Artykuł o analizie zmian zawartości stabilnych izotopów głównie węgla i tlenu w skałach osadowych okresu wielkiego wymierania dewońskiego

W historii naszej planety wielokrotnie dochodziło do masowych wymierań, w wyniku których w gwałtowny sposób zmieniała się liczebność organizmów. Jedno z nich wydarzyło się pod koniec dewonu, około 358 milionów lat temu. Zachodzących wówczas zmian nie przetrwało ponad 50% wszystkich gatunków organizmów morskich. Ślady tych zdarzeń widoczne są do dziś w osadach, które bada dr Agnieszka Pisarzowska z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego.

Ślady geochemiczne

Dr Agnieszka Pisarzowska specjalizuje się w analizach zmian zawartości stabilnych izotopów głównie węgla i tlenu w skałach osadowych. Środowiskiem kopalnym, które ją najbardziej interesuje, jest środkowy paleozoik. – Są to analizy geochemiczne. Wykonuję je po to, aby lepiej zrozumieć historię zdarzeń regionalnych i globalnych, jakie miały miejsce w historii geologicznej Ziemi – mówi badaczka.

Tymi zdarzeniami są kryzysy biotyczne, takie jak wielkie wymieranie dewońskie. Naukowcy próbują odpowiedzieć na pytanie, co doprowadziło do tej i podobnych katastrof w historii naszej planety. Przyczyn mogło być oczywiście wiele, a zachodzące procesy niejednokrotnie wpływały na siebie, co utrudnia znalezienie jednoznacznej odpowiedzi na nurtujące ekspertów pytanie.

Ślady tych procesów pozostają właśnie w osadach, w ich składzie mineralogicznym i geochemicznym.

– Współpracuję z wieloma specjalistami, aby obraz był możliwie jak najszerszy. Chcemy scharakteryzować pobrane próbki najdokładniej, ponieważ tylko dzięki temu interpretacja może być wiarygodna – mówi naukowczyni z Uniwersytetu Śląskiego.

– Rejestruję zmiany izotopowe w dwóch skalach. Po pierwsze, interesują mnie interwały zdarzeniowe, czyli wszelkie anomalie, które są efektem zachodzących globalnie procesów, mających istotny wpływ na organizmy. Po drugie, badam również próbki pochodzące z tak zwanych okresów spokojnych, choć i w tym przypadku można zaobserwować zmiany w cyklu węglowym. Wykorzystując swoje badania oraz dane pozyskane od kolegów i koleżanek reprezentujących inne działy geologii, staram się zrekonstruować warunki, jakie panowały w trakcie sedymentacji analizowanych osadów. Interesują mnie przede wszystkim osady, które powstawały w środowisku morskim, zarówno w morzu epikontynentalnym, takim jak dziś Bałtyk, albo w oceanie – dodaje.

Dr Agnieszka Pisarzowska bada ponadto wpływ diagenezy, czyli różnych czynników modyfikujących sygnał izotopowy, aby ocenić na tej podstawie, który zapis rzeczywiście odnosi się do interesujących ją procesów, a który jest efektem późniejszych zmian modyfikujących pierwotny ślad. To jest kluczowe dla dalszych interpretacji paleośrodowiska. Jej zainteresowania naukowe obejmują również określanie źródeł pochodzenia i kierunków transportu materiału powstałego w wyniku wietrzenia skał na lądzie oraz wyrzucanego w trakcie erupcji wulkanicznych.

Miliony lat, miliony kilometrów

Z perspektywy geochemiczki zarówno czas, jak i miejsce mają szczególne znaczenie. Większość zdarzeń opisywanych przez dr Agnieszkę Pisarzowską dotyczyło dewonu, czyli okresu od 417 do 358 mln lat temu.

– Moja historia analizowania stabilnych izotopów zaczęła się od zdarzenia punctata, do którego doszło na granicy dolnego i środkowego franu, około 380 mln lat temu. To był temat mojej rozprawy doktorskiej, którą przygotowywałam w ramach grantu kierowanego przez pana prof. Grzegorza Rackiego – mówi geolożka.

Jej zadaniem była analiza zapisu izotopów węgla i tlenu. Jak się okazało, to właśnie na granicy dolnego i środkowego franu zaobserwowane zostały największe perturbacje cyklu węglowego w dewonie. Co więcej, naukowcy stwierdzili, że mają do czynienia ze zmianami o charakterze globalnym.

W praktyce oznacza to, że w wielu miejscach na świecie można zaobserwować podobny sygnał izotopowy. Mógł to być skutek wzmożonej aktywności wulkanicznej albo impaktu, w następstwie których zaszły procesy pozostawiające ślad geochemiczny w najróżniejszych miejscach naszej planety.

– Słowo globalny ma szczególne znaczenie z perspektywy geochemika. Wiemy, że miliony lat temu układ oceanów i kontynentów znacznie różnił się od tego, który znamy z dzisiejszych map. W związku z tym staramy się znaleźć takie profile geologiczne, rdzenie czy odsłonięcia, gdzie będziemy mogli prześledzić zapis geochemiczny na różnych kontynentach istniejących w danym okresie geologicznym – wyjaśnia badaczka. – Jeśli uda nam się znaleźć profile do badań pochodzące z obszaru różnych paleokontynentów i w każdym z profili zaobserwujemy tego samego typu anomalie w rozkładzie izotopów w określonym przedziale czasu, wówczas możemy mówić o zdarzeniach globalnych, czyli takich, które miały konsekwencje w skali globalnej – dodaje. Dziś doskonałym przykładem takich zdarzeń globalnych są zmiany klimatu, które również miały miejsce w historii Ziemi i które możemy śledzić m.in. dzięki zmianom stosunków izotopów tlenu.

Można też opisywać zdarzenia regionalne, które występowały się na niewielkim obszarze. Jak tłumaczy geochemiczka, jeśli tylko w profilach dzisiejszych Gór Świętokrzyskich zauważone zostałyby zmiany stosunków izotopowych, np. w środkowym dewonie, wówczas mielibyśmy do czynienia z transformacjami, które zachodziły w obrębie jednego basenu lub tylko jego części.

Dzięki badaniom geochemicznym można również wskazać potencjalnych sprawców badanego zdarzenia. W przypadku analizy osadów naukowcy mogą sprawdzić, czy mają do czynienia z dopływem lekkiego izotopu, czy z wzbogaceniem w cięższy izotop. Następnie zastanawiają się, co mogło do tego stanu doprowadzić. Może to być skutek wietrzenia skał bogatych w materię organiczną, impaktu czy wulkanizmu, w wyniku którego uwalniają się ogromne ilości lekkiego izotopowo węgla 12C. Dalsze analizy geochemiczne pozwalają zawęzić to grono i wskazać z dużym prawdopodobieństwem kluczową przyczynę anomalii.

W przypadku wielkiego wymierania dewońskiego zespół prof. Grzegorza Rackiego, w pracach którego uczestniczyła dr Agnieszka Pisarzowska, wskazał wulkanizm jako główne, choć nie jedyne źródło katastrofy sprzed 358 mln lat.

Zawód dla podróżnika

– Z mojej perspektywy szczególnie interesujące są właśnie zdarzenia o zasięgu globalnym. Aby je badać, muszę niejednokrotnie pozyskiwać materiał z różnych stron świata. Kocham podróżować, dlatego jest to dla mnie wymarzony zawód – przyznaje badaczka.

Dr Agnieszka Pisarzowska odwiedziła wielokrotnie polski raj paleontologów i geochemików, czyli Góry Świętokrzyskie. Pobierała ponadto próbki m.in. w Reńskich Górach Łupkowych, Alpach Karnickich, Ardenach, Pirenejach, a także w Montanie i Oklahomie, gdzie znajdują się fantastyczne odsłonięcia osadów górnodewońskich.

– Interesuje nas możliwie najbardziej świeży, niezwietrzały materiał, który będzie się nadawał do badań geochemicznych. Nasza praca polega na tym, że warstwa po warstwie opisujemy dokładnie, co widzimy. Mierzymy miąższość warstw, określamy rodzaj skały i wszystkie cechy, które możemy dostrzec „gołym okiem”, oraz identyfikujemy organizmy, które mogły tam żyć. Następnie, w zależności od tego, jak długie jest interesujące nas odsłonięcie, z różną dokładnością pobieramy próbki – wyjaśnia badaczka.

Jeśli naukowcy mają przed sobą zapis na przykład zdarzenia, które miało miejsce na granicy dewon – karbon, wówczas pobierają próbki z tak zwanego tła, a więc z interwałów, które poprzedzały zdarzenie, i z tych, które po nim następowały, aby mieć materiał porównawczy i móc stwierdzić, czy pewne procesy nie rozpoczęły się już wcześniej. Ich głównym celem jest także pobranie odpowiedniej liczby próbek z odcinka obejmującego samo zdarzenie, nawet w dwucentymetrowych odstępach, aby móc je potem jak najdokładniej scharakteryzować.

– Na pewno dużym sukcesem jest dla mnie wspomniany już wcześniej opis zdarzenia punctata – najpierw analizowany jako zdarzenie regionalnie, następnie, dzięki fantastycznej intuicji pana prof. Grzegorza Rackiego – już jako zdarzenie globalne – mówi współautorka badań.

Dodaje również, że uczestniczyła w pracach zespołu, który opisał nowy wskaźnik geochemiczny, nazwany indeksem pirytu syngenetycznego. Badania te dotyczyły analizy geochemicznej pirytu. Otóż piryt może się tworzyć albo w słupie wody, albo w osadzie. Dzięki nowemu wskaźnikowi można dokładniej scharakteryzować warunki panujące w paleomorzach i jeszcze precyzyjniej identyfikować zdarzenia zachodzące setki milionów lat temu.

Artykuł został opublikowany w numerze 9 (299) „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” (czerwiec 2022).