O procesach zachodzących we wnętrzu Ziemi
Wniosek naszego badacza dr. hab. Jacka Szczepańskiego z Wydziału Nauk o Ziemi i Kształtowania Środowiska znalazł się wśród rekomendowanych do finansowania przez NCN. Projekt badawczy wart ponad 1 800 000 zł realizowany będzie we współpracy z badaczami z Niemiec oraz Polski.
Temat projektu brzmi: „Wpływ lepkiej relaksacji na elastotermobarometrię ramanowską: badania terenowe, mechaniczne i dyfuzyjne inkluzji mineralnych okludowanych w szerokim spektrum warunków metamorfizmu (VECTOR)”
Czego dotyczy projekt?
Wiele procesów geologicznych zachodzących we wnętrzu Ziemi przebiega bardzo wolno i w warunkach wysokiego ciśnienia oraz temperatury. Prace doświadczalne nad naturalnie zmetamorfizowanymi skałami (tj. skałami, które zachowały zapis przeobrażeń zachodzących w wysokich ciśnieniach i temperaturze) prowadzone od prawie 100 lat znacząco przyczyniają się do poznania parametrów kontrolujących właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne skał oraz minerałów. Pomimo tego zrozumienie przebiegu procesów geologicznych, które zachodzą w głębi Ziemi na przestrzeni milionów lat, pozostaje dla geologów wyzwaniem. Dzieje się tak ze względu na powolne tempo opisywanych procesów metamorfizmu oraz wysokie ciśnienia i temperatury, w których one zachodzą. To powoduje, że odtwarzanie w laboratorium zjawisk związanych z metamorfizmem jest trudne. Jednak zamiast symulować takie warunki w laboratorium można opisywać przebieg procesów zachodzących
we wnętrzu Ziemi badając skały i minerały powstałe w trakcie metamorfizmu w sposób naturalny.
Pomimo trudności, jakie pojawiają się w trakcie badania procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi, zastosowanie zasad termodynamiki umożliwia opis oraz interpretację zapisu zmian ciśnienia i temperatury zachowanych w skałach metamorficznych. W ostatnich latach zaczęto także rozwijać metodę szacowania warunków metamorfizmu, których doświadczyły skały w trakcie swojej historii na podstawie pomiarów wykonywanych za pomocą spektroskopu ramanowskiego. Opisywana metoda (nazywana w literaturze elastotermobarometrią ramanowską) wykorzystuje tzw. ciśnienie resztkowe, które może zachować się w inkluzjach mineralnych.
Opisywane inkluzje to drobne wtrącenia mineralne uwięzione w minerale gospodarzu. Znajomość ciśnienia resztkowego pozwala oszacować warunki, w których doszło do mechanicznego zamknięcia inkluzji w minerale gospodarzu, czyli warunki, w których zachodził metamorfizm. Jednakże badania prowadzone w ostatnim czasie wykazały, że na minerały, które zazwyczaj zachowują się w sposób elastyczny (sprężysty) mogą oddziaływać mechanizmy powodujące ich uplastycznienie wywołane procesem lepkiego pełzania. Proces ten prowadzi do znaczącego pogorszenia własności sprężystych minerałów i powoduje, że nie są one w stanie utrzymać ciśnienia resztkowego pochodzącego z okresu mechanicznego zamknięcia inkluzji w otaczającym go minerale gospodarzu. W konsekwencji zjawisko to poważnie utrudnia odtworzenie warunków ciśnienia i temperatury metamorfizmu przy użyciu metody elastotemobarometrii ramanowskiej.
– Celem naszego projektu jest opracowanie metody umożliwiającej ilościowe określenie wpływu procesu lepkiego pełzania na możliwość zachowania ciśnień resztkowych w minerałach i odtwarzania warunków ciśnienia i temperatury, w których inkluzje powstały – tłumaczy nasz badacz.
Wpływ lepkiego pełzania na możliwość zachowania ciśnienia resztkowego przez inkluzje mineralne uwięzione w minerale gospodarzu został rozpoznany stosunkowo niedawno. W związku z tym w dostępnej literaturze nie ma systematycznych badań opisujących to zjawisko.
– W trakcie realizacji projektu będziemy chcieli stworzyć spójną bazę obejmującą obserwacje terenowe, pomiary analityczne oraz modelowania numeryczne – mówi prof. Szczepański. – Integracja wspomnianych danych umożliwi ilościowe opisanie efektów wywołanych lepkim pełzaniem do określania ciśnienia i temperatury metamorfizmu przy użyciu elastotermobarametrii ramanowskiej.
Projekt będzie realizowany we współpracy z prof. Marcinem Dąbrowskim reprezentującym Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy oraz prof. Evangelosem Moulasem z Uniwersytetu w Moguncji.
Oprócz wspólnych badań (terenowych i laboratoryjnych) współpraca będzie obejmowała także podnoszenie kompetencji w zakresie opisu i badania skał metamorficznych oraz wymianę kadry pomiędzy trzema ośrodkami naukowymi uczestniczącymi w projekcie.
Zdaniem naszego naukowca wyniki badań będzie można wykorzystać w innych badaniach materiałowych nie tylko związanych bezpośrednio z geologią.
W badaniach naukowcy będą wykorzystywali zarówno standardowe techniki takie jak skaningowa mikroskopia elektronowa oraz mikrosonda elektronowa, które dostarczą im informacji na temat składu chemicznego minerałów w mikroobszarze, ale także spektroskopia Ramana, za pomocą której będą badać resztkowe naprężenia zachowane głównie w inkluzjach kwarcu znajdujących w granacie.
Wykorzystywać będziemy także szereg mniej standardowych technik, takich jak wysokorozdzielcza dyfrakcja elektronów wstecznie rozproszonych oraz transmisyjna mikroskopia elektronowa – dodaje prof. Jacek Szczepański. – Te techniki pozwolą nam przyjrzeć się bliżej otoczeniu inkluzji kwarcu w minerale gospodarzu w poszukiwaniu np. ewentualnych defektów sieci krystalicznej.
Uzyskane w ten sposób dane badawcze posłużą do skonstruowania numerycznego modelu opisującego zachowanie inkluzji w minerale gospodarzu w trakcie powstania inkluzji i podczas późniejszego metamorfizmu.
Oprac. Katarzyna Górowicz-Maćkiewicz
