Gdzie w Polsce jest wieloletnia zmarzlina?

W środku upalnego lata 2010 roku geolodzy z Państwowego Instytutu Geologicznego – PIB potwierdzili istnienie jednego z najbardziej niezwykłych obiektów geologicznych w Polsce – głęboko pogrzebanej, reliktowej wieloletniej zmarzliny. Nie zobaczymy jej jednak podczas zwykłej wycieczki. Jej strop znajduje się około 357 metrów pod powierzchnią Suwalszczyzny. To swoista „zamrażarka” z epoki lodowej – fragment dawnej zmarzliny, odizolowany od współczesnych zmian temperatury.

Zazwyczaj wraz z głębokością rośnie temperatura skał. Ciepło płynie bowiem z wnętrza Ziemi ku jej powierzchni. W rejonie Udrynia i Szypliszek zaobserwowano jednak wyjątkowo niskie wartości strumienia cieplnego oraz nietypowy przebieg temperatury w otworach wiertniczych.

Anomalię zauważono już podczas prac prowadzonych na Suwalszczyźnie w latach 70. XX wieku. Dr Jan Szewczyk z Państwowego Instytutu Geologicznego wysunął hipotezę, że jest ona śladem plejstoceńskich zlodowaceń. W okresie ostatniego zlodowacenia grunt na tym obszarze był przez tysiące lat poddawany działaniu bardzo niskiej temperatury. Część ówczesnej zmarzliny mogła przetrwać głęboko pod powierzchnią aż do czasów współczesnych.

Przetrwanie zmarzliny umożliwiła wyjątkowa budowa geologiczna regionu. W podłożu znajduje się suwalski masyw anortozytowy, zbudowany głównie z anortozytów – głębinowych skał magmowych, składających się przede wszystkim ze skaleni plagioklazowych. Skały masywu i jego otoczenia wytwarzają stosunkowo mało ciepła pochodzącego z rozpadu naturalnych izotopów promieniotwórczych. W rezultacie strumień cieplny docierający z głębi Ziemi jest tu jednym z najniższych notowanych w Polsce.

Aby sprawdzić hipotezę o przetrwaniu kopalnej zmarzliny, Państwowy Instytut Geologiczny zaprojektował otwór badawczy Udryń PIG-1. W lipcu 2010 roku wykonano odwiert o głębokości 450 metrów. Prace wiertnicze prowadziło Śląskie Towarzystwo Wiertnicze „Dalbis” z Radzionkowa, a nadzór geologiczny sprawował mgr Marcin Honczaruk z Państwowego Instytutu Geologicznego.

Wiercenie ukończono 24 lipca 2010 roku. Po przerwie potrzebnej do częściowego ustabilizowania temperatury otworu wykonano pomiary geofizyczne. Na głębokości około 357 metrów temperatura gwałtownie spadła do około +1,2°C. Tak niska wartość na tej głębokości wskazywała, że skały zachowały silne wychłodzenie z okresu ostatniego zlodowacenia.

Kolejne pomiary, przeprowadzone 3 sierpnia 2010 roku po dalszym wyrównywaniu się temperatury w otworze, wykazały na głębokości około 356 metrów zaledwie +0,07°C. Temperatura skał znajdowała się więc praktycznie na granicy zamarzania wody.

Wynik +0,07°C nie oznaczał jeszcze, że cała warstwa miała dokładnie taką temperaturę w warunkach naturalnych. Na pomiary wpływa ciepło wytwarzane podczas wiercenia oraz cyrkulacja płuczki. Późniejsze analizy rozkładu temperatury potwierdziły jednak, że otwór osiągnął głęboką strefę reliktowej wieloletniej zmarzliny.

Na głębokości 398 metrów zamontowano filtr umożliwiający pobranie wody z warstwy wodonośnej występującej w piaskowcach kredy dolnej. Podczas próbnego pompowania uzyskano bardzo słabo zmineralizowaną wodę, której temperatura na wypływie wynosiła zaledwie 1,9°C.

Podczas badań nie udało się ponownie opuścić sondy do najgłębszej części otworu. Przypuszczano, że na ściankach rury mógł powstać korek lodowy. Byłby to dodatkowy ślad obecności wód i skał o temperaturze bliskiej lub niższej od punktu zamarzania.

Późniejsze badania wykazały, że warstwa reliktowej zmarzliny ma co najmniej 93 metry miąższości – jej strop znajduje się na głębokości około 357 metrów, natomiast spągu nie osiągnięto w otworze zakończonym na 450 metrach. Oszacowano również, że zmarzlina może obejmować obszar około 50 kilometrów kwadratowych.

Nie oznacza to, że pod Suwalszczyzną znajduje się jednolita bryła lodu lub „podziemny lodowiec”. Wieloletnia zmarzlina to grunt albo skała, których temperatura pozostaje nie wyższa niż 0°C przez co najmniej dwa kolejne lata. Lód może wypełniać pory i szczeliny, ale jego ilość zależy od zawodnienia oraz właściwości skał.

Wiek suwalskiej zmarzliny nie jest określany przez bezpośrednie datowanie lodu. Jej plejstoceńskie pochodzenie wynika z modelowania historii temperatury podłoża i rekonstrukcji warunków klimatycznych. Jest ona pozostałością zimnego klimatu schyłku ostatniego zlodowacenia, która przetrwała dzięki dużej głębokości oraz wyjątkowo niskiemu strumieniowi ciepła geotermicznego.

Wody podziemne przez tysiące lat poddawane działaniu tak niskiej temperatury są szczególnie interesujące dla hydrogeologów. Zamarzanie części wody może prowadzić do zmian stężenia rozpuszczonych składników i pozostawiać charakterystyczny zapis geochemiczny, określany jako frakcjonowanie lub metamorfizm kriogeniczny.

Odkrycie w otworze Udryń PIG-1 ma znaczenie dla badań paleoklimatu, hydrogeologii oraz geotermii. Pozwala lepiej odtworzyć zmiany temperatury, które zachodziły w podłożu od końca plejstocenu, a także dokładniej interpretować współczesne pomiary strumienia cieplnego. Wiedza o dawnym wychłodzeniu skał jest ważna również podczas sporządzania map geotermicznych i modelowania przepływu wód podziemnych.

Informacje o temperaturze, zawodnieniu i szczelności skał mają także znaczenie praktyczne – między innymi dla projektowania głębokich wierceń.