Geofyzikální ústav AV ČR 2020: noví kolegové, nová témata, nové projekty

Česká geofyzika ke konci roku 2020 oslaví významné výročí – před stoletím, v prosinci r. 1920, byl založen Státní ústav pro geofysiku, na jehož činnost navazuje nejen současný Geofyzikální ústav Akademie věd České republiky (GFÚ) na pražském Spořilově, ale také geofyzikální pracoviště dvou fakult Univerzity Karlovy.

Pro Geofyzikální ústav AV ČR toto výročí není jen důvodem k oslavám a připomenutí vynikajících postav z historie české vědy. Jako všechna vědecká pracoviště musí ústav reagovat na měnící se charakter výzkumné práce v globálním měřítku, směřující k propojování řady disciplín při zkoumání vědecky a společensky zásadních problémů. V našem případě je to například monitorování zemětřesení a výzkum jejich vzniku, studium magnetického pole Země a příčin jeho změn, studium magmatických rezervoárů pod aktivními sopkami, využití geotermální energie či vývoj klimatických změn. Geofyzika patří k oborům, které ve světě uspíšily vývoj digitálních technologií, a v důsledku toho dnes k běžné práci patří sběr, ukládání a zpracování dříve nemyslitelných objemů dat např. z globálních pozorovacích sítí. Samozřejmostí se stává okamžité, nepřetržité a spolehlivé předávání dat a informací partnerským institucím a koncovým uživatelům.

Pro další perspektivu a úspěch jakéhokoli pracoviště – bez ohledu na obor či rozdíly v technologickém vybavení – jsou ale zásadní konkrétní lidé, kteří přinášejí nová řešení, jsou schopni sestavit a vést konkurenceschopné týmy, přilákat studenty a úzce spolupracovat s univerzitami u nás i v zahraničí. Na hledání vynikajících nových kolegů ze zahraničí jsme se v Geofyzikálním ústavu zaměřili již před časem; od roku 2018 nabízíme místa jak pro mladé pracovníky, tak pro vědce ve střední části kariéry, kteří mají potenciál a zájem vést nové výzkumné skupiny. Důraz přitom klademe spíše na excelentní úroveň výzkumu než na posílení konkrétní specializace v některém z našich tradičních oddělení. Představíme vám některé z našich nových kolegů, kteří do ústavu přinesli nová témata, soubory metod, zkušenosti a osobité přístupy ke špičkové vědecké práci.

Desková tektonika v akci (svislý řez podél 21,5° jižní šířky v oblasti severního Chile). Černé body znázorňují ohniska zemětřesení v oceánské desce Nazca, zanořující se pod západní okraj Jižní Ameriky. Dehydratace zanořující se oceánské desky vlivem narůstajícího tlaku ve větších hloubkách (> 60 km) vede jednak k výrazné seismické aktivitě (velký shluk zemětřesných ohnisek ve středu obrázku), jednak k uvolňování fluid (roztoků), která prostupují zemským pláštěm vzhůru. V prostředí prostoupeném fluidy se seismické vlny šíří pomaleji a metoda seismické tomografie umožňuje takovou zónu vymezit (červené zbarvení). Průstup fluid zemským pláštěm vede k tvorbě magmatu a k vulkanismu v Andách (topografický profil napříč Andami je v horní části obrázku).

Čtenářům Vesmíru jsme již v loňském roce (Vesmír 98, 242, 2019/4) představili Grahama Hilla, který do ústavu přišel z předchozího pracoviště v Christchurch na Novém Zélandu. Záhy po svém příchodu v roce 2018 získal prestižní prémii AV ČR Lumina Quaeruntur, s jejíž pomocí studuje aktivitu vulkanického komplexu Katmai na Aljašce, dějiště nejsilnější sopečné erupce ve 20. století. Využívá především magnetotelurické metody, sledující rozložení zón o různé vodivosti v zemské kůře prostřednictvím přirozených elektromagnetických polí. Dalšími zahraničními kolegy, které nyní spolu s jejich výzkumem představíme podrobněji, jsou Christian Sippl, Michael Warsitzka a John Jansen.

Christian Sippl vystudoval geofyziku na Ludwig-Maximilians-Universität v Mnichově, doktorát získal na Freie Universität v Berlíně a postdoktorandské pobyty absolvoval v Austrálii a v největší německé geovědní instituci, GeoForschungsZentrum v Postupimi (dnes Helmholtz Centre Potsdam – GFZ). Svým zaměřením na seismotektoniku subdukčních zón navazuje Christian na tradici výzkumu v oboru deskové tektoniky na GFÚ, který zde Jiří Vaněk a Václav Hanuš rozvíjeli již v polovině sedmdesátých let minulého století. V subdukčních zónách dochází k podsouvání oceánské litosféry pod okraje kontinentů či pod ostrovní oblouky v oceánech. Jejich výzkum a monitorování má velký společenský význam vzhledem k četným silným zemětřesením, která zde vznikají, i k časté explozivní sopečné činnosti. Christian Sippl se soustřeďuje na využití rozsáhlých souborů dat, získaných v subdukčních zónách hustými sítěmi seismických stanic. Zatímco rostoucí počet a kvalita seismických stanic mají za následek exponenciální nárůst objemu naměřených dat, dnes běžný systém relativně krátkodobých, izolovaných vědeckých projektů (celosvětově zpravidla 3 roky) neumožňuje jejich úplné a systematické využití. Christian na rozsáhlé datové soubory aplikuje vlastní automatické algoritmy, a vytváří tak pro významné lokality s vysokým seismickým rizikem (např. oblast Chile) katalogy zemětřesení včetně zemětřesení slabých, která jsou standardními postupy opomíjena. Tento přístup mu umožňuje mapovat aktivní zlomové systémy do bezprecedentních detailů. Z takových map pak lze usuzovat, v jaké fázi seismického cyklu mezi dvěma velmi silnými zemětřeseními se zlomový systém právě nachází. Pokročilá analýza katalogů dále pomáhá zpřesnit modely geologické stavby oblasti i modely chemických procesů a fázových přechodů (obr. 1), které patrně přispívají ke vzniku zemětřesení ve větších hloubkách (>60 km). Výhodou výše uvedeného pracovního nástroje je mimo jiné to, že nevyžaduje nákladné měřicí aparatury a finanční prostředky na jejich transport do zájmové oblasti a posléze na provoz a údržbu, ale je vítaným pomocníkem provozovatelů seismických sítí při zhodnocování jejich výsledků. Význam tohoto přístupu pravděpodobně ještě vzroste vhledem k předpokládaným dlouhodobým komplikacím s cestováním do některých oblastí v souvislosti s nynější koronavirovou pandemií.

Michael Warsitzka před příchodem do našeho ústavu dokončil doktorské studium na Friedrich-Schiller Universität v Jeně (Německo). Působil také v Helmholtz Centre Potsdam – GFZ v Postupimi a jeho badatelské zkušenosti zahrnují stáž na University of Texas v Austinu. Věnuje se především studiu deformace sedimentárních pánví prostřednictvím fyzikálních („analogových“) modelů, tedy zmenšených modelů geologických struktur v laboratoři, s využitím materiálů napodobujících v laboratorních podmínkách chování skutečných hornin. Kromě významu pro základní výzkum deformace litosféry mají tato témata významné aplikace například při vyhledávání ložisek uhlovodíků, úložišť radioaktivního odpadu či v hydrogeologii. Pro roky 2019 a 2020 získal Michael mzdovou podporu z Programu podpory perspektivních lidských zdrojů AV ČR a v roce 2019 byla jeho práce oceněna Prémií Otto Wichterleho. Na GFÚ působí v pozici postdoktoranda v laboratoři analogového modelování, která v tomto roce získá po rekonstrukci nové prostory – právě včas pro startující projekty. V rámci česko-německého projektu GA ČR a Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), vedeného Prokopem Závadou (GFÚ), se Michael společně s pracovníky a studenty z našeho ústavu, Přírodovědecké fakulty UK a Ludwig-Maxmilians-Universität z Mnichova podílí na studiu a modelování deformace solných těles a jejich okolí v pohoří Zagros v Íránu. Zároveň připravuje nový projekt zaměřený na modelování vývoje třetihorních pánví a vulkanitů tzv. oherského riftu v Českém masivu (např. Vesmír 98, 434, 2019/7).

Nahoře: strukturní interpretace řezu částí příkopu Horn v Severním moři, kde jsou rozsáhlá ložiska uhlovodíků. Černě jsou znázorněny hranice významných vrstev sedimentů, šikmé černé čáry jsou zjištěné poklesové zlomy. Světle růžově jsou označena tělesa soli, „tekoucí“ mezi vrstvami ostatních sedimentárních hornin.
Dole: Náčrt nového deformačního stolu, na kterém je pomocí písku a silikonu simulováno chování soli, ovlivňující tvary výplně pánve při tektonické deformaci.

O (vědeckou) generaci starším pracovníkem je John Jansen, který před příchodem do GFÚ působil na univerzitě v dánském Aarhusu. Během kariéry prošel řadou dalších vynikajících pracovišť na univerzitách ve Wollongongu (Austrálie) či na evropské půdě v Glasgow, Potstumi a Stockholmu. Hlavním výzkumným zájmem Johna Jansena je kvantitativní geomorfologie jako mezioborově pojaté studium vlivu klimatu a tektonických procesů na vývoj povrchu naší planety v časových měřítkách od několika roků po miliony let. John využívá metod terénního výzkumu a komplexu laboratorních metod spolu s numerickým modelováním k posouzení průběhu a příčin změn zemského povrchu. Zásadní součástí jeho výzkumu je co nejpřesnější datování erozních a sedimentačních událostí, zejména pomocí kosmogenních radionuklidů v horninách, např. 10Be. Na přesnosti datování závisí spolehlivost určení rychlostí eroze, produkce sedimentu, jeho transportu a usazení v nejrůznějších prostředích na povrchu Země. Témata, kterým se John se spolupracovníky a studenty věnuje, sahají od vývoje říčních a jezerních systémů v pouštních oblastech Austrálie a Blízkého východu po rychlosti ledovcové eroze ve Skandinávii či Grónsku, revize rozsahu posledního zalednění v bajkalské oblasti Sibiře či megasesuvy v říčních údolích v Číně. Vědeckou kvalitu a význam výzkumu Johna Jansena dokládají nejen publikace v Nature Communications, Nature Geoscience, Geology či dalších špičkových periodikách. Na katedře fyzické geografie Přírodovědecké fakulty UK John již několik let spolupracuje s kolegou Martinem Margoldem např. na studiu katastrofických povodní při průvalech sibiřského glaciálního jezera Vitim. Na této katedře se John nově také podílí na přednáškách a seminářích. Kromě přípravy nového výzkumného projektu, zaměřeného na mapování nejstarší fáze čtvrtohorního zalednění Eurasie, začíná v našem ústavu budovat tým zaměřený na výzkum povrchových procesů na Zemi a jejich vztahů k tektonice a klimatickým změnám.

John Jansen vzorkuje povrch žulového dómu v egyptské Východní poušti. Měření obsahu kosmogenního izotopu 10Be umožní zjistit rychlost eroze v této extrémně suché pouštní oblasti.

Bez rozdílu věku a zkušeností už nyní naši noví kolegové přispívají k oživení výzkumného dění v ústavu. Kromě inspirace a nových projektů přivádějí také spolupracovníky a studenty; věříme, že jejich představení ve Vesmíru může některé ze čtenářů upozornit na právě se otevírající možnosti zajímavého nového výzkumu v GFÚ, ať už přímo v ústavu, nebo prostřednictvím naší spolupráce s vysokými školami. Dění v našem ústavu ukazuje, že ani po sto letech vývoje nemusí být zaprášeným muzeem, ale má otevřenou cestu mezi dynamická evropská výzkumná pracoviště.