GEOLOGIJA

Prof. dr. Draženko Nenadić
Prof dr. Katarina Bogićević

Velika ledena doba

Planeta - snežna grudva

Geološka istorija naše planete obeležena je brojnim oscilacijama između toplijih i hladnijih razdoblja, od kojih su najdrastičnija bila tzv. ledena doba. Tokom tih perioda, značajni delovi Zemlje bili su prekriveni ledenim pokrivačima, što je imalo dalekosežne posledice na globalnu klimu, nivo mora, raspored kontinenata, biološku evoluciju i razvoj ekosistema. Mada danas jasno prepoznajemo tragove samo poslednjih ledenih doba, geološki dokazi svedoče da su se takvi ciklusi ponavljali milionima godina unazad.

U geološkom smislu, ledeno doba definiše se kao razdoblje u kojem je ledeni pokrivač znatno uvećan i prekriva veći deo Zemlje nego što je to slučaj danas. Trenutno se nalazimo unutar jednog takvog širokog ledenog razdoblja, ali u njegovoj toplijoj - međuglacijalnoj fazi. Na osnovu  naučnih dokaza poznato je da se u geološkoj istoriji Zemlje dogodilo nekoliko izrazito velikih i globalnih glacijacija, od kojih su najpoznatije: Huronska, Sturtijska, Marinoanska, Andsko-saharska, Karoo i Pleistocenska ledeno doba.

Huronsko ledeno doba

Zemljina prošlost krije mnoge dramatične promene klime, ali jedna od najvažnijih prekretnica predstavlja događaj poznat kao Huronska glacijacija. To nije “lepeza ledenih doba” kakvih smo svesni iz novijeg geološkog perioda, već vrlo udaljena, gotovo mistična epoha - kada je naša planeta pretrpela ekstremno zahlađenje tokom perioda kada je život bio izrazito jednostavan.
Huronska glacijacija desila se u ranom paleoproterozoiku, pre otprilike između 2,45 i 2,10 milijardi godina (Ga). Mada nije sasvim jasno da li je bila potpuno globalna - tj. da li je led pokrivao celu planetu, mnogi istraživači je smatraju za jednu od najdramatičnijih faza zahlađenja u njenoj dugoj istoriji.
Dokazi za ovu glacijaciju pronađeni su u Kanadi, na području oko jezera Huron, po čemu je i dobila ime. Prisustvo hladnog pojasa dokumentovano je nalascima oko 150 m debelog kompleksa tilita (dijagenetski vezanog glečerskog materijala) u huronskoj formaciji na području Severne Amerike. Na osnovu karakteristika sedimenata utvrđeno je da su se smenjivale etape glacijacije i interglacijacije, što navodi na zaključak da nije bilo samo jedne kratke “hladne epizode” nego je bilo više ciklusa nadiranja i povlačenja leda.

Smatra se da je glavni uzrok Huronskog ledenog doba bio “Veliki događaj oksidacije” - dramatično povećanje količine kiseonika u atmosferi, nastao kao posledica fotosintetičke aktivnosti cijanobakterija. Kiseonik je reagovao s metanom, tada dominantnim atmosferskim gasom, stvarajući ugljen-dioksid i vodu. Pošto metan proizvodi mnogo snažniji efekat staklene bašte od ugljen-dioksida, efekat u zagrevanju Zemlje se znatno smanjio, što je dovelo do globalnog zahlađenja. Kada se smanjio udeo metana, a ugljen-dioksid i voda su zauzeli njegovo mesto, toplota se lakše gubila u svemir, pa je planeta doživela značajan pad temperature. Verovatno su smanjena vulkanska aktivnost i emisija CO₂, hemijsko trošenje stena koje “izvlači” CO₂ iz atmosfere, promene rasporeda kontinenata doprineli procesu hlađenja. Ne manji značaj ima i podatak da je u navedenom periodu količina energije koja je dolazila sa Sunca bila slabija i do 10%, kao posledica postepenog razvijanja i pojačavanja termonuklearnog procesa ove zvezde.
Huronska glacijacija imala je duboke posledice po život na Zemlji koji je bio predstavljen mikroorganizmima, bakterijama i algama. Ekstremno zahlađenje i promene u sastavu atmosfere dovele su do masovne promene u biosferi: anaerobni organizmi (koji ne koriste kiseonik) suočili su se s novim, po njih vrlo nepovoljnim okolnostima, a oni, koji su ga mogli koristiti, imali su prednost. Ovaj događaj može se smatrati jednim od prvih velikih “izbora” u evoluciji: promena sredine prisilila je život da se prilagodi ili potpuno nestane. Činjenica je da su ova globalna i snažna zahlađenja verovatno izazvala prvi masovni pomor života u dotadašnjoj istoriji planete.

Jedan od glavnih mehanizama završetka glacijacije verovatno je predstavljalo nagomilavanje CO₂ iz vulkanske aktivnosti, dok su geološke promene, poput smirenije tektonske aktivnosti ili promene u hemijskoj eroziji tla, smanjile potrošnju ovog gasa. Kad je koncentracija CO₂ u atmosferi postala dovoljno visoka, led se, usled povećanja temperature, počeo povlačiti.
Nakon perioda zahlađenja, usledila su dugotrajna razdoblja toplijeg i stabilnijeg klimatskog režima, što je omogućilo da se biološki i geološki procesi razviju u drugačijim okolnostima. Pošto se količina kiseonika u atmosferi i okeanima povećavala, takva promena je dovela do novih smernica u razvoju života kroz naredne milijarde godina.
Huronska glacijacija nije samo još jedno “zahlađenje” u dugoj istoriji Zemljine klime - ona je bila radikalna transformacija planete: smanjenje gasova koji formiraju efekat staklene bašte, ekstremno zahlađenje, preuređenje biosfere i početak novog klimatskog ciklusa. Saznanje o tom događaju upozorava na moćne sile koje oblikuju našu planet, složene i spore u geološkom smislu, ali izuzetno drastične za period u kome se dešavaju.

Prekambrijsko ledeno doba  - “Zemlja snežna grudva”

Druga velika serija glacijacija dogodila se tokom neoproterozoika, pre oko 720-635 miliona godina. U okviru ovog višemilionskog perioda mogu se izdvojiti dva glavna događaja: Sturtijska glacijacija (pre oko 720-660 miliona godina) i Marinoanska glacijacija (pre oko 650-635 miliona godina). Smatra se da ove dve glacijacije spadaju među najekstremnija zahlađenja u geološkoj istoriji i poznate su u naučnim krugovima pod nazivom “Zemlja kao snežna grudva” (Snowball Earth).
Naučna je pretpostavka da je Zemlja u tim razdobljima bila gotovo potpuno prekrivena ledom, uključujući i okeanska prostranstva, sve do ekvatora. Ovakvo stanje je predstavljalo ekstreman klimatski i biološki stres za planetu koja je iznedrila jednostavan život koji je teško mogao da se prilagodi ovakvim surovim uslovima. Ipak, za razliku od tragova kasnijih zaglečeravanja, za ovo ledeno doba postojale su neke specifičnosti, kao što je prisustvo “padajućeg” kamenja koje je sastavljeno isključivo od karbonata (kao što su krečnjak i dolomit). Ove vrste stena nastaju pretežno u toplim tropskim područjima tako da je njihova veza sa ledničkim geološkim formacijama imala zapanjujuće implikacije - da su prekambrijski glečeri dosezali do karbonatnih platformi poput onih koje danas možemo videti na Bahamima. Drugim rečima, ako su glečeri zaista silazili do tropskih područja, onda bi ovde bila reč o nekom “Super ledenom dobu”.
Paleomagnetna ispitivanja ledničkih stena iz ovog perioda ukazuju na veoma nisku geografsku širinu, samo par stepeni od ekvatora, što upućuje na zaključak da je led prekrivao ne samo više geografske širine severne i južne polulopte, već celu planetu i da je, sa pozamašnom debljinom, dopirao do ekvatora.

Na osnovu ovog shvatanja, mogle su se objasniti i naslage sa ogromnom koncentracijom gvožđa, poznatih po engleskoj skraćenici BIF (od Banded Iron Formations - trakaste gvožđevite formacije). Naime, ispod kilometarskog leda tečni okeani bili su praktično odsečeni od atmosfere, tako da se čitav niz hemijskih procesa odvijao drugačije nego danas. Konkretno, kiseonik je u nedostatku kontakta sa atmosferom brzo nestao iz morske vode, dok su se redukujući metali (pre svih joni gvožđa) polako ali sigurno nagomilavali u odsustvu svog glavnog hemijskog “protivnika”. Onog momenta kada se led otopio, gvožđe je reagovalo sa kiseonikom iz atmosfere i veoma brzo stvorilo široko rasprostranjene naslage oksida gvožđa uz obale tadašnjih mora i okeana. Ovakvi crveni slojevi su se smenjivali sa sivkastim slojevima rožnaca, koji su nastajali u periodima sa manjom količinom kiseonika. Smenjivanje crvenih i sivih slojeva dali su stenama karakterističan izgled zbog kojeg se nazivaju “trakaste formacije gvožđa”. Danas ove trakaste rude predstavljaju veoma važan izvor rude gvožđa, i eksploatišu se u rudnicima na području zapadne Australije, Labradora i Ukrajine.
Prekambrijska ledena doba bila su po snazi verovatno najjača jer se smatra da je, tokom njihovog trajanja, cela planeta bila pretvorena u „snežnu grudvu“ sa ledom prosečne debljine 1500 m koji se sa polova spuštao do ekvatora. Srednja godišnja temperatura spuštala se između -20 do -500 C, na osnovu čega se može, uzimajući u obzir da je njena sadašnja srednja godišnja vrednost +140 C, samo pretpostaviti kakve je to posledice ostavilo po živi svet i okolinu.
Sa tačke gledišta živog sveta, ovako surovi klimatski uslovi mogli bi se smatrati uzročnikom jedne od najvećih katastrofa u dugoj istoriji Zemlje. U takvim uslovima, ledeni omotač Zemlje je potpuno zaustavio ciklus kruženja ugljenika: sve padavine su prestale, pošto je sva voda bila zamrznuta, a ni živi organizmi (uglavnom okeanski plankton) nisu više bili u stanju da vrše fotosintezu, što je dovodilo do njihovog neminovnog izumiranja.

U nedostatku ovih mehanizama, ugljen-dioksid se, zajedno sa drugim vulkanskim gasovima, nagomilavao u atmosferi samo zahvaljujući jakim i učestalim vulkanskim erupcijama koje su uspele da probiju debele naslage leda na površini kopna i okeana. U jednom trenutku, koncentracija CO2 postala je dovoljno visoka, pretpostavlja se i do 400 puta veća nego danas, što je pokrenulo snažan efekat staklene bašte koji je drastično podigao temperaturu, otopio led i okončao vladavinu ovog naizgled večnog ledenog zagrljaja. Smatra se da se nikada više u geološkoj istoriji nisu ponovili ovako surovi klimatski uslovi i da su ledena doba u pleistocenu, ma koliko sa ljudske tačke gledišta izgledala silovita, bila daleko blaža.
Postoji nekoliko uzroka koji su doveli do ove glacijacije. Usled geoloških procesa vezivanja CO2 iz atmosfere i formiranja ogromnih količina karbonatnih stena, došlo je do znatnog smanjenja količine ovog gasa, što je značajno umanjilo efekat staklene bašte na planeti. Vulkanska aktivnost je u početku verovatno bila znatno slabija, zbog čega se taj veliki gubitak CO2 nije mogao lako nadoknaditi. Položaj kopna oko ekvatora sa ledom koji se polako širio samo je pojačao albedo efekat, dok je aktivnost  fotosintetičkih organizama - cijanobakterija i dalje smanjivala količinu gasova staklene bašte, posebno metana. I svakako, količina Sunčeve energija koju je Zemlja primala u tom periodu bila je još uvek slabija za 6-7%, što znači da se dobijalo manje toplote, čineći planetu ranjivijom na globalno zahlađenje.
A kako je život uopšte opstao kroz periode ovako snažnog zahlađenja, te kakve su oni posledice imali po evoluciju biosfere?
Očigledno je da je najveći deo živih bića (a ona su tada bila na nivou bakterija i najjednostavnijih višećelijskih organizama) izumro kao posledica nadirućeg leda i surovih klimatskih uslova. Na kopnu i na površini zamrznutih okeana, u uslovima izuzetno niske temperature, nikakav život nije ni mogao postojati. Danas se, na osnovu organizama prilagođenih ekstremnim životnim uslovima (ekstremofila), jasno vidi da su u blizini podvodnih vulkana i vrućih hidrotermalnih izvora mogle opstati kolonije sličnih organizama, praktično bez ikakve veze sa atmosferom ili površinom naše planete. Može se pretpostaviti da su to i bila moguća “utočišta života” tokom svakog od tih surovih klimatskih intervala. Poslednji hladni interval “Zemlje kao snežne grudve” okončao se pre oko 600 miliona godina, neposredno pred bujanje tzv. Ediakarske faune, prvog vesnika nadiruće “kambrijske eksplozije života” i naglog uspona složene biosfere na našoj planeti.
A da li je između ova dva događaja postojala i uzročno-posledična veza? Savremena proučavanja ukazuju na to da je upravo ogromna koncentracija ugljen-dioksida u atmosferi, uz znatno povećanje temperature, pogodovala naglom bujanju fotosintetičkih organizama. Jer u situaciji kada se led konačno otopio i temperatura popela na zadovoljavajući nivo, oni su se našli suočeni sa obiljem hrane i ispražnjenim ekološkim nišama, koje su relativno brzo i uspešno popunili. A da nije bilo nečeg sličnog, svakako ne bi bilo ni složenih oblika života, uključujući i nas!

Andsko-saharsko ledeno doba

Danas teško možemo zamisliti da su vrele peščane dine Sahare i planinski sistemi Anda nekada bili prekriveni debelim slojem leda. Ipak, pre oko 460-430 miliona godina, tokom mlađeg ordovicijuma i starijeg silura, upravo to se dogodilo. Taj period poznat je kao andsko-saharsko ledeno doba ili ordovicijsko-silursko glacijalno razdoblje. U to vreme, naša planeta izgledala je sasvim drugačije. Kontinenti su bili spojeni u ogromni južni superkontinent Gondvanu, koji se protezao preko današnje Južne Amerike, Afrike, Antarktika, Australije i Indije. Kada se Gondvana našla blizu južnog pola, na njenim obodima počele su da se formiraju ledene kape. One su se širile i povlačile u više talasa, menjajući klimu i oblik Zemljine površine.
Zahvaljujući istraživanjima stena i naslaga, naučnici su otkrili tragove ovog drevnog leda u najneočekivanijim oblastima - od Anda do Sahare. U peščarima Sahare sačuvani su jasni dokazi nekadašnjeg ledenog pokrivača: uglačane stene sa strijama, morenski bedemi, eratički blokovi i mrazne strukture tla. Veruje se da je južni pol tada bio smešten upravo u području zapadne Sahare, a tokom maksimuma glacijacije ledeni pokrivač zauzimao je površinu od skoro pet miliona kvadratnih kilometara. Glavni uzrok ovog ledenog doba bio je pad koncentracije ugljen-dioksidau atmosferi. Kada su se prve biljke pojavile na kopnu i počele da vrše fotosintezu, količina CO₂ u vazduhu se značajno smanjila, što je dovelo do globalnog zahlađenja. Okeani su se ohladili, klima se naglo promenila, a to je imalo dalekosežne posledice i po živi svet.
Zahlađenje na kraju ordovicijuma izazvalo je jedno od najvećih masovnih izumiranja u istoriji Zemlje. Nestalo je oko 85% morskih vrsta, naročito onih koje su živele u plitkim morima, poput trilobita i brahiopoda. Pad nivoa mora i promene u hemijskom sastavu okeana drastično su izmenili tadašnje ekosisteme. Upravo ovaj događaj, poznat kao ordovicijsko-silursko izumiranje, označava kraj jedne epohe u istoriji života i početak nove.
Andsko-saharsko ledeno doba nije samo zanimljiva epizoda iz geološke prošlosti - ono nam pokazuje koliko je klima osetljiv sistem, povezan sa životom na kopnu i u okeanima. Promene u atmosferi, biljkama i okeanima tada su oblikovale lice planete i usmerile evoluciju živih bića.

Karoo ledeno doba

Kada pomislimo na ledena doba, obično zamišljamo mamute i beskrajne snežne ravnice Evrope iz pleistocena. Ipak, mnogo pre nego što su sisari kročili na tlo Zemlje, planeta je već prolazila kroz jedno veliko i dugotrajno zaleđivanje. To ledeno doba, poznato kao Karoo ledeno doba, trajalo je oko sto miliona godina, od približno 360-260 miliona godina pre sadašnjosti.
Naziv je dobilo po Karoo basenu u Južnoj Africi, gde su geolozi u 19. veku otkrili karakteristične slojeve stena - tilite, nastale sabijanjem i vezivanjem glacijalnih naslaga. Ovi tragovi bili su prvi dokaz da je južna hemisfera tokom mlađeg paleozoika bila prekrivena ledom. Kasnija istraživanja pokazala su da su slični fosilni i glacijalni zapisi prisutni širom sveta - u Indiji, Južnoj Americi, Australiji i na Antarktiku - što je potvrdilo da se ogromni superkontinent Gondvana dobrim delom nalazio na krajnjem jugu i pri tome bio centar ledenog doba.
Tokom mlađeg karbona, kada je ledeno doba započelo, Zemlja je prolazila kroz dramatične promene. Koncentracija ugljen-dioksida (CO₂) u atmosferi bila je znatno niža nego danas, delom zbog pojave ogromnih šuma papratnjača i ranih drvenastih biljaka. Njihova fotosinteza vezivala je CO₂ i stvarala ogromne naslage uglja koje danas eksploatišemo. Istovremeno, raspored kontinenata uzrokovao je promene u morskim i atmosferskim strujama, što je omogućilo da se hladan vazduh i led zadrže nad južnim delovima Gondvane. Rezultat je bio nastanak ledenih naslaga debljine više kilometara, koje su povremeno napredovale i povlačile se, menjajući pejzaž i oblikujući reljef. U tadašnjim morima taložile su se naslage koje su lednici donosili sa kopna, ostavljajući iza sebe prepoznatljive glacijalne sedimente.
Iako bi se moglo pomisliti da je ledeno doba bilo vreme pustoši, upravo tada se odvijao važan korak u evoluciji života na kopnu. Tokom karbona, kopno su osvajale prve biljke sa semenom i rani vodozemci, a pred kraj Karoo ledenog doba pojavili su se i prvi sinapsidi, preci sisara. Hladna i promenljiva klima postavila je pred organizme nove izazove, pa su se razvijali mehanizmi prilagođavanja na sušu, hladnoću i nedostatak hrane. Karoo ledeno doba završilo se tokom srednjeg i mlađeg permskog perioda, kada je došlo do globalnog otopljavanja. U to vreme, Gondvana se počela pomerati prema severu i spajati sa severnim kontinentom Lavrazijom, formirajući novi superkontinet Pangeu, pri čemu je pojačana vulkanska aktivnost ponovo povećala koncentraciju CO₂ u atmosferi. Otopljavanje je imalo dalekosežne posledice - promene u okeanskim strujama, gubitak staništa i poremećaj u biosferi verovatno su doprineli najvećem masovnom izumiranju u istoriji Zemlje, na granici perma i trijasa, kada je nestalo oko 90% svih morskih i kopnenih vrsta.

Pleistocensko ledeno doba

Pre nešto više od 2,5 miliona godina, na Zemlji je počelo ledeno doba koje, verovali ili ne, još uvek traje. To je kvartarno ledeno doba, a u njegovom okviru smenjivali su se dugi periodi hladnoće, tzv. glacijali, i toplije faze, interglacijali. Danas živimo upravo u jednoj takvoj toplijoj etapi, poznatoj kao holocen, koja je započela pre oko 11.700 godina. Period pre holocena obuhvata pleistocensku epohu, vreme burnih klimatskih promena i dramatičnih smena ledenih i toplijih razdoblja. U više desetina ciklusa, temperatura na Zemlji oscilovala je toliko da su se kontinenti čas prekrivali slojevima leda debelim i do nekoliko kilometara, a čas oslobađali pod naletom toplijih klimatskih uslova. U doba najvećih zahlađenja, gotovo trećina kopna bila je pod ledom, a sneg se u umerenim oblastima zadržavao već na visinama od 1200 m, što je mnogo niže nego danas.
Tokom najhladnijih faza, Severna Amerika i Evroazija bile su pokrivene ogromnim ledenim pločama - inlandajsima - čija je debljina ponegde iznosila i do nekoliko hiljada metara, a koje su zauzimale površinu koja se meri hiljadama kilometara. Na južnoj hemisferi, pored trajno zaleđenog Antarktika, manji ledeni pokrovi formirali su se i na delovima Australije, Novog Zelanda i Argentine. Kako se led kretao, on je poput džina nosio sa sobom ogromne stenske blokove koje danas nalazimo stotinama kilometara daleko od njihovog izvornog tla. Te „zalutale“ kamene gromade, poznate kao eratički blokovi, svedoče o nekadašnjoj snazi “ledenih tokova”.
Zbog velikih količina vode zarobljenih u ledu, nivo mora bio je i preko 100 metara niži nego danas. Obale su se širile, a kontinenti dobijali nova prostranstva. Plitka mora povlačila su se, otkrivajući kopno po kojem su tekle reke i nastajali dolinski useci, danas skriveni podmorski kanjoni. U takvim okolnostima pojavljivale su se prevlake koje su omogućavale kretanje životinja i ljudi. Tako su, na primer, Sibir i Aljaska bili povezani kopnom širokim više od 1.600 km, poznatim kao Beringovo kopno,  a Britanija i Irska bile su deo evropskog kopna.

Prof. dr. Draženko Nenadić
Prof dr. Katarina Bogićević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"