32’ 11" Wąwóz powstał w zboczu wzgórza Podskale. Jest ono zbudowane z melafirów, których wiek jest zgodny z karbońsko-permskim wulkanizmem. Obok melafirów, w zboczu odsłaniają się żółtoszare lessy, porywające większą część wąwozu. Na lessach wykształciły się gleby brunatne, których przekrój możemy obserwować w trakcie wycieczki (fig. 71). Fig. 71 Wąwóz lessowy w Alwerni (fot. W. Stożek) 69 4.5. Przykładowy scenariusz pt.” Znaczenie wody w glebie” Cel zajęć: Celem zajęć jest wskazanie, jak ważną rolę w glebie odgrywa woda. Uczniowie wykonają doświadczenie podczas którego zbadają przepływ wody przez gleby różnego typu, sprawdzą czas przepływu wody przez glebę, sprawdzą jaka ilość wody została zaabsorbowana przez daną glebę oraz jak właściwości fizykochemiczne gleb wpłynęły na wodę (pH, klarowność). Materiały: 1. Próbki gleby o wadze 1 kg (najlepiej 4, np. czarnoziemy, gleby brunatne, gleby bielicowe, rędziny lub mady), a w przypadku braku możliwości pobrania tylu typów gleb - jedna gleba z czterech poziomów profilu. 2. Butelki PET o pojemności 2,5 l (4 sztuki) 3. Sitka o oczkach poniżej 1 mm (4 sztuki) 4. Zlewki o pojemności przynajmniej 500 ml (5 sztuk) lub inne naczynia z miarką 5. Piasek (ok. 250 g na 1 próbkę gleby) 5. Papierki lakmusowe do mierzenia pH lub pH-metr 6. Stoper 7. Woda Fig. 72. Przykładowa konstrukcja wraz z umieszczoną próbką gleb. Opis zajęć: 1. Wprowadzenie teoretyczne dotyczące gleb. Istotne tematy to np: typy gleb, właściwości fizykochemiczne gleb, zagrożenia wynikające z erozji gleby, czynniki wpływające na degradację gleby. 2. Podział uczniów na grupy kilku osobowe (3-5) 3. Przygotowanie arkusza obserwacji; w trakcie przygotowania można przeprowadzić z uczniami rozmowę dotyczącą przewidywanych wyników i obserwacji, np: czy zdaniem uczniów woda przesączy się przez każdy typ gleby w takim samym czasie, a jeśli nie, to z czego mogą wynikać różnice, czy taka sama ilość wody zostanie zatrzymana przez każdy typ gleby, czy gleba wpłynie znacząco na pH wody, jeśli tak, to które składniki glebowe są za to odpowiedzialne. 70 4. Przygotowanie konstrukcji do przeprowadzenia doświadczenia (rys.2.5.1): (Przed przygotowaniem konstrukcji uczniowie powinni obejrzeć wszystkie typy gleb, sprawdzić, czy są suche czy mokre, czy są ubite, jaki mają kolor, jakie składniki można w nich wydzielić) Wyciąć dno z butelki PET (2,5 l) a następnie odwrócić ją do góry nogami i umieścić wewnątrz sito, tak by przylegało do ścian butelki Nasypać do środka warstwę piasku, około 5 cm; piasek zabezpieczy sitko przed zatykaniem Nasypać do środka warstwę gleby, około 15 cm Umieścić butelkę na zlewce (bądź innym naczyniu z miarką) W dodatkowym naczyniu przygotować 500 ml wody 5. Przeprowadzenie doświadczenia (Ze względu na konieczność pomiaru i notowanie obserwacji doświadczenie przeprowadzać po kolei na każdej próbie gleby). Sprawdzić pH wody w zlewce Włączyć stoper i wlać 500 ml wody do próbki gleby (obserwacja zachowania wody przed wsiąknięciem - czy na powierzchni wody pojawiły się bańki powietrza, jeśli tak o czym może to świadczyć) Zmierzyć ilość przesączonej wody Zbadać pH przesączonej wody Sprawdzić barwę wody, jej zapach i klarowność Po zanotowaniu wyników wymienić zlewkę i wlać do gleby kolejne 300 ml wody Powtórzyć doświadczenie dla każdego typu gleby (Czy nadal tworzą się bańki powietrza? Czy jakaś ilość wody została zaabsorbowana? Czy woda zmieniła swój wygląd?) 6. Opracowanie wyników przez poszczególne grupy uczniów: Przepływ wody przez glebę jest uzależniony od wielu różnych czynników takich jak struktura gleby (rozmieszczenie ziaren i wolnych przestrzeni między nimi), wielkość ziaren, czy ubicie gleby. Te parametry wpływają decydująco na zdolność gleby do pochłaniania wody. Na podstawie obserwacji próbki gleby oraz bazując na doświadczeniu mierzącym przepływ wody przez glebę uczniowie w grupach przygotowują krótkie sprawozdanie. Nauczyciel może przygotować pytania pomocnicze, którymi będą kierować się uczniowie. Omówienie może być w formie ustnej lub jako zadanie domowe w formie pisemnej. Przykładowy arkusz obserwacyjny: Obserwacje Gleba Gleba Gleba Gleba I II III IV Charakterystyka gleby: mokra/sucha, kolor, zbita/luźna Czas w jakim woda przesączyła się przez glebę Ilość wody zaabsorbowana przez glebę za pierwszym razem pH wody przed/po przesączeniu przez warstwę gleby Klarowność wody Ilość wody zaabsorbowana przez glebę za drugim razem Fig. 73. Przykładowy arkusz obserwacyjny. 71 4.6. Spis literatury Bednarek R., Dziadowiec H., Pokojska U. & Prusinkiewicz Z., 2011. Badania ekologiczno-gleboznawcze. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 344 ss. Kuźnicki F., Białousz S. & Skłodowski P., 1979. Podstawy gleboznawstwa z elementami kartografii i ochrony gleb. PWN, Warszawa, 418 ss. Lynn, W. C. & Pearson, M. J., 2000. The Color of Soil, exploring the chemistry of soil color. Science Teacher, 67(5): 20-23. Manecki A. & Muszyński M., 2008. Przewodnik do petrografii. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, 552 ss. Mocek A., 2014. Gleboznawstwo. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 464 ss. Munsell A. H., 1905. A color notation. G.H. Ellis Co, Baltimore, 89 ss. Oszczypko N., 1991. Stratigraphy of the Palaeogene deposits of the Bystrica Subunit (Magura Nappe, Polish Outer Carpathians). Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Earth Sciences, Warszawa, 39(4): 433-445. Pye K., 1995. The nature, origin and accumulation of loess. Quaternary Science Reviews, 14:653-667. Zawadzki S., 1999. Gleboznawstwo. Wydawnictwa Państwowe Rolnicze i Leśne, Warszawa, 560 ss. www.janow.pl www.slideshare.net/alicabryce 72 Dr Agata Jurkowska Geolog, paleontolog. Doktorat pisała w Instytucie Nauk Geologicznych UJ, obecne pracuje w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska. Geologia to dla niej nie tylko nauka, ale przede wszystkim pasja, którą zaraziła kiedy miała 10 lat. Pasja przerodziła się ogromną kolekcję skamieniałości, studia na kierunku geologia, aż w końcu obroną pracy doktorskiej. Obecnie zajmuje się utworami kredowymi niecki miechowskiej. Od 2007 roku popularyzuje naukę poprzez organizację wykładów, warsztatów i festiwali dla dzieci i młodzieży. ¥v 2012 roku otrzymała tytuł Popularyzator Nauki 2011 w konkursie organizowanym przez Polską Agencję Prasową. Bardzo lubi podróżować odwiedziła już m. in. Tanzanię, Madagaskar, Laos i Indie. Beata Stożek Na co dzień pracuje w Pracowni Mikroskopii Skaningowej Elektronowej Instytutu Nauk Geologicznych UJ oraz kończy doktorat z mineralogii. Prowadzi badania mineralogiczno - petrologiczne skał głębinowych zarówno z Polski jak i Kanady, dodatkowo bierze udział w projektach interdyscyplinarnych związanych z Polską i Ameryką Południową. Przez kilka lat prowadziła w swoim Instytucie zajęcia dla studentów związane z mineralogią oraz metodami badań minerałów i skał, obecnie spełnia się dydaktycznie prowadząc zajęcia (ćwiczenia i wykłady) dla młodszych słuchaczy, w ramach projektów popularyzujących naukę. W 2012 roku prowadziła cykl zajęć dla dzieci w Moskwie na zaproszenie tamtejszego Instytutu Polskiego. Od lat bierze czynny udział w organizacji Nocy Muzeów i Nocy Naukowców oraz Festiwalu Nauki. „Jestem przekonany, że książka znajdzie szerokie zastosowanie w dydaktyce szkolnej, a zawarte w niej scenariusze zajęć, połączone z opisami doświadczeń będą niezwykle cenną pomocą dla nauczycieli. Z książki moim zdaniem skorzysta także szeroki krąg innych odbiorców - studentów różnych uczelni oraz osób pragnących pogłębić wiedzę, a zwłaszcza tych, dla których szeroko rozumiana turystyka staje się metodą poznawania otaczającego świata." Prof. zw. dr hab. Kazimierz Wiech Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie „Materiał dydaktyczny zawarty w książce uzupełnia w bardzo przystępny i atrakcyjny sposób informacje zebrane w innych podręcznikach nauk o Ziemi. ” Prof. dr hab. Joachim Szulc Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie