Zastosowanie nowej metody badań umożliwiło prześledzenie przebiegu gwałtownego ocieplenia klimatu sprzed ok. 183 mln i lepsze rozpoznanie formacji skalnej, która się wówczas osadzała, a dziś jest kluczowa dla możliwości podziemnego składowania, na głębokości ponad 1000 m.
Około 183 mln lat temu, w pewnym szczególnym wieku okresu jurajskiego (wczesny toark), na Ziemi zapanowały ultracieplarniane warunki. Trwały one od około 300 do 500 tysięcy lat. Nie był to okres stabilny, gdyż temperatura i wilgotność ulegały w tym czasie znaczącym fluktuacjom. Wszystko wskazuje na to, że bezpośrednią przyczyną ogólnego wzrostu temperatury były epizody gwałtownego uwalniania metanu z den oceanicznych.
Jak wiadomo, metan jest bardzo silnym gazem cieplarnianym, 26 razy efektywniejszym od dwutlenku węgla. Metan w atmosferze szybko utlenia się i powstaje dwutlenek węgla, przez co warunki cieplarniane trwają nadal. Prawdopodobnym „mechanizmem spustowym” początkowych emisji metanu i dwutlenku węgla były procesy wulkaniczne zachodzące na terenach obecnej Afryki Południowej i południowej części Ameryki Południowej (wtedy kontynenty te były ze sobą połączone), w wielkiej prowincji wulkanicznej zwanej Karoo-Ferrar.
Wspomniane fluktuacje wydzielania metanu, połączone ze zmianami temperatury i wilgotności, były powiązane z jeszcze innym mechanizmem – zmianami parametrów orbity ziemskiej. Ostatnio wykazano, że nasilenia ekspulsji metanu następowały regularnie co około 30 000 lat. Ważne jest, w jaki sposób rozpoznaje się te fluktuacje.
Symulacja komputerowa wzrostu średniej temperatury powietrza na Ziemi we wczesnym toarku, w czasie zaburzenia cyklu węglowego i globalnego ocieplenia ok. 183 mln lat temu. Warto zwrócić uwagę na odmienną konfigurację lądów i oceanów oraz znacznie wyższe gradienty wzrostów temperatur na wysokich szerokościach geograficznych (na podstawie: Dera & Demathieu, 2013)
Fluktuacje emisji gazów cieplarnianych wiążą się ściśle ze zmianami stosunków izotopowych węgla w obiegu przyrodniczym. Chodzi o dwa stabilne izotopy 12C i 13C. Zwykle w materii organicznej jest znacznie więcej izotopu cięższego (13C ), ale metanogeneza (proces biogenicznego powstawania metanu ze szczątków organicznych) prowadzi do frakcjonowania izotopów, przez co biogeniczny metan jest wyjątkowo bogaty w izotop lekki (12C). Względny wzrost jego zawartości w skałach wskazuje więc na dodatkowe źródło węgla w obiegu (cyklu) węglowym. Do tej pory stosunki izotopowe węgla mierzono w utworach morskich, zarówno w węglanach (CaCO3), jak i w skamieniałościach - wapiennych szkieletach organizmów morskich.
Stosunki 12C / 13C badane w utworach morskich pozwalały na identyfikację i datowanie cyklicznych zaburzeń cyklu węglowego w dawnych morzach, ale niektórzy uczeni poddawali w wątpliwość, czy zmiany te miały charakter globalny, postulując jednocześnie, że wiązały się one raczej z lokalnymi procesami oceanograficznymi.
W celu rozwiązania tego dylematu podjęto badania próbek materii roślinnej pochodzącej z lądu (Hesselbo & Pieńkowski, 2011). Zastosowano nowatorską metodę manualnej separacji mikroskopijnych okruchów drewna z kerogenu (materii organicznej uzyskanej po rozpuszczeniu skał mułowcowych w kwasie fluorowodorowym). Uzyskano w ten sposób jednorodny genetycznie materiał, w którym zmierzono za pomocą spektrometru mas stosunki izotopowe 12C / 13C . Wykonano setki takich pomiarów, uzyskując dla poszczególnych profili wierceń wysokorozdzielcze krzywe zmienności stosunków izotopowych w czasie geologicznym (czyli w pionowym przekroju formacji geologicznej).
1 - Zdjęcie mikroskopowe kerogenu – tkanki pochodzenia roślinnego, z której ręcznie wybierano mikroskopijne okruchy drewna (ciemne) do badań izotopowych; 2 i 3 - zdjęcia mikroskopowe megaspor Minerisporites richardsoni Marc., wytwarzanych przez porybliny – skrajnie ciepło- i wilgociolubne widłakowate; 4 - rysunek współczesnego poryblina jeziornego z atlasu Sumpt – Brachfenkraut. Rozwój i rozmnażanie poryblinów było możliwe tylko w stojącej wodzie
Skład izotopowy węgla w badanej kopalnej tkance roślinnej odzwierciedla pośrednio ówczesną zawartość dwutlenku węgla w atmosferze, co pozwala również odtworzyć warunki paleoklimatyczne. Zmiany klimatu zachodziły w skali globalnej, równocześnie w ówczesnych oceanach i atmosferze.
Dane uzyskane dzięki badaniom izotopowym potwierdzają wyniki analiz spor i pyłków roślin – wraz ze zmianami izotopowymi wyraźnie zmieniał się też skład flory, wzrost udziału lekkiego izotopu węgla pociągał za sobą zmianę wegetacji na roślinność ciepło- i wilgociolubną. Zmiany zachodziły też w składzie minerałów ilastych, który odzwierciedla typ wietrzenia, także zależny od klimatu.
Porównanie z wcześniej uzyskanym obrazem cyklicznych zmian poziomu morza, udokumentowanym za pomocą wysokorozdzielczej stratygrafii sekwencyjnej (Pieńkowski, 2004), wykazało, że zmiany stosunków izotopowych i związane z nimi fluktuacje klimatyczne miały związek z wahaniami poziomu morza, co jest widoczne zwłaszcza w początkowych fazach zmian paleośrodowiskowo-klimatycznych. Było to związane z topnieniem czap lodowych wokół biegunów i raptownym podnoszeniem się poziomu morza (transgresją).
Wielki zalew morski na początku wieku toarckiego spowodował przekształcenie się przeważającej części obecnego terytorium Polski w rozległą zatokę (lagunę) morską, wypełnianą stopniowo drobnoziarnistymi utworami mułowcowymi. Szczególne nasilenia zmian klimatycznych, w tym zwłaszcza opadów, prowadziły też do intensyfikacji wietrzenia i erozji na otaczających lądach, a w ślad za tym epizodycznego pojawiania się sedymentacji piaszczystej. Były to jednak izolowane epizody, rozdzielone pakietami skał ilasto-mułowcowych. Wspomniane procesy pozwoliły na wykształcenie się w basenie polskim rozległej formacji ilastej o wyjątkowo charakterystycznym i jednolitym na wielkim obszarze wykształceniu. Ta formacja skalna jest nazwana formacją ciechocińską i odgrywać będzie sporą rolę, izolując niżej ległe utwory piaszczyste, które z kolei mogą stanowić dogodny ośrodek skalny do podziemnego magazynowania substancji użytecznych (np. gazu ziemnego) lub składowania dwutlenku węgla (metoda CCS). Formacja ciechocińska ma lokalnie znaczenie również jako źródło surowców ilastych dla przemysłu ceramicznego.
Fotomozaika trzech poziomów eksploatacyjnych kopalni iłów w Kozłowicach koło Kluczborka. Widoczne iłowce i mułowce formacji ciechocińskiej dolnego toarku. Na zdjęciu przedstawiono interpretację paleośrodowiskową - wyraźnie widać drobnoziarniste utwory lagunowe, wśród których występują piaszczyste wkładki pochodzenia deltowego (w zbliżeniu – dwie ramki). Po lewej krzywa izotopowa węgla, ilustrująca związek sedymentacji z zaburzeniami cyklu węglowego. Zaburzenia te korelują się nie tylko w skali Polski, ale także skali globalnej, odzwierciedlając zmiany składu ówczesnej atmosferyFotomozaika trzech poziomów eksploatacyjnych kopalni iłów w Kozłowicach koło Kluczborka. Widoczne iłowce i mułowce formacji ciechocińskiej dolnego toarku. Na zdjęciu przedstawiono interpretację paleośrodowiskową - wyraźnie widać drobnoziarniste utwory lagunowe, wśród których występują piaszczyste wkładki pochodzenia deltowego (w zbliżeniu – dwie ramki). Po lewej krzywa izotopowa węgla, ilustrująca związek sedymentacji z zaburzeniami cyklu węglowego. Zaburzenia te korelują się nie tylko w skali Polski, ale także skali globalnej, odzwierciedlając zmiany składu ówczesnej atmosfery
Jednak dopiero dane izotopowe pozwoliły na precyzyjne datowanie i korelowanie tej formacji na dużych obszarach. Dzięki analizie krzywych izotopowych i ich porównaniu do wcześniej uzyskanych, dobrze datowanych biostratygraficznie krzywych izotopowych z warstw pochodzenia morskiego (Yorkshire w Anglii i inne profile) udało się udowodnić, że utwory formacji ciechocińskiej na terenie Polski są idealnie równowiekowe. To pozwala na bezpieczne przewidywanie ich występowania i właściwości i dlatego ma duże znaczenie dla planowania przyszłych magazynów czy sekwestracji dwutlenku węgla.
Korelacja stosunków izotopowych węgla 12C i 13C w Polsce i na Bornholmie oraz związane z nimi zmiany klimatyczne w jurajskiej atmosferze. Przekrój zaznaczony jest na mapie, przebiega przez badane otwory wiertnicze. Uzyskana korelacja zaburzeń izotopowych zachodzących synchronicznie w skali globalnej (taktowanych cyklami kołowości orbity Ziemi) pozwala na identyfikację wiekową głównych formacji układu sekwestracyjnego (lub magazynowego) w Polsce w utworach jury dolnej. Wypełnienie poszczególnych słupków profili wiertniczych oddają barwy skał drobnoziarnistych stanowiących jednocześnie uszczelnienie przyszłego systemu sekwestracyjnego - formację uszczelniającą wieku wczesnotoarckiego (Ciechocinek Fm.; formacja ciechocińska), powstałą w okresie panowania klimatu cieplarnianego i wysokiego poziomu morza. Na podstawie: Hesselbo & Pieńkowski, 2011; Pieńkowski, 2004
Wyniki badań przyczyniły się do osiągnięcia sukcesu naukowego. Za sprawą wysokorozdzielczej korelacji stratygraficznej formacji ciechocińskiej, wykonanej na podstawie stosunków izotopowych węgla, wniesiono istotny wkład w wiedzę o zmianach klimatycznych i środowiskowych w głębokiej przeszłości geologicznej. Rezultaty opublikowano na łamach „Earth and Planetary Science Letters”, prestiżowego czasopisma o jednym z najwyższych współczynników wpływu w dziedzinie nauk o Ziemi (HESSELBO S.P. & PIEŃKOWSKI G. 2011 - Stepwise atmospheric carbon-isotope excursion during the Toarcian Oceanic Anoxic Event (Early Jurassic, Polish Basin). Earth and Planetary Science Letters, 301: 365-372.). Uzyskane wyniki są wykorzystywane do predykcji zasięgu występowania węglowodorów niekonwencjonalnych w utworach dolnojurajskich w Europie (np. Verreussel i in., 2013), a także modelowań zmian klimatycznych w jurze (np. Dera & Donnadieu, 2012), służących z kolei przewidywaniom podobnych zdarzeń w przypadku gwałtownego narastania efektu cieplarnianego w przyszłości. Praca uzyskała w krótkim czasie znaczną liczbę cytowań w wysoko impaktowych czasopismach (19 – wg Web of Science; 26 – wg Scopus).
Efekty pracy mają też znacznie praktyczne – wykazano integralność ważnej formacji uszczelniającej ewentualnego systemu sekwestracyjnego CO2 na terenie Polski (technologia CCS), co zostało nagrodzone wyróżnieniem „Innowacja roku 2013”.
Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy, jako lider konsorcjum, realizował szereg zadań w trwającym 4 lata (2008-2012) krajowym programie Rozpoznanie formacji i struktur do bezpiecznego geologicznego składowania CO2 wraz z ich programem monitorowania, zamówionym przez Ministerstwo Środowiska i finansowanym przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Paradoksalnie można powiedzieć, że jeden z kliku najbardziej gwałtownych efektów cieplarnianych w historii naszej planety przyczynił się do powstania formacji skalnej, dziś kluczowej dla możliwości bezpiecznego składowania dwutlenku węgla pod ziemią, na głębokości ponad 1000 m.
Schemat sekwestracji dwutlenku węgla – kółkiem zaznaczono najbardziej realistyczną opcję dla Polski, związaną z uszczelnieniem struktur przez formację ciechocińskąSchemat sekwestracji dwutlenku węgla – kółkiem zaznaczono najbardziej realistyczną opcję dla Polski, związaną z uszczelnieniem struktur przez formację ciechocińską
Składowanie CO2 ma na celu zapobieżenie szybkiemu rozwojowi efektu cieplarnianego, potęgowanemu obecną działalnością człowieka. Wskazanie, że metoda CCS (Carbon Capture and Storage - wychwytu i podziemnego składowania CO2) powinna być bezpieczna od strony geologicznej jest ważne, choć oczywiście metoda ta pozostaje wciąż droga ze względu na obecny koszt wychwytu.
Prof. dr hab. Grzegorz Pieńkowski
Państwowy Instytut Geologiczny
Literatura
DERA G. & DONNADIEU Y. 2012 - Modeling evidences for global warming, Arctic seawater freshening, and sluggish oceanic circulation during the Early Toarcian anoxic event. Paleoceanography, 27: PA2211, doi:10.1029/2012PA002283.
HESSELBO S.P. & PIEŃKOWSKI G. 2011 - Stepwise atmospheric carbon-isotope excursion during the Toarcian Oceanic Anoxic Event (Early Jurassic, Polish Basin). Earth and Planetary Science Letters, 301: 365-372.
PIEŃKOWSKI G. 2004 - The epicontinental Lower Jurassic of Poland. Polish Geological Institute Special Papers, 12, 152 pp. + CD.
VERREUSSEL R., ZIJP M., NELSKAMP S., WASCH L., DE BRUIN G., TER HEEGE J. & TEN VEEN J. 2013 - Pay-zone identification workflow for shale gas in the Posidonia Shale Formation, the Netherlands. First Break, 31 (2): 63-69.
