Żelazny uścisk Ziemi

Naukowcy od dawna próbują ustalić, jakie były początki Himalajów. Kiedy zaczęły rosnąć i jak to się stało, że wystrzeliły tak bardzo ku niebu. Zacznijmy od intrygującej – choć przez wielu badaczy uważanej za nazbyt odważną – hipotezy, według której pół miliarda lat temu, czyli na początku ery paleozoicznej, istniały zupełnie inne Himalaje. W każdym razie tak twierdzą George Gehrels i Peter DeCelles, profesorzy geologii z University of Arizona w Tuscon.

„Najpierw skały zostały wepchnięte głęboko do wnętrza planety i tam stopiły się pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia. Z tego okresu pochodzą znalezione przez nas cyrkony i granaty. Ich wiek określiliśmy na 500 mln lat” – tłumaczy Gehrels. Jego zespół prowadził badania w rozległym masywie Annapurny, jednego z himalajskich ośmiotysięczników, znajdującym się w odległości ok. 200 km na zachód od Katmandu, stolicy Nepalu. Ponieważ Gehrels i DeCelles znajdowali się w miejscu oddalonym o kilka godzin marszu od najbliższej drogi, nie mogli zabrać ze sobą próbek skał z cyrkonami i granatami. Kruszyli więc granitowe głazy i wyłuskiwali z nich minerały, wypłukując je za pomocą zestawu sit niczym poszukiwacze złota. Cenną zdobycz zawieźli do USA, gdzie poddali złożonym analizom w swoim uczelnianym laboratorium. Z tych właśnie analiz wyłoniła się opisana wyżej historia wypiętrzenia Prahimalajów. „Pierwotna masa skalna, stopiona i przekształcona we wnętrzu globu, została pofałdowana i wypchnięta na powierzchnię. Tak doszło do powstania gór, które natychmiast zaczęły być niszczone przez wodę, wiatr i słońce” – opowiada Gehrels. Pod Annapurną badacze natrafili również na produkty tego niszczenia – piaskowce i zlepieńce.

Te pierwsze hipotetyczne Himalaje, podobnie jak współczesne, powstały zdaniem geologów w wyniku kolizji dwóch kontynentów. Tylko jakich? Na to pytanie Gehrels i jego towarzysze na razie jeszcze nie znają odpowiedzi. W każdym razie jakieś 450 mln lat temu siły drzemiące we wnętrzu globu, które wcześniej wydźwignęły ląd, przestały z jakiegoś powodu działać, a wtedy wietrzenie i erozja zaczęły stopniowo wyrównywać i obniżać teren. W końcu góry zniknęły, a w ich miejscu powstała depresja, którą ostatecznie zajęło morze. Skalne fundamenty pierwszych Himalajów zostały przykryte grubymi osadami morskimi. Tak upłynęło mniej więcej 400 mln lat, a potem sytuacja się powtórzyła. Znów doszło do kolizji kontynentów i ujawnienia się sił, które wypchnęły grube na wiele kilometrów warstwy skalne ku górze. Himalaje odrodziły się i zaczęły rosnąć. I nadal rosną – obecnie w tempie ok. 1 cm na rok, co w geologii jest prędkością zawrotną.

Rozpędzone Indie

Choć historia opowiedziana przez Gehrelsa i jego kolegów brzmi fascynująco, niektórzy kręcą nosami, zwracając uwagę, że kilka granatów i cyrkonów to trochę za mało, aby na tej podstawie tworzyć tak śmiałe teorie – powoływać do życia, a potem unicestwiać wielkie łańcuchy górskie. Co istotne, o zdarzeniach sprzed pół miliarda lat niewiele da się dziś powiedzieć, ponieważ ich ślady zostały zatarte przez nowsze i równie dramatyczne, z ostatnich kilkudziesięciu milionów lat. I o nich wiemy znacznie więcej. „Himalaje to dziś najlepsze na Ziemi miejsce do badania zjawisk towarzyszących kolizji dwóch wielkich kontynentów” – zauważa Gehrels. W tej kwestii pomiędzy nim i jego krytykami panuje pełna zgoda.

Powierzchnia Ziemi pokryta jest płytami tektonicznymi o grubości kilkudziesięciu kilometrów. Płyty te, choć sztywne i zwarte, nie stoją w miejscu. Przemieszczają się po warstwie skał częściowo stopionych i plastycznych, a w ruch wprawiają je prądy konwekcyjne krążące głęboko w płaszczu planety. One z kolei napędzane są ciepłem docierającym z gorącego jądra Ziemi. Współczesne Himalaje, ciągnące się przez 3 tys. km, wyrosły w strefie zetknięcia się dwóch takich płyt: indyjskiej od południa i eurazjatyckiej od północy. Nie jest to strefa spokojna. Dwa lądy siłują się tu ze sobą, a ponieważ oba są zbudowane ze skał o podobnej gęstości, żaden nie chce ustąpić. Jednak stroną aktywną są Indie – to one prą jak taran na północ.

Około 200 mln lat temu Indie stanowiły część wielkiego lądu, w którego ramach sąsiadowały z Australią, Antarktydą i Afryką. Od Eurazji oddzielał je rozległy ocean Tetyda. Mniej więcej 120 mln lat temu, gdy ów wielki ląd zaczął się rozpadać, Indie odizolowały się i wyruszyły na północ. Najpierw przesuwały się powoli, ale po 40 mln lat zaczęły „pędzić” z prędkością 15 cm na rok, bijąc wszelkie rekordy dryfu kontynentów. Utrzymywały to tempo przez następne 30 mln lat, pokonując w tym czasie blisko 5 tys. km i zbliżając się do Eurazji. Kiedy to się stało? Początkowo sądzono, że do zetknięcia się obu lądów doszło 50–55 mln lat temu. Nowsze badania wskazują jednak, że stało się to ponad 10 mln lat później. Najpierw bowiem Indie natknęły się na barierę stworzoną przez archipelag małych wysp wulkanicznych towarzyszący od południa kontynentowi azjatyckiemu. Nie zatrzymały się wprawdzie, ale ich pęd został bardzo wyraźnie przyhamowany – do 4 cm na rok, co jest dość standardowym tempem.

Resztki tych nieistniejących dziś wysp nieistniejącego dziś oceanu – sprasowane i wciśnięte pomiędzy nacierające na siebie płyty tektoniczne – odnalazł w zachodniej części Himalajów geolog Oliver Jagoutz z Massachusetts Institute of Technology. On też spędził niejeden sezon w najwyższych górach świata, próbując wyjaśnić ich genezę. Podczas jednej z ostatnich eskapad Jagoutz zbadał kolejne partie skał i doszedł do wniosku, że to kolizja Indii z Eurazją odpowiada za znaczne ochłodzenie klimatu ziemskiego w owym czasie. Temperatury spadły w ślad za gwałtownym spadkiem poziomu dwutlenku węgla w atmosferze. Jest to, jak wiemy, gaz cieplarniany zatrzymujący ciepło oddawane przez glob. Zdaniem naukowca dwutlenku węgla w atmosferze ubyło, ponieważ Indie, po pierwsze, staranowały ciąg wulkanów, które są jego źródłem, i – po drugie – przyspieszyły tempo wietrzenia, za którego sprawą gaz cieplarniany znikał z atmosfery we wnętrzu globu. Cóż, na dłuższą metę to właśnie tektonika rządzi ziemskim klimatem – w tym przypadku sprowadziła na planetę chłód.

Stary wielki Tybet

Podczas wszystkich tych dramatycznych zdarzeń Himalajów jeszcze nie było. Te zaczęły wyrastać dopiero 22–24 mln lat temu, gdy doszło do bezpośredniego zwarcia indyjskiej płyty tektonicznej z Wyżyną Tybetańską. Długo uważano, że w momencie kolizji obu lądów Wyżyny Tybetańskiej nie było. W jej miejscu miał się znajdować nisko położony ląd, który zaczął się podnosić dopiero pod wpływem nacisku napierających od południa Indii. Jednak z nowych badań, prowadzonych przez Roberta Spicera z brytyjskiego Open University oraz jego licznych chińskich współpracowników, wynika, że wyżyna ta liczy co najmniej 60 mln lat, a więc powstała, zanim jeszcze doszło do kolizji lądów. Spicer i jego koledzy twierdzą, że jej wysokość przekraczała 4500 m n.p.m., a sam ten obszar krajobrazem przypominał Andy.

A zatem na początku Himalaje były znacznie niższe od Wyżyny Tybetańskiej. Zaczęły ją przerastać dopiero 15 mln lat temu, gdy osiągnęły wysokość około 5 km. U południowego krańca Tybetu pojawiła się wąska i długa bariera skalna o wysokości prawie 9 km. Mniej więcej wtedy w Indiach, wówczas już mocno przyspawanych do Azji, zameldował się monsun przynoszący intensywne deszcze w ciepłej połowie roku. W tym momencie zwiększyło się też tempo wietrzenia skał i wycofywania z atmosfery dwutlenku węgla. Efekt znamy: ziemski klimat zaczął się ochładzać, co milion lat temu skończyło się epoką lodowcową. Bez wątpienia Himalaje miały w tym spory udział.

Presja Indii trwa nadal. Gdyby nie stary wielki Tybet, który stoi im na drodze, w ciągu ostatnich 50 mln lat przesunęłyby się na północ jeszcze o 2 tys. km. Zamiast tego indyjska płyta tektoniczna pochyla się i niechętnie wślizguje na głębokość ok. 40 km pod płytę eurazjatycką. Dalsza wędrówka Indii odbywa się już pod Tybetem. Sondowania sejsmiczne pokazały, że skorupa ziemska osiąga tam grubość ok. 80 km, jest zatem dwa razy grubsza niż pod innymi lądami. Do tego tektonicznego kotła zostają wciągnięte sąsiednie obszary. Tybet wywiera potężny nacisk na spory fragment Azji położony na wschód od niego – skorupa ziemska zostaje mocno ściśnięta, a konsekwencją są silne i często tragiczne w skutkach trzęsienia ziemi regularnie nawiedzające znaczną część terytorium Chin – od okolic Pekinu na północy po prowincję Yunnan na południu. W ten sposób rozładowywane są naprężenia kumulujące się w ściskanych skałach. Podobne tektoniczne imadło dało początek również Himalajom.

Konwergencja, czyli świat drży w posadach

Gdyby płyta indyjska wsuwała się pod Tybet łagodnie, wtedy nie byłoby żadnych wstrząsów. Nie mamy jednak do czynienia z substancją elastyczną, ale z wielkimi blokami sztywnych i spękanych skał, które wzajemnie się klinczują. Dlatego ruch tych mas nie jest płynny, lecz odbywa się skokami przedzielonymi okresami przymusowych przerw. Podczas postojów zaklinowane skały czekają na dogodny moment do rozpoczęcia dalszej wędrówki. Zjawisko to nosi nazwę konwergencji, a jego konsekwencją jest przybliżenie się punktów leżących na północ i południe od Himalajów, położonych na liniach prostopadłych do uskoku rozgraniczającego obie płyty litosfery. Nowe pomiary satelitarne wykonywane za pomocą nadajników GPS wskazują, że obecnie Tybet i Indie zbliżają się do siebie w tempie 1,8–2 cm rocznie.

Strefa himalajskiej konwergencji to główne źródło zagrożenia dla setek milionów ludzi mieszkających w Nepalu, Indiach, Pakistanie, Bhutanie i Chinach. W zgniatanych skałach rosną bowiem naprężenia. Na co dzień temu zjawisku towarzyszą niewielkie drżenia – to pomruki świadczące o powolnym zaciskaniu się imadła. Im dłużej trwa ten stan, tym więcej niszczycielskiej energii gromadzi się w skałach i tym gwałtowniejsze jest kolejne ich przesunięcie, które rozładowuje te naprężenia. Silniejsze drgawki, o magnitudzie 6 stopni, a więc już zagrażające ludziom, zdarzają się w tym regionie średnio co 10 lat. Natomiast przeciętnie co kilka dekad dochodzi do wstrząsu, którego magnituda przekracza 7 stopni. Takie kataklizmy mają już ogromną siłę destrukcyjną. Mogą powodować olbrzymie straty w ludziach i majątku. Ostatnie takie trzęsienie wystąpiło w Nepalu w kwietniu 2015 r. Miało magnitudę 7,8 i zabiło ponad 8 tys. ludzi. Wcześniej doszło do wstrząsu w Kaszmirze w 2005 r. o magnitudzie 7,6. Zginęło wówczas ponad 70 tys. ludzi.

W ostatnich stuleciach w sąsiedztwie Himalajów odnotowano wiele takich tragicznych zdarzeń. Największe trzęsienie zarejestrowano w 1950 r. w prowincji Assam na wschodzie Indii. Miało magnitudę 8,5–8,7. Na szczęście wystąpiło w słabo zaludnionym terenie górskim i nie spowodowało dużych szkód. O wiele bardziej tragiczne było trzęsienie o magnitudzie 8,1, które w 1934 r. zniszczyło okolice Katmandu w Nepalu, zabijając blisko 10 tys. ludzi. Ten sam rejon został zniszczony przez równie silne trzęsienie sto lat wcześniej. Do czasu straszliwego w skutkach wstrząsu w Kaszmirze niechlubny rekord liczby ofiar należał do kataklizmu, który w 1905 r. zniszczył setki wsi w pobliżu indyjskiego miasta Kangra, leżącego kilkaset kilometrów na północny zachód od Delhi. Śmierć poniosło ponad 20 tys. ludzi.

Tymczasem część badaczy uważa, że w Himalajach zbliża się moment naprawdę wielkiego trzęsienia o magnitudzie nawet 9 stopni. W jego zasięgu może się znaleźć kilkadziesiąt milionów ludzi, a gdyby dotknęło ono choćby jedną z licznych wielomilionowych aglomeracji leżących na południe od górskiego łańcucha, liczba ofiar mogłaby sięgnąć setek tysięcy. Dlatego jednym z najważniejszych celów badań sejsmologicznych prowadzonych w tym rejonie jest precyzyjne określenie rozmiarów konwergencji w poszczególnych fragmentach Himalajów. Na tej podstawie można bowiem próbować przewidzieć z grubsza lokalizację oraz rozmiary kolejnych trzęsień. Bardziej konkretnych prognoz raczej stworzyć się nie da, co nie znaczy, że sejsmolodzy już złożyli broń. Na przykład w ostatnich latach zidentyfikowali te rejony, gdzie silnych trzęsień nie było od wielu wieków, a miejsca położone po tybetańskiej i indyjskiej stronie uskoku przybliżyły się do siebie nawet o 10 m. – Wcześniej czy później skały te muszą ruszyć z miejsca, aby zanurzyć się pod Tybet. Jeśli pokonają cały ten dystans w jednym skoku, dojdzie do wstrząsu, jakiego w tym regionie jeszcze nie widzieliśmy – mówi Roger Bilham, sejsmolog z University of Colorado, który badania w Himalajach rozpoczął trzy dekady temu.

O tym, że sunące na północ skały pod Himalajami mają skłonność do długich postojów, po których następują naprawdę wielkie wstrząsy, świadczą geologiczne ślady z przeszłości. Na przykład Jérôme Lavé z Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques w Vandśuvre-lès-Nancy we Francji opisał pozostałości wielkiego trzęsienia sprzed dziewięciu wieków zachowane w skałach na terenie środkowego Nepalu. Oszacował, że miało ono magnitudę 8,9. Naukowcy zrekonstruowali też przebieg trzęsienia z 1255 r., którego epicentrum znajdowało się w pobliżu Katmandu. Stolica Nepalu legła w gruzach, zginęły tysiące ludzi, w tym władca kraju Abhaya Malla. Zespół sejsmologów pod kierunkiem Laurenta Bollingera z Commissariat à l’energie atomique et aux énergies alternatives w Arpajon we Francji wykazał, że magnituda tamtego wstrząsu mogła przekroczyć 8,7.

Znaczna część wiedzy na temat genezy i dziejów Himalajów została zebrana właśnie dzięki drżeniom skorupy ziemskiej. Kilka dni po tym, jak w kwietniu 2015 r. silny wstrząs zakołysał Nepalem, geofizycy z Arizona State University w Phoenix siedli do analizy danych zebranych przez radary satelitarne oraz przez odbiorniki GPS znajdujące się w promieniu kilkudziesięciu kilometrów od epicentrum wydarzeń. Informacje te pozwoliły na określenie z dużą precyzją, które fragmenty terenu uniosły się, a które obniżyły podczas wstrząsu. Zespół sejsmologa Kipa Hodgesa szukał w ten sposób odpowiedzi na pytanie, w jaki dokładnie sposób Himalaje rosną. Tło ogólne już znamy – to efekt działania tektoniki, która wypycha je do góry. Jednak jak to wygląda w detalach, nie wiadomo. Dzięki trzęsieniu ziemi sprzed trzech lat Hodges i jego współpracownicy znaleźli na północ od pierwszego uskoku, wzdłuż którego Indie wsuwają się pod Tybet, także drugi, bardziej stromy uskok, wzdłuż którego rosną Himalaje. – Gdyby nie było tego drugiego uskoku, nie byłoby też najwyższych gór świata. A nie byłoby go, gdyby płyta indyjska była zbudowana z gęstszych skał. Wtedy bowiem łatwo nurkowałaby w głąb Ziemi. Aby udzielić odpowiedzi na pytanie, dlaczego powstały Himalaje, trzeba się cofnąć setki milionów lat, do czasów, gdy Indie znajdowały się daleko od Azji – konkluduje Hodges.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”