Globální změny

Česká geologická služba (ČGS) zkoumá globální environmentální a klimatické změny v geologické minulosti Země. Sleduje, jakým způsobem tyto změny ovlivnily evoluci, biologickou rozmanitost a migraci organismů. Sedimentární záznam představuje unikátní archiv vývoje dávných ekosystémů. Multidisciplinární výzkum tohoto archivu umožňuje rekonstruovat fosilní mořské a pevninské ekosystémy a jejich vývoj v čase a studovat reakce fosilních ekosystémů na dávné environmentální a klimatické změny. To má velký význam pro předpověď dopadů změn současných a jejich dlouhodobých následků.

Mořské ekosystémy

Výzkumné práce se zaměřují na paleozoické, mezozoické a kenozoické mořské sedimenty a jejich fosilní obsah. Cílem je rekonstruovat dávné mořské ekosystémy a jejich vývoj v čase a zejména způsob, jakým ekosystémy reagovaly na environmentální a klimatické změny a jakým způsobem se s těmito změnami vypořádaly. Pro tyto účely je klíčové získat co nejvíce informací o jejich životním prostředí, jako je např. teplota mořské vody, její slanost, obsah živin, kyslíku v mořské vodě a CO2 v atmosféře a v neposlední řadě též detailně znát fosilní obsah sedimentů.

Měření pomocí proxy

Fyzikálně-chemické parametry nelze měřit přímo, neboť miliony let stará mořská voda již k dispozici není. Využívají se proto tzv. proxy, tedy zástupné ukazatele. Takovými proxy jsou např. poměry určitých stabilních izotopů prvků, které jsou součástí minerálů sedimentárních hornin (např. schránek organismů), koncentrace a poměry určitých stopových chemických prvků sedimentů, dále distribuce specifických typů sedimentů (např. plážové sedimenty, uhlí, korálové útesy, mikrobiální sedimenty, ledovcové uloženiny) a také fosilní společenstva.

Biostratigrafické korelace

Klíčovými svědky geologické historie naší planety jsou fosilní organismy. Poskytují nám jedinečné informace o průběhu evoluce a o tom, jak organismy reagovaly na různé změny životního prostředí. Určité skupiny organismů (tzv. vůdčí fosilie) využíváme pro tzv. biostratigrafické korelace, kde platí pravidlo, že vrstvy obsahující totožné druhy fosilií jsou stejně staré – díky tomu dokážeme porovnávat sedimentární horniny celého světa, což je zásadní pro rekonstrukce globálních událostí. Pro výše zmíněné účely je nezbytně nutná taxonomická analýza, tedy identifikace a klasifikace fosilií na základě morfologie. Taxonomie představuje naprosto nezbytný základ pro biostratigrafii (určení stáří sedimentů na základě výskytu fosilií), studium fylogeneze, diverzity a paleoekologie organismů.

Multidisciplinární přístup ve výzkumu

Naše týmy při výzkumu aplikují multidisciplinární přístup, tedy na konkrétním sledu sedimentárních hornin používajíáme metody sedimentologické, geochemické a paleontologické a zaměřujíeme se na několik proxy najednou (tzv. multi-proxy přístup).

Sedimentologický, paleontologický a paleoekologický výzkum nám poskytne představu o prostředí, ve kterém se sedimenty ukládaly – např. o energii vody, relativní hloubce, obsahu volného kyslíku, dosahu slunečního záření i množství živin a samozřejmě o charakteru společenstev organismů. Geochemickými metodami zjišťujeme např. izotopické složení kyslíku mořských bioapatitů, které umožňuje odhadnout průměrnou teplotu mořské vody. Dále nás zajímá např. izotopické složení karbonátového a organického uhlíku, díky kterému získáme představu o uhlíkovém cyklu – ten odráží geochemické a biologické procesy, ale též danou klimatickou situaci (např. množství CO₂ v atmosféře).

Velice užitečné je i použití některých méně tradičních izotopových systémů (např. izotopů Cr, Sr, Ca, Mo, Ba a U), které představují proxy pro intenzitu zvětrávaní zvětrávání a poskytnou informace o přínosu pevninských produktů zvětrávání do moře i o hydrotermálních mořských procesech, o globálním redoxním stavu oceánské vody, o saturaci CaCO₃ v mořské vodě a podobně. Neméně významné je i studium obsahu některých stopových prvků v mořských sedimentech, které slouží jako redox proxy či jako indikátory bioproduktivity.

Zmíněné geochemické metody umožňují stopovat procesy v hydrosféře, atmosféře i biosféře, ale je tu ještě jeden nesmírně cenný aspekt geochemie stabilních izotopů. Díky (z geologického hlediska) nepatrné době potřebné pro homogenizaci oceánských mas (a systému atmosféra-oceán, řádově tisíce let), lze výkyvy v izotopickém složení považovat za téměř izochronní (současné) události. Tedy tzv. chemostratigrafie, nejlépe kombinovaná s biostratigrafií, je pro nás nás tedy výborným nástrojem globálních korelací.

Klíčovým aspektem našeho výzkumu je čas. Jelikož pracujeme se sedimentárními sledy, které studujeme od nejstarších (nejspodnějších) poloh po ty nejmladší, získáme velmi podrobnou představu o tom, jak se dané prostředí vyvíjelo v čase (během stovek tisíců a milionů let), k jakým změnám abiotických parametrů prostředí docházelo a jak na tyto změny reagovaly mořské organismy.

Významnou součástí práce týmu je i výuka studentů a vedení magisterských a doktorských prací. Vytváří rovněž mezinárodní vědecký časopis, Bulletin of Geosciences, který je významným světovým periodikem zaměřeným na paleontologii (v současnosti je 15. nejvýznamnějším světovým časopisem tohoto oboru).

Pevninské ekosystémy

Sedimenty a flóra karbonu

Výzkum se zaměřuje zvláště na mladší paleozoikum, kdy došlo k velkému rozvoji suchozemské flóry a vzniku uhelných ložisek. V popředí zájmu je studium karbonské vegetace a prostředí sedimentace. Některé rostlinné druhy a rody neměly vysoké ekologické nároky a lze je sledovat v širším časovém intervalu, jiné mají úzké časové rozpětí a slouží jako vůdčí druhy rostlinných biozón. Podobně jako v kvartéru, také v karbonu docházelo ke změnám v rozsahu zalednění polárních oblastí, které měly vliv na změny klimatu v tropických oblastech, kde se nacházel také Český masiv. Rostlinná společenstva slouží jako proxy těchto změn, neboť ekologické nároky druhů a rostlinných skupin jsou vesměs známy. V současné době lidstvo s obavami sleduje zvyšující se koncentraci CO₂ v atmosféře. Podobné změny probíhaly i v karbonu, jen několikanásobně pomaleji. Existují studie, které potvrzují reakci některých skupin na zvyšující se koncentraci CO₂ zmenšením hustoty průduchů. Toto studium v karbonu na kutikulách rostlin zatím přineslo rozporuplné výsledky, protože nemáme blízké příbuzné, které bychom mohli sledovat až do tak dávné minulosti. Ovšem na některých dlouhověkých permokarbonských druzích lze sledovat změny hustoty průduchů v různých časových obdobích a tím nepřímo i relativní změny koncentrace CO₂ v paleoatmosféře.

Vliv klimatu

Klima přímo ovlivňuje také prostředí sedimentace, zejména v kontinentálních pánvích vzdálených od vlivu mořské hladiny. Analýza zvětrávacích/paleopůdních obzorů, které vznikají v přímém kontaktu s atmosférou, dovoluje blíže charakterizovat klimatické podmínky jejich vzniku (poměr srážky/výpar, sezónnost, hydrologický režim půd, tlak CO2 v atmosféře atd.). Pomocí architekturní analýzy říčních sedimentů lze charakterizovat dynamiku říčních toků a morfologii říční krajiny, která citlivě reaguje na klimatické změny.

V pobřežních oblastech, v tzv. paralických pánvích (např. hornoslezská pánev na Ostravsku), docházelo vlivem střídání ledových a meziledových dob v pozdním paleozoiku ke glacioeustatickým pohybům hladiny světových oceánů spojeným s posuny faciálních pásů, které se projevují cyklickým uspořádáním sedimentárního záznamu. Střídání ledových a meziledových dob bylo velmi pravděpodobně řízeno změnami orbitálních parametrů, zejména změnami excentricity oběžné dráhy Země. Analýzou periodického signálu těchto záznamů se zabývá cyklostratigrafie, která umožňuje pomocí orbitálního ladění dále zpřesnit délku trvání dílčích jednotek/intervalů.

Vztah vulkanismu, sedimentárního prostředí a biosféry

Výzkumné práce týmu vulkanických systémů se zaměřují na úlohu paleozoického a kenozoického vulkanismu ve vývoji sedimentárních pánví, dále na vliv okolního prostředí na průběh vulkanické aktivity a také na procesy spojené s uchováním fosilií ve vulkanickém prostředí a vliv vulkanismu na biosféru. Cílem je vytvoření rekonstrukcí paleoprostředí v oblastech vyhaslého vulkanismu a zkoumání způsobů, jakými vulkanická aktivita reagovala na okolní prostředí a jak své okolí naopak ovlivňovala. Pro tyto cíle jsou kombinována data z oborů vulkanologie, sedimentologie, petrologie, mineralogie, geochemie, stabilní (C-O) a radiogenní (Sr-Nd) izotopová geologie a paleontologie.

Studium vulkanitů

Klíčová je rekonstrukce stylu vulkanické aktivity založená na studiu geometrie pyroklastů (produktů sopečných explozí) a sedimentárních charakteristik vulkanoklastických uloženin. Ty je možné studovat i na poměrně starých uloženinách, které mohly prodělat alteraci a/nebo kompakci. I v případě zjílovělých uloženin je v optickém mikroskopu možné rozlišit hranice původních klastů a určit jejich tvarové charakteristiky. Styl vulkanické aktivity například odráží nasycení okolního prostředí vodou, což spolu s paleontologickými údaji přináší cenné informace o dávném prostředí.

Studium sedimentárních pánví

Vulkanická aktivita ovlivňuje také vývoj sedimentárních pánví, a to hned několika způsoby. Mění geometrii pánví, vytváří výraznou topografii na jejich okrajích, je zdrojem specifického klastického materiálu a ovlivňuje i chemismus prostředí včetně vody. To se odráží na litologickém složení sedimentů, ale také například na izotopickém složení sladkovodních vápenců. Izotopické složení vápenců vysrážených na okraji bazaltového vulkánu má výraznou plášťovou signaturu a může připomínat složení karbonatitů.

Studium organismů pohřbených vulkanickými procesy

Vulkanické procesy jsou dostatečně rychlé, aby rychle pohřbily celá společenstva organismů. Na druhou stranu tyto dynamické procesy mnohdy pozůstatky organismů zničí a větší šanci na fosilizaci mají především rozměrnější a pevnější organismy, například stromy. Mineralizace kmenů pohřbených vulkanickými procesy je významnou dílčí kapitolou výzkumného tématu. S využitím mineralogických, geochemických a izotopických (C-O-Sr) metod se řeší rekonstrukce prostředí a podmínek pohřbení jednotlivých kmenů, ale také proces postupné mineralizace pohřbeného kmenu. V prostředí alkalických vulkanických uloženin jsou totiž pohřbené kmeny mineralizovány širokou škálou minerálních fází.

Významnou součástí práce týmu je i výuka studentů a popularizace vědeckých výstupů různými formami, včetně tvorby veřejně dostupných popularizačních animací.

Vývoj kvartérního prostředí a studium exogenních procesů

V rámci základního výzkumu jsou směřovány vědecké aktivity ČGS na rekonstrukci prostředí a časový průběh klíčových období kvartéru, především v oblasti střední Evropy. Jedná se zejména o přechodové období spodního a středního pleistocénu (tzv. středopleistocenní revoluce) a přechod pleistocénu do holocénu, kdy docházelo k zásadním změnám ve formování krajiny a společenstev organismů. Naše týmy studují především dynamiky periglaciálních (mrazem ovlivněných) říčních a větrných procesů, stejně jako výzkum kontinentálního zalednění v oblasti střední Evropy z dob ledových, kdy okraje ledovcového štítu zasáhly ze severu až do střední Evropy. K tomu jsou využívány různé metody a techniky včetně expozičního datování plošné eroze a snižování zemského povrchu pomocí kosmogenních radionuklidů dlouhodobě se zabudovávajících do svrchní části zemského povrchu díky dopadajícímu kosmickému záření.

Výzkumy v ČR

Zvláštní pozornost je soustředěna na oblast severního okraje vídeňské pánve, kde lze ve velkém detailu rekonstruovat přírodní procesy období vrcholné fáze glaciálu až počátku holocénu. Tato oblast navíc poskytuje možnost velmi přesně datovat tektonickou aktivitu ve vídeňské pánvi v období svrchního pleistocénu, stejně jako probíhající exogenní geomorfologické procesy. V pískovcových oblastech křídové pánve probíhají výzkumy týkající se rekonstrukce erozně-sedimentačních procesů ve vztahu ke klimatickým změnám.

Video níže: Vrtání eolických sedimentů na Moravské Sahaře pro odběr vzorků na geochronologii a mikromorfologii.

Výzkumy v zahraničí

Dlouhodobý výzkum v oblasti souostroví Jamese Rosse u Antarktického poloostrova se zaměřuje na časový průběh odlednění vedoucího ke vzniku největších odledněných ploch v oblasti Antarktického poloostrova, stejně jako na dynamiku přírodního a klimatického vývoje během holocénu, rekonstruovanou z jezerních sedimentárních záznamů. Řadu zajímavých poznatků o vlivu klimatu a tektonické aktivity na prehistorické civilizace poskytují geoarcheologické výzkumy probíhající v oblasti Ochridského jezera v Severní Makedonii, resp. v pohoří Šakadúd v centrálním Súdánu.