Dagmara Bożek: To może pytanie na rozgrzewkę – ile lat ma Ziemia?

Prof. dr hab. inż. Monika A. Kusiak: W tym przypadku mówimy o liczbach, które są poza naszym wyobrażeniem, ale wbrew pozorom wiek Ziemi łatwo zapamiętać: cztery – pięć – sześć – siedem … czyli 4 567 milionów lat, a inaczej – cztery i pół miliarda lat.

D.B.: Świetna mnemotechnika! A skoro o wieku mowa – ile lat mają skały? W jaki sposób się to wyznacza?

SŁUCHAJ TEŻ NA SPOTIFY >>>

M.A.K.: Naukowo zajmuję się czasem, który dotyczy początków Ziemi, kiedy była planetą młodą, nieskonsolidowaną i gorącą. Tak naprawdę nie wiemy dokładnie, kiedy powstała skorupa ziemska i kiedy rozpoczął się proces tektoniki płyt. Właściwie pierwsze pięćset milionów lat tej historii nie jest nam dobrze znane. Najstarsze skały na Ziemi pochodzą z kompleksu Acasta w północnej Kanadzie i mają cztery miliardy trzydzieści milionów lat. Właściwie to one wyznaczają nam chronologiczną granicę w historii Ziemi pomiędzy hadeikiem i archaikiem. To te pierwsze pięćset milionów lat, z których nie mamy żadnego zapisu skalnego. Co zatem mamy? Minerały takie jak cyrkon. Nie są to cyrkonie z damskich pierścionków, bo one są najczęściej tlenkami cyrkonu, ale krzemiany cyrkonu. Wzór chemiczny to ZrSiO₄ – jest to minerał, który zawiera w sobie pewne wartości toru, uranu i ołowiu. Z rozpadu radiogenicznego izotopów uranu i toru możemy obliczyć wiek skały, wiedząc, ile nam pozostało ołowiu. Tak się składa, że cyrkony są najstarszymi minerałami na Ziemi. Mamy ich pojedyncze ziarna w skałach zachodniej Australii, które mają cztery miliardy czterysta sześćdziesiąt milionów lat, czyli prawie tyle, ile ma Ziemia. Mieliśmy cztery – pięć – sześć – siedem, te mają cztery – cztery – sześć – zero. Są troszeczkę młodsze. Oczywiście, nie jest ich dużo. Do tej pory w zachodniej części Australii znaleziono mniej niż sto ziaren cyrkonów w kratonie Yilgarn o wieku powyżej czterech miliardów dwustu milionów lat. Mimo że są dokładnie przebadane, to naukowcy cały czas je analizują i ich poszukują. Posiadamy wiedzę o Ziemi właśnie na podstawie zapisu geochemicznego tych pojedynczych ziaren.

D.B.: Warto dla naszych Słuchaczy uzupełnić, że oprócz tego, że jesteś geologiem, głównie pracujesz w rejonach polarnych. To tam poszukujesz m.in. cyrkonów, o których rozmawiamy. I to nie są badania prowadzone na Spitsbergenie, gdzie pracuje sporo polskich naukowców, a Polska jako kraj ma tam kilka stacji badawczych.

M.A.K.: Obszary polarne to nie tylko Spitsbergen. (śmiech) W moim przypadku to również Grenlandia, Labrador, a także Antarktyda. Tak się składa, że najstarsze fragmenty skał, o których wiemy i które mam przyjemność badać, pochodzą z tych trzech wspomnianych przeze mnie regionów – kompleksu Napier na Ziemi Enderby na Wschodniej Antarktydzie, północno-wschodniej części półwyspu Labrador w Kanadzie, a także zachodnio-południowej części Grenlandii. Te trzy obszary próbujemy korelować, badając nie tylko skały, ale także cyrkony. Tak naprawdę cyrkon to moja druga miłość. (śmiech) Tą pierwszą były monacyty – minerały, fosforany ziem rzadkich – których wiek można również określić na podstawie rozpadu radiogenicznego uranu i toru do ołowiu. To cyrkony są minerałami na tyle odpornymi na wietrzenia fizyczne i chemiczne, na wszelkie warunki metamorfizmu, czyli zmian temperatur i ciśnień podczas wielu miliardów lat, że to dzięki nim możemy określać wiek najstarszych skał i wnioskować na temat prawdopodobnych procesów, które przechodziły. Nasz materiał dowodowy, „okienko na świat” młodej Ziemi, jest na tyle niewielkie, że różne pomysły naukowców nie zawsze się ze sobą zgadzają. Ale dzięki temu mamy pole do popisu i dalszych badań.

D.B.: Wrócimy teraz z dalekich rejonów polarnych w bliższe nam strony, pod Warszawę. W Belsku znajduje się Centralne Obserwatorium Geofizyczne IGF PAN, w którym dość często przebywasz.

M.A.K.: Jestem geochemikiem i dobrze mi się pracuje w Instytucie Geofizyki, bo jest to dowód na to, że badamy Ziemię kompleksowo. W nauce nie należy wybiórczo zajmować się danym tematem. Geochemia i geofizyka są spójne w poznawaniu naszego abiotycznego świata. Tak się składa, że w Centralnym Obserwatorium Geofizycznym w Belsku udało mi się stworzyć wraz z grupą koleżanek i kolegów laboratorium o wdzięcznej nazwie GeoBeLa – Geoprocessing Belsk Laboratory. Jest to laboratorium, w którym przeprocesowujemy skały. Mamy XXI wiek, loty w kosmos, a my cały czas biegamy z młotkiem geologicznym w terenie i „tłuczemy” skały. Wiem, że to w pełni nie oddaje całokształtu naszej pracy, więc proszę sobie wyobrazić, że do rozbicia archaicznych gnejsów potrzebny jest wielki młot, który z ledwością dźwigam, bo waży około sześciu kilogramów. Nie to, żebym nie udźwignęła takiej wagi (śmiech), ale w terenie z takim młotem, którego ramię ma ponad metr, nie jest wcale tak łatwo. Podobnie jak z wybiciem fragmentu takiej skały. Próby pobieramy w ilości co najmniej jednego kilograma na jeden rodzaj skały. Biorąc pod uwagę warunki i koszty każdej ekspedycji, rzadko się zdarza, że przywozimy mniej niż dwieście kilogramów materiału z każdej wyprawy. Skały przywozimy do Belska, gdzie są fantastyczne warunki do pracy. Okolica jest cicha i spokojna, pełna lasów i sadów, więc warunki są sprzyjające do pracy. Laboratorium jest doskonale wyposażone w sprzęt do obróbki skał.

D.B.: Jak wygląda Wasza praca?

M.A.K.: Najpierw kruszymy przywieziony materiał. Część z niego zostawiamy, jest to tzw. świadek. Nawet jeśli cały materiał nam się zniszczy, zawsze możemy zajrzeć do tej próbki makroskopowej. Jest trzymana w osobnym kontenerze pod kluczem. Następnie wykonujemy analizę geochemiczną pokruszonej skały. Chcemy wiedzieć, ile ma lat i jaki ma charakter. Dzięki wiekowemu dopasowaniu fragmentów skał możemy ustalić, czy te fragmenty były również do siebie dopasowane geochemicznie. Czy fragmenty wschodniej Antarktydy i zachodniego Labradoru, które tworzyły kraton północnoatlantycki, korelowały się ze sobą, czy tylko przez przypadek są w tym samym wieku, a zupełnie nie są ze sobą spójne geochemicznie. Co dalej? Mając tę próbkę, próbujemy wyseparować minerały akcesoryczne. Termin „akcesoryczny” oznacza, że jest ich mniej niż jeden procent w całej skale. To jest bardzo mało; wskazuje, że jakość, nie ilość jest ważna. Takie minerały nazywa się również ciężkimi, dlatego że ich ciężar właściwy jest zwykle wyższy w porównaniu do ciężaru właściwego bromoformu – 2,83 g/m³. Można je również separować w cieczach ciężkich, których staramy się unikać, gdyż są szkodliwe. Zwykle robimy tzw. szlich, który jest metodą bardzo podobną do płukania złota. Kiedy moje dzieci były małe, to bardzo mi zazdrościły, że tyle bawię się w piasku. Obiecały nawet, że będą mi pomagać, no ale to się nie spełniło. (śmiech) Pracujemy z doktorantami, studentami, separujemy cyrkony, monacyty, inne materiały ciężkie, którymi się zajmujemy. Czasem są to apatyty, tytanity. Ostatnim etapem przygotowawczym, który wykonujemy, jest ułożenie pojedynczych ziaren pod mikroskopem w rządkach na preparacie. Jest to terapeutyczna metoda. Trwa godzinami i jest bardzo uspokajająca. Tak więc gdyby ktoś chciał nas wesprzeć w wybieraniu cyrkonów, to serdecznie zapraszam do Belska. (śmiech) Układamy cyrkony w równe rządki z tego powodu, że ułatwia to dokumentację i selekcję ziaren. Kiedy preparat jest gotowy, możemy zająć się jego analizą. Pierwszym etapem jest analiza pod mikroskopem optycznym, kiedy ziarna oglądamy i je dokumentujemy. Fragment płytki wyciętej z takiej skały również analizujemy pod kątem petrograficznym. Ostatnim etapem jest analiza w spektometrze mas, kiedy jesteśmy w stanie poznać, jakie zawartości izotopów uranu 235, 238; toru 232 oraz ołowiu 206, 207, 208 – efektu tego rozpadu – powstały. Wtedy z tych różnych, skomplikowanych wzorów możemy wyliczyć wiek naszego minerału, cyrkonu.

D.B. Tak ciekawie opowiadasz o Waszych badaniach, że chętnie bym Wam pomogła w kruszeniu skał. (śmiech) Z jaką częstotliwością udaje się Wam trafić na cyrkon podczas Waszych poszukiwań?

M.A.K.: Zacznę od pierwszej części Twojej wypowiedzi i powtórzę – zapraszamy do Belska! (śmiech) A co się tyczy cyrkonów – mniej więcej wiemy, w jakich skałach możemy go się spodziewać. Bardzo trudno jest go znaleźć w skałach maficznych lub w skałach, które w swoim składzie chemicznym nie zawierają pierwiastka cyrkonu. Szybka analiza XRF w terenie pomaga zorientować się, czy gdzieś można spodziewać się cyrkonu. Natomiast jeśli go nie ma, a potrzebujemy określić wiek skały, badamy albo tlenek cyrkonu, albo tytanit. Mamy więc zamiennik – celowo nie używam słowa substytut, żeby nie tworzyć wrażenia, że dzielimy minerały na lepsze i gorsze. Cyrkony są najbardziej trwałymi minerałami, dlatego tak chętnie je badamy. Lubię mówić, że to nie diamenty są „forever”, tylko cyrkony, bo one są w stanie przetrwać różne procesy wewnątrz Ziemi. Zdarza się, że mamy skałę, w której te minerały powinny występować, a mimo to ich nie znajdujemy. Dlatego nie jesteśmy w stanie w stu procentach wskazać, gdzie występują. Mają jasnoróżową, delikatną barwę, ale mogą też występować w przezroczystej formie lub w kolorze brunatnym. Stare, archaiczne cyrkony będą trochę ciemniejsze. Czasami podczas płukania rozkruszonej skały, kiedy szukamy naszego „złota”, czyli cyrkonów, jesteśmy w stanie zobaczyć je gołym okiem. Zawsze mamy też pod ręką lupę binokularną.

D.B.: W Twoich wypowiedziach pojawiło się sporo nazw pierwiastków, ale chyba jeszcze nie uhonorowaliśmy odpowiednio ołowiu, którego dotyczy Twój najnowszy projekt z Narodowego Centrum Nauki. Nosi tytuł: „Dostrzegając niewidoczne. Sztuka przetrwania ołowiu w minerałach”.

M.A.K.: Angielski tytuł projektu to „Invisible daughters. Survival of lead in minerals”. Skąd „daughters”? Po angielsku rozpad radiogeniczny uranu i toru do ołowiu to układ „parent”, czyli rozpadający się pierwiastek, i „daughter”, czyli efekt tego rozpadu. Znajomi się śmieją, że w świecie nauki stałam się znana z tego, że „lecę sobie w kulki” lub zajmuję się „ołowianymi kulkami”. (śmiech) Tymczasem są to maleńkie kuleczki o maksymalnej średnicy dwudziestu nanometrów. Wspomniałam już o określaniu wieku metodą uran-ołów i tym, że znając stałą rozpadu radiogenicznego, możemy ze wzoru wyliczyć wiek danego minerału. Ale tak się składa, że czasami ten wiek nie jest taki, jak tego oczekujemy. Znając zależności skał, wiedząc, skąd pochodzą, możemy pewnych rzeczy się spodziewać. Tak się złożyło, że niektóre skały na Antarktydzie były starsze, niż to by wynikało z tego, ile powinny mieć milionów lat. Było to również widać graficznie na wykresie. Jest to problem, z którym zmierzyli się naukowcy australijscy w 1984 roku. Uważali, że być może zachodzi proces jakiegoś przypływu ołowiu do minerału. Ten pomysł nie spotkał się z akceptacją środowiska naukowego i został odsunięty na bok. Tak się złożyło, że miałam przyjemność pracować dokładnie na tych samych skałach otrzymanych z Geoscience Australia z archiwów dawnych wypraw antarktycznych z lat 60. i 70. Miałam te same próbki i spotkałam się z tym samym problemem. Wyniki badań dotyczące wieku tych minerałów, a tym samym ekstrapolacji tego wieku na wiek skały były większe niż to, czego się spodziewaliśmy. Oczywiście graficznie nam się to nie zgadzało. Badania wykonywałam już ponad trzydzieści lat po tym, gdy pracowali nad tym tematem australijscy naukowcy, więc miałam dostęp do bardziej nowoczesnych metod. Przy zastosowaniu obrazu jonowego różnych izotopów uranu 235, 238, ołowiu 204, 206 byliśmy w stanie rozrysować coś w rodzaju map mikroobszaru tego cyrkonu. Ma on sto – sto pięćdziesiąt mikrometrów. Robiąc takie mapy mikroobszaru cyrkonu, zorientowaliśmy się, że ołów nie zachowuje się homogenicznie. Tworzy pewne punkty świetlne, klastery, świadczące o tym, że miejscami jest go więcej niż gdzie indziej. Miałam okazję pracować na transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) w Poczdamie, gdzie w tej nanoskali dało się określić, że jest to czysty ołów, tworzący nanokulki, nanosfery wielkości maksymalnie do dwudziestu nanometrów w cyrkonie. Było to odkrycie rewolucyjne, jeśli można mówić o rewolucji w mineralogii i w geochronologii, i pozwoliło nam zorientować się, co się stanie, kiedy taka wiązka jonowa podczas analizy izotopowej padnie na tę kulkę. Nie jest ona widoczna w mikroskopie elektronowym, ponieważ potrzebujemy rozdzielczości do nanoskali, więc te kumulacje kulek nie dają nam obrazu widzialnego. Zatem jeśli trafimy na taki obszar, to wtedy przeliczony wiek będzie wyższy, bo będziemy mieli więcej tego ołowiu niż to, co by wynikało ze stałej rozpadu radiogenicznego uranu. To spowodowało, że byłam w stanie wyjaśnić zjawisko tzw. odwrotnej niezgodności geochronologicznej i odpowiedzieć na pytanie, dlaczego otrzymujemy zafałszowany wiek. Było to inspiracją do napisania kolejnego projektu, w którym chcemy zająć się tym problemem, co się dzieje z ołowiem i spróbować zrozumieć zjawisko powstawania kulek. Określenie „invisible daughters” odnosi się do tego, że nie jesteśmy w stanie zobaczyć ich pod mikroskopem. A „survival of lead” jest związane z zagadnieniem, jak ołów jest w stanie przetrwać w tym minerale. Ołów jest tak ciekawym pierwiastkiem, „towarzyskim”, bo lubi się wiązać – a to z tlenem, a to z krzemionką czy z siarką. Tych wszystkich pierwiastków jest wystarczająco dużo w cyrkonie, który ma wzór ZrSiO₄. Nie wiem, z jakiego powodu i na razie świat nauki też tego nie wie, jak to się dzieje, że ołów, tworząc sfery czy też kulki w cyrkonie, z niczym się nie łączy. To czysty, metaliczny ołów, krystalizujący w układzie regularnym. To będzie przedmiotem badań w moim najnowszym projekcie. Mamy nadzieję, że rozwiązanie tego problemu – zachowania się ołowiu w minerałach – również będzie owocowało zrozumieniem pewnych procesów, które działają nie tylko w mineralogii, ale również w inżynierii materiałowej.

D.B.: Czy inne zespoły badawcze na świecie również pracują nad tym tematem, czy jesteście pierwsi?

M.A.K.: Muszę powiedzieć z nieukrywaną przyjemnością, że inne zespoły nas… gonią. Jesteśmy światowym liderem i byliśmy pierwsi, którzy na ten temat opublikowali wiadomość w prestiżowych czasopismach takich jak „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) czy „American Journal of Science”. Ta dyskusja na łamach czasopism międzynarodowych trwa i również otrzymałam w ostatnim czasie trzy propozycje – z Kanady, Stanów Zjednoczonych i Australii – dotyczące współpracy w tym temacie. Na wszystkie trzy odpowiedziałam pozytywnie. (śmiech)

D.B.: Wspaniała wiadomość! Życzę powodzenia całemu Waszemu zespołowi badawczemu i dziękuję za rozmowę.