Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce: aktualny stan rozpoznania, postępy metodyczne i perspektywy badawcze

Transkrypt

1 Studia Limnologica et Telmatologica Jeziorne osady rocznie laminowane 5 (STUD LIM TEL) w północnej 1 Polsce Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce: aktualny stan rozpoznania, postępy metodyczne i perspektywy badawcze Annually laminated lake sediments in northern Poland: current state of exploration, progress in research methods and future outlook Wojciech Tylmann Katedra Geomorfologii i Geologii Czwartorzędu, Wydział Oceanografii i Geografii, Uniwersytet Gdański; geowt@ug.edu.pl Abstrakt: Jeziorne osady rocznie laminowane to nieocenione archiwum przeszłych zmian środowiska. W niniejszej pracy przedstawiono zagadnienia teoretyczne i terminologiczne związane z tworzeniem się i przetrwaniem laminacji w osadach oraz zaprezentowano podsumowanie wyników systematycznych poszukiwań terenowych prowadzonych w północnej Polsce i mających na celu odnalezienie nowych stanowisk zawierających jeziorne osady rocznie laminowane. Wybór jezior przeprowadzono w oparciu o cechy morfometryczne, takie jak głębokość i długość maksymalna. W efekcie procesu selekcji i prac terenowych sprawdzono 85 jezior i w 29 z nich stwierdzono osady laminowane. Najwięcej nowo odkrytych stanowisk zlokalizowanych jest w północno-wschodniej Polsce. Typ laminacji charakterystyczny dla badanych jezior to laminacja biogeniczna. Podstawowa struktura warwy może być zdefiniowana jako para lamin obejmująca jasną laminą wiosenno-letnią zbudowaną z autogenicznych węglanów (kalcyt) i ciemnej jesiennozimowej laminy zbudowanej ze składników detrytycznych. W kilku jeziorach stwierdzono bardziej skomplikowane struktury, z kilkoma laminami kalcytowymi deponowanymi w ciągu jednego roku lub większym udziałem materiału minerogenicznego. Wyniki analiz mikroskopowych cienkich szlifów i skanowania XRF wysokiej rozdzielczości podkreślają, że archiwa te dają możliwość uzyskania zbiorów danych o rozdzielczości rocznej, co jest niezwykle interesujące w kontekście szczegółowych badań zmian paleoklimatycznych i paleośrodowiskowych. Słowa kluczowe: osady rocznie laminowane, laminacja biogeniczna, struktura warw, północna Polska Abstract: Annually laminated sediments are invaluable archive of past environmental change. This paper presents theoretical and terminological issues related to formation of laminated sediments and their preservation, and results of systematic field survey in northern Poland with the aim of finding new sites containing annually laminated lake sediments. Selection of lakes was made according to morphometric variables, such as maximum depth and length. By following a selection process and fieldwork we checked 85 lakes and discovered 29 new varved sites. Most of the newly discovered sites are located in northeastern Poland. Biogenic lamination was found as characteristic type of lamination for the investigated lakes. Basic varve structure can be defined as a couplet with pale spring/summer layer composed of autochthonous carbonates (calcite) and dark fall/winter layer made of detritic components. In some of the lakes we found more complex varve structure with several calcite layers deposited during one year or with more significant minerogenic input. Results of thin sections analysis and high-resolution XRF scanning highlight that these archives provide possibility to obtain data sets of annual resolution, and thus should be of prime interest for detailed studies of paleoclimate and paleoenvironmental change. Key words: annually laminated sediments, biogenic lamination, varve structure, northern Poland

2 24 Wojciech Tylmann Wstęp Jednym z głównych problemów w badaniach przyrodniczych są aktualnie zmiany klimatyczne i wpływ człowieka na funkcjonowanie ekosystemów. Wiedza na temat tych zmian w przeszłości jest niezbędna w kontekście właściwej interpretacji procesów zachodzących obecnie i w najbliższej przyszłości. Ze względu na skalę czasową ważną dla społeczności ludzkich, pożądana informacja powinna mieć rozdzielczość czasową lepszą od okresu trwania ludzkich pokoleń, czyli dekadową lub najlepiej roczną. Nieocenione w tej kwestii są naturalne archiwa, które mają ciągły zapis zmian środowiska i mogą być precyzyjnie datowane. Takimi właśnie archiwami są jeziora z rocznie laminowanymi (warwowymi) osadami (Brauer 2004; Tobolski 2000). W czasie ostatnich kilkudziesięciu lat sekwencje tych osadów były często stosowane w rekonstrukcjach zmian środowiska i stały się jednym z ważniejszych źródeł informacji o lokalnych, regionalnych i ponadregionalnych zmianach na kontynentach (np. Bradbury, Dean 1993; Goslar i in. 1993; Schettler i in. 2006). Wspólnie z pierścieniami przyrostowymi drzew, naciekami jaskiniowymi, rdzeniami lodowymi i oceanicznymi dostarczają wiedzy niezbędnej do wnioskowania o dynamice zmian globalnych klimatu (Mackay i in. 2003). Stanowiska osadów rocznie laminowanych, dzięki którym uzyskano ważne informacje o zmianach paleoklimatycznych i paleośrodowiskowych w Europie znane są z obszaru Eifel w Niemczech (m. in. Brauer i in. 1999; Litt, Stebich 1999; Negendank, Zolitschka 1993), Szwajcarii (m. in. Lotter 1989) oraz północnej Europy (m. in. Ojala 2001; Renberg, Segerström 1981; Saarnisto 1986; Wohlfahrt i in. 1998). Z obszaru Polski znane jest szeroko jedno stanowisko jezioro Gościąż położone w centralnej Polsce (Ralska-Jasiewiczowa i in. 1998). Terminy lamina i warwa są w literaturze międzynarodowej jednoznacznie sprecyzowane. Pod pojęciem laminy rozumiana jest pojedyncza, dająca się rozróżnić makro- lub mikroskopowo warstwa, będąca efektem depozycji w określonym czasie, najczęściej sezonie lub półroczu. Jednakże pojedyncze laminy mogą być również zapisem depozycji następującej w okresie znacznie krótszym, do jednodniowych cykli włącznie (Simola, Tolonen 1981). Termin warwa natomiast oznacza zespół lamin odłożony w ciągu jednego roku. Warwa może składać się z różnej liczby lamin, w najprostszym układzie z dwóch (Brunskil 1969), ale znane są przykłady dobrze udokumentowanych warw składających się z trzech (Bull, Kemp 1996; Kelts, Hsü 1978), czterech (Renberg 1986; Dickman 1979) lub więcej lamin (Saarnisto i in. 1977). Najczęściej cechą pozwalającą w łatwy sposób wyróżniać poszczególne laminy jest barwa, jednakże niekiedy osad nie wykazuje znaczących zmian barwy i dopiero analiza uziarnienia lub składu biologicznego osadu uwidacznia różnice pomiędzy laminami. Historia stosowania pojęcia warwa liczy sobie już 150 lat. Choć szeroko rozpropagował je szwedzki badacz De Geer na początku XX stulecia (De Geer 1912), to już 50 lat wcześniej pojęcie to pojawiło się na jednej z pierwszych map Szwedzkiej Służby Geologicznej (Zolitschka 2007). W starszych opracowaniach termin warwa kojarzony był wyłącznie z osadami glacjalnymi rytmicznie warstwowanymi (iły warwowe), jednakże wraz z postępem badań nad osadami jeziornymi znaczenie tego pojęcia zostało rozszerzone. Jak podaje Renberg (1981) termin warwa oznacza osad zdeponowany w ciągu jednego roku, a więc nie jest on znaczeniowo związany z żadnym typem środowiska depozycji osadu. Obecnie przyjmuje się powszechnie, że jako osady warwowe można określać również osady jezior niezwiązanych bezpośrednio ze środowiskiem glacjalnym (Anderson i in. 1985; O Sullivan 1983; Sturm 1979; Saarnisto 1986, Zolitschka 2007), a także osady morskie i oceaniczne (Kemp 1996). Podstawowym warunkiem zaliczenia osadów laminowanych jako warwowe jest dający się jednoznacznie wyróżnić cykl roczny. W tym ujęciu termin osady warwowe można stosować zamiennie z terminem osady rocznie laminowane. Nie należy natomiast zamiennie stosować pojęcia warwowe i laminowane, gdyż sam fakt występowania w osadach struktur typu laminacji nie świadczy o ich rocznym charakterze. Największą zaletą osadów warwowych jest możliwość uzyskania ciągłej skali czasowej w latach kalendarzowych, która może być dodatkowo zweryfikowana poprzez datowanie metodami izotopowymi i radiometrycznymi (np. Hajdas i in. 2000; Lang, Zolitschka 2001; Lamoureux 2001). Ze względu na te walory warwowa skala czasu jest wręcz marzeniem paleolimnologów, ponieważ solidne ramy geochronologiczne są niezbędnym elementem wiarygodnych rekonstrukcji paleośrodowiskowych. Oprócz kontroli czasu, warwochronologia daje możliwość precyzyjnego obliczania tempa sedymentacji osadów w dowolnym fragmencie rdzenia bez konieczności interpolowania wartości pomiędzy punktami datowanymi. Kolejną zaletą jeziornych osadów rocznie laminowanych jest możliwość uzyskania rozdzielczości czasowej lepszej od jednego roku (np. Tiljander i in. 2002), co wynika z generalnie dużego tempa sedymentacji mieszczącego się zwykle w granicach od 0,5 do kilku milimetrów rocznie. Wysoka rozdzielczość analizy może być osiągnięta przez zastosowanie nowoczesnych technik analizy obrazu (Francus 2004), badań mikrostrukturalnych (Brauer 2004; Lamoureux 1994) oraz niedestrukcyjnych technik skaningowych (Zolitschka i in. 2001). Niezwykła waga informacji pozyskanych dzięki badaniom osadów rocznie laminowanych skłania do próby przeglądu postępów w ich badaniach dokonanych w Polsce w trakcie ostatnich kilku lat. Należy zaznaczyć, że niniejsza praca dotyczy osadów jezior współcześnie istniejących i nie będą tu przedmiotem rozważań osady warwowe plejstoceńskich zbiorników kopalnych. Po praktycznym zakończeniu intensywnych prac nad osadami jeziora Gościąż ukoronowanym wydaniem znakomitej monografii (Ralska-Jasiewiczowa i in. 1998), dopiero w kilka lat później pojawiły się pierwsze informacje na temat nowych stanowisk osadów rocznie

3 Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce laminowanych w północnej Polsce (Tylmann i in. 2006). Celem niniejszej pracy jest przedstawienie podsumowania poszukiwań terenowych prowadzonych przez autora w latach oraz zarysowanie perspektyw związanych z wykorzystaniem rozpoznanych stanowisk, zarówno w ramach już realizowanych projektów badawczych, jak i w przyszłych zamierzeniach. Ponadto ze względu na znaczący postęp metodyczny od czasu opublikowania przeglądowych prac dotyczących badań osadów laminowanych (Więckowski 1991; Goslar 1996; Tobolski 2000) warto również przybliżyć nowe techniki stosowane w analizach tychże osadów. Powstawanie laminacji rocznej w osadach i jej typy Laminacja roczna w osadach dennych tworzy się i zachowuje tylko w specyficznych warunkach. W kompleksowy sposób procesy prowadzące do depozycji osadów rocznie laminowanych w wodach słodkich przedstawia O Sullivan (1983) w swoim znakomitym przeglądzie ówczesnego rozeznania tematu. Praca ta była i jest nadal punktem wyjścia dla wszystkich opracowań syntetyzujących wiedzę w tym zakresie. Na podstawie analizy tego skomplikowanego obrazu zależności (ryc. 1) można w najprostszym ujęciu wyróżnić dwa fundamentalne uwarunkowania (Kemp 1996): (1) zróżnicowanie dostawy materii allochtonicznej, produktywności jeziora lub procesów chemicznych, które skutkuje zmianami w składzie osadów w cyklu rocznym; oraz (2) warunki, dzięki którym struktura lamin nie ulega niszczeniu przez bioturbację lub mieszanie osadów w wyniku procesów fizycznych. Pierwsze z uwarunkowań sprawia, że osady rocznie laminowane znajdowane są głównie w jeziorach obszarów charakteryzujących się klimatem o silnych kontrastach sezonowych. Zróżnicowanie termiczne i pluwialne jest odpowiedzialne za roczny rytm procesów fizycznych i chemicznych w samym jeziorze oraz jego zlewni, wpływa także na roczną sukcesję różnych grup organizmów w wodach jeziornych. Choć znakomita większość jezior na Ziemi położona jest w obszarach o odpowiednich warunkach klimatycznych, sekwencje osadów rocznie laminowanych są dość rzadkie. Kluczową rolę w tej kwestii odgrywają bowiem warunki przetrwania laminacji w osadach, które powinny zapewniać brak postdepozycyjnych zaburzeń w osadach. W związku z tym grawitacyjne przemieszczenia osadów, uwalnianie gazów w wyniku procesów rozkładu materii organicznej czy też aktywność organizmów bentosowych powinny być niezna- ATMOSFERA EKOSYSTEM JEZIORNY POWIERZCHNIA ZLEWNI Osad autochtoniczny Osad allochtoniczny GŁĘBOKIE JEZIORA MONOMIKTYCZNE, DYMIKTYCZNE I MEROMIKTYCZNE PŁYTKIE JEZIORA POLIMIKTYCZNE JEZIORA Z DUŻĄ ZLEWNIĄ LUB ZLEWNIĄ Z NIEUSTABILIZOWANĄ POKRYWĄ GLEBOWĄ Słaba lub niekompletna miksja, sezonowa lub stała anoksja przy dnie, organizmy bentosowe rzadkie lub nieobecne Sezonowy cykl sedymentacji i produkcji zachowany w rytmicznych zmianach składu osadu Wody bogate w jony węglanowe LAMINACJA BIOGENICZNA LAMINACJA WAPIENNA Wody bogate w żelazo I substancje humusowe Osady wymieszane dzięki ruchom wody lub działalności organizmów bentosowych LAMINACJA FERROGENICZNA Skład osadu względnie stały OSADY HOMOGENICZNE Silne sezonowe zróżnicowanie dopływu materiału allochtonicznego Tempo sedymentacji większe od zasięgu powierzchniowego mieszania osadów Rytmiczne zmiany składu osadu Jeziora dymiktyczne LAMINACJA KLASTYCZNA (sensu stricto) Jeziora monomiktyczne lub polimiktyczne LAMINACJA KLASTYCZNA (sensu lato) Ryc. 1. Uwarunkowania i procesy prowadzące do powstawania i przetrwania laminacji rocznej w osadach jeziornych (O Sullivan 1983, zmodyfikowane)

4 26 Wojciech Tylmann czące (O Sullivan 1983). Idealne jezioro powinno być dobrze osłonięte od wpływu wiatru, posiadać w miarę płaskie dno, a jednocześnie być wystarczająco głębokie, aby mieć rozwiniętą stratyfikację wód z przynajmniej okresowymi warunkami beztlenowymi w wodach przydennych. Stratyfikacja powoduje izolację wód profundalnych od mieszania turbulencyjnego, które natlenia wody powierzchniowe. Zasoby tlenu w hypolimnionie są więc szybko zużywane, a bioturbacja w osadach nie występuje lub jest bardzo ograniczona. Potwierdzeniem związku pomiędzy występowaniem warunków beztlenowych i osadów rocznie laminowanych jest stwierdzany fakt zgodności przestrzennego zasięgu występowania laminacji z obszarem dna pokrytym przez wody hypolimnionu w jeziorach dymiktycznych lub monimolimnionu w jeziorach meromiktycznych (Petterson i in. 1993). Pomimo coraz lepszego rozpoznania udokumentowanego w licznych pracach (Larsen, Mac Donald 1993; Larsen i in. 1998; Ojala i in. 2000; Zillén i in. 2003) wiedza na temat mechanizmów tworzenia się i przetrwania laminacji rocznej w osadach jest wciąż niekompletna. Kluczem do lepszego zrozumienia tego zagadnienia są badania współczesnych procesów sedymentacji osadów w powiązaniu z monitoringiem fizycznych i chemicznych właściwości wód (Terranes i in. 1999; Ohlendorf, Sturm 2001; Douglas i in. 2002; Bluszcz i in. 2008). Tego typu badania pozwalają powiązać procesy zachodzące w jeziorze z ich efektem sedymentacyjnym w postaci warstwy (laminy) osadu o określonym składzie. Pozwala to również uzupełniać wiedzę w zakresie możliwych typów laminacji, które stwierdzane są w osadach jezior różnych stref klimatycznych. W literaturze istnieje wiele opracowań przedstawiających różne mechanizmy sedymentacji osadów rocznie laminowanych. Jak zwykle w takich przypadkach bywa, istnieją różnorodne, mniej lub bardziej szczegółowe podziały, a ponadto tak samo rozumiane typy laminacji obdarza się różnym nazewnictwem. Dla przykładu O Sullivan (1983) wyróżnia laminację ferrogeniczną, wapienną, biogeniczną (okrzemkową), klastyczną oraz tzw. inne typy powstające głównie w strefie klimatu tropikalnego i suchego, zaznaczając jednocześnie, że stopień rozeznania w tej kwestii jest niewielki i nie pozwala na sprecyzowanie konkretnych typów. Saarnisto (1986) wyróżnia laminację okrzemkową, wapienną, ferrogeniczną i klastyczną. Lotter i Sturm (1994) proponują laminację fizyczną (klastyczną, allochtoniczną) oraz biochemiczną (autochtoniczną). Z kolei ci sami autorzy rok później (Sturm, Lotter 1995) proponują ten sam podział, jednak stosując inne nazewnictwo, mianowicie laminację klastyczną (odpowiednik fizycznej) oraz organiczną, która jest tożsama z biochemiczną. W polskiej literaturze Goslar (1996) wyróżnia laminację ferrogeniczną, biogeniczną (okrzemkową); wapienną i klastyczną, czyli jest to podział odpowiadający wcześniejszym wydzieleniom Saarnisto (1986), natomiast Tobolski (2000) wyróżnia laminy biogeniczne i klastyczne, co jest zdecydowanie bliższe podziałowi Sturma i Lottera (1995). Pomimo pozornych różnic większość z tych podziałów jest w istocie bardzo zbieżna, różnice dotyczą tylko szczegółowości wydzieleń i stosowanego nazewnictwa. Wydaje się, że pewne uporządkowanie wprowadzają najnowsze publikacje prezentujące zagadnienie powstawiania laminacji w osadach (Brauer 2004, Zolitschka 2007) wprowadzające trzy dobrze sprecyzowane typy laminacji: klastyczną, biogeniczną (organiczną) i ewaporacyjną. Te typy różnią się między sobą mechanizmami prowadzącymi do powstawania laminacji. W typie klastycznym głównym czynnikiem sprawczym jest sezonowe zróżnicowanie wielkości dopływu materii allochtonicznej ze zlewni, a osad składa się głównie z materiału minerogenicznego o zróżnicowanym uziarnieniu. W przypadku laminacji biogenicznej decyduje sezonowa zmienność produkcji biologicznej oraz procesów chemicznych z nią powiązanych, a także zróżnicowane nasilenie dopływu materiału minerogenicznego. W tym typie wyróżnić można kilka podtypów w zależności od dominujących procesów odpowiedzialnych za roczny rytm depozycji. Laminacja kalcytowa występuje w jeziorach o dużej dostawie jonów węglanowych i charakteryzuje się obecnością przynajmniej jednej jasnej laminy związanej z wiosenno-letnim wytrącaniem kalcytu z wody. Laminacja okrzemkowa jest wyróżniana na podstawie zmiennego udziału różnych grup okrzemek oraz detrytusu mineralnego i organicznego (coraz częściej laminacja taka przez badaczy skandynawskich określana jest jako klastyczno-organiczna). Laminacja ferrogeniczną natomiast jest charakterystyczna dla jezior miękkowodnych o małej zawartości wapnia i dużej zawartości żelaza, a mechanizm formowania lamin zależy głównie od zmian warunków tlenowych i potencjału redoks decydujących o rozpuszczalności związków żelaza. Laminacja ewaporacyjna natomiast powstaje w wyniku chemicznych procesów wytrącania minerałów z wody, związanych ze wzrostem zasolenia i ph w wyniku intensywnego parowania z powierzchni wody. To powoduje stan nasycenia i wytracanie minerałów, najczęściej kalcytu, aragonitu, gipsu i halitu. Szczegółowe charakterystyki poszczególnych typów przedstawione są w pozycjach literatury zacytowanych powyżej. W odczuciu autora tak zarysowany podział jest z jednej strony kompletny, a z drugiej strony wprowadzone zróżnicowanie na typy i podtypy porządkuje nie do końca konsekwentne podziały wcześniejsze. Postęp technologiczny w badaniach osadów laminowanych Jak w każdej dziedzinie nauki, również w badaniach laminowanych osadów jeziornych w ostatnich kilkunastu latach doszło do znacznych zmian związanych z postępem technologicznym. Niektóre z tych zmian można nazwać rewolucyjnymi, ponieważ pozwoliły one na uzyskiwanie zupełnie nowego wymiaru prowadzonych badań, zarówno w aspekcie jakościowym, jak i ilościowym. Kompleksową informację o aktualnym stanie zaawansowania tech-

5 Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce nik badawczych znaleźć można w kilkutomowej serii monograficznej Developments in Paleoenvironmental Research (DPER) wydawanej sukcesywnie od 2001 roku. Poszczególne tomy dotyczą konkretnych zagadnień i redagowane są przez osoby uznawane za autorytety w danej dziedzinie badań. Poniższy przegląd należy natomiast traktować jako wybór najważniejszych, zdaniem autora, kierunków zmian i osiągnięć w tym zakresie. Nie zawiera on zagadnień związanych z postępem technik numerycznych, kalibracji ilościowej danych proxy, czy też imponującej ilości nowych wskaźników paleośrodowiskowych stosowanych obecnie w badaniach paleolimnologicznych. Standardem w badaniach osadów laminowanych stało się potwierdzenie mechanizmu rocznej depozycji w postaci analizy materiału zgromadzonego w pułapkach sedymentacyjnych. Specjalne urządzenia z mechanizmem zmieniającym pojemniki pozwalają na śledzenie współczesnej sedymentacji w interwałach kilkunastodniowych lub krótszych. Ma to duże znaczenie, gdyż procesy sedymentacji osadów nie są jednostajne w cyklu rocznym. Tempo sedymentacji osadów zimą, w warunkach występowania pokrywy lodowej jest zazwyczaj bardzo niskie. Jak pokazuje przykład jeziora Sacrower (Bluszcz i in. 2008) depozycja kalcytu wiosną i wczesnym latem zachodzić może w kilku krótkich fazach. Również dostawa materiału minerogenicznego ze zlewni ma często charakter krótkich impulsów, które wykryć można tylko przy odpowiednio częstym pobieraniu próbek z pułapki. Aby uchwycić dynamikę współczesnych procesów sedymentacji w cyklu rocznym trzeba więc dysponować próbkami miesięcznymi lub pobranymi w jeszcze krótszych interwałach czasowych. Przy tak szczegółowym opróbowaniu możliwa jest identyfikacja okresów wzmożonej depozycji określonych związków lub pozostałości organizmów i powiązanie tych informacji ze składem poszczególnych lamin zachowanych w osadzie. Analiza struktury warw i elementów ją budujących jest wartościowym narzędziem pozwalającym na odtworzenie procesów formowania się warw, a dzięki temu również na rekonstrukcję warunków środowiskowych i klimatycznych w trakcie depozycji osadu. Obecnie podstawową techniką badań struktury warw są analizy mikroskopowe cienkich szlifów. Chociaż metoda ta jest znana od dość dawna, od kilku lat stała się ogólnie przyjętym standardem i niemal wyparła wcześniej stosowane techniki, np. analizę replik na taśmie przylepnej (Simola 1977), lub liczenie warw wprost z odsłoniętej powierzchni osadu. Samo przygotowanie próbek obejmujące pobór, impregnację i wykonanie cienkich szlifów jest niezwykle praco- i czasochłonne, jednak daje zdecydowanie najlepsze możliwości dokładnej analizy struktury. Różne sposoby impregnacji osadów do przygotowywania cienkich szlifów z osadów jeziornych omówione są dokładnie w pracy Boesa i Fagel (2005). Wysokiej jakości cienki szlif umożliwia identyfikację pozostałości organizmów lub rodzaju materiału budującego poszczególne laminy (ryc. 2). Dzię- Ryc. 2. Struktura warw biogenicznych na przykładzie osadów jeziora Łazduny (fot. D. Enters). Po lewej: obraz mikroskopowy trzech warw w świetle spolaryzowanym. Po prawej: powiększenie ukazujące strukturę pojedynczej warwy. Objaśnienia: Viv wiwianit, D okrzemki, Chry cysty złotowiciowców, AOM amorficzna materia organiczna, Cc kryształy kalcytu

6 28 Wojciech Tylmann ki temu można sprecyzować roczny cykl depozycji materiału na dnie badanego jeziora i określić podstawową strukturę warwy. Poprzez porównanie cech poszczególnych warw (miąższość, stopień zachowania pozostałości organizmów, wielkość kryształków kalcytu, ilość materiału minerogenicznego itp.) można natomiast wnioskować o rodzaju i intensywności zmian zachodzących w środowisku depozycji analizowanych osadów. Dzięki postępowi technicznemu znacznie zmienił się również sposób zliczania warw. Pierwotnie całość analizy, czyli określenie strukturalnych elementów warwy, ustalenie granic pomiędzy warwami oraz ich liczenie, odbywało się pod mikroskopem. Łatwo sobie wyobrazić jak wiele czasu zajmowała analiza np warw z jednego stanowiska. W niektórych przypadkach liczono warwy wprost z odsłoniętej powierzchni osadu, jeśli ich wyrazistość na to pozwalała. Powodowało to jednakże konieczność pracy w pomieszczeniu o odpowiednio niskiej temperaturze, w przeciwnym razie w trakcie czasochłonnego procesu ustalania granic pomiędzy warwami i ich liczenia dochodziło do stopniowego ubytku wilgotności osadu, prowadzącego do powstawania pęknięć i pogarszania się jakości powierzchni osadu. Kolejnym sposobem jest liczenie lamin z wysokiej jakości negatywów fotograficznych, co było praktykowane w przypadku jeziora Gościąż (Goslar 1993). Obecnie coraz częściej stosowaną techniką jest skanowanie cienkich szlifów w dużej rozdzielczości w skanerze płaskim, w świetle normalnym i z użyciem filtrów polaryzacyjnych. Światło spolaryzowane podkreśla kontrasty w barwie pomiędzy pojedynczymi laminami, dzięki czemu niekiedy ukazują się elementy, które na obrazie zeskanowanym w świetle normalnym są bardzo trudno dostrzegalne lub wręcz niewidoczne. Tak uzyskany obraz poddaje się obróbce graficznej mającej na celu głównie korekcję jasności, zwiększenie kontrastu i wyostrzenie granic (Saarinen, Petterson 2001). W niektórych przypadkach pomaga również przekształcenie obrazu kolorowego w czarno-biały. Efekty niekiedy w zaskakujący sposób poprawiają wizualne możliwości wyznaczania granic pomiędzy warwami (ryc. 3) i pozwalają na ich zliczanie w specjalnych programach komputerowych, w trybie manualnym lub nawet automatycznym. Zasada automatycznego zliczania zazwyczaj polega na wykreślaniu krzywych skali szarości, a następnie zliczaniu jasnych i ciemnych pików. Taki sposób ma kilka zalet, m.in. proces jest niezwykle szybki, wyniki przedstawione są w przyjaznej graficznej postaci, a przede wszystkim rezultaty są bardzo obiektywne i oparte na powtarzalnych matematycznych procedurach (Walanus, Goslar 1993; Weber i in. 2010). Inną próbą zautomatyzowania procesu liczenia lamin jest analiza wyników skanowania metodą rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej XRF wysokiej rozdzielczości. W tym przypadku wykorzystywane są zmiany składu chemicznego pomiędzy poszczególnymi laminami, a potencjalnym wskaźnikiem może być zawartość wapnia (w przypadku laminacji kalcytowej) lub żelaza i manganu (Marshall i Ryc. 3. Efekt graficznej obróbki obrazu cienkiego szlifu z osadów jeziora Szurpiły (fot. M. Kinder). A cienki szlif zeskanowany w świetle normalnym; B cienki szlif zeskanowany w świetle spolaryzowanym; C obraz uzyskany po korekcji ekspozycji i kontrastu. in. 2010). Należy jednakże pamiętać, że automatyczne zliczanie warw dzięki zastosowaniu specjalistycznych algorytmów i programów komputerowych daje wiarygodne rezultaty tylko w przypadku idealnego stanu zachowania laminacji, co nie jest częstym przypadkiem. Niestety zazwyczaj fragmenty idealnie zachowanej i regularnej laminacji przeplatają się z sekcjami, w których laminacja jest mniej wyrazista. W takich przypadkach automatyczne zliczanie powinno być dokładnie weryfikowane liczeniem manualnym, co zatraca podstawowy sens automatyzacji procesu liczenia. Tym niemniej prace zmierzające do ulepszania algorytmów obliczeniowych uznać należy za bardzo cenne, bo mogą one choć w części zmniejszyć czasochłonność opracowywania warwochronologii, co jest szczególnie ważne przy analizie długich sekwencji osadów, liczących kilkanaście lub kilkadziesiąt tysięcy lat. Rewolucyjną zmianą w badaniach osadów laminowanych jest stosowanie niedestrukcyjnych technik analizy cech fizycznych i składu chemicznego. Techniki te zostały w dużej mierze rozwinięte podczas badań osadów głębokomorskich i oceanicznych, a następnie zaadoptowane przez badaczy osadów jeziornych. Najlepszym przykładem jest metoda XRF, dzięki której możliwe jest określanie zmienności składu chemicznego osadu bez konieczności pobierania próbek z rdzenia. Metoda XRF znana jest w chemii od wielu lat, jednakże w ostatnich kilkunastu latach pojawiły się zautomatyzowane urządzenia dedykowane specjalnie do badań rdzeni osadów (Zolitschka i in. 2001). Pomiar w tej technice odbywa się bez bezpośredniego kontaktu z próbką, co zapewnia możliwość odzyskania materiału w stanie niezmienionym. Jest to szczególnie cen-

7 Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce ne w badaniach wielowskaźnikowych, gdzie pojawiają się problemy z niewystarczającą ilością materiału do przeprowadzenia wszystkich zaplanowanych analiz. Obecnie produkowane skanery XRF są precyzyjne i wydajne. Jedną z głównych zalet jest niezwykle wysoka rozdzielczość analizy w jednym centymetrze rdzenia wykonać można kilkadziesiąt pomiarów składu pierwiastkowego, co jest zupełnie nieosiągalne przy tradycyjnym opróbowaniu i analizie poszczególnych próbek. Kolejnym atutem jest szybkość analizy. Przy wykorzystaniu tego typu urządzeń możliwe jest wykonanie oznaczeń zawartości kilkudziesięciu pierwiastków w kilkuset próbkach osadu w ciągu zaledwie kilku godzin. Tak wielkie możliwości techniczne sprawiają, że analiza geochemiczna rdzeni osadów jeziornych zyskała zupełnie nowy wymiar, szczególnie ważny w badaniach osadów laminowanych, gdyż niezwykle wysoka rozdzielczość analiz pozwala wychwycić roczny cykl zmian składu chemicznego osadów. Analizy XRF wykonuje się również na zaimpregnowanych bloczkach osadu, które stosuje się do wykonywania cienkich szlifów. Można wówczas uzyskać jeszcze większą rozdzielczość zapewniającą wykrywanie najdrobniejszych struktur w osadach (Brauer i in. 2009). Kolejną metodą niedestrukcyjną o dużym potencjale jest spektroskopia w zakresie widzialnym (VIS-RS; nm). Metoda ta używana jest do wykrywania organicznych i klastycznych składników osadów. Zaletą jej jest zautomatyzowanie i szybkość pomiarów pozwalająca przeskanować kilka metrów rdzenia z rozdzielczością 1mm lub lepszą w ciągu jednego dnia. Trudnym etapem badania jest analiza widm pomiarowych i interpretacja danych, jednakże pierwsze prace pokazują, że możliwe jest ilościowe skalibrowanie wyników jako wskaźników paleoklimatycznych (Trachsel i in. 2010; von Gunten i in. 2009). Wydaje się, że dalsza eksploracja możliwości jakie daje ta metoda może prowadzić do znacznego postępu i niebawem stanie się to technika standardowo wykorzystywana w pierwszym etapie analizy rdzeni osadów jeziornych. Metoda analizy obrazu (image analysis) polega na uzyskaniu ilościowej informacji o składzie osadu z cyfrowych obrazów jego powierzchni, po odpowiednim ich przetworzeniu w specjalistycznych programach komputerowych. Nie wymaga ona wielkich nakładów finansowych i umożliwia analizę rdzeni osadów w dużej rozdzielczości. Standardowa procedura obejmuje kilka etapów poczynając od wykonania zdjęć wysokiej jakości, następnie ich przetworzenie (kalibracja kolorów, filtrowanie etc.) oraz wykonywanie pomiarów na tak przygotowanych obrazach. Pod pojęciem image analysis kryje się szeroka gama technik pozwalających na zliczanie warw, pomiar ich miąższości, a także ustalanie składu osadu na podstawie dokładnej analizy jego barwy. Analizie poddawać można zarówno przetworzone zdjęcia cyfrowe, jak również zdjęcia rentgenowskie (Ojala 2004). Doskonałe efekty daje analiza obrazów uzyskanych ze skaningowego mikroskopu elektronowego i odpowiednio przygotowanych, zaimpregnowanych preparatów z osadów (Dean i in. 1999). Można dokonywać pomiarów poszczególnych elementów dostrzegalnych w obrazie osadu, np. mikrofosyliów, uziarnienia osadu, rozmiarów kryształów etc. Odpowiednio skonstruowane algorytmy umożliwiają automatyczne wyszukiwanie i klasyfikacje pewnych elementów w osadzie, np. cyst złotowiciowców, sporomorf lub kryształów. Kompleksowy przegląd zastosowań tej metody zawiera tom DPER pod redakcją Francusa (2004). Dotychczasowy stan rozpoznania osadów rocznie laminowanych w Polsce Jak podaje Więckowski (1991) w swoim niezwykle szczegółowym przeglądzie postępów badań nad jeziornymi osadami laminowanymi, po raz pierwszy w Polsce laminację stwierdzono w osadach północnej części Jeziora Mikołajskiego. Miąższość laminowanej sekcji osadu wynosiła zaledwie 40 cm i stanowiła spągowy odcinek rdzenia o długości ponad 4 metrów (Więckowski 1966). W późniejszych latach, głównie dzięki sondzie tłokowej konstrukcji Więckowskiego pobierano rdzenie osadów z wielu jezior w różnych regionach Polski i w niektórych z nich stwierdzano fragmenty laminowane. Zazwyczaj sytuacja ta dotyczyła części spągowych o miąższościach od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów (Więckowski 1978, 1991). Jak podaje ten sam autor, w kilku jeziorach głęboko zalegające serie osadów laminowanych osiągały większe miąższości, np. w jeziorze Flosek oraz Kwiecko było to niemal 6 metrów. Jednym z bardziej znanych stanowisk tego typu jest jezioro Perespilno położone we wschodniej części Pojezierza Łęczyńsko-Włodawskiego. Roczna laminacja obejmuje tam również fragment spągowy o miąższości 3 metrów, w którym naliczono ok warw (Bałaga i in. 1998). Przydatność wszystkich tych stanowisk do rekonstrukcji paleośrodowiskowych była jednak ograniczona, ze względu na niewielki okres czasu objęty osadami rocznie laminowanymi, zwykle związany z początkowym (późny glacjał/wczesny holocen) stadium funkcjonowania jeziora. Z oczywistych względów nie było również możliwości opracowania absolutnej kalendarzowej skali czasu dla tych fragmentów. Przełom w badaniach rocznie laminowanych osadów jeziornych w Polsce nastąpił w 1985 roku, kiedy to wydobyto rdzeń osadów z jeziora Gościąż położonego w centralnej Polsce, na Pojezierzu Gostynińskim. Kompletny profil osadów wykazywał strukturę laminowaną o różnym stopniu zachowania (Goslar 1998). Od spągu do głębokości 7,3 m stan zachowania laminacji był bardzo dobry i pozwolił na obliczenie ilości warw z bardzo małą niepewnością (9662±92). W stropowym odcinku profilu o długości 7,3 m laminacja była stosunkowo słabo zachowana, co pozwoliło na estymację ilości warw z dużą niepewnością ( / -200 ). Stanowisko to było przez wiele lat obiektem wszechstronnych badań i zyskało międzynarodowe znaczenie. Wyniki

8 30 Wojciech Tylmann uzyskane w ramach interdyscyplinarnych badań wniosły wielki wkład do poznania przemian środowiska przyrodniczego w późnym glacjale i holocenie. Bardzo szczegółowe i kompletne opracowanie osadów jeziora Gościąż (Goslar i in. 1995; Ralska-Jasiewiczowa i in. 1998) stanowi przykład doskonałego wykorzystania możliwości związanych z rocznie laminowanymi osadami jeziornymi. Paradoksalnie, sukces programu badawczego związanego z jeziorem Gościąż spowodował zastój w poszukiwaniach innych stanowisk. Jezioro Gościąż wchłonęło całe zespoły badawcze na wiele lat i wydaje się, że zapanowało przeświadczenie, iż jest ono wyjątkiem, a szanse na odnalezienie stanowiska o porównywalnej wartości w aspekcie rekonstrukcji paleośrodowiskowych są minimalne. Jedyne znane autorowi prace dotyczyły Jeziora Miłkowskiego na Pojezierzu Mazurskim, gdzie miąższość osadów jest znaczna (ok. 25 m) i są one częściowo laminowane (Wacnik 2009). W tym samym okresie odkryto wiele stanowisk osadów laminowanych na pojezierzach polodowcowych w Finlandii (np. Ojala i in. 2000) czy Szwecji (np. Wohlfarth i in. 1998; Zillén i in. 2003). Doprowadziło to po kilkunastu latach do znacznej dysproporcji w rozpoznaniu stanowisk osadów rocznie laminowanych w Polsce i w innych krajach Europy (ryc. 4). Ten sugestywny obraz stał się jedną z przyczyn podjęcia systematycznych poszukiwań nowych stanowisk na obszarze pojezierzy młodoglacjalnych północnej Polski. Założenia metody systematycznych poszukiwań Strategię poszukiwań nowych stanowisk osadów laminowanych w północnej Polsce wzorowano na wcześniejszych doświadczeniach z obszaru Finlandii (Ojala i in. 2000), Szwecji (Zillén i in. 2003), a także prac dotyczących obszaru USA i Kanady (Larsen, MacDonald 1993; Larsen i in. 1998). Początkowo poszukiwania miały charakter typowo eksploracyjny, bez sprecyzowanego zakresu przestrzennego (Tylmann i in. 2006). Niezwykle obiecujące wyniki pierwszych prac terenowych skłoniły do ścisłego sprecyzowania obszarów testowych i uporządkowania metodyki prowadzonych prac. W latach wypracowano spójne zasady postępowania terenowego, które później stosowano konsekwentnie w odniesieniu do wszystkich badanych obiektów. Podstawowe elementy postępowania badawczego przedstawia ryc. 5. Są one rezultatem zarówno wyni- ANALIZA UWARUNKOWAŃ POWSTAWANIA I PRZETRWANIA LAMINACJI W OSADACH - warunki klimatyczne - uwarunkowania morfologiczne - uwarunkowania geologiczne i hydrologiczne WYBÓR OBSZARÓW TESTOWYCH - duża jeziorność - dokumentacja morfometryczna Morze Norweskie 1 60 ANALIZA DANYCH MORFOMETRYCZNYCH - głębokość maksymalna - długość maksymalna - ukształtowanie dna 4 Morze Północne POLSKA Morze Bałtyckie 3 50 ANALIZA MAP TOPOGRAFICZNYCH I GEOLOGICZNYCH - osłonięcie jeziora - zalesienie linii brzegowej - inwentaryzacja cieków - rodzaj utworów powierzchniowych Morze Śródziemne Morze Czarne POBÓR RDZENI OSADÓW STROPOWYCH - punkt o największej głębokości - próbnik grawitacyjny - wstępna ocena w terenie Ryc. 4. Znane stanowiska jeziornych osadów rocznie laminowanych w Europie. Objaśnienia: 1, 2 Szwecja (>100 jezior); 3 Finlandia (>50 jezior); 4 Loch Ness; 5 Belau; 6 Hämelsee; 7 Woserin; 8 Sacrower See; 9 Gosciąż; 10 Meerfelder Maar; 11 Holzmaar; 12 Steisslingen; 13 Pavin; 14 Baldeggersee; 15 Soppensee; 16 Längsee; 17 Lago Mezzano; 18 Lago Grande di Monticchio; 19 Van ANALIZA LABORATORYJNA - opis makroskopowy - dokumentacja fotograficzna - analiza cienkich szlifów - skanowanie XRF wysokiej rozdzielczości Ryc. 5. Schemat postępowania badawczego stosowanego w systematycznych poszukiwaniach stanowisk jeziornych osadów rocznie laminowanych w północnej Polsce

9 Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce ków wyżej cytowanych autorów, jak i własnych doświadczeń zdobytych w trakcie pierwszych prac terenowych. Stanowią logiczny ciąg czynności, które w efekcie prowadzą do skutecznych poszukiwań stanowisk osadów laminowanych. Wydaje się, że wypracowaną strategię poszukiwań można zastosować na innych obszarach młodoglacjalnych. Analiza uwarunkowań Na podstawie obszernej literatury sprecyzowano główne uwarunkowania prowadzące do powstawania i przetrwania laminacji w osadach jeziornych. Pierwszym z nich są odpowiednie warunki klimatyczne przejawiające się silnymi kontrastami sezonowymi. Chociaż uznać należy, że w całej północnej Polsce panują odpowiednie warunki klimatyczne do tworzenia się laminacji w osadach, to w północno-wschodniej Polsce są one najlepsze. Wynika to ze znacznego gradientu klimatycznego przejawiającego się wzrostem kontynentalizmu w kierunku wschodnim. Przekonywującym wskaźnikiem może być różnica w ilości dni ze średnią temperaturą powietrza poniżej 0ºC wynosząca ponad 90, od <10 dni w zachodniej części do >100 dni w północno-wschodniej Polsce (Lorenc 2005), co ma oczywiście wpływ na długość zalegania pokrywy lodowej na jeziorach. Wyniki wieloletnich obserwacji zjawisk lodowych na jeziorach zlokalizowanych wzdłuż transektu W-E w północnej Polsce (Skowron 2003) wskazują, że średnia długość zalegania pokrywy lodowej waha się od 54 dni w części zachodniej do 99 dni w części wschodniej. Dłuższy okres z pokrywą lodową podkreśla sezonowy kontrast w uwarunkowaniach procesów fizycznych i biologicznych w jeziorze, co powinno sprzyjać depozycji materiału o zróżnicowanym składzie i w efekcie tworzeniu się lamin. Drugą grupę analizowanych uwarunkowań można określić jako morfologiczne i dotyczą one zarówno samej misy jeziornej, jak i jej bezpośredniego otoczenia. Czynniki te decydują o stopniu odizolowania od wpływów zewnętrznych wód przydennych jeziora, stanowiących bezpośrednie środowisko sedymentacji osadów. Najlepsze warunki przetrwania laminacji w osadach panują w jeziorach o relatywnie niewielkiej powierzchni i dużej głębokości. Taki korzystny układ kształtu misy jeziornej sprzyja ograniczonemu zasięgowi mieszania turbulencyjnego, prowadzi do czasowej lub nawet permanentnej anoksji w wodach przydennych, co z kolei ogranicza możliwość zaburzania delikatnych struktur sedymentacyjnych przez organizmy bentosowe. Również niebagatelną rolę w ograniczaniu wpływu czynników zewnętrznych na jezioro odgrywa ukształtowanie powierzchni oraz pokrycie terenu zlewni bezpośredniej. Najbardziej korzystna sytuacja dotyczy jezior głęboko wciętych w powierzchnię zlewni i otoczonych obszarami leśnymi. Trzecia grupa uwarunkowań decyduje o możliwościach sezonowej dostawy materiału mineralnego ze zlewni, co jest szczególnie ważne w przypadku depozycji lamin klastycznych lub klastyczno-organicznych. Najważniejsze w tej kwestii jest istnienie dopływu (bądź kilku dopływów), za pośrednictwem których materiał mineralny doprowadzany jest do jeziora. Istotna jest również budowa geologiczna zlewni, zwłaszcza występowanie utworów drobnoziarnistych (mułki i iły). Tego typu osady transportowane są w zawiesinie ciekami, a po wprowadzeniu do jeziora deponowane są w strefie głębokowodnej. Dzięki temu w czasie wiosennych wezbrań formowana jest charakterystyczna lamina zbudowana niemal wyłącznie z materiału mineralnego. Warwy zawierające laminy tego typu stwierdzano wielokrotnie na obszarze Skandynawii (Ojala i in. 2000; Zillén i in. 2003). Jako najbardziej prawdopodobny mechanizm powstawania laminacji na obszarze zainteresowania przyjęto sezonową zmienność produkcji biologicznej w jeziorze oraz procesów chemicznych z nią powiązanych. Zatem spodziewany typ laminacji to laminacja biogeniczna, a ogólne warunki korzystne dla jej powstawania panują na całym obszarze północnej Polski. Na podstawie zróżnicowania warunków klimatycznych można wskazać obszary bardziej predysponowane, ale nie można wykluczyć żadnego obszaru. Uwarunkowania związane z sezonowym dopływem materiału minerogenicznego mogą mieć znaczenie w specyficznych przypadkach, ale całościowo ich znaczenie jest drugorzędne. Rolę determinującą występowanie osadów laminowanych odgrywać powinny więc warunki przetrwania laminacji w osadach. Całościowa analiza uwarunkowań doprowadziła do konkluzji, że w przypadku pojezierzy młodoglacjalnych północnej Polski zasadnicze znaczenie mogą mieć uwarunkowania morfologiczne, gdyż to one w głównej mierze wpływają na warunki przetrwania laminacji w osadach. Wybór obszarów testowych Głównym celem prowadzonych prac było oczywiście znalezienie nowych stanowisk, które mogłyby się stać w przyszłości obiektami szczegółowych badań interdyscyplinarnych. Jednakże pierwsze wyniki pozwoliły także sprecyzować drugi cel, mianowicie uzyskanie zbioru danych mogących pomóc w analizie czynników odpowiedzialnych za tworzenie się i zachowywanie laminacji w osadach jezior północnej Polski. Zdecydowano się więc na wybór obszarów testowych, w których prowadzono następnie systematyczne prace poszukiwawcze obejmujące wszystkie wyselekcjonowane jeziora. Obszary testowe ustalono w oparciu o dwa kryteria. Po pierwsze powinien to być obszar o dużej jeziorności, tak aby na stosunkowo niewielkim obszarze można było zbadać wiele pojedynczych obiektów. Po drugie występujące w potencjalnym obszarze testowym jeziora powinny posiadać wiarygodną dokumentację morfometryczną. Ważne jest, aby ta dokumentacja nie był ograniczona do danych liczbowych, ale zawierała również plan batymetryczny. Takie parametry jak powierzchnia czy głębokość maksymalna jezio-

10 32 Wojciech Tylmann ra nie są wystarczające i dopiero mapa ukazująca ukształtowanie powierzchni misy jeziornej daje właściwe wyobrażenie o możliwych warunkach sedymentacji osadów w danym jeziorze. W przypadku pojezierzy północnej Polski sytuacja w tej kwestii jest więcej niż zadawalająca, gdyż dla wszystkich jezior o powierzchni większej od 10 ha istnieją plany batymetryczne i są one zgromadzone wraz z podstawowymi wskaźnikami morfometrycznymi w jednym zwartym wydawnictwie (Jańczak 1996; 1997; 1999). Bazując na tej informacji można było w racjonalny i uzasadniony sposób dokonać wyboru obszarów o dużym potencjale występowania osadów laminowanych. Zdecydowano się skoncentrować poszukiwania na trzech obszarach: Pojezierzu Kaszubskim, Krainie Wielkich Jezior Mazurskich oraz Pojezierzu Suwalskim. Charakteryzują się one największą jeziornością, a ponadto w każdym z nich jest przynajmniej kilkadziesiąt jezior spełniających kryteria morfometryczne. Analiza danych morfometrycznych W obrębie obszarów testowych wykonano analizę planów batymetrycznych wszystkich jezior o powierzchni powyżej 10 ha oraz utworzono bazę danych morfometrycznych. Jeziora o powierzchni mniejszej wyeliminowano ze względu na brak wystarczającej dokumentacji morfometrycznej. Wybór obiektów badań oparto na dwóch podstawowych kryteriach: głębokości maksymalnej jeziora i jego długości maksymalnej. W literaturze przedmiotu te parametry są często używane jako pierwsze wskaźniki jezior, w których szansa na występowanie osadów laminowanych jest duża. Przyjmowane są różne wartości graniczne głębokości maksymalnej, oscylujące od kilku do kilkunastu metrów. Na podstawie badań 297 jezior USA i Kanady oszacowano minimalną głębokość niezbędną do przetrwania laminacji w osadach na metrów w zależności od przyjętego modelu (Larsen i in. 1998). Niższą wartość (7 m) przyjęto w poszukiwaniach prowadzonych na obszarze szwedzkiej prowincji Värmland (Zillén i in. 2003). W wyniku badań 195 jezior w Finlandii stwierdzono, że najpłytsze jeziora, w których odnaleziono osady laminowane miały zaledwie 5-6 metrów głębokości, jednakże większość stanowisk miała głębokość ponad 10 metrów. Z kolei Saarnisto (1986) na podstawie wcześniejszych badań stwierdza, że osady laminowane znajdowane są najczęściej w jeziorach o głębokości ponad 15 metrów. Kierując się zasadą, iż w głębszym jeziorze prawdopodobieństwo występowania warunków korzystnych dla przetrwania laminacji w osadach jest większe oraz aby zmaksymalizować efektywność poszukiwań przyjęto 15 metrów jako wartość minimalną dla głębokości jeziora. Ponadto zgodnie z sugestiami Saarnisto (1986) wprowadzono drugie kryterium, mianowicie długość maksymalną, jednakże traktowano to kryterium bardziej elastycznie. Jako wartość graniczną przyjęto maksymalnie 1,5 kilometra, a następnie korzystając z planów batymetrycznych wprowadzono korekty uwzględniające jeziora o nieco większej długości maksymalnej, ale charakteryzujące się występowaniem odizolowanych głęboczków, w których warunki sedymentacji osadów powinny być odpowiednie dla przetrwania laminacji. Łącznie przeanalizowano kilkaset planów batymetrycznych i wybrano 85 jezior spełniających wyżej opisane kryteria morfometryczne. Analiza map topograficznych i geologicznych Aby uzupełnić informację zgromadzoną w bazie danych morfometrycznych analizowano szczegółowo usytuowanie każdego z wyselekcjonowanych jezior. Korzystając z map topograficznych określano różnicę pomiędzy rzędną zwierciadła wody a wysokością form terenu otaczających jezioro. Na podstawie obrazów satelitarnych określano stopień zalesienia linii brzegowej. Ponadto identyfikowano cieki dopływające do jezior. Rodzaj utworów powierzchniowych w zlewni jeziora określano na podstawie map geologicznych. Uzyskane w ten sposób informacje posłużyły do analizy potencjalnego wpływu poszczególnych uwarunkowań na występowanie osadów laminowanych. Pobór rdzeni osadów stropowych Strategia badań terenowych oparta została na poborze krótkich rdzeni stropowych osadów jeziornych, co jest czynnością stosunkowo łatwą, niezbyt czasochłonną i tanią. W odróżnieniu od metody głębokich wierceń pobór krótkich rdzeni umożliwia objęcie badaniami dużej grupy jezior, dzięki czemu daje spore szanse na odnalezienie odpowiednich stanowisk. Zastosowanie takiego podejścia uzasadnia również fakt, iż stwierdzenie laminacji w osadach powierzchniowych oznacza duże prawdopodobieństwo (choć nie pewność), że pełna sekwencja osadów danego jeziora jest laminowana. Korzystając z planów batymetrycznych, punkt poboru rdzenia lokalizowano dokładnie w obszarze dna położonym na największej głębokości. Następnie pobierano osad próbnikiem grawitacyjnym z możliwością dodatkowego wbicia próbnika w osad (Tylmann 2007). Jako element chwytny stosowano rurę pleksi o średnicy 60 mm, rozciętą wzdłuż na dwie połowy i sklejoną taśmą wodoodporną. Po wydobyciu rdzenia na powierzchnię natychmiast transportowano go na brzeg, gdzie odklejano taśmy i rdzeń otwierano. W ten sposób uzyskiwano wgląd w wewnętrzną strukturę rdzenia bezpośrednio w terenie, dzięki czemu można było rozpoznać strukturę osadu i zabezpieczyć do dalszych analiz laboratoryjnych rdzenie osadów uznane za interesujące. Analiza laboratoryjna W warunkach laboratoryjnych, na oczyszczonych i wyrównanych powierzchniach oceniano jakość zachowania laminacji i jej podstawowe cechy (miąższość pojedynczych lamin, wyrazistość granic), wykonano dokumentację fotograficzną oraz pobierano próbki do wykonania cienkich szlifów, które następnie analizowano pod mikro-

11 Jeziorne osady rocznie laminowane w północnej Polsce skopem petrograficznym. Dzięki temu określano skład poszczególnych lamin i podstawową strukturę warwy reprezentującej roczny cykl depozycji osadu w jeziorze. Metodą skanowania XRF wysokiej rozdzielczości zbadano również skład chemiczny osadów w wytypowanych rdzeniach. Nowe stanowiska jeziornych osadów laminowanych Zbiór wytypowanych jezior liczył 85 obiektów. Rozpiętość wartości podstawowych cech morfometrycznych oraz wybranych cech środowiska wodnego w podziale na obszary testowe przedstawia tab. 1. Wartości maksymalne długości przekraczające założone kryterium (1,5 km) wynikają z korekty dokonanej na podstawie analizy planów batymetrycznych. Na tej podstawie do bazy dodano aż 25 jezior, co podkreśla wagę dysponowania planami batymetrycznymi w procesie selekcji jezior. Prace terenowe przeprowadzono w latach na wszystkich z wytypowanych jezior. Ponieważ metodyka prac terenowych ewoluowała w ciągu pierwszych dwóch lat, prace na niektórych jeziorach przeprowadzono ponownie w latach późniejszych, tak aby skompletować wszystkie rdzenie z obszarów testowych według identycznej metodyki. Miąższość pobranych rdzeni wahała się od 50 do 90 centymetrów i w każdym przypadku rdzeń posiadał niezaburzoną warstwę graniczną woda-osad. Występowanie osadów laminowanych stwierdzono w 29 jeziorach (ryc. 6). Najwyższą skuteczność zastosowanej metody uzyskano w Krainie Wielkich Jezior Mazurskich, gdzie 15 z 27 sprawdzonych jezior zawierało osa- Tab. 1. Zakres podstawowych cech wyselekcjonowanych jezior w podziale na wyznaczone obszary testowe (na podstawie Jańczak 1996, 1997, 1999) Obszar testowy wysokość (m n,p,m,) powierzchnia (ha) długość maksymalna (km) głębokość maksymalna (m) głębokość średnia (m) wskaźnik odsłonięcia przewodność (µs cm -1 ) odczyn (ph) Ca (mg L -1 ) Pojezierze Kaszubskie (n=25) Kraina Wielkich Jezior Mazurskich (n=27) Pojezierze Suwalskie (n=33) ,5 1, ,3 13,4 0,1 10, ,0 8, ,4 3, ,0 12,9 1,2 30, ,6 9, ,5 3, ,5 17,4 1,0 17, ,9 8, Wieprza Słupia Łeba Gdańsk Łyna Pregoła Węgorapa 54 Rega Parsęta Gwda Brda Ełk Wisła Pisa Biebrza 53 Drawa Drwęca Wkra Omulew Narew 53 Noteć Odra Warta Bug Obra Gościąż maksymalny zasięg ostatniego zlodowacenia 52 Warszawa granice państw km Ryc. 6. Jeziora sprawdzone w trakcie poszukiwań terenowych. Punktami czerwonymi oznaczono zidentyfikowane stanowiska zawierające rocznie laminowane osady jeziorne, natomiast punktami czarnymi jeziora, w których osadów laminowanych nie stwierdzono