Echa z Karpat

Geologia

Badania Karpat za pomocą fal sejsmicznych umożliwiają odkrywanie tajemnic ukrytych głęboko pod ziemią.

Karpaty rozciągają się na obszarze Europy Środkowej i Wschodniej. Wyróżniają się w krajobrazie i odgrywają kluczową rolę w historii kulturowej regionu i zachowaniu jego bioróżnorodności. Łańcuch górski ma ponad 1500 km długości i ciągnie się przez terytoria ośmiu krajów: Austrii, Czech, Słowacji, Polski, Węgier, Ukrainy, Rumunii i Serbii. Karpaty są przedłużeniem alpejskiego pasma górskiego, a ich geologia jest złożona, odzwierciedlając długą historię sedymentacji, aktywności tektonicznej i erozji. Choć góry są badane od ponad 150 lat, a ich geologia powierzchniowa jest dobrze poznana, to ich głęboka struktura pozostaje przedmiotem różnych hipotez. Tylko badania geofizyczne mogą wspierać geologię powierzchniową w odkrywaniu tego, co kryje się pod powierzchnią tego malowniczego łańcucha. Karpaty są częścią większego alpejsko-himalajskiego pasma górskiego, które powstało w wyniku kolizji płyt tektonicznych – afrykańskiej i eurazjatyckiej. Formowanie się Karpat rozpoczęło się w erze mezozoicznej, w kredzie (około 145-66 mln lat temu), i postępowało w erze kenozoicznej, w paleogenie (około 66-23 mln lat temu) i neogenie (23‒2,5 mln lat temu). Powstanie Karpat jest ściśle związane z zamknięciem dawnego Oceanu Tetydy i późniejszą kolizją kontynentu europejskiego z małymi fragmentami kontynentalnymi oraz łańcuchami wysp wulkanicznych będącymi wczesnymi zwiastunami zbliżającej się płyty afrykańskiej. Łańcuch górski Karpat można podzielić na trzy główne segmenty: Karpaty Zachodnie, Karpaty Wschodnie i Karpaty Południowe. Każdy z nich ma odrębne cechy geologiczne i historię. Karpaty Zachodnie obejmują góry w Czechach, na Słowacji i w Polsce. Charakteryzują się złożoną budową pasma fałdowego składającego się z licznych płaszczowin, które są dużymi pakietami skał ponasuwanych na siebie w wyniku działania sił tektonicznych. W skład Karpat Zachodnich wchodzą mezozoiczne skały osadowe, w tym wapienie i dolomity, które są pozostałościami dawnych płytkich mórz. Tatry, należące do Karpat Zachodnich, są zbudowane w większości z granitów, które zostały odsłonięte dzięki wypiętrzeniu się masywu i równoczesnej erozji. Współczesny krajobraz Karpat jest urozmaicony i odzwierciedla zarówno rodzaj podłoża skalnego i jego strukturę, jak i efekty aktywności tektonicznej, zlodowaceń i erozji. Najwyższe szczyty Karpat znajdują się w Tatrach, gdzie Gerlach na Słowacji osiąga wysokość 2655 m n.p.m. Rzeźba Tatr charakteryzuje się urwistymi szczytami, głęboko wciętymi dolinami i zjawiskami krasowymi.

Ewolucja tektoniczna

Karpaty znajdują się w strefie kolizji płyty eurazjatyckiej i kilku mniejszych jednostek tektonicznych, w tym płyty adriatyckiej i mikropłyty ALCAPA (Alpy- Karpaty-Kotlina Panońska). Ewolucja tektoniczna i geologiczna Karpat jest ściśle związana z Alpami, które powstały w wyniku kolizji płyt afrykańskiej i eurazjatyckiej oraz subdukcji Oceanu Tetydy. Karpaty zaczęły się formować w późnej jurze (około 150 mln lat temu), podczas zamykania się Oceanu Tetydy. Subdukcja skorupy oceanicznej doprowadziła do akrecji skał osadowych, które później zostały włączone w masywy karpackie. W późnej kredzie (około 100-66 mln lat temu) region doświadczył działania znaczących sił kompresyjnych, prowadzących do rozwoju sieci uskoków i nasuwania się płaszczowin. Procesy te były szczególnie intensywne w Karpatach Zachodnich, gdzie kolizja płyty europejskiej z mikropłytą ALCAPA o proweniencji afrykańskiej doprowadziła do znaczącego skrócenia i pogrubienia skorupy ziemskiej. Do najważniejszego etapu ewolucji tektonicznej Karpat doszło w paleogenie i wczesnym neogenie (około 66-15 mln lat temu). Wtedy europejskie obrzeżenie Oceanu Tetydy zderzyło się z małymi fragmentami kontynentalnymi i łukami wysp związanymi z płytą afrykańską. Ta kolizja doprowadziła do powstania pasma górskiego, które zostało nasunięte na brzeg płyty europejskiej. W tym okresie łuk Karpat zaczął się formować jako wyraźna, regionalna struktura geologiczna. Reżim tektoniczny Karpat ponownie uległ zmianie w środkowym i późnym miocenie (około 15-5 mln lat temu), gdy subdukująca pod Karpaty płyta europejska zaczęła się cofać. Cofanie się płyty (ang. slab rollback) to proces, w którym zanurzająca się płyta tektoniczna cofa się pod własnym ciężarem, powodując ekstensję nadległej, górnej płyty. W przypadku Karpat ekstensja doprowadziła to do powstania Kotliny Panońskiej na terenie dzisiejszych Węgier, obszaru o zredukowanej grubości skorupy ziemskiej i grubej pokrywie skał osadowych. Rozciąganie górnej płyty doprowadziło również do aktywności wulkanicznej w wewnętrznych częściach Karpat. Te zjawiska są kluczowym aspektem ewolucji tektonicznej regionu, ponieważ ukazują dynamiczną interakcję między siłami kompresyjnymi a ekstensyjnymi.

Karpaty Zachodnie mają złożoną budowę geologiczną i obejmują kilka odrębnych jednostek tektonicznych. Na północy znajdują się Zachodnie Karpaty Zewnętrzne, które są zbudowane ze skał osadowych kredy i paleogenu. Dalej na południe leżą Karpaty Centralne i Karpaty Wewnętrzne, w których skład wchodzą m.in. fragmenty starszego podłoża uformowanego jeszcze w trakcie orogenezy waryscyjskiej (około 370-290 mln lat temu). Dwie znaczące struktury, tzw. szwy tektoniczne, strefa Meliata i Pieniński Pas Skałkowy (PPS), oddzielają odpowiednio Karpaty Zewnętrzne od Centralnych i Centralne od Wewnętrznych. PPS, który powstał po zamknięciu Oceanu Alpejskiej Tetydy, składa się ze skał osadowych i w przeciwieństwie do typowych struktur tego typu (szwów tektonicznych) nie wykazuje niektórych charakterystycznych cech geologicznych. Za miejsce powstania serii osadowych tworzących PPS uznaje się hipotetyczne wyniesienie dna oceanicznego zwane grzbietem czorsztyńskim. Obecnie pozostałości grzbietu czorsztyńskiego powinny być głęboko pogrążone pod Karpatami Centralnymi. W przeszłości grzbiet czorsztyński miał dzielić Ocean Alpejskiej Tetydy na dwa mniejsze baseny: północny – Magurę, i południowy – Vahic.

Badania eksperymentalne

Żeby poznać wewnętrzną strukturę PPS oraz możliwe pozostałości grzbietu czorsztyńskiego, przeprowadzono badania za pomocą pasywnych metod sejsmicznych. W przeciwieństwie do metod aktywnych, w których sztuczne źródła (np. wybuchy, wibracje) generują fale sejsmiczne, eksperymenty pasywne polegają na wykrywaniu naturalnych fal sejsmicznych generowanych przez trzęsienia ziemi z całego świata. Pierwszym krokiem eksperymentu było rozstawienie stacji sejsmicznych wzdłuż profilu od Krakowa po Miszkolc na Węgrzech. Łącznie uruchomiono 18 stacji sejsmicznych, z czego 12 dostarczył GFZ Poczdam, a sześć Uniwersytet Friedricha Schillera w Jenie w Niemczech. Stacje te zostały rozmieszczone podczas prac terenowych w maju 2023 roku. Ich lokalizacja została starannie dobrana, by zminimalizować szumy wywołane przez człowieka i zapewnić niezawodność zbierania danych – zostały umieszczone w spokojnych obszarach, często w nieużywanych budynkach zapewniających jednocześnie dostęp do energii elektrycznej i zasięg sieci komórkowej. Stacje sejsmiczne nieustannie monitorują wszelkie drgania gruntu, w tym trzęsienia ziemi. Rejestrowane dane są przechowywane na dyskach SSD lub kartach SD, a także przesyłane na serwer online znajdujący się w Jenie. Zebrane dane są wykorzystywane do tworzenia tzw. funkcji odbiorczych (ang. receiver functions), które są matematycznymi przekształceniami zarejestrowanych fal sejsmicznych. Funkcje te wizualizują struktury geologiczne pod powierzchnią, analizując, w jaki sposób napływające fale sejsmiczne oddziałują z różnymi warstwami skalnymi powodującymi ich odbicia, załamania i konwersje.

Budowanie modelu podpowierzchniowego

Na podstawie danych zebranych w ciągu ostatniego roku przetworzone funkcje odbiorcze zostały wykorzystane do wygenerowania wgłębnych obrazów strukturalnych za pomocą metody tzw. wspólnego punktu konwersji (ang. common conversion point). Obrazy te tworzy się przez zsumowanie wszystkich informacji strukturalnych z funkcji odbiorczych dla wszystkich zarejestrowanych trzęsień ziemi w każdej ze stacji, konstruując wspólny model. Ta metoda oferuje szczegółowy obraz budowy wgłębnej, ponieważ ukazuje zmienności w prędkościach fal sejsmicznych, które odpowiadają różnym warstwom geologicznym. Otrzymane wyniki są konfrontowane z istniejącą literaturą geofizyczną i geologiczną, by zbudować spójny model regionalny. Obrazowanie sejsmiczne pozwoliło rozpoznać wiele interesujących cech budowy wgłębnej Karpat Zachodnich:

1. Granica między skorupą ziemską a płaszczem została zidentyfikowana na głębokości około 30 km na większości obszaru badań. Jednak zauważono znaczące pogrubienie skorupy o 10 km w odległości około 100 km na południe od Krakowa, po czym powraca ona do swojej typowej grubości na obszarze Słowacji i Węgier. Widać również nieciągłość w płaszczu nachyloną na południe pod Karpatami Centralnymi.
2. W podłożu płaszczowin Karpat Zewnętrznych rozpoznano kilka głębokich nieciągłości sejsmicznych nachylonych na południe. Struktury te są widoczne na odcinku między nasunięciem frontu Karpat a PPS.
3. Serie skalne tworzące PPS są prawie pionowe bezpośrednio poniżej powierzchni terenu, ale głębiej ich nachylenie maleje i PPS zanurza się na południe, pod Tatry i Karpaty Centralne.

Chociaż nasze wyniki są wstępne i eksperyment będzie kontynuowany przez kolejne dwa lata, jego dotychczasowe odkrycia można podsumować następująco.

Po pierwsze, zaburzenie granicy między skorupą a płaszczem ziemskim na odcinku od 100 do 140 km na południe od Krakowa reprezentuje szew tektoniczny między płytą europejską na północy a mikropłytą ALCAPA na południu. Płytę europejską pogrążającą się stopniowo na południe w płaszczu można obserwować pod Karpatami Centralnymi. Po drugie, deformacja związana z nasunięciem Zachodnich Karpat Zewnętrznych nie jest ograniczona jedynie do jednostek osadowych, jak wcześniej sądzono. W podłożu pod płaszczowinami osadowymi Karpat Zewnętrznych istnieją struktury, przypuszczalnie nasunięcia, penetrujące głębokie podłoże płyty europejskiej. Podobna sytuacja została opisana w podłożu basenu wiedeńskiego w rejonie styku Karpat i Alp. Po trzecie, PPS jest niemal pionowy jedynie do głębokości około 15 km. Poniżej jego nachylenie maleje i PPS może łączyć się na południu z nasunięciem w podłożu Karpat Centralnych. Na koniec, środkowa i dolna skorupa bloku ALCAPA jest na północy wklinowana między górną i dolną skorupę płyty europejskiej. Nie zaobserwowano pozostałości grzbietu czorsztyńskiego na styku między obiema płytami. Przeprowadzone badania dają nowe spojrzenie na złożoną geologię Karpat Zachodnich, kwestionując wcześniejsze teorie i zapewniając bardziej szczegółowe zrozumienie tektonicznej historii regionu. W miarę jak eksperyment sejsmiczny będzie kontynuowany w kolejnych latach, dalsze dane pomogą doprecyzować model tektoniczny i poznać więcej informacji na temat głębokich struktur, które ukształtowały ten fascynujący fragment Europy.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk
• popularyzacja