Geologické výzkumy České geologické služby v Antarktidě

Česká polární stanice J. G. Mendela leží na ostrově Jamese Rosse při severovýchodním výběžku Antarktického poloostrova (obr. 2, rámeček). V jejím okolí se nachází jedno z největších odledněných území Antarktidy. Geologická stavba ostrova je naprosto unikátní. Byla sice předmětem řady studií, především britských a argentinských kolegů, nicméně donedávna scházela podrobnější topografická, natož pak geologická mapa. Jejich pořízení a návazné výzkumy horninových jednotek byly hlavním cílem expedic České geologické služby (ČGS), od roku 2003 financovaných pomocí projektů MŽP č. SB/VaV/660/01/03 a SPII1a9/23/07.

Fosilní záznam druhohorních sedimentů

Druhohorní a paleogenní sedimenty ostrova Jamese Rosse a jeho okolí jsou jedinými mořskými sedimenty tohoto stáří odkrytými na antarktickém kontinentě. Čeští paleontologové pracovali během expedic v letech 2008–2011 nejintenzivněji právě na ostrově Jamese Rosse, ale sbírali a studovali zkameněliny i z ostrovů Seymour, Vega (obr. 5) a z Antarktického poloostrova.

Horniny odkryté na ostrově Seymour jsou místy doslova tvořeny schránkami zkamenělých mlžů a plžů (obr. 6); mezi další významné fosilní bezobratlé patří koráli, hlavonožci (loděnky), ostnokožci (lilijce, hvězdice, hadice, ježovky), ramenonožci, mechovky a korýši. Časté jsou také nálezy zbytků obratlovců: zubů žraloků, kostí kostnatých ryb a místy i kostí několika druhů tučňáků, včetně „gigantických“ forem vysokých až 2 metry a vážících až 135 kilogramů.

Na severu ostrova Jamese Rosse vycházejí na povrch tři jednotky významné z hlediska paleontologických výzkumů: souvrství Whisky Bay, Hidden Lake a Santa Marta. V prvních dvou jsou schránky bezobratlých špatně zachované (převažují vulkanosedimentární horniny), v nejmladším souvrství Santa Marta však dominují jemně klastické sedimenty s mnohem příznivějším zachováním zkamenělin. Typické jsou i polohy s hojnými vápnitými konkrecemi rozmanitých velikostí a tvarů obsahující například dobře zachované schránky amonitů (obr. 8), belemnitů, mlžů, plžů a kelnatek. Mimoto byly nalezeny kosterní pozůstatky mořských plazů (plesiosaurů a mosasaurů), ryb, paryb a vzácně i želv a dinosaurů.

Doba překotného popisování nových fosilních druhů je dávno pryč a paleontologický výzkum se zaměřuje především na paleoekologii, kdy se vědci snaží co nejvěrohodněji charakterizovat prostředí, ve kterém pradávné organismy žily, například hloubku moře a teplotu vody. Získaní amoniti, mlži a plži mají zachovanou původní perleť, která je důležitá pro zkoumání evoluce jednotlivých skupin měkkýšů a umožňuje studium schránek pomocí geochemických metod. Studium bezobratlých živočichů přineslo nečekané výsledky – například se podařilo popsat první fosilní živočišné houby z hornin Antarktidy. Jejich srovnání s podobnými druhy z jiných kontinentů umožnilo vyvodit důležité paleobiogeografické závěry – například určit hloubku sedimentačního prostředí a charakter jejich rozšíření v čase.

Pro negeologickou veřejnost je fascinující paradox, že ačkoliv je dnes Antarktida nehostinným kontinentem se silnou ledovou pokrývkou, mezi nejčastější fosilie, které se zde vyskytují, patří zkamenělé rostliny. Zkamenělé dřevo je ve svrchnokřídových sedimentech ostrova Jamese Rosse a v přilehlé oblasti jednou z nejběžnějších fosilií. Hojná fosilní flóra tak dokládá příznivé klimatické podmínky vysokých zeměpisných šířek. Právě fosilní dřevo, listy a pyl jsou unikátní pokladnicí informací o teplotě, srážkách a sezonnosti klimatu v historické minulosti Země.

Kenozoická vulkanická aktivita ostrova Jamese Rosse

Pánev Jamese Rosse je bohatá na produkty alkalického bazaltového vulkanismu, vázaného na oblast rozpínání za magmatickým obloukem. Vynoření dna pánve, tvořené křídovými sedimenty, nad hladinu moře probíhalo pomalu (v době zhruba před 20–10 miliony let). Koncem miocénu (kolem 7 milionů let) následoval rozvoj vulkanické aktivity současně s postupem zalednění ostrova. Oceánická kůra je zde mělce pod povrchem a křídové sedimenty patrně leží přímo na ní. To mohl být jeden z důvodů, proč zde převládly mohutné výlevy bazaltových láv nad vulkanismem explozivním, produkujícím tufy. Vzniklo několik vulkanických center, jejichž význam a aktivita se měnily v čase.

Vulkanické formy vznikající v zaledněné oblasti se liší od běžných suchozemských. Známy jsou i z ostatních zaledněných území, např. Islandu, kde byl tento typ vulkanismu popsán a byla vysvětlena jeho geneze. Ovšem v případě ostrova Jamese Rosse nemá rozsah a objem bazaltových výlevů ani mocnost ledovcového příkrovu obdoby, navíc v tak dlouhém časovém období, takže zdejší krajina získala zcela unikátní ráz.

Díky vysoké teplotě lávy (asi 1200 °C) led v okolí sopky velmi rychle tál a vznikalo obrovské množství vody. Tvar vulkanických aparátů je ovlivněn úrovní vodní hladiny; jezerní z roztopených ledovců, popřípadě mořské. V interakci s ledem či vodou utuhne prudce zchlazená láva jako sklovitá – hyaloklastická – brekcie, případně ve formě „polštářových láv“. Jakmile dosáhne nad hladinu, přirůstá kužel hyaloklastické brekcie ve směru, kde lávový proud stéká do vody mechanismem podobným ukládání sedimentů v deltách řek. Nejmladší na vzduchu utuhlé části subhorizontálních lávových proudů na nich tvoří pevný příkrov (obr. 7). V případě rozsáhlejších výlevů se z iniciálních vulkanických kuželů postupně vytvoří rozsáhlé mesety. Běžně se opakují dva či více těchto cyklů; tělesa brekcií dosahují mocnosti stovek metrů, v závislosti na mocnosti ledovce, kterou lze pak zpětně odvodit.

Přestávky ve vulkanické aktivitě znamenaly rychlé pohlcení ledovcem a destrukci vulkanického tělesa, zvláště explozivních produktů. To spolehlivě dokumentuje např. ledovcové rýhování na povrchu láv. Odolnější na vzduchu utuhlé lávy, tedy příkrovy meset, chránily před erozí sekvence hyaloklastických brekcií a sedimentů ve svém podloží. Oscilace intenzity vulkanické aktivity a zalednění na okraji Antarktidy poskytuje jednu z možností, jak jejich jednotlivé cykly navzájem srovnat, podrobně členit a datovat na základě stop dochovaných ve vulkanických sekvencích.

Produkty nejstarších fází vulkanické aktivity podlehly většinou ledovcové erozi. Dochovaly se ale jejich přívodní dráhy, patrné v místech po ústupu ledovce. Morfologicky nápadné jsou žíly doleritických bazaltů, které vyvětrávají z křídových sedimentů. Zjistili jsme, že v místech, kudy proudila láva delší dobu, jsou okolní sedimenty vypáleny na kontaktní rohovce. Ty jsou vůči erozi odolnější, a tak se nám podařilo identifikovat další žíly a cylindrické přívodní dráhy, včetně těch, v jejichž centru byly bazalty alterované a rozpadlé.

Vulkanické erupce se na ostrově opakují přibližně každých 100 tisíc let. Probíhají od pliocénu v podstatě do současnosti a nelze je vyloučit ani v budoucnu. Současný vulkanický komplex je považován za štítový vulkán umístěný pod ledovcem v oblasti vrcholu Mt. Haddington (1620 m n. m.).

Vývoj zalednění

Zdrojem informací o dřívějším zalednění jsou ledovcové a ledovcovo-mořské sedimenty, které se na ostrově hojně vyskytují. Nově jsme zde definovali mladomiocenní Mendelovo souvrství (5,9–5,4 milionu let), ve kterém se podařilo doložit střídání období glaciálních, charakterizovaných postupy ledovcových proudů z Antarktického poloostrova, přinášejících eratické bloky hornin (obr. 9), a interglaciálních s plovoucími šelfovými ledovci, které se v nejteplejších obdobích dokonce rozpadaly. Již tehdy kolísala hladina světového oceánu v důsledku nárůstu nebo tání ledovců minimálně o 50 m. V neogenních interglaciálech obývaly mělké partie moří poblíž plujících šelfových ledovců hřebenatky Austrochlamys anderssoni. Jejich schránky byly použity pro stanovení stáří sedimentů pomocí poměru izotopů ⁸⁷Sr/ ⁸⁶Sr.

Pro pliocén bylo střídání teplých a studených období již velmi typické. Podle izotopického složení schránek mořských mlžů je zřejmé, že interglaciální období na počátku pliocénu byla poměrně teplá. V severní části ostrova byl zaznamenán značný ústup ledovců a zaplavování okrajových částí mořem. Podobný vývoj je charakteristický prakticky pro celou Antarktidu. Pliocén je také obdobím nejvýznamnější vulkanické aktivity na ostrově Jamese Rosse (především v jeho severní části), jež se střídala s obdobími postupů ledovců a s nimi spjaté eroze.

V kvartéru dominovala chladná období. Na hranici pliocénu a pleistocénu mizí většina druhů a přežívají pouze ty lépe přizpůsobené chladnějšímu prostředí. Glaciály se prodlužovaly a během posledního milionu let již trvaly nejčastěji 100 tisíc let. Díky poklesu hladiny světových oceánů o více než 100 m během glaciálů se obnažil kontinentální šelf, a rozsah zalednění Antarktidy tak byl mnohem větší než dnes. Navíc se zvýšila tloušťka ledovcové čapky ostrova na 300 m (v interglaciálech) až 500 m (v glaciálech). Na sklonku poslední doby ledové došlo k rychlému ústupu ledovců z pevninského šelfu Weddellova moře a v důsledku zvýšení hladiny světového oceánu vznikaly plovoucí šelfové ledovce, jako šelfový ledovec prince Gustava. Pomocí kosmogenního radionuklidu 10Be jsme datovali tuto událost na necelých 13 tisíc let. Místní ledovce se na počátku holocénu významně zmenšovaly, jejich ústup byl před asi 4,5 tisíce let nahrazen neoglaciálním obdobím, které je dobře datováno např. pro ledovec Whisky Glacier, jenž postoupil o 7 km až do zátoky Brandy Bay. V posledních několika stoletích ledovce postupovaly během malé doby ledové. I když neznáme přesný okamžik jejího vyvrcholení na jižní polokouli, můžeme stanovit objemové změny jednotlivých ledovců, od té doby výrazně ustupujících. Obdobně se chovají i okolní šelfové ledovce, které se v posledních 20 letech postupně rozpadly a umožnily v roce 1995 historicky první obeplutí ostrova. V současnosti je okolí ostrova Jamese Rosse jednou z nejrychleji se oteplujících oblastí na Zemi, což umožňuje unikátní geologické výzkumy nově odledněných území a studium jejich postupného osídlování organismy.