Zapis reakcji środowiska na zmiany klimatu ostatnich 15 tysięcy lat na linii europejskiego transektu W-E w oparciu o nowe, zintegrowane analizy wysokiej rozdzielczości osadów Jeziora Gościąż

1. Cel prowadzonych badań – hipoteza badawcza

Minęło 30 lat od momentu odkrycia przez dr Kazimierza Więckowskiego rocznie laminowanych osadów jeziornych. Ich kompleksowe opracowanie przez interdyscyplinarny zespół kierowany przez M. Ralską Jasiewiczową, L. Starkla i T. Goslara stało się krokiem milowym w badaniach paleogeografii schyłkowej części późnego glacjału i starszej części holocenu Europy Środkowej ( Goslar i In. 1995, Ralska Jasiewiczowa i in. 1998). W 2005 roku odkryto i wstępnie udokumentowano kolejne, bardzo obiecujące stanowisko z laminowanymi osadami w Jeziorze Czechowskim na Pojezierzu Starogardzkim (Błaszkiewicz 2005). Są one aktualnie przedmiotem szczegółowych badań dużego interdyscyplinarnego zespołu w ramach niemieckiego projektu ICLEA oraz polskiego projektu NCN 2011/01/B/ST10/07367, łączącego pracowników IGiPZ PAN, UAM, ING PAN oraz GFZ w Poczdamie. Zastosowanie nowoczesnych technik badawczych, w tym skanowania µXRF, tefrochronologicznych oraz specjalistycznych analiz mikrolitofacjalnych pozwoliło na wykrycie w obrębie profilu wielu markerów stratygraficznych, wśród których szczególnie ważną rolę odgrywają ślady mikrotefry, wielu znanych erupcji wulkanów, w tym Laacher See Tephra z Masywu Eifel, Askja – AD 1875, Askja – S, Hässeldalen z Islandii oraz Neapolitan Yellow Tuff z okolic Neapolu (Wulf i inni, w druku). Są one niezwykle ważnym narzędziem służącym do synchronizacji dając możliwość prowadzenia studiów porównawczych reakcji środowiska w różnych strefach morfoklimatycznych na globalne zmiany klimatyczne, o bardzo dużej, czasami nawet rocznej rozdzielczości (Wulf i in.2013). W przypadku laminowanych osadów jeziora Gościąż, ze względu na nieciągłość laminacji w górnej części profilu oraz problemy z korelacją osadów w jego dolnej części, sporządzona warwochronologia ma charakter chronologii pływającej (Ralska Jasiewiczowa i in. 1998). Stąd też granice młodszego dryasu oraz jednostek holocenu zostały wyznaczone przede wszystkim w oparciu o datowania radiowęglowe oraz analizy zmian w spektrach pyłkowych i składu izotopowego węglanów. Ponadto w skali warwochronologicznej, która powstała w oparciu o ówcześnie stosowane techniki prześwietleń klisz rentgenowskich oraz fotografii czarno-białych, z przyczyn technicznych nie uwzględniono 205 par lamin, reprezentujących najstarszy fragment osadów (zatoka Tobyłka), pochodzących z młodszej części allerødu.Zasadniczym celem autorów projektu jest sporządzenie jednego głównego profilu z kilku rdzeni osadów jeziora Gościąż, czyli „master core”, przeprowadzenie szczegółowej analizy z wykorzystaniem nowoczesnych technik badawczych, w tym analizy mikrolitofacjalnej, tefrochronologii i skanowania µXRF, biomarkerów w pełni porównywalnych z prowadzonymi aktualnie pracami dla czterech jezior – Meerfelder Maar, Rehwise, Tiefer w Niemczech oraz Jeziora Czechowskiego i Jeziora Głęboczek w Polsce i w ten sposób włącznie tego ważnego stanowiska do tworzonego transektu klimatyczno-środowiskowego okresu postglacjalnego od Europy Zachodniej po Środkową. Przeprowadzone prace badawcze staną się podstawą do szczegółowej analizy reakcji środowisk przyrodniczych o różnym stopniu kontynentalizmu na globalne impulsy klimatyczne z praktycznie roczną rozdzielczością. Równorzędnym celem projektu jest założenie i rozpoczęcie monitoringu środowiskowego służącego określeniu przebiegu sedymentacji i jej uwarunkowań, który jest również prowadzony w przypadku w/w obiektów. Realizacja tego celu jest niezbędna do właściwej interpretacji zapisów środowiskowych w zdeponowanych osadach, a jednocześnie określenia prognoz dalszego rozwoju różnych elementów środowiska przyrodniczego.Ze względu na wagę przedmiotu badawczego i problematyki naukowej idea niniejszego projektu na bieżąco było konsultowana z koordynatorami wcześniej przeprowadzonych prac badawczych osadów Jeziora Gościąż. W naszej opinii szczególnie istotną wartością dodaną, wynikającą z realizacji projektu będzie możliwość pełnej synchronizacji przebiegu sedymentacji w pięciu obiektach – Meerfeldermaar – Rehwiese- Tiefer See – Jezioro Czechowskie – Jezioro Gościąż, co otworzy nowe pole do dyskusji na temat różnych reakcji środowisk przyrodniczych na globalne zmiany klimatyczne w okresie postglacjalnym. Ten nowy kierunek badawczy z wykorzystaniem laminowanych osadów jest określany w literaturze światowej jako rewolucyjny, także w powołaniu na prowadzone przez wnioskodawców badania osadów Jeziora Czechowskiego (Davies S., 2015; Zolitschka i inni 2015).Zestawienie danych pochodzących z analizy laminowanych osadów Jeziora Czechowskiego, w których jest wyjątkowo dobry zapis starszej części późnego glacjału oraz mezo i neoholocenu, z osadami Jeziora Gościąż, gdzie właśnie te okresy charakteryzują się nieciągłością laminacji, przy wykorzystaniu m. innymi tefrochronologii pozwoli nam również na konstrukcję wzorcowego profilu zmian klimatu i środowiska dla Europy Środkowej, obejmującego cały późny glacjał i holocen.

2. Znaczenie projektu

Projekt stanowi niezwykłą okazję na pełne wykorzystanie laminowanych osadów jeziora Gościąż na linii aktualnie konstruowanego transektu paleoklimatyczno-paleośrodowiskowego od Europy Zachodniej po centralną Polskę. Zastosowanie nowoczesnych technik badawczych, w tym mikrotefrochronologii (Wulf et al. 2013) dają nowe możliwości na synchronizację odległych od siebie stanowisk laminowanych osadów jeziornych, a w konsekwencji na dokładne prześledzenie reakcji lokalnych środowisk przyrodniczych na globalne impulsy klimatyczne, a także na określenie kierunków ich pojawienia się. Uzyskane wyniki w połączeniu z określeniem uwarunkowań współczesnego przebiegu sedymentacji pozwoli nam również na rekonstrukcję zmian w przeszłości z określeniem ich przyczyn oraz możliwych punktów uruchamiania procesów progowych. W ten sposób budowane są w oparciu o laminowane osady jeziorne naturalne laboratoria służące do określania sprzężeń zwrotnych zachodzących pomiędzy czynnikami klimatycznymi, środowiskowymi i antropogenicznymi. Tego typu podejście badawcze jest nowatorskie w Europie (Davies S., 2015; Zolitschka i inni 2015), a w opinii wnioskodawców Jezioro Gościąż i jego osady są w pełni predysponowane do tego, aby się stać takim miejscem.Szczegółowe rozpoznanie wyżej podniesionych kwestii jest nieocenionym argumentem naukowym w dyskusji na temat globalnych zmian klimatu, a przede wszystkim nad scenariuszami możliwych zmian środowiskowych. Włączenie do niej merytorycznych podstaw, opartych na badaniach laminowanych osadów Jeziora Czechowskiego i już rozpoznawalnych w świecie naukowym osadów Jeziora Gościąż, niewątpliwie wzmocni w niej polski głos na arenie międzynarodowej. Jednocześnie przeprowadzenie zaprojektowanych analiz wspólnie z wiodącym ośrodkiem w badaniach osadów laminowanych, jakim jest GFZ w Poczdamie stwarza niezwykłą szansę na rozbudowanie w Polsce kompetentnego, badawczego zespołu interdyscyplinarnego. Należy podkreślić, iż w składzie osobowym projektu, obok doświadczonych badaczy, zaplanowano udział dwóch doktorantów. Dwie osoby z zespołu projektodawców odbyły już dwuletnie staże w GFZ w Poczdamie u prof. Brauera, a aktualnie jedna osoba odbywa tam roczny staż w laboratorium µXRF i analiz mikrolitofacjalnych.

3. Koncepcja i plan badań

Koncepcja projektu narodziła się w trakcie aktualnie prowadzonych prac badawczych związanych z jeziorami Tiefer w Niemczech i Czechowskim w Polsce oraz występującymi w ich obrębie laminowanymi osadami jeziornymi. W obu przypadkach w obrębie osadów stwierdzono liczne ślady mikrotefry pochodzącej ze znanych erupcji wulkanicznych, co w połączeniu z analizami mikrolitofacjalnymi i skanowaniem µXRF pozwala na pełną korelację ich przebiegu sedymentacji z roczną rozdzielczością. W dalszej kolejności umożliwia to prowadzenie studiów reakcji środowiska na globalne zmiany klimatyczne, także z uwzględnieniem wpływów oceanicznych i kontynentalnych mas powietrza.Wnioskodawcy projektu w kwietniu 2015 roku pobrali z zatoki Tobyłka Jeziora Gościąż rdzeń osadów o łącznej miąższości około 17 m (ryc. 1). Obecnie wykonywane są skanowania µXRF w GFZ w Poczdamie, których celem jest wyszukiwanie piku potasu w partii spągowej osadów, co z dużym prawdopodobieństwem wskazuje na obecność miktrotefry LST, tak jak to było w przypadku laminowanych osadów paleojeziora Trzechowskiego ( Wulf i in 2013). Również są duże przesłanki na obecność mikrotefry z erupcji znanych wulkanów islandzkich. Uprzednio w osadach schyłku późnego glacjału stwierdzono kilka szkliw wulkanicznych, jednak nie odniesiono się bliżej do tej problematyki – informacja ustna od Prof. T. Goslara. Wnioskodawcy już od 1989 roku, prowadzą z różnym natężeniem pomiary hydrologiczne, hydrochemiczne i meteorologiczne w zlewni Rudy, w której położone jest jezioro Gościąż (Gierszewski 2000). W tym celu zorganizowano sieć pomiarową, której głównym elementem jest próg kontrolno-pomiarowy zamykający zlewnię Rudy poniżej jeziora Gościąż. W ramach planowanych badań monitoringowych istniejąca sieć zostanie uzupełniona o nowe elementy (m. innymi o punkty obserwacji stanów wód podziemnych). Sporządziliśmy także szczegółowy plan batymetryczny jeziora oraz numeryczny model terenu na podstawie naziemnego i lotniczego skaningu laserowego.W celu właściwego podejścia do realizacji projektu całość prac badawczych podzielono na cztery pakiety robocze, których zakres i wzajemne powiązania są wzorowane na pracach badawczych prowadzonych przez wnioskodawców na jeziorach Tiefer i Czechowskim:WP-1 – Badania paleolimnologiczne. Zakres prac badawczych został opracowany na podstawie analizy dotychczasowych doświadczeń zespołu opracowującego laminowane osady J. Gościąż (Ralska Jasiewiczowa i inni, 1998), jezior maarowych w masywie Eifel (Brauer i inni 2009, Zolitschka i inni, 2015), jeziora Tiefer See w północnych Niemczech (Dräger i inni 2014), a także badań osadów Jeziora Czechowskiego (Ott i inni 2015) i badań ośrodka gdańskiego (Tylmann i inni, 2012). Należy wyraźnie zaznaczyć, iż zaprojektowane analizy nie będą powtórzeniem już wykonanych i opublikowanych badań nad laminowanymi osadami Jeziora Gościąż. Po poborze rdzeni główny punkt ciężkości położony zostanie na kompletne, dla całego profilu analizy mikrolitofacjalne, skanowanie XRF oraz analizy mikrotefrochronologiczne, które nie były wcześniej wykonywane dla osadów jeziora Gościąż. WP-2 – Badania geomorfologiczne. kartowanie geomorfologiczne dawnych i współczesnej strefy litoralnej, wraz ze szczegółowymi badaniami sedymentologicznymi, analizami paleobotanicznymi i datowaniami wybranych partii osadów. Zasadniczo prace te będą ukierunkowane na analizy, zapisu zdarzeń klimatycznych (głównie młodszego dryasu) oraz antropopresji w osadach i formach zlewni bezpośredniej Jeziora Gościąż oraz odniesienia ich do profilów głównych w profundalu jeziora. Interesującym wątkiem tych prac będzie określenie etapów i dynamiki procesów eolicznych w zlewni bezpośredniej jeziora oraz ich zapis w osadach dennych jeziora (kwestia ustalenia stopnia eolizacji osadów mineralnych w osadach dennych jeziora oraz genezy t.zw warstwy piaszczystej w obrębie laminowanych osadów młodszego dryasu). WP-3 – Badania współczesnych uwarunkowań przebiegu sedymentacji w jeziorze. Monitoring limnologiczny i hydrochemiczny jeziora i jego zlewni wraz z określeniem kierunków i charakteru zasilania jeziora – założenie sieci pomiarowej (piezometry). Instalacja łapaczek sedymentacyjnych w profundalu jeziora pod kątem określenia przebiegu i charakteru sedymentacji w cyklach rocznych. WP-4 – Integracja i zestawienie wszystkich otrzymanych wyników analiz. Dokonanie analizy porównawczej na linii transektu: Merfeldermaar – Tiefer See – Jezioro Czechowskie – Jezioro Gościąż. Zarządzanie projektem.

4. Metodyka badań

Interdyscyplinarny charakter projektu wymaga zastosowania szeregu metod, które będą wykonywane w ramach realizacji poszczególnych pakietów roboczych: WP1 – Pobór trzech profili osadów jeziornych z profundalu jeziora (w tym jeden z zatoki Tobołka) sondą Uwitec, znajdującą się na wyposażeniu Zakładu Zasobów Środowiska i Geozagrożeń IGiPZ PAN w Toruniu. Przeprowadzenie pełnej analizy mikrolitofacjalnej po uprzednim przygotowaniu cienkich szlifów – planujemy w ramach projektu zakup specjalnego mikroskopu petrogarficznego, skanowanie µXRF (na aparaturze Itrax Corescanner - COX Analytical Systems) w laboratorium GFZ w Poczdamie) wraz z analizami mikrotefrochronologicznymi i konstrukcją skali warwochronologicznej. Wybrane odcinki profili (cały późny glacjał, PBO – preboreal oscilation, wydarzenie 8.2, 4.2 oraz 2.8), rejestrujące impulsy globalnych zmian klimatu objęte zostaną kompleksowymi analizami paleoekologicznymi (palinologia, okrzemki, wioślarki, makroszczątki roślinne) oraz analizami składu izotopowego węgla i tlenu, podatności magnetycznej i datowaniami radiowęglowymi. Po raz pierwszy dla osadów J. Gościąż będą wykonane także rekonstrukcje ilościowe tj. rekonstrukcja temperatury powietrza na podstawie szczątków muchówek Chironomidae oraz pH i eutrofizacji (TF) na podstawie okrzemek. Również po raz pierwszy planowane są analizy biomarkerów nC23 and nC29 , które wykorzystywane będą przy rekonstrukcji stopnia kontynentalizmu (Rach i in 2014). WP2 – Analiza materiałów archeologiczno-historycznych, naziemny i lotniczy skaning laserowy (TLS i ALS), kartowanie geomorfologiczne i geologiczne oraz analizy sedymentologiczne osadów w strefie litoralnej jeziora oraz w jego zlewni bezpośredniej, sondowanie georadarowe aparaturą GSSI SIR osadów biogenicznych, datowania bezwzględne (OSL, C-14) i analizy paleobiologiczne (palinologiczne i makroszczątkowe) wybranych odcinków profili, analizy gleboznawcze gleb kopnych w obrębie deluwiów i osadów eolicznych.WP3- analizy tempa i charakteru współczesnej sedymentacji łapaczkami tryptonu w wybranych profilach, analizy składu chemicznego oraz izotopów stabilnych δ15 N, δ18 O , a także zawartości izotopów 210Pb i 137Cs, analizy zjawisk hydrodynamicznych – struktury termicznej i chemicznej wód w jeziorze oraz pomiary prędkości i kierunków prądów wodnych, założenie sieci piezometrów, monitoring hydrochemiczny, monitoring zasilania i dostawy materii rozpuszczonej do jeziora, monitoring meteorologiczny na 2 stacjach położonych w zlewni jeziora.WP4 – integracja wszystkich uzyskanych wyników i analiza porównawcza z pozostałymi stanowiskami na linii transektu W-E.

5. Literatura

Błaszkiewicz, M., 2005. Późnoglacjalna i wczesnoholoceńska ewolucja obniżeń jeziornych na Pojezierzu Kociewskim (wschodnia część Pomorza). Prace Geograficzne 205, 192 s. Brauer, A., Haug, G.H., Dulski, P., Sigman, D.M., Negendank, J.F.W. (2008): An abrupt wind shift in western Europe at the onset of the Younger Dryas cold period. Nature Geoscience, 1, (8), 520-523.Davies, S. M. ,2015. Cryptotephras: the revolution in correlation and precision dating. Journal of Quaternary Science, 30(2), 114-130.Gierszewski P., 2000. Charakterystyka środowiska hydrochemicznego wód powierzchniowych zachodniej części Kotliny Płockiej. Prace Geograficzne, 176, Wydaw. Continuo Wrocław.Goslar T., Arnold M., Bard E., Kuc T., Pazdur M.F., Ralska-Jasiewiczowa M., Różański K., Tisnerat N., Walanus A., Wicik B., Więckowski K., 1995. High concentration of atmospheric 14C during the Younger Dryas. Nature, 377, 414-417Goslar T. Arnold M., Tisnerat-Laborde N., Czernik J., Więckowski K. 2000. Variations of Younger Dryas atmospheric radiocarbon explicable without ocean circulation changes. Nature, 403, 877-880.

Martin-Puertas, C., Brauer, A., Dulski, P., Brademann, B. (2012): Testing climate-proxy stationarity throughout the Holocene: an example from the varved sediments of Lake Meerfelder Maar (Germany). Quaternary Science Reviews, 58, 56-65.Ott i inni (2015)Rach, O.; Brauer, A.; Wilkes, H.; Sachse, D. (2014): Delayed hydrological response to Greenland cooling at the onset of the Younger Dryas in western Europe. Nature Geoscience, 7, 109-112.

Ralska-Jasiewiczowa M, Goslar T, Madeyska T, Starkel L (eds), 1998. Lake Gościąż, central Poland. A Monographic Study Part 1. Szafer Institute of Botany, Polish Academy of Sciences, Kraków

Tylmann W., Szpakowska K., Ohlendorf Ch., Woszczyk M., Zolitschka B. 2012. Conditions for deposition of annually laminated sediments in small meromictic lakes: a case study of Lake Suminko (northern Poland). J Paleolimnol, 47, 55–70.Wulf, S., Ott, F., Słowiński, M., Noryśkiewicz, A.M., Dräger, N., Martin-Puertas, C., Czymzik, M., Neugebauer, I., Dulski, P., Bourne, A.J., Błaszkiewicz, M., Brauer, A., 2013. Tracing the Laacher See Tephra in the varved sediment record of the Trzechowskie palaeolake in central Northern Poland. Quaternary Science Reviews 76, 129-139Wulf s., Dräger N., Ott F., Serb J., Appelt O., Gudmundsdóttir E., Bogaard C., Slowinski M., Blaszkiewicz M., Brauer A., in press in Quaternary Science Reviews.Zolitschka B., Francus P., Ojala A., Schimmlman A., 2015, Varves in lake sediments, Quaternary Science Reviews, 117, 1-41.