MOŻLIWOŚCI REKONSTRUKCJI ROZWOJU ŚRODOWISKA PRZY ZASTOSOWANIU BADAŃ MORFOSKOPOWYCH SEM Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski

Transkrypt

1 MOŻLIWOŚCI REKONSTRUKCJI ROZWOJU ŚRODOWISKA PRZY ZASTOSOWANIU BADAŃ MORFOSKOPOWYCH SEM Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania, Polska Akademia Nauk, Warszawa 1. Wstęp Środowisko przyrodnicze będące częścią środowiska geograficznego podlega ciągłym przemianom wynikającym ze zmieniających się uwarunkowań zewnętrznych, zarówno endogenicznych, powodowanych energią wnętrza Ziemi, egzogenicznych, których siła sprawcza wynika z energii kosmosu, jak i antropogenicznych wywołanych oddziaływaniem człowieka na środowisko, a generowanych przez uwarunkowania społeczno-ekonomiczne. Asymetryczne czasowo procesy naturalne zachodzące w środowisku, czyli o różnej długości i intensywności przebiegu w regionach geograficznych, powodują zmiany, które mają charakter krótkookresowy (sezonowy), długookresowy lub też nagły (zjawiska ekstremalne). W wyniku ich oddziaływania na cały system przyrodniczy kształtuje się jego przestrzenna struktura o określonych właściwościach i cechach. Wraz z rozwojem cywilizacyjnym zwiększa się również wpływ czynników antropogenicznych, które modyfikują naturalną cykliczność zjawisk zachodzących w środowisku przyrodniczym, często intensyfikując ich nieregularność. W dociekaniach poznawczych dotyczących przebiegu mechanizmów kształtujących środowisko zarówno w geologicznym, jak i historycznym horyzoncie czasowym oraz zmian jakie one wywołują w funkcjonowaniu całego systemu przyrodniczego i związanych z tym efektów przestrzennego zróżnicowania właściwości poszczególnych komponentów, poszukuje się jak najprostszych miar i wskaźników powyższych zjawisk i zależności. Założeniem tych działań jest znalezienie takich narzędzi, które z jednej strony byłyby dokładnym estymatorem umożliwiającym ocenę strukturalno-funkcjonalnych

2 10 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski prawidłowości jakie zachodzą w przestrzeni w ujęciu dynamicznym, z drugiej zaś pozwalałyby na osiągnięcie jak najszerszej i wiarygodnej informacji o obiekcie badań jakim jest środowisko. Trzeba jednak podkreślić, że z uwagi na złożoność morfogenezy obszarów naszej planety, analiza zmian zachodzących w systemie przyrodniczym jest bardzo trudna, a poznanie prawidłowości przestrzennych jest raczej wiedzą o porządku, który człowiek nakłada na rzeczywistość i który pozwala tę rzeczywistość zrozumieć (Degórski, 2004). Jednym ze sposobów poznania zmian środowiska w aspekcie przestrzennym i czasowym, szczególnie w interpretacji rozwoju paleośrodowisk, jest analiza ultramorfoskopowa, która jako podstawowe narzędzie diagnostyczne wykorzystuje skaningowy mikroskop elektronowy. Podstawą analizy ultramorfoskopowej są sklasyfikowane cechy wietrzenia fizycznego i chemicznego oraz cechy morfologiczne rzeźby, kształtu i zmatowienia powierzchni ziarn piasku widoczne na mikrografach skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Uzyskiwane na jej podstawie wyniki służą do określenia sekwencji zmieniających się geomorfologicznych uwarunkowań rozwoju środowiska w czasie i w przestrzeni, przede wszystkim współczesnych i dawnych pedomorfogenetycznych krajobrazów zapisanych w morfologii ziarn substratu glebowego (Kowalkowski i Degórski, 2008). Celem artykułu jest przedstawienie w krótkim zarysie głównych faz rozwojowych badań morfoskopowych powierzchni ziarn kwarcu, stosowanych podstawowych paradygmatów metodologicznych przyczynowej interpretacji morfoskopowej, metodyki badań i jej zastosowań na przykładach mikrografów ziarn piasku kwarcowego z gleb różnych obszarów geograficznych środkowej i północnej Europy. Przedstawione wyniki badań można potraktować jako przykład osiągnięć i wkład polskich badaczy w prace dotyczące interpretacji rozwoju środowiska przyrodniczego i dynamiki jego morfogenezy z wykorzystaniem stale unowocześnianej aparatury elektroniczno-optycznej, jaką jest elektronowy mikroskop skaningowy.

3 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu Gleba jako komponent i wskaźnik przemian środowiska W prezentowanych rozważaniach środowisko rozumiane jest, zgodnie z teorią Bertalanffyego (1962), jako megasystem (zbiór systemów i podsystemów) łączący w sobie dwie podstawowe kategorie przestrzeni geograficznej, jakimi są system środowiska przyrodniczego i środowiska antropogenicznego (Degórski, 2005). Podmiotem systemu środowiska przyrodniczego jest fizyczna część przestrzeni geograficznej, w skład której wchodzą abiotyczne i biotyczne komponenty przyrody: litosfera, atmosfera, hydrosfera, kriosfera, biosfera i pedosfera. Charakteryzuje się ona określoną strukturą, kształtowaną przez kompleks wewnętrznych interakcyjnych zależności pomiędzy poszczególnymi komponentami i zewnętrznych związków z otoczeniem. Wśród komponentów środowiska przyrodniczego szczególną rolę odgrywa gleba, będąca bardzo aktywnym elementem całego systemu przyrodniczego. Otwartość podsystemu glebowego, jego powiązanie przyczynowo-skutkowe z innymi komponentami środowiska i wynikająca z tego wielofunkcyjność pokrywy glebowej w środowisku znajduje swoje miejsce w formule: S = f (cl + o + r + p + w an)t.a, definiującej glebę jako ciało przyrodnicze (S), którego geneza i właściwości są funkcją (f) uwarunkowań klimatycznych (cl), biotycznych (o), geomorfologicznych (r), litologicznych (p), wodnych (w) i antropogenicznych (an) przebiegających w określonym czasie (t) i przestrzeni (a). Zaproponowany przez H. Jenny w roku 1941 zapis matematyczny tych zależności podlega zatem ciągłemu uzupełnianiu i uszczegóławianiu (Jenny, 1983; Buol i in., 1989; Kowalkowski i inni, 1994; Robertson i inni, 1999, Degórski 2007). Pokrywa glebowa przez wielu badaczy środowiska uważana jest za jego zwierciadło, czyli komponent, którego cechy są odzwierciedleniem ilościowych i jakościowych zmian zachodzących w poszczególnych podsystemach i systemach środowiska geograficznego. Przestrzennym wyrazem tych procesów

4 12 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski uwarunkowanych zmieniającą się w czasie różnorodnością biologiczną i abiotyczną jest heterogeniczność i różnorodność pokrywy glebowej (ryc. 1). Wspomniana już otwartość systemu glebowego, jego ścisłe powiązanie z innymi podsystemami środowiska przyrodniczego i środowiskiem antropogenicznym oraz wielofunkcyjność jaka charakteryzuje glebę w krajobrazie sprawiają, że pokrywa glebowa ma dużą wartością wskaźnikową w ocenie sprawności całego geoekosystemu oraz zmian w nim zachodzących. Jednym z nowych trendów i podejść badawczych geografii gleb w aspekcie takich ocen jest wykorzystywanie pedonów jako indykatorów dynamiki funkcjonowania środowiska i jego właściwości. Stosuje się metody pośrednie, w których wykorzystuje się wiedzę o współczesnych warunkach powstawania danego typu gleby do rekonstrukcji i diagnozy właściwości środowiska geograficznego oraz metody bezpośrednie, polegające na konstruowaniu wskaźników pedologicznych opartych na wynikach analiz i pomiarów właściwości gleb. Wśród podejść wykorzystujących glebę jako narzędzie diagnostyczne w geograficznych studiach nad zmianami właściwości środowiska należy wymienić analizy zróżnicowanych typologicznie układów przestrzennej zmienności pokrywy glebowej wynikającej z uwarunkowań innych komponentów środowiska. Obiektem badań w takich studiach są: toposekwencje gleb, przestrzenne chronosekwencje gleb (tzw. chronosekwencje odkryte) i przestrzenne struktury mozaik glebowych. Innym typem badań bazującym na pionowym rozkładzie struktur glebowo-litologicznych lub zróżnicowaniu cech glebowych będących wynikiem zarówno procesów pedogenicznych jak i morfo-litologicznych są analizy struktury warstw litologicznych i poziomów glebowych (litosekwencji), paleochronosekwencji (tzw. chronosekwencji zakrytych) oraz profilowego zróżnicowania właściwości gleb.

5 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 13 Różnorodność biologiczna Różnorodność i heterogeniczność glebowa Warunki klimatyczne Różnorodność abiotyczna (georóżnborodność) Warunki wodne Czynniki klimatyczne Różnorodność litologiczna Elementy litologiiczne Różnorodność geomorfologiczna Elementy rzeźby Czynniki hydrologiczne C z a s Ryc. 1. Związki pomiędzy różnorodnością biologiczną i georóżnorodnością a różnorodnością i heterogenicznością pokrywy glebowej Najłatwiejsze w zastosowaniu są podejścia badawcze, w których pośrednio, na podstawie powiązań danego typu gleby z jego siedliskiem oraz wzajemnego sąsiedztwa pedonów wnioskuje się o właściwościach litologicznych, hydrologicznych czy fitosocjologicznych środowiska, bardzo często w ujęciu dynamicznym. Do aparatu badawczego wykorzystywanego w tego typów studiach należą analizy obiektów rozpatrywanych jako liniowe układy przestrzenne pokrywy glebowej, jak i wielkoprzestrzenne struktury pokrywy glebowej. Wśród układów liniowych najlepszym obiektem badań są toposekwencje, do których zaliczyć można kateny glebowe, czyli przestrzennie powtarzalne sekwencje gleb, których heterogeniczność zależy w przede wszystkim od rzeźby terenu i związanych z nią cech pośrednich

6 14 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski środowiska, jak wysokość względna, nachylenie zboczy, typ gospodarki wodnej, itd. (Milne i inni, 1935; Wieder i in., 1985; Kowalkowski, 2000, Degórski 2001, 2003) oraz chronosekwencje glebowe, czyli układy przestrzenne gleb wykształcone z tej samej skały macierzystej i w analogicznych warunkach rzeźby, ale charakteryzujących się asymetrią czasu pedogenezy (Vrekeen, 1975; Jäger, 1982; Schenck, 1990; Kowalkowski, 2001b, Degórski 2001, 2004). Dużo bardziej złożone z punktu widzenia metodyki badań jest poszukiwanie miar jak i wskaźników glebowych wykorzystujących bezpośrednie metody pomiaru gleb w interpretacji zmian środowiska. Podejście to wymaga obok doskonałej znajomości procesów pedogenicznych kształtujących współczesną pokrywę glebową oraz wzajemnych powiązań pomiędzy podsystemami środowiska przyrodniczego, również stosowania żmudnych i wysublimowanych metod analitycznych. W dążeniu do optymalizacji jakości stosowanych miar poszukuje się wskaźników, które charakteryzowałyby warunki panujące w środowisku w czasie ich powstawania, a zarazem takich, które byłyby pomocne w interpretacji zjawisk i procesów jakie zachodziły i zachodzą w środowisku geograficznym. Jednym z narzędzi łączących w sobie potencjalne możliwości takich podejść badawczych jest właśnie analiza ultramorfoskopowa ziaren gleby. Podstawą tej analizy jest identyfikacja i klasyfikowane cech wietrzenia fizycznego i chemicznego oraz cech morfologicznych rzeźby, kształtu i zmatowienia powierzchni ziarn piasku widocznych na mikrografach skaningowej mikroskopii elektronowej SEM. Uzyskiwane na jej podstawie wyniki wykorzystuje się do określenia sekwencji zmieniających się geomorfologicznych środowisk rozwoju badanych gleb w czasie i w przestrzeni współczesnych i dawnych pedomorfogenetycznych krajobrazów (Kowalkowski i Degórski, 2008). Różne wyjściowe stany czasowe i przestrzenne procesów powstawania oraz przekształcania substratów mineralnych, a także zwietrzelin in situ od schyłkowego plejstocenu i w holocenie, mają w skutku ekwifinalność, czyli powstawanie substratu dla rozwoju pokrywy glebowej. Istotne znaczenie ma tu nieliniowość czynnika czasu w przestrzeni przyrodniczej, którą według Ludwiga von Bertalanffy (1962) należy rozpatrywać w przekrojach czasowych poprzecznym i wzdłużnym. Pod pojęciem przekroju czasowego rozumie się upływający czas,

7 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 15 w którym znajduje się punkt funkcjonującego systemu przyrodniczego. Przekrój poprzeczny dotyczy powstania i utrzymania się w czasie w płynnym zrównoważeniu rozwoju danego systemu. Przekrój wzdłużny określa trajektorię rozwoju tego systemu badań w upływającym czasie (Kowalkowski i Degórski, 2008). Na podstawie analizy mikrogramów SEM można zatem stwierdzić, że badane zwietrzeliny in situ oraz różnego wieku osady lodowcowe, wodnolodowcowe i wybrzeży morskich mają na powierzchniach ziarn czytelne zespoły tekstur z cechami diagnostycznymi pozwalającymi przypisać je określonym mono- i poliśrodowiskom ich powstania. 3. Założenia metodyczne morfoskopii ziaren piasku kwarcowego w ocenie systemu procesów geomorfopedogenicznych 3.1. Ziarna piasku kwarcowego jako przedmiot badań Piasek jest skałą powszechnie występującą na naszej planecie. Charakteryzuje się dwiema podstawowymi właściwościami małym zróżnicowaniem średnic ziaren, odpowiadającym typowej krzywej Gaussa z średnią dokładnością 1/8 mm oraz dominacją ziaren kwarcu. W kręgu zainteresowań badaczy, zajmujących się historią Ziemi, genezą i składem form morfologicznych powierzchni Ziemi oraz genezą i właściwością mozaik glebowych a więc geologów, geomorfologów i gleboznawców przy wykorzystaniu ziaren piasku kwarcowego są ziarna minerału kwarcu. Minerał ten będący głównym składnikiem frakcji piasku, stanowi najczęściej jego subfrakcję o średnicach ziaren od 0,5 do 1,0 mm. Z doświadczenia badawczego wynika, iż ta część ziaren piasku kwarcowego jest najbardziej przydatna do rozpoznawania i przyczynowej interpretacji morfoskopowej ich powierzchni. Kwarc jest formą krystaliczną tlenu i krzemu (SiO 2 ), pierwiastków chemicznych najbardziej pospolitych w skorupie ziemskiej. Występuje głównie w pierwotnej postaci krystalicznej trygonalnej i heksagonalnej, w licznych skałach magmowych, osadowych i metamorficznych, także jako minerał akcesoryczny i wtórny w żyłach i metasomatycznych utworach skalnych. Może zawierać również

8 16 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski śladowe ilości innych pierwiastków chemicznych, jak: Fe, Mg, Mg, Al, Li, Na i K. Kwarc jest minerałem bardzo twardym o gładkich błyszczących ścianach i charakterystycznym błyszczącym muszlowym przełamie. Łatwo ulega mechanicznej dyspersji na różnokształtne ostrokrawędziste odłamki różnych średnic pod wpływami nacisków i ciśnień oraz dynamiki dobowej i sprzyjających dezintegracji okresowych uwarunkowań termicznych, szczególnie w warunkach przejść temperatur poniżej i powyżej zera. W wyniku działania tych procesów z czasem na powierzchniach ścian zaokrąglających się ziaren piasku kwarcowego nagromadzają się morfologicznie cechy charakterystyczne dla tych procesów, działających i zmieniających się w czasie w rozwijających się krajobrazach. Procesy przekształcające morfologię powierzchni ziarn kwarcu przebiegają nie tylko w miejscach wietrzenia skał litych, ale także w procesach transportu wiatrowego (eolicznego), wodnego (fluwialnego), lodowcowego (glacjalnego) i grawitacyjnego. Cechy morfologiczne tych procesów także pozostają na zmieniających się powierzchniach ziaren piasku kwarcowego, jako świadectwo ich działania. Wtórne ich produkty w postaci drobniejszych odłamków stają się składnikami młodszych skał osadowych i gleb. Przykładem są osady pyłowe i lessowe oraz iłowe, o średnicach ziaren mniejszych od 0,05 mm. Wśród nich znaczącymi składnikami są drobne odłamki kwarcu o kształtach ostrokrawędzistych łusek powstających w procesach termicznego i hydrotermicznego złuszczania ziarn piasku. Ziarna te łatwo są transportowane przez wiatr i wodę, akumulowane w postaci dużych złóż luźnych skał osadowych. Wiadomo, że kwarc trudno ulega wietrzeniu chemicznemu. Do niedawna uważano, iż jest on minerałem na ten proces względnie odpornym. Nowsze badania wskazują jednak, że mikroorganizmy, zarówno jako indywidualne osobniki, lub też występujące w koloniach i w tak zwanych biofilmach, na drodze biochemicznej zmieniają morfologię powierzchni ziaren kwarcu o naruszonej strukturze morfologicznej przez procesy mechaniczne. Czynnikami biochemicznymi tego procesu są enzymy wydzielane przez mikroorganizmy oraz wytwarzane przez nie agresywne chemicznie i łatwo przechodzące do roztworów koloidalnych kwasy organiczne, nazwane w gleboznawstwie kwasami próchniczymi.

9 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 17 Ziarna piasku są transportowane w różnych utworach litologicznych z innymi minerałami. Mogą być one przemieszczane, jak już wspomniano, z miejsca ich powstania, często bardzo odległego w stosunku do miejsca depozycji, przez płynące wody, wiatry, lody glacjalne oraz siły grawitacji i osadzane na powierzchni ziemi w osadach tworzących różne mineralne heterogeniczne formy morfologiczne powierzchni Ziemi. W naturalnej uporządkowanej strukturze przestrzennej krajobrazu formy te zazwyczaj mają budowę poligonalną ze stokami tworzącymi linie powierzchni Ziemi. Przykrywane kolejnymi młodszymi formami stają się formami kopalnymi. Stoki podlegają procesom masowym, charakteryzują się zatem bilansami masowymi i energetycznymi negatywnymi w ich częściach górnych, zrównoważonymi w środkowych i pozytywnymi w dolnych. Część ziarn z wodami poprzez szelf dostaje się do głębi mórz i oceanów. Wszystkie procesy, którym podlegają ziarna piasku kwarcowego wpływają na rozmiary, kształty i morfologie ich powierzchni. Można zatem stwierdzić, że w każdej formie powierzchni Ziemi z jej stokami, obojętnie czy jest współczesna czy też powstała w czasie geologicznohistorycznym, czy występuje przy powierzchni ziemi czy też w stanie kopalnym, znajdują się zespoły mono- lub poligenetycznych ziarn piasku kwarcowego. Ziarna te, z nagromadzonymi na ich powierzchniach morfologicznie rozpoznawalnymi cechami procesów, którym podlegały przed ich osadzeniem i po osadzeniu w złożu, są świadkami artefaktami całej historii powstawania materiału mineralnego budującego tę formę i historii jej powstawania w otaczającym ją krajobrazie. Należy jednocześnie podkreślić, że na północnej półkuli w czwartorzędzie z różną częstotliwością występowały po sobie środowiska glacjalne, proglacjalne, peryglacjalne i ekstraperyglacjalne. W każdym z nich działały i działają swoiste procesy kształtujące i przekształcające budowę powierzchni Ziemi oraz budującego ją materiału litologicznego (Kopp, Jäger 1972; Kowalkowski 2006; Altermann i in. 2008; Degórski i in. 2010). Podobnie jak wszechświat, kula ziemska do dziś podlega prawu ewolucji i związanego z nim całemu systemowi zjawisk i procesów endo- i egzogenicznych. Każdy artefakt posiada swoistą dla niego morfologię zewnętrznej i wewnętrznej budowy, rozpoznawalną w różnych skalach wielkości, od poziomu

10 18 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski molekularnego do kamieni i odłamków skał, którą można określić przy wykorzystaniu współczesnych zaawansowanych technik spektroskopowych, mikroskopowych i tomograficznych. Techniki te pozwalają przybliżyć badaczy genezy skał i gleb do zawsze aktualnego twierdzenia Arystotelesa sprzed 2350 lat w stosunku do natury o wiele bardziej konieczna jest znajomość przyczyn oraz elementów niż ich późniejszych następstw (Arystoteles, 2001). Poznanie przyczyn powstawania zespołów nagromadzonych na powierzchniach ziarn piasku kwarcowego cech morfologicznych w ich ilościowych i jakościowych stosunkach powierzchniowych pozwala rekonstruować dawne i współczesne geograficzne środowiska powstawania zwietrzelin osadów i gleb. Umożliwia także sprecyzowanie procesów dzięki którym one powstały i następczo były przekształcane w profilowe układy poziomów genetycznych gleb o określonych cechach morfologicznych oraz właściwościach fizycznych, fizykochemicznych i chemicznych (Krinsley, Doornkamp 1973; Bull 1984; Mycielska-Dowgiałło 1988; Kowalkowski, Mycielska-Dowgiałło 1988, Kowalkowski, Kocoń 1991, 1998; Kozarski 1972, 1995; Kowalkowski, Degórski 2008) Ważniejsze fazy badań morfoskopowych Pierwszym badaczem, który zwrócił uwagę na cechy urzeźbienia ziarn piasku był H. C. Sorby (1880). Ustalając klasyfikację piasków wprowadził cechę zmatowienia ich powierzchni jako jeden z identyfikatorów. Badając ziarna piaskowe pod binokularem A. Cailleux (1942) interpretował zmatowienie ziarn kwarcu jako zagęszczenie na ich powierzchniach drobnych odpryśnięć powstałych przez uderzenia o siebie ziarn w procesie transportu eolicznego w środowisku peryglacjalnym. Jednak dopiero badania i ich wyniki publikowane w artykułach naukowych przez wiodącego geologa holenderskiego P. H. Koenena (1959, 1960) dotyczące genezy piasku, jego transportu, abrazji i akumulacji oraz cech morfologicznych, skierowały uwagę badaczy na ten składnik skał i cechy morfologiczne. Geneza zmatowienia ziarn piasku była pierwszym podstawowym krokiem i zarazem odskocznią rozwoju morfoskopii, której efektem było określenie form rzeźby. Przykładem celowości tej fazy badań jest mikrograf drobnego kryształu

11 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 19 kwarcu o całkowicie zmatowiałych ściankach w procesach biochemicznych (fot. 1). Na jego wierzchołkową część nałożyły się duże odpryśnięcia o kształcie kurzej łapki powstałe przez uderzenia saltacyjne piasku eolicznego (fot. 2). Wprowadzenie w początku lat sześćdziesiątych XX wieku do praktyki badawczej aparatury ultramorfoskopowej, pierwotnie mikroskopii elektronowej transmisyjnej (TEM) a Fot. 1. Mikrokryształ kwarcu z całkowicie matowymi ścianami i większymi strukturami abrazji mechanicznej w wierzchołkowej części. Poziom B gleby ciemnokasztanowej w środkowej części północnego stoku góry Bajan Ovo w środowisku współczesnego stepu suchego (Wyżyna Chałchaska, Mongolia, pow. 44x). Fot. 2. Struktura porowatej i ostrokrawędzistej kory wietrzenia biochemicznego w środowisku wilgotnym oraz odpryśnięcia o kształcie kurzej łapki powstałe wskutek uderzania saltacyjnych ziaren na suchej powierzchni stoku (fragm. fot. 1, pow. 2000x). następnie mikroskopii elektronowej skaningowej (SEM), spowodowało intensyfikację badań nad urzeźbieniem powierzchni ziarn piasku kwarcowego, a także wielu innych minerałów skałotwórczych, pierwotnych jak i wtórnych z różnych środowisk sedymentacyjnych oraz różnych stref klimatycznych a także kontynentów. Była to faza intensywnych poszukiwań identyfikatorów cech znajdowanych na ziarnach i prób ich klasyfikacji. W końcu lat siedemdziesiątych XX wieku pojawiły się pierwsze opracowania koncepcyjne. S. W. Margolis i J. P. Kennett (1970) stwierdzili, że nie jedna

12 20 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski cecha a ich kombinacja na powierzchni ziarn kwarcu może być wykorzystana do identyfikacji genezy danego sedymentu. R. Higgs (1979) podsumowując różne dotychczasowe klasyfikacje wyróżnił 30 odmian form rzeźby ziarna, spośród których 22 formy uznał jako szczególnie charakterystyczne i diagnostyczne dla określonych środowisk. Ostrzegł jednak, że w różnych środowiskach mogą powstawać identyczne formy rzeźby poszczególnych ziarn. Szczególnym osiągnięciem było wówczas opublikowanie Atlasu tekstur powierzchni ziarn piasku kwarcowego przez D.H. Krinsley a i J. C. Doornkampa (1973) na Uniwersytecie Cambridge. Atlas ten dotąd jest uznawany za standard dla związków między teksturami powierzchni ziarn piasku kwarcowego a procesami wietrzenia, transportu i sedymentacji z punktu widzenia następstw tych procesów w czasie i przestrzeni dla 8 środowisk geograficznych. Udokumentowane mikrografami studium dotyczące piasków kwarcowych w sedymentach, jako dostarczycieli informacji o minionych geologicznych środowiskach, o bardzo istotnym znaczeniu metodologicznym, opublikowali również D. H. Krinsley z Uniwersytetu Cambridge oraz I. J. Smalley z Uniwersytetu Leeds (1972). W Polsce prekursorami badań ultramorfoskopowych zespołów ziaren piasku kwarcowego różnych środowisk sedymentacyjnych byli E. Mycielska-Dowgiałło (1963, 1976, 1980) z Uniwersytetu Warszawskiego, St. Kozarski (1972) z Uniwersytetu Poznańskiego oraz Z. Brogowski i J. Kocoń z SGGW w Warszawie (1984). Ich uczniem został w końcu lat siedemdziesiątych minionego wieku A. Kowalkowski, współautor niniejszego artykułu, realizujący wówczas zaawansowane badania o znaczeniu metodycznym nad ewolucją środowisk genezy i pedogenicznych przekształceń współczesnych, reliktowych i kopalnych gleb różnych środowisk morfotwórczych i klimatycznych. Badania swoje prowadził w tundrze i lasotundrze, stepie i półpustyni w Mongolii, w glebach tundry północnej Skandynawii, w glebach z cechami środowisk paleoperyglacjalnych w Polsce oraz w materiale gleb zmarzlinowych z Oazy Bungera na Antarktydzie, życzliwie przekazanych przez profesora S. Z. Różyckiego z Instytutu Geologii Uniwersytetu Warszawskiego (Kowalkowski i in. 1980; Kowalkowski, Brogowski 1983, Kowalkowski, Mycielska-Dowgiałło 1980, 1983, Kowalkowski 1983a, 1983b). Do ważniejszych wyników kontynuowanych w kolejnych latach badań należy odkrycie, iż uwięzione w masie lodowca na Spitsbergenie (Kowalkowski 1988b) ziarna mineralne, także ziarna piasku kwarcowego, mają cechy

13 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 21 intensywnego wietrzenia kriofizycznego i kriochemicznego w obecności osadzonych z powietrza związków organicznych. W wyniku sprzężonych procesów tych dwu typów wietrzenia (kriofizycznego i kriochemicznego) następuje mikrozłuszczanie oraz mikrorozpad ziarnisty. W środowisku glacjalnym na powierzchniach ziaren piasku kwarcowego powstaje ciągła warstwa zwietrzeliny o średnicach ziaren 0,10-0,002 mm, adsorbująca silnie mineralizowane niezamarznięte roztwory powstałe z lodu, tworzące ciągłe otoczki. W nich, wskutek dynamiki temperatur i różnych stężeń mineralizacji wód, przebiegają procesy przemiennego kriochemicznego roztwarzania i flokulacji związków mineralno-organicznych, migracji roztworów i mikrosegregacji ziarn zwietrzeliny. Przykłady takiej pokrywy zwietrzelinowej i sferycznych form mikrosegregacji ilustrują mikrografy nr 3 i 4. Fot. 3. Silnie matowa powierzchnia o reliefie niskim, wewnątrz z gładkimi owalnymi mikropolami, na ziarnie piasku kwarcowego wytopionego z termicznie czynniej warstwie lodowca Aavatsmark na Spitsbergenie (pow. 300x). Fot. 4. Poznanie (odkrycie) warstwy ostrokrawędzistych łusek kwarcu wietrzenia kriofizycznego, częściowo w mikrowałach segregacji mrozowej, otaczających odsłonięte gładkie podłoże ziarna (fragm. Fot. 3, pow 2000x). Wśród licznych publikacji początku lat osiemdziesiątych XX wieku istotne znaczenie mają prace S. J. Culvera ze współautorami (1983) oraz P. A. Bulla (1984, 1986) nad zastosowaniami statystyki w procedurach określania środowisk

14 22 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski geograficznych, na podstawie tekstur powierzchni ziarn piasku kwarcowego przy pomocy mikrografów SEM. P. A. Bull proponuje procedurę przygotowania próbek ziarn do analizy SEM spełniającą wymogi statystyki. Wyróżnia 34 najbardziej powszechnie występujących i zdefiniowanych procesów cech morfoskopowych zgrupowanych w mechanicznych, morfologicznych i chemicznych kategoriach tekstur udokumentowanych w większości mikrografami SEM. Zastrzega jednak, że ich wykorzystanie można traktować jako metodyczny przewodnik obecności tekstur a nie jako ostateczne morfologiczne prawo. Cechy te, w diagramie relatywnych do 100% obecności na powierzchniach ziaren piasku kwarcowego, są odniesione do 10 prostych środowisk i do 4 kompleksowych środowisk procesów modyfikacji powierzchni ziaren. Najważniejsze wnioski proceduralne wynikające z tej publikacji to wskazania, iż próbki powinny być kodyfikowane przed analizą, wszystkie analizy SEM powinny być starannie wykonane, zestawienia obecności cech dla każdego badanego rodzaju środowiska powinny być opublikowane w celu udostępnienia badaczom, każdy badacz parający się analizą SEM powinien znać na bieżąco literaturę, a wyniki analizy SEM powinny spełniać warunki analizy statystycznej jeśli procedura badań była prawidłowa. Zasady te znajdują praktyczne zastosowanie w kolejnych pracach autorów niniejszego artykułu (Kowalkowski 1998; Kowalkowski, Degórski 2008). 3.3 Podstawowe paradygmaty metodologiczne przyczynowej interpretacji morfoskopowej W cytowanym przez D. H. Krinsley a i I. J. Smalley a (1972), za Blake i Laplacem twierdzeniu, iż należy widzieć świat w ziarnie piasku kryją się niezwykłe i ważne założenia metodologiczne. W rozpatrywanym przypadku chodzi o zaawansowane-odkrywcze badania realizowane przy zastosowaniu morfoskopii SEM. Według naszego doświadczenia bezpośrednio założenia te dotyczą kolejno osobowości badacza, właściwości doboru przedmiotu badań i podstawowych założeń metodologicznych badań morfoskopowych. Łącznie warunkują one jakość i wiarygodność osiąganych wyników badań. Zakładamy, że interpretacja morfoskopowa ziarn piasku kwarcowego w ocenie heterogenicznego systemu procesów geomorfopedogenicznych ma sine qua

15 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 23 non odkrywczy charakter. Uczony realizujący tego rodzaju badania powinien posiadać odpowiednie doświadczenie i stale aktualizowaną interdyscyplinarną wiedzę. Chodzi tu o szeroką ciągłą aktualizację w zakresie postępu wiedzy w dziedzinach nauk o Ziemi, szczególnie nauk przyrodniczych, dotyczącego dawnej i współczesnej ewolucji krajobrazów z ich składnikami, łącznie z człowiekiem. Wiedza ta i innowacyjna praktyka badawcza oraz rozwinięta na ich podstawie intuicja badawcza, powinny umożliwiać ewolucyjne i systemowe rozpatrywanie zbiorów danych badawczych w formie mikrografów ilustrujących zbiory następujących po sobie generacji cech morfologicznych nagromadzonych na różnych częściach powierzchni wyselekcjonowanych badanych ziarn. Niewątpliwie badacz w tym przypadku powinien posiadać spostrzegawczyodkrywczy umysł, łatwość organizacji odpowiedniego warsztatu i zdolność zachowania niezbędnej naukowej ostrożności w formułowaniu wniosków. U podstaw jego postępowania powinna być arystotelesowka zaktualizowana logika i intuicyjne dążenie do poznawania prawdy, przy zastosowaniu możliwie najnowocześniejszych metod badawczych, jaki daje rozwój nauki. Takie możliwości są przybliżane przez morfoskopię, która ewaluuje w sposób ciągły, tak jak postępuje rozwój technik analitycznych. Przedmiotem badań morfoskopowych są zatem zbiory ziarn piasku kwarcowego tworzone na podstawie odpowiedniej wiedzy o badanym obiekcie, budujących go warstw skał i poziomów genetycznych gleb. Wiadomo, że w warstwach zwietrzelin in situ i w warstwach osadów na powierzchniach znajdujących się w nich ziarn piasku kwarcowego znajdują się zbiory cech wszystkich procesów poprzedzających sedymentację i procesów wietrzeniowych in situ do momentu powstania badanej formy morfologicznej powierzchni ziemi z jej ustabilizowanymi stokami. Na te abiotyczne cechy od powierzchni ziemi nałożyły się cechy biotycznej pedogenezy w postaci poziomów genetycznych powstających w zmieniających się w czasie środowiskach i krajobrazach. Paradygmat ten ilustrujemy dwoma mikrografami powierzchni ziarna piasku kwarcowego z poziomu Bv przedstawiające oskorupienie indykacyjne dla poziomu sideric, nałożone w biotycznej fazie ewolucyjnej w środowisku paleoperyglacjalnym na

16 24 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski zróżnicowane podłoże cech morfologicznej fazy ewolucyjnej powierzchni ziemi (fot. 5, 6). Fot. 5. Fragment powierzchni ziarna o zróżnicowanym reliefie niskim i średnim o zaokrąglonych krawędziach, z rozproszonymi ziarnami i płytkami luźnego detrytu wietrzeniowego oraz ziarnami i płytkami wytrąceń chemicznych, w poziomie Bv gleb rdzawych bielicowych na Równi pod Śnieżką. Biała ramka intuicyjnie wyznacza powierzchnię do powiększenia (pow. 1000x) Fot. 6. Poznanie (odkrycie) oskorupienia o ziarnistej teksturze, diagnostycznego dla środowiska peryglacjalnego suchego i indykatora reliktowego diagnostycznego poziomu glebowego sideric, diagnostycznego dla typu gleb rdzawych (fragm. fot. 5, pow x) U podstaw metodologii interpretacji morfoskopowej ziarn piasku kwarcowego w ocenie systemu procesów geomorfopedogenetycznych powinny znajdować się dwa systemy rozpoznawania zbiorów cech powstałych w systemie procesów na powierzchni ziarn i wyjaśniania przyczyn ich powstawania, zgodnie z teorią ewolucyjnego rozpatrywania zjawisk przyrodniczych zaproponowaną przez R. Riedla (2000). Terminologię proponowanej teorii poznawczej przedstawia ryc. 2.

17 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 25 Teoria ta znajduje się w ścisłym związku z naukami przyrodniczymi i geograficznymi, a więc także z geomorfologią i pedologią zajmującymi się przyczynowymi opisami strukturalnych cech artefaktów znajdujących się w objętościach form morfologicznych powierzchni Ziemi i w ciałach glebowych nazywanych pedonami i polipedonami. Ryc. 2. Terminologia systemu procesów pozyskiwania wiedzy, w ogólnej formie (w środkowej części) oraz przeciwstawienia procesów poznawania (A) i wyjaśniania (B), zaproponowana przez R. Riedla (2000) Zdobywanie wiedzy opartej na doświadczeniu lub logicznym oczekiwaniu w procesie poznawania ma cechy racjomorficzne, przybliżające poznanie, nie zawsze racjonalne. Ukierunkowane na prawa aktualizmu, osiągane jest często na drodze intuicji badacza. Założenia racjomorficzne ma także proces wyjaśniania, działa jednak świadomie. Jego efekty uważane są za racjonalne konstrukcje zarówno paradygmatyczne, jak i naukowe. Proces wyjaśniania zawiera elementy porównywalne z procesem poznawania, zależy bowiem od niego i jest przydatny do rozwiązywania kompleksowych problemów poznawczych. Do nich należą także przyczynowe interpretacje nieraz kilku generacji cech morfoskopowych trwale nagromadzonych na powierzchniach ziaren piasku kwarcowego. A przecież

18 26 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski piaski nigdy nie spoczywają na stałe. Podczas ich niepowstrzymanych inwazji powodują zagrożenia powierzchni Ziemi i ją zmieniają. 4. Praktyczne wykorzystanie metod SEM w interpretacji rozwoju zróżnicowanych krajobrazów środkowej i północnej Europy 4.1. Ultramorfoskopowa indykacja środowisk powstawania substratów i ich przekształceń pedogenicznych Przedstawione w niniejszym rozdziale wyniki badań nawiązują do studiów prowadzonych przez autorów w pięciu obiektach modelowych na obszarze środkowej i północnej Europy, charakteryzujących się zróżnicowaniem pod względem czasu rozwoju, jak i procesów morfogenetycznych (Degórski i in. 2010). Obiekty te usytuowane były: - w północnej Laponii Fińskiej (okolice Kevo), na utworach eoholoceńskoneoholoceńskie, z wietrzeniem in situ i sedymentacją fluwialną materiału glebowego w eo- i mezoholocenie z peryglacjalną i ekstraperyglacjalną fazą procesów pedogenicznych - na Półwyspie Hel (okolice Juraty), o powierzchniowych utworach mezoholoceńsko-neoholoceńskich, z następującą po sobie morską i eoliczną sedymentacją materiału, - na Wysoczyźnie Podlasko-Białoruskiej (okolice Białowieży), o powierzchniowych utworach neoplejstoceńsko-holoceńskich, redeponowanych z sedymentów zwałowych moren dennych starszych zlodowaceń i osadów glacjofluwialnych Vistulianu, silnie przekształconych w okresie Vistulianu peryglacjalną inicjacją pedogeniczną i holoceńską ekstraperyglacjalną fazą pedogeniczne, - na Mierzei Schaabe (okolice Glowe), z młodoholoceńską pokrywą glebową, wykształconą w piaskach morskich, charakteryzującą się współcześnie zmiennym w czasie i przestrzeni aktywnym środowiskiem sedymentacyjnym,

19 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 27 kształtowanym przez procesy destrukcyjne abrazji brzegowej, transportu, sedymentacji, deflacji, - w Karkonoszach (Równia pod Śnieżką), w utworach plejstoceńskoholoceńskich powstałych z górskich granitowych zwietrzelinach Równi pod Śnieżką, z dominacją peryglacjalnych plejstoceńskich i holoceńskich faz pedogenicznych. Pobrany z powierzchni modelowych materiał glebowy posłużył autorom do dalszych prac analitycznych. Znalezione na powierzchniach ziaren piasku cechy teksturalne, odpowiednio do propozycji P. A. Bulla (1986), podzielono na trzy kategorie główne cechy morfologiczne na całej powierzchni ziaren oraz cechy właściwości mechanicznych i chemicznych występujących na fragmentach ziaren. Wymienione trzy nadrzędne zgrupowania indykacyjne składają się z kategorii i podkategorii: - w morfologii powierzchni ziaren są to rzeźba powierzchni, kształt ziaren oraz matowość i połysk ścian powierzchni z 9 cechami widocznymi przy powiększeniach około 100x, - w cechach mechanicznych właściwości wyróżniono kategorie odciśnięć, odpryśnięć, rozsadzania, złuszczania, wyłamań, przełamów, rozłamań, rozpadu, wysychania z 39 podkategoriami, rozpoznawalnymi w powiększeniach powyżej 1000x, - w cechach chemicznych z kategoriami naskorupień, oskorupień i wytrawiania z 22 podkategoriami przy powiększeniach powyżej 2000x. indykacyjne poszczególnych ziaren jest możliwe przy uwzględnieniu geomorfogenicznego środowiska ich pochodzenia. W prezentowanych badaniach są to środowiska zwietrzelinowe in situ, morenowe, fluwialne, plażowe, wałów brzegowych i wydmowych, z odpowiadającymi procesami litopedogenicznymi oraz zróżnicowanymi uwarunkowaniami fitosocjologicznymi (sukcesją zbiorowisk roślinnych). Zespoły cech diagnostycznych, pozwalających przypisać je określonym środowiskom.

20 28 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski Środowisko zwietrzelinowe Do celów porównawczych służą mikrografy niezmienionego przez procesy wietrzenia mechanicznego i chemicznego odłamka graniastego z wysokim reliefem, ostrokrawędzistego krzemienia pochodzącego z namywów morskich na Mierzei Schaabe w poziomie C gleby bielicowej (fot. 7 i 8). Odłamek ten powstał podczas silnej saltacji morskiej buł krzemieni pochodzących z czynnego morskiego klifu kredowego na północnym wybrzeżu półwyspu Jasmund. Krótki jego transport morski do miejsca osadzenia na plaży Mierzei Schaabe oraz jego występowanie w profilu poniżej zasięgu procesu pedogenicznego w osadzie, skutkowały brakiem ultramorfoskopowych cech które mogłyby wskazywać na lito- i pedogenetyczne przekształcenia powierzchni tego odłamka w miejscu jego osadzenia. Z porównania obecności cech środowiskowych na powierzchniach ziarn piasku z poszczególnych punktów badań wynika, ze najbardziej jednorodne z dochodzącym do 100% udziałem cech charakterystycznych są poziomy gleb wytworzonych z kwaśnych utworów mrozowego wietrzenia na Równi pod Śnieżką w Sudetach i w okolicy Kevo w Fińskiej Laponii, bez względu na ich zróżnicowany odpowiedni poźnoplejstoceński i eoholoceński wiek (tab. 1). Cechami diagnostycznymi ziarn są dominujące graniaste kształty, z wysokim i średnim reliefem na powierzchniach ziarn kwarcu zarówno błyszczących jak i matowych, w stosunkowo młodej holoceńskiej zwietrzelinie w okolicach Kevo. Na starym zrównaniu pod Śnieżką natomiast, zwietrzelina plejstoceńska składa się z ziarn graniastych o zróżnicowanym reliefie - wysokim, średnim i niskim z ostrymi krawędziami i narożami, zaawansowanego wietrzenia mechanicznego i dominującym kształcie sferycznym, zbliżającym się do ostrokrawędzistej kuli, z przewagą powierzchni matowych nad błyszczącymi wskutek znacznie silniejszego niż w Kevo ich zwietrzenia pedogenicznego (tab. 1, fot. 9, 10).

21

22 30 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski Fot. 7. Gładkościenna, graniasta płytka odłamka krzemienia, naturalny matowy połysk, relief wysoki i średni ostrokrawędzisty, na krawędziach kawerny wyłamań o muszlowym przełamie, brak cech transportu wodnego i eolicznego (pow. 72x, poziom C, głębokość cm, Mierzeja Schaabe, namywy morskie). Fot. 8. Niezmienione gładkie ściany z przełamami wyłamań muszlowych na krawędzi ziarna krzemienia z linijną teksturą krystalizacyjną (pow. 3000x, fragment ziarna na fot. 7). Fot. 9. Sferoidalne graniaste ziarno kwarcu o średnim i wysokim reliefie z ostrokrawędzistymi, muszlowymi ściankami błyszczącymi ziarnistego i płytkowego wietrzenia mechanicznego (pow. 94x, poziom Ees, głębokość 8-10 cm, Równia pod Śnieżką, reliktowe peryglacjalne zrównanie). Fot. 10. Graniasty kształt powierzchni o średnim i wysokim reliefie z ostrokrawędzistymi muszlowymi ściankami błyszczącymi, część ścianek matowa wskutek chemicznego procesu wytrawiania i naskorupień w szczelinach mrozowego rozsadzania, brak cech transportu (pow. 300x, fragm. fot. 9).

23 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 31 Minerały łatwiej wietrzejące chemicznie, np. skalenie, mają wprawdzie zachowane cechy reliktowe kształtu graniastego oraz wysokiej i średniej rzeźby mrozowej mechanicznego wietrzenia, których powierzchnie, wskutek intensywnego pedogenicznego wytrawiania gąbczastego i naskorupień z nałożonym pelitowym złuszczaniem oraz płytkowym rozpadem, ulegały całkowitemu zmatowieniu, ze zmianą kształtu ziarna do zaokrąglonego i półzaokrąglonego z ostrościenną średnią i niską rzeźbą (fot. 11, 12). Na powierzchniach badanych ziarn z poziomów glebowych na Równi pod Śnieżką, gdzie przez długie okresy czasu w plejstocenie a także w chłodnych okresach holocenu, panowało środowisko tundry, cechy mrozowego wietrzenia mechanicznego i chemicznego łącznie pokrywają do 120% powierzchni ziarn i mają większe wymiary niż w okolicach Kevo z eoholoceńskim wiekiem zwietrzelin i gleb. Warto jednak podkreślić, że w obu środowiskach na powierzchniach ziarn piasku nie występują cechy ultramorfoskopowe transportu lodowcowego i wodnego, a cechy transportu eolicznego znaleziono na sporadycznych ziarnach kwarcu w okolicach Kevo Środowisko morenowe Dużą różnorodnością pierwotnych środowisk pochodzenia charakteryzują się ziarna piasku kwarcowego w osadach zlodowacenia środkowopolskiego w Puszczy Białowieskiej, a także w neoholoceńskich osadach namywów morskich na Mierzei Schaabe, pochodzących z aktywnych jeszcze współcześnie dwu klifów nadmorskich u jej nasad. W badanych osadach dominują ziarna o zaokrąglonym kształcie z dużym udziałem ziarn półzaokrąglonych oraz średnim i wysokim reliefem powierzchni powstałych w środowisku glacjalnym. Charakteryzują je reliktowe współcześnie szerokie i głębokie przełamy, często o błyszczących powierzchniach i krawędziach zaokrąglonych przez młode wyłamania. (fot. 13, 15). Na Mierzei Schaabe młodszy znacznie materiał morenowy północnorugijskiej fazy zlodowacenia Wisły zawiera ziarna o zaokrąglonym i półzaokrąglonym kształcie, a także znacznie liczniejsze ziarna o kształcie półgraniastym i graniastym oraz o reliefie średnim i niskim, przeważnie o

24 32 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski błyszczących powierzchniach, w porównaniu z materiałem moreny białowieskiej. Przy 2,5-krotnym większym pokryciu powierzchni ziarn cechami wietrzenia mechanicznego niż chemicznego, łącznie cechy te pokrywają w około 200% powierzchnię badanych ziarn. Do momentu ich wymycia z osadów lodowcowych w ścianie klifu nie podlegały one holoceńskim procesom wietrzenia i zachowały swoje pierwotne cechy nabyte w środowisku glacjalnym i proglacjalnym, jeśli w złożu glacjalnym nie podlegały oddziaływaniu procesów pedogenetycznych. Wśród ziarn pochodzenia glacjalnego w materiale morenowym Puszczy Białowieskiej zawierającym około 80% materiału glacjalnego, a na Mierzei Schaabe około 68% występują także prawie niezmienione ziarna piasku pochodzące z osadów egzarowanych w podłożu transgredującego lodowca, z wcześniej już przekształconymi w środowiskach glaciofluwialnych i niweoeolicznych ziarnami z cechami diagnostycznymi tych środowisk transportu zwietrzelin a także wytopione z masy lądolodu ziarna już przekształcone przez wcześniejsze procesy pedogeniczne (Kowalkowski, Kocoń 1991). Zróżnicowanie stosunków ilościowo-jakościowych składu ziarn piasku z różnych starszych i młodszych środowisk nieglacjalnych w stosunku do ziarn środowiska glacjalnego jest bardzo duże, nie tylko w obszarze zlodowaceń, ale także w obrębie lokalnych zasięgów osadów (Cailleux 1942).

25 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 33 Fot. 11. Sferoidalne ziarno skalenia z reliktowym kształtem graniastym i reliefem wysokim oraz średnim granularnego i blokowego rozpadu mechanicznego, całkowicie zmatowiałe i zaokrąglone wskutek dominacji młodszych procesów chemicznych wytrawiania i naskorupień oraz następczego pelitowego złuszczania (pow. 72x, poziom AhE, głębokość 4-8cm, Równia pod Śnieżką, peryglacjalne zrównanie). Fot. 12. Gąbczaste wietrzenie chemiczne z siecią kawern wytrawiania oraz gładkimi ściankami błyszczącymi następczego mechanicznego rozpadu (pow x, fragm. fot.11). Fot. 13. Sferoidalne półgraniaste i półzaokrąglone ziarno kwarcu o średnim i wysokim reliefie, błyszczące ściany przełamów muszlowych z krawędziami częściowo ostrymi i zaokrąglonymi przez wyłamania i odpryśnięcia naciskowe egzaracji lodowcowej (pow. 72x, poziom AhE, głębokość 2-10cm, Białowieża, kongeliflukcyjne osady moreny końcowej). Fot. 14. Sferoidalne zaokrąglone ziarno kwarcu o niskim reliefie oraz wyrównanej przez oskorupienia i częściowo wybłyszczonej powierzchni przez transport wodny, z zaokrąglonymi, wypukłymi krawędziami reliktowymi głębokich wyłamań i szerokich łukowatych odpryśnięć egzaracji i transportu lodowcowego (pow. 72x, poziom C, głębokość cm, Białowieża, fluwioglacjalny osad pod pokrywą kongeliflukcyjną morenowego materiału).

26 34 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski Środowisko plażowe Ziarna piasku kwarcowego z plażową obróbką występują w punkcie badań Puszcza Białowieska, sporadycznie w osadach morenowych, głównie jednak w badanych piaskach glacifluwialnych, w których ich zawartość średnio wynosi 21%. Na Półwyspie Hel ich zawartość w badanych osadach plażowych pod wałami brzegowymi jest wysoka i średnio wynosi 75,2%, a w badanych osadach morskich Mierzei Schaabe 21,1%. Do cech diagnostycznych takich ziarn piasku należy dominujący, średnio od 77,2 do 82,5% pokrycia powierzchni, zaokrąglony i spłaszczony kształt oraz niski relief na średnio od 76,5 do 85,5% pokrycia powierzchni, zazwyczaj błyszczącej (fot. 15, 16, 17), w związku ze stosunkowo małą obecnością cech wietrzenia chemicznego, od średnio 20 do 28% powierzchni ziarn. Wyjątkiem są stare plejstoceńskie ziarna plażowe w Puszczy Białowieskiej, na powierzchni których cechy chemicznych procesów zajmują średnio 78,5%, co może być związane z długotrwałymi, od co najmniej późnego plejstocenu, procesami pedogenezy w kwaśnym i zakwaszającym się w holocenie środowisku glebowym. Charakterystyczna jest także dla tych ziarn stosunkowo duża obecność cech mechanicznej obróbki, średnio od 96,3 do 133,5% powierzchni badanych ziarn piasku kwarcowego. Głównie są to ciągłe powierzchnie pokryte drobnymi i płytkimi V-kształtnymi i półokrągłymi ostrokrawędzistymi zagłębieniami odpryśnięć i linijnych lub dendrytopodobnych wyłamań transportu brzegowego i plażowego, dobrze rozpoznawalnymi na mikrografach przy powiększeniach 8000x o jednokierunkowym układzie, szczególnie na spłaszczonych i wypukłych częściach ziarn (fot. 16, 17, 18). Znacznie rzadziej są to głęboko wcięte półkoliste, dendrytowe i wielobokowe reliktowe wyłamania z wewnątrz gładkimi błyszczącymi ściankami i dnami posiadającymi

27 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu 35 Fot. 15. Sferoidalne półgraniaste i półzaokrąglone ziarno kwarcu o reliktowym reliefie wysokim i średnim transportu lodowcowego oraz z zaokrąglonymi krawędziami i wypukłościami o reliefie średnim i niskim morskiego transportu, krawędzie silnie wyłamane z powierzchniami ścianek błyszczącymi i zmatowiałymi (pow. 94x, poziom C, głębokość cm, Półwysep Hel, wał brzegowy). Fot. 16. Sferoidalne półzaokrąglone i zaokrąglone ziarno kwarcu o niskim reliefie dominującym i częściowo średnim, wybłyszczone z obróbką plażową, liczne relikty wyłamań płytkowych i ziarnistych z przełamami muszlowymi transportu lodowcowego (pow. 78x, poziom Bfe, głębokość 70-78cm, Półwysep Hel, wał brzegowy). Fot. 17. Reliktowe wyłamania z błyszczącymi ostrokrawędziastymi ściankami o przełamach muszlowych, górne krawędzie zaokrąglone, na wyrównanej powierzchni liczne częściowo nakładające się odpryśnięcia V-kształtne i półkoliste jednokierunkowe mechanicznej obróbki plażowej i morskiej (pow. 3000x, fragm. fot. 16). Fot. 18. Sferoidalne zaokrąglone i spłaszczone ziarno kwarcu o niskim reliefie, silnie wygładzone i wybłyszczone z nielicznymi reliktami średniego i wysokiego reliefu dużych wyłamań i odłaman muszlowych łukowatych (pow. 86x, poziom D, głębokość cm, plaża pod wałem brzegowym, Półwysep Hel).

28 36 Marek Degórski, Alojzy Kowalkowski cechy muszlowych przełamów, różnokierunkowo wyłamanymi z ostrymi i równymi graniami, będące wskaźnikami wcześniejszego glacjalnego środowiska (fot. 17, 18, 19). Na licznych ziarnach znajdują się także linijne półkoliste rysy, o zaokrąglonych krawędziach, przecinające zarówno wyniesione, jak i obniżone płaszczyzny zaokrąglonej powierzchni tych ziarn. Są to pozostałości dużych przełamów muszlowych powstałych w środowisku glacjalnym i peryglacjalnym wskutek dezintegracji ciśnieniowej (naciskowej) oraz hydrotermicznego rozsadzania mikroszczelin, później w wodnym środowisku plażowym abradowanych mechanicznie z powierzchni ziarn (fot. 18) Środowisko wałów brzegowych Wały brzegowe badane na Półwyspie Hel powstawały w okresie ostatnich 3000 lat w fazie akumulacji przetransportowanych przez prądy morskie materiałów z klifów morskich odległych o około km. W związku z tym cechy ultramorfoskopowe na powierzchniach ziarn piasku tych osadów są podobne do materiału lodowcowego. Ziarna kwarcu mają przeważnie kształty falisto zaokrąglone i półzaokrąglone, niekiedy są półgraniaste oraz mają dominującą rzeźbę niską i średnią, z niewielką obecnością ziarn ze sporadycznymi cechami rzeźby wysokiej. Cechy wietrzenia mechanicznego, wynoszące średnio 104% oraz chemicznego - 23,7% łącznie zajmujące 127,7% powierzchni ziarn piasku (tab. 1), są jednak znacznie słabsze niż w badanym materiale morenowym w Puszczy Białowieskiej i na Mierzei Schaabe. Spowodowane jest to mechaniczną abrazją podczas transportu w płytkich wodach wybrzeża i przyplażowych. Na powierzchniach ziarn o kształcie półgraniastym i graniastym z rzeźbą średnią i wysoką znajdujemy liczne formy obróbki mechanicznej i chemicznego wietrzenia, będące reliktami glacjalnego i peryglacjalnego środowiska a także pedogenicznego wietrzenia chemicznego zachodzącego w środowisku późnego plejstocenu i holocenu, w miejscach ich pierwotnego osadzania i późniejszego pedogenicznego przekształcania w wale brzegowym. W wale brzegowym znajdują się także w postaci domieszki liczne ziarna plażowej obróbki (fot. 15, 16, 17, 18).

29 Możliwości rekonstrukcji rozwoju środowiska przy zastosowaniu Środowisko wydmowe Obecność ziarn z cechami wskazującymi na eoliczne przekształcenie ich powierzchni stwierdzono w niewielkiej ilości w materiale pochodzącym z górnych poziomów glebowych w wałach brzegowych - około 8% na Półwyspie Hel oraz w górnych poziomach gleb w ilości Fot. 19. Reliktowe ciągi długich łukowatych ostrokrawędziastych den wyłamań muszlowych, płaska, wyrównana powierzchnia zaokrąglona z licznymi skupieniami V-kształtnych i półokrągłych, częściowo nakładających się odpryśnięć mechanicznej obróbki plażowej jednokierunkowo usytuowanych na powierzchni ziarna kwarcu (pow. 3000x, fragm. fot.18). Fot. 20. Sferoidalne zaokrąglone zmatowiałe ziarno kwarcu o niskim i częściowo wysoką reliktową rzeźbą dużych wyłamań muszlowych o zaokrąglonych krawędziach, wypukłe krawędzie pokryte wyłamaniami i odpryśnięciami ziarnistymi mechanicznej obróbki eolicznej (pow. 72x, poziom Ees, głębokość 15-20cm, stropowa część wału brzegowego, Półwysep Hel). Fot. 21. Krawędź zaokrąglonego zmatowiałego ziarna kwarcu z U- i V-kształtnymi wielokierunkowymi wyłamaniami i odpryśnięciami obróbki mechanicznej eolicznej (pow. 300x, fragment fot. 20).