logo
FA 12/2021 z laboratoriów

Marcin Behrendt

Krajobraz po katastrofie

Krajobraz po katastrofie 1

Od lewej: Arkadiusz Krawiec, Wojciech Wysota, Edyta Kalińska, Piotr Weckwerth, Marek Chabowski, Dhiraj Kumar.

Kilkanaście tysięcy lat temu przez Suwalszczyznę przeszła jedna z największych powodzi w historii Ziemi – twierdzą geografowie z UMK. Ich badania mają kolosalne znaczenie dla naukowców interesujących się zmianami klimatu u schyłku ostatniego zlodowacenia.

Rozwój nowoczesnej technologii obrazowania powierzchni ziemi spowodował znaczącą zmianę jakościową w badaniach geomorfologicznych oraz badaniach genezy krajobrazu, nie tylko polodowcowego. Przełomem okazał się LIDAR (od angielskiego Light Detection and Ranging), czyli metoda skaningu laserowego, która umożliwia tworzenie numerycznych modeli terenu (NMT) o wysokiej rozdzielczości. Kiedy dane LIDAR zostały udostępnione publicznie w Geoportalu, naukowcy z różnych uczelni w Polsce rozpoczęli poszukiwania interesujących form rzeźby terenu.

Prof. Wojciech Wysota i dr hab. Piotr Weckwerth, prof. UMK, z Wydziału Nauk o Ziemi i Gospodarki Przestrzennej UMK w Toruniu, niezależnie od siebie analizowali różne formy krajobrazu widoczne na NMT, a ich uwagę przykuły te występujące na południe od Wigier. W pewnym momencie wymienili się spostrzeżeniami na temat tego regionu, w którym udało im się zidentyfikować formy typowe dla wielkich przepływów wód. Już pobieżny ogląd oraz pierwsze analizy ich kształtu, np. wysokości i stopnia asymetrii ich zboczy, pozwoliły na dostrzeżenie wyraźnych podobieństw do form opisywanych w literaturze, powstałych w efekcie megapowodzi lodowcowych w Stanach Zjednoczonych lub w górach Ałtaj.

– Postawiliśmy hipotezę badawczą, że są to formy związane z megapowodzią – mówi prof. Wysota. – Potem należało pojechać i to sprawdzić.

Z nieba w podziemia

Krajobraz po katastrofie 2

Megadiuny charakterystyczne dla warunków panujących na dnie rzeki o gigantycznym przepływie i głębokości sięgającej dwudziestu metrów.

Badania terenowe ruszyły w 2015 roku. Naukowcy wytypowali miejsca, które wydawały im się najbardziej reprezentatywne dla rozpoznania powodzi lodowcowych. Były to przede wszystkim megadiuny (megariplemarki) położone na południe od Jeziora Wigry. To gigantyczne, nawet 8-metrowe „zmarszczki” terenu bardzo charakterystyczne dla warunków panujących na dnie rzeki o gigantycznym przepływie i głębokości sięgającej kilkudziesięciu metrów. Korzystając z gościnności Wigierskiego Parku Narodowego oraz we współpracy z Nadleśnictwem Suwałki we wrześniu 2015 roku zespół badaczy podjął pierwsze eksploracje terenu na południowy wschód od Wigier. Tam wykonane zostały pierwsze ręczne sondy geologiczne w megariplemarkach, które potwierdziły wstępne przypuszczenia.

– Okazało się, że formy te są zbudowane z piasków i żwirów – tłumaczy prof. Weckwerth. – Wiemy na pewno, że nie ma tam gliny lodowcowej, co sugerowały wcześniejsze opracowania. Mając już wstępne rozpoznanie, zaczęliśmy poszukiwania kolejnych form, które stanowiłyby kontynuację wielkiego systemu form megapowodzi lodowcowej, tworzących swoisty układ przestrzenny i łączących się ze sobą genetycznie, przede wszystkim w kontekście wielkiego przepływu wód roztopowych.

Początkowy etap prac związany był z analizą geomorfologiczną wykonaną na bazie NMT. Mając jej wyniki, naukowcy wytypowali obiekty do dalszych badań prowadzonych w terenie. Związane są one z opracowaniem profili utworów geologicznych widocznych w odsłonięciach (wkopach), co jest niezbędne, by stwierdzić, jaka jest budowa wewnętrzna i struktura osadów budujących wybrane formy.

– To, co występuje w profilu, możemy stwierdzić na podstawie sondy ręcznej lub mechanicznej, ale wtedy nie widzimy, jaki jest układ przestrzenny warstw, jakie są kontakty między nimi – tłumaczy prof. Wysota. – Dowiadujemy się, jaki osad występuje pod powierzchnią terenu, ale nie znamy układu przestrzennego warstw i ich cech, co pozwala powiedzieć, jakie procesy geologiczne były odpowiedzialne za ich powstanie.

Krajobraz po katastrofie 3

Głazowisko Łopuchowskie.

Naukowcy prowadzą badania geologiczne osadów na grzbiecie megadiun oraz po obu jego stronach: zaprądowej i doprądowej. Szczegółowo analizują ściany wykopów, opisują odsłaniające się osady, prowadzą dokumentację fotograficzną, badają orientację warstw przy pomocy busoli geologicznej, po to, żeby określić kierunek przepływu wody oraz pobierają próbki do dalszych analiz laboratoryjnych. Realizują też badania geofizyczne (georadarowe i tomografii elektrooporowej), które pozwalającą uchwycić szersze tło geologiczne.

Badania prowadzone na Suwalszczyźnie przez geografów z UMK zostały w pierwszej kolejności ukierunkowane na dokumentację form świadczących o powodzi lodowcowej, położonych najdalej od jej źródła, i systematycznie przesuwają się w stronę czoła dawnego lądolodu. Badane są bramy lodowcowe utworzone w strefach wypływu wód lodowcowych spod lądolodu oraz rzeźba terenu i osady, które powstały tam przy okazji gwałtownych buchnięć wody spod lądolodu. Obserwacje są prowadzone w tych miejscach, gdzie wody powodzi lodowcowych pozostawiły po sobie ślad w postaci nagromadzenia różnych osadów, a zawłaszcza materiału gruboziarnistego. Jego obecność nie dziwi geologów, kiedy bowiem woda płynie pod lodem, z jednej strony modeluje pod nim rzeźbę podłoża poprzez jego erozję, zaś z drugiej akumuluje materiał, wypływając przed czoło lodowca. Na początku zostawia materiał największy pod względem rozmiarów ziaren, a im dalej, tym drobniejszy.

– To ogólne zasady, od których są jednak wyjątki – mówi prof. Weckwerth. – Przy bramie bachanowskiej (na wschód od Jeziora Hańcza) trafiliśmy w wielu wkopach na osady drobnoziarniste, rejestrujące również schyłkową fazę powodzi, kiedy prędkość przepływ wód uległa zmniejszeniu.

W kolejnym etapie badań naukowcy zajęli się rozwiązaniem problemu genezy zespołów krętych form podlodowcowych (subglacjalnych). Okazało się, że część obszaru badań powstała w strefie podlodowcowej, a wraz z tą utworzoną przed czołem lądolodu stanowią jeden wielki system, który wskazuje, że wody wielkiej powodzi lodowcowej wypływały trzema bramami: bachanowską, w okolicach Szeszupki i Prudziszek. Ostatnia z wymienionych była największa i łączyła dwa główne kanały, dwie wielkie doliny podlodowcowe: jedną, przebiegającą wzdłuż jeziora Szelment Wielki, i drugą, subglacjalną Dolinę Jeleniewską. Obie łączą się w strefie zaplecza bramy Prudziszek. Z kolei najgłębszą i najbardziej rozległą doliną podlodowcową, funkcjonującą zapewne najdłużej, była ta związana z wielkim obniżeniem Szeszupy.

Krajobraz po katastrofie 4

Jedna ze żwirowni, w których prowadzone są badania przez geografów z UMK.

Podobnie jak dwie pozostałe doliny, podlodowcowa dolina Szeszupy ciągnie się także dalej na północ, na pewno w kierunku źródła powodzi lodowcowej – mówi prof. Weckwerth. – Powstaje więc pytanie, gdzie było to źródło? Najprawdopodobniej znajdowało się w rejonie wielkiego obniżenia terenu w południowej Litwie. Wskazuje na to fakt, że wszystkie doliny łączą się w strefie nadgranicznej, w okolicach Poszeszupia, gdzie prawdopodobnie pod lodem istniała rozległa pułapka na wodę roztopową.

Woda roztopowa musiała płynąć pod lądolodem pod bardzo dużym ciśnieniem i wypływać na jego przedpole w wielu miejscach – główne bramy wypływu związane były z powodzią suwalską, choć prawdopodobnie kolejne tego typu miejsca znajdowały się także na Litwie. Niewykluczone, że w ten sam sposób, w wyniku wypływu wód kanałami skierowanymi bezpośrednio na południe, powstały np. sandry południowolitewskie.

– O tym, że wypływy miały charakter wielkich powodzi lodowcowych, świadczą megadiuny, jakie zidentyfikowaliśmy na obszarze południowej Litwy, podobne do tych, które rozpoznaliśmy w okolicy Jeziora Wigry. Tym razem dowodzą one przepływu wód powodziowych ze wschodu na zachód, z Litwy w kierunku Polski – wyjaśnia prof. Weckwerth. – Wszystkie te wody łączyły się na Równinie Augustowskiej, która jest miejscem występowania złożonego sytemu megadiun o grzbietach zorientowanych zarówno wschód-zachód (przepływ powodzi lodowcowej z północy), jak i w linii północ-południe (przepływ ze wschodu).

Naukowcom z Torunia udało się zbadać formy krajobrazu, znają ich genezę, objętość wód powodzi lodowcowych i ich kierunek. Do rozwikłania pozostała im jeszcze jedna zagadka – kiedy konkretnie doszło do wielkich powodzi lodowcowych? Przybliżony ich wiek można określić na podstawie przesłanek geomorfologicznych, pomocnych w wyznaczeniu zasięgu czoła lodowca.

– W przypadku powodzi suwalskich może być on datowany na około 15-16 tys. lat wstecz – mówi prof. Wysota. – Ale do końca tego nie wiemy, to jedynie szacunki.

W swoim czasie

Krajobraz po katastrofie 5

Doliny i dawne koryta uformowane przez wielkie ilości wód roztopowyc.

Wiek bezwzględny osadu można wyznaczyć poprzez jego datowanie metodami luminescencyjnymi. Naukowcy, separując z osadu ziarna kwarcu, w których gromadzi się energia z występującego w środowisku promieniowania, są w stanie określić, kiedy osad został odcięty od dostępu do światła słonecznego poprzez przykrycie go innym, młodszym osadem.

– Mierzymy ilość energii, która zgromadziła się w tym ziarenku, a następnie dzielimy przez energię, która może się zgromadzić w ciągu roku, i w ten sposób uzyskujemy wiek osadu – tłumaczy prof. Wysota.

– Trzeba uważać, żeby nie zniszczyć próbki osadu przeznaczonego do datowania luminescencyjnego, tzn. żeby go nie naświetlić – dodaje dr hab. Edyta Kalińska, prof. UMK z Katedry Geomorfologii i Paleogeografii Czwartorzędu. – Dlatego rurki, do których pobiera się piasek, są szczelnie zamykane, a materiał poddaje się dalszym badaniom w specjalistycznych laboratoriach i pomieszczeniach pozbawionych całkowicie światła dziennego, a wyposażonych w lampy ciemniowe o kolorze czerwonym.

W tej metodzie datowania zdarzają się jednak znaczne rozbieżności, co zwykle świadczy o tym, że przepływ był szybki, turbulentny i głęboki, a woda mętna i zabrudzona, przez co światło nie mogło się przez nią przedostać. Mimo tych nieścisłości geografowie przypuszczają, że megapowódź suwalska wydarzyła się około 15-16 tys. lat temu.

– Potwierdzają to datowania na Litwie i Suwalszczyźnie przeprowadzone metodą tzw. izotopów kosmogenicznych. Za pomocą tej metody bada się m.in. głazy narzutowe, które zostały uwolnione z lodu i wystawione na promieniowanie kosmiczne – mówi prof. Wysota. – Jest to metoda, która pozwala określić, kiedy dany krajobraz został odsłonięty spod lodu.

Do tej pory wody drążące ogromne doliny równoleżnikowe, zwane pradolinami, przebiegające przez całą Polskę i ciągnące się w kierunku Niemiec aż po szelf Morza Północnego, łączono z recesją lodowców u schyłku zlodowaceń, kiedy form takich było bardzo dużo. Woda roztopowa pojawiała się przy krawędzi lodowca i przepływała na jego dalsze przedpole w kierunku południowym. W tym samym czasie wody istniejących rzek, takich jak np. dawna Wisła i Odra, łączyły się z wodami roztopowymi w jeden system pradolin, który odprowadzał je dalej na zachód.

– Nawet dla tak połączonego przepływu wód o różnym pochodzeniu powstałe pradoliny są niewspółmiernie duże, co było zagadką dla naukowców – zauważa prof. Weckwerth. – Tę lukę w wiedzy uzupełniają wyniki naszych badań. Okazało się bowiem, że istniały gwałtowne, katastrofalne dostawy ogromnej ilości wód roztopowych, które po zgromadzeniu się w jeziorach lodowcowych – pod lodem lub na lodzie – zasilały sukcesywnie system pradolin na przedpolu lądolodu.

Układ głównych pradolin powstał jako system kaskadowego spływania wielkich jezior gromadzących w krótkim czasie wody roztopowe lądolodu. Łącząc się w jeden wielki przepływ, podążały one na zachód przez Niemcy, Morze Północne, które było wówczas lądem, oraz kanał La Manche, aż do Zatoki Biskajskiej.

Ciepło, zimno, coraz cieplej

Krajobraz po katastrofie 6

Od lewej: Wojciech Wysota i Piotr Weckwerth z Wydziału Nauk o Ziemi i Gospodarki Przestrzennej UMK w Toruniu.

Jak dokładnie powstał ten wyjątkowy krajobraz? Ponad 115 tys. lat temu temperatura na Ziemi zbliżona była do dzisiejszej, a lądolód skandynawski nie istniał. Jako twór lodowy – pokrywa lodowa – pojawił się około 60, może 70 tys. lat temu. Od tego momentu lądolód skandynawski miał różne fazy, kurczył się i rozrastał, aż około 20 tys. lat temu osiągnął maksimum rozprzestrzenienia, czyli sięgnął najdalej na południe na obszarze Polski i Niemiec. Wtedy rozpoczęło się ocieplenie i recesja lądolodu. Nie było jednak tak, że lód cały czas się topił – klimat raz się ocieplał, raz ochładzał. Dopiero od około 17 tys. lat temu lądolód dość sukcesywnie i gwałtownie zaczął wycofywać się z obszaru Polski. Lód topniał w kontakcie z powietrzem atmosferycznym, ale również w kontakcie z podłożem skalnym, bo docierało do niego ciepło geotermiczne. Powstająca w wyniku topnienia woda miała trzy możliwości: jeśli podłoże było odpowiednio porowate – wsiąkała, jeśli możliwy był drenaż w kontakcie z podłożem – spływała w kierunku krawędzi lądolodu, a kiedy go nie było – gromadziła się, co prowadziło do rozwoju zbiorników podlodowcowych (subglacjalnych). W lądolodzie antarktycznym udokumentowano ponad sto takich zbiorników. Występują one również pod lądolodem grenlandzkim. Analogiczne warunki istniały też na Suwalszczyźnie, gdzie woda gromadziła się aż do osiągnięcia punktu krytycznego.

Dzieje się tak, kiedy ciśnienie wody osiągnie ok. 90% ciśnienia wywieranego przez nadległy lód. Wówczas warstwa lodu zostaje uniesiona, czemu może towarzyszyć gwałtowne uwolnienie wód z jeziora subglacjalnego. Następnie „lodowa poduszka” opada, zamyka się podlodowy zbiornik i ponownie napełnia do momentu, aż woda po raz kolejny wypłynie i cały proces się powtórzy.

Krajobraz po katastrofie 7

Główny obszar badań geografów z UMK

Zbiornik znajdujący się pod lądolodem może być zasilany również wodami spływającymi z jezior znajdujących się na powierzchni lodu. Jeśli przedostaną się one do podłoża, mogą żłobić je i wypływać na zewnątrz. W lądolodzie, kiedy klimat się ociepla, tworzy się złożony system hydrologiczny. Wody roztopowe gromadzone w jeziorach lodowcowych mogą być odprowadzane w sposób stały i systematyczny. Mogą jednak – jeśli ich odpływ jest zablokowany – uwolnić się nagle, w sposób katastrofalny, tak jak na Suwalszczyźnie.

– Prawdopodobnie takich powodzi było tu kilka – twierdzi prof. Wysota. – Wskazują na to szczególnie badania na sandrze, gdzie formy rzeźby terenu związane genetycznie z powodziami lodowcowymi nakładają się na siebie.

Wzmożony spływ wód roztopowych występował równocześnie w Europie, Azji i Ameryce Północnej. Pod koniec fazy pomorskiej ostatniego zlodowacenia nagle zewsząd do oceanu zaczęła dostawać się duża ilość słodkiej wody roztopowej. Spowodowało to zaburzenie cyrkulacji prądów morskich, kiedy wody roztopowe zasiliły północną część Atlantyku, odcięły dopływ słonych i ciepłych wód ze strefy równikowej, co spowodowało chwilowe, ale globalne ochłodzenie klimatu.

– To tzw. sprzężenie zwrotne – mówi prof. Wysota. – Gdybyśmy dzisiaj założyli, że w wyniku gwałtownego zjawiska rozpada się i topi lądolód grenlandzki, moglibyśmy mieć początek kolejnego zlodowacenia. Najpierw ocieplenie powoduje ochłodzenie, a potem ochłodzenie – ocieplenie. Ten fakt sprawia, że nasze badania nabierają kontekstu uniwersalnego. Wzbudzają zainteresowanie naukowców, którzy zajmują się procesami globalnymi związanymi ze schyłkiem ostatniego zlodowacenia i zmianami klimatu.

Podczas megapowodzi lodowcowych na terenie dzisiejszej Polski woda miała dwa główne szlaki przepływu: jeden przebiegał wzdłuż współczesnej doliny Czarnej Hańczy i nazywany jest doliną zachodnią, zaś drugi położony jest na północ od Suwałk i tworzy tzw. dolinę wschodnią. Każda z nich charakteryzowała się inną wielkością przepływu.

– W dolinie wschodniej mogło to być prawie 900 tys. m³/s – informuje prof. Weckwerth. – Wartość przepływu dla doliny zachodniej to ok. 700 tys. m³/s. Na południe od Suwałk obie te gigantyczne rzeki łączyły się, dając początek wielkiemu szlakowi przepływu wód o charakterze ogromnej równiny zalanej wodą roztopową pochodzącą z „buchnięć” spod lądolodu.

W obszarze tym, tzn. na południe od Suwałk, gdzie występują megadiuny (megariplemarki), zlokalizowana była „strefa zrzutu”, związana z depozycją osadu transportowanego przez wody powodzi lodowcowej, które w tym miejscu nie były już w stanie go dalej unosić, ponieważ zmniejszeniu uległa ich energia przepływu.

Krajobraz po katastrofie 8

Edyta Kalińska z Katedry Geomorfologii i Paleogeografii Czwartorzędu analizuje
w laboratorium ziarna piasku megapowodzi suwalskiej.

Naukowcy stosują różnorodne metody szacowania wielkości i głębokości przepływu odpowiedzialnego za powstanie megadiun. Okazało się, że wynosił on około 2 mln m³/s, co prawie idealnie pasuje do sumarycznej wielkości przepływów wyznaczonych wcześniej w odmienny sposób dla dolin wschodniej i zachodniej.

– Olbrzymie przepływy plasują megapowódź suwalską na piątym miejscu wśród wielkich powodzi, które zostały zidentyfikowane w historii Ziemi – twierdzi prof. Weckwerth.

Aby opublikować wyniki badań, geografowie z UMK muszą jeszcze określić wiek powstania form krajobrazu związanych z wielkimi powodziami lodowcowymi. Obiecująco zapowiadają się podjęte próby precyzyjnego modelowania za pomocą specjalnych programów komputerowych, umożliwiających przeprowadzenie symulacji, jak w czasie rozkładała się wielkość przepływów. Wiadomo, że nie miały one jednakowego poziomu, wielkości ani prędkości.

Naukowcy zaznaczają, że teraz ważne jest dla nich określenie głębokości litewskiego zbiornika subglacjalnego.

– Wszystko wskazuje na to, że na Litwie trzeba będzie poszukać dowodów geologicznych ukrytych w osadach budujących obszar potencjalnego dna zbiornika wód pod dawną pokrywą lodową – konkluduje prof. Weckwerth.

Badania prowadzone są w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki pt. „Dowody geomorfologiczne i implikacje paleogeograficzne katastrofalnych powodzi i szarży lodowcowych południowego sektora lądolodu skandynawskiego w późnym vistulianie (MEASSIS)”.

Prof. Weckwerth i jego zespół badawczy otrzymali główną nagrodę w konkursie Geologia2021 organizowanym przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska w kategorii „Dorobek, fundamentalne odkrycie” za „Megapowódź lodowcową na Suwalszczyźnie”.

Rozszerzona wersja artykułu wraz z multimediami jest dostępna na Portalu Informacyjnym UMK: www.portal.umk.pl

Fot. Andrzej Romański, UMK

Marcin Behrendt pracuje na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu

Wróć