Vědy o Zemi
Na našich středních školách je vědení o Zemi, jež se ve světě chápe jako systémový předmět zahrnující všechno od astronomie, přes fyziku atmosféry, meteorologii, hydrologii, oceánografii, geomorfologii, fyziku pevné Země i klasickou geologii, rozdrobeno do mnoha předmětů. Ani vysokoškolské osnovy nenabízejí spojitý pohled na Zemi. A badatelé jiných vědních disciplín, kteří vnímají pokrok ve svých oborech, např. ve fyzice částic, genové manipulaci, či informačních technologiích, zapomínají, že i vědy o Zemi postupují vpřed, že se změnily metody výzkumu i způsoby užívání Země.
Poznání v geologii, jež je základem vědění o Zemi, se v minulosti vyvíjelo nespojitě, kontroverzemi. Těch velkých a oslavovaných soubojů je několik. Je to spor plutonistů a neptunistů o to, jak vznikaly horniny, například žula. Plutonisté považovali za dominantní činnost magmatickou, neptunisté pokládali za zdroj vzniku žul vodní prostředí. Měli krásný argument: v křemenech žul jsou inkluze nepatrných kapiček vody. Byl to i spor katastrofistů a evolucionistů o způsob vývoje živých organizmů, který do jisté míry dodnes trvá v diskusi o „impaktovém“ či postupném vyhynutí společenstev živočichů. Pak to byl i spor o to, zda na Zemi byla chladnější a studenější období – spor o ledové doby. Moderního data je spor fixistů a mobilistů (stoupenců a odpůrců kontinentálního driftu, tj. pohybu kontinentů).
Je zřejmé, že polarizovaně položené otázky vyvolaly soustředěné pozorování, které dnes často a bezvýsledně hledáme v prioritních směrech výzkumu. Kontroverze, nespojitost poznávání a role chaosu jsou v současné geovědě nedoceněny, a to proto, že chápeme vývoj vědy jako poznávání v „hlavním směru“ – stavění nových poznatků na ramenech „titánů“, a že se domníváme, že takový vývoj musí mít kontinuitu. Právě tento hlavní směr je představován často konzervativním establishmentem anebo klany silných jedinců, které ovládají dokonale spojitým kruhem vztahů redakční rady indexovaných i neindexovaných časopisů, financující organizace i místa kormidelníků vědy.
Dnešní geovědní „establishment“ má své paradigma, které vzniklo na konci šedesátých a začátkem sedmdesátých let. Říká se mu desková tektonika a zdůrazňuje konvekční proudění v plášti Země, pohyb rigidních desek (litosféry) po plastické spodní stavbě (astenosféře) a odvozuje většinu procesů v kůře, od magmatizmu po vznik bazénů, od těchto pohybů. Protože je desková tektonika jedním z prvých holistických vidění geologických procesů, má úspěch a je nepravděpodobné, že by se v současném myšlení dalo něco změnit. Je to však stav podobný tomu, ve kterém byla geologie před padesáti lety, stav jakési spokojenosti s existujícím vysvětlením geologického dění. Stav je provázen existencí nové „hantýrky“ a pro tento čas se zdá uspokojujícím. Může být ale brzdou i příčinou cesty do slepé uličky.
Zajištění surovin bylo, v politicky rozděleném světě plném embarg, pro geologii dobrou živnou půdou – hrou. Každý „tábor“ musel mít své zdroje, své zásoby. Druhá světová válka a období krátce po ní totiž ukázaly, jak důležitý obor geologie je. Snaha Sovětského svazu vyrobit atomovou zbraň byla brzděna nedostatkem štěpného materiálu a neznalostí geologie ložisek uranu. V moderním světě, který vznikl technickým a ekonomickým vyhladověním centrálně plánovaných systémů, se obchod s nerostnými surovinami globalizoval. Úspěch ve vyhledávání nerostných zdrojů zčásti umožněný novými koncepcemi (desková tektonika), přesun vyhledávání a těžby do rozvojového světa, to vše vedlo k poklesu jejich ceny. Dnes se jen málo hovoří o nedostatku některého z kovů nebo nerudních surovin (jílů, fluoritů) či nedostatku surovin energetických. Toto poznání, tedy úspěch geologie a úpravnictví spolu s globalizací obchodu, zavedlo část geologie do slepé uličky mezi disciplíny zdánlivě nepotřebné a podle mínění některých i málo vědecké. Konečně, co budou činit lékaři, až budeme všichni naprosto zdraví, vyšlechtění, imunní vůči epidemiím, nádorům či stárnutí?
Malthuziánský přízrak světa byl (načas) odsunut pokrokem techniky, velkokapacitní, často environmentálně neohleduplnou těžbou, dostupností levných energetických zdrojů. Bylo by pošetilé domnívat se, že kritické nerostné zdroje jsou, podobně jako úrodná půda, nekonečné. Ani kapacita Země jakožto odpadiště, vyrovnávajícího se se záplavou odpadů, není nekonečná. Země má hranice růstu populace, má hranice nerostných zdrojů. Zdá se však, že jsou nepochopeny, dokonce i ve vyspělém světě – anebo jde o pštrosí hru? (viz obr.Pokroky v základních disciplínách, fyzice či chemii, vždy poskytly geovědám nový obzor, aplikaci základních poznatků k problémům Země. Byly to například objev paprsků X a schopnost studia struktury minerálů, objev radioaktivity a následná možnost určení stáří hornin ze znalosti rozpadových konstant, či použití superpočítačů ve studiu seizmických vln. Rysem poslední desítky let není už jenom pokrok v jednotlivých disciplínách, ale myšlenkové přemosťování, stírání hranic jednotlivých oborů. Klasifikační systémy paleontologické, systém minerálů, hornin, meteoritů, ložisek nerostných surovin, ač samy „zkameněly“, nestačí co „věda“, jsou toliko nástroji. Je však s podivem, jak rezistentní k přemosťování jsme my v Čechách v akademické obci dokázali být, a jak dosud pečujeme o to, aby se „pěstovaly obory“, a jak lpíme na tom, aby každý zeměvědec byl klasifikován nějakou specializací.
Většina změn v geovědě se odehrávala v západním světě. Příčin je několik. Byly to plody rozkvětu severoamerické vědy jako celku po 2. světové válce, protože to byli vědci, kteří se významě podíleli na výsledku války, a byla to i zpráva Vannavara Bushe z r. 1946, ve které byla věda prezentována jako určující síla ekonomického rozvoje a národní bezpečnosti (fakt v Čechách dosud nepochopený ani politickou pravicí, ani levicí). I změny v řízení a financování vědy založené na posuzování odborníků („peer reviews“, zřízení National Science Foundation), ale i množství lidí, kteří ve vědě začali pracovat v organizacích typu Office of Naval Research, nebo National Aeronautic and Space Administration (NASA) a Ministerstvo energetiky (DOE, Department of Energy), to vše přispělo k rozvoji vědy. Byl to i rozkvět severoamerického vysokého školství a vznik takzvaných „research universities″, kde se důraz klade na postgraduální vzdělávání. Ty sehrály důležitou roli v základním výzkumu. Byly to i „vedlejší účinky“ studené války, mnohými tak kritizované, které posunuly vědění o Zemi vpřed. Na místě je poznámka, že soustředěné úsilí k zajištění domácí surovinové základny v bývalém Sovětském svazu vedlo k ohromnému rozmachu prospekčních spíše empirických metod a zásluhou konzervativních jedinců k oddalování koncepčních změn chápání Země.
V době studené války vznikla nová geofyzikální a geochemická data, pozorování, často zdánlivě nepřehledná. Ta se podařilo utřídit nevídaným způsobem, nejen počítačovými technikami, ale i novými koncepcemi. Věda, včetně geologie, která zajistila surovinové zdroje (včetně surovin pro pokročilou techniku), dovedla lidstvo k tomu, co vidíme jako pokročilou, konzumní (byť intelektuálně plochou) společnost s dostatkem zdrojů a lacinou energií, do jisté míry osvobozující člověka od těžké práce. Dostupnost zdrojů měla vedlejší účinek: růst populace a růst výroby potravin, krizi životního prostředí. Tyto změny ne vždy zvládnuté jsou následky neporozumění Zemi. Projevují se co překročení únosnosti území či Země – lidmi způsobené lokální katastrofy, a překročení rasantnější jako katastrofy globální. Porozumění Zemi v celostním obrazu metabolizmu tohoto tělesa a následně opravené chování lidí jsou klíčovým nástrojem k řešení globálních problémů a přežití lidí jako biologického druhu.
Vědění o Zemi v osmdesátých letech, zejména díky geofyzikálním disciplínám a jejich globálnímu pohledu, uzrálo. Z plodů popisných disciplín byl namíchán lahodný koktejl. Pokusím se ilustrovat komponenty, které – kromě základních nástrojů – do tohoto koktejlu přispívají. Přirozeně budu schopen identifikovat jenom ty, se kterými mám nějaké zkušenosti. Nejdříve však ty, které se týkají pevné Země a které zdánlivě nemají s krizí v prostředí nic do činění. Frank Press, který byl dlouhou dobu předsedou Americké akademie věd, s oblibou zdůrazňoval, že studium současné, měnící se atmosféry není možné bez pozorumění, jak se pevná Země ve svém počátku odplynila, bez pochopení vzniku atmosféry.Když r. 1909 Andrea Mohorovičič objevil studiem zemětřesných vln v hloubce 35 km hranici mezi pláštěm a kůrou Země, nikdo si tehdy nedělal ambice, že tuto hranici uvidí. Po 2. světové válce, kdy věda získala na dlouhou dobu (alespoň v USA) důvěru v politické i ekonomické sféry, vznikly vědecky ambiciózní projekty. Mezi nimi i geologický projekt MOHO, který měl navrtat Mohorovičičovu hranici. Měl vyřešit kontroverzi, zda tato hranice reprezentuje hranici chemickou, nebo hranici fázovou. Nepodařilo se. Ambice byly vyšší než stav techniky. Později se podařilo tuto hranici spatřit na zemském povrchu – bez nákladného vrtání, a to proto, že lidé k tomuto vidění dospěli, na základě znalosti kosmochemie předpověděli, že jde o hranici chemickou, a experimentálně napodobili, jak tato hranice bude vypadat. Akceptovali hypotézu tektoniky litosférických desek a připustili, že se kus oceánského dna může nasunout na kontinent. Pak stačilo zakoupit letenku na Kypr anebo do Ománu a na hranici pláště a kůry se podívat. Předtím hranici neviděli, protože neměli koncept tohoto vidění ani vysvělení – mechanizmus, jak tuto hranici na zemském povrchu obnažit. To všechno však až po čtyřicetiletém zrání. Po prvém překonání osmitisícovky, dostižení pólu či jiném usilí o neznámé, je druhý a další pokus lehčí. Spatřit horniny svrchního pláště je dnes možno v mnoha částech světa, včetně Českého masivu. Je tedy pokrok i otázkou postupného zrání.
Základním procesem diferenciace zemského tělesa je magmatická činnost, vzniká tak oceánská i kontinentální kůra i atmosféra a hydrosféra. Děje se tak nepřetržitě od vzniku Země a myšlenka napodobovat magmatické procesy v laboratoři vznikla v minulém století. Roztavit v tyglíku horniny a nechat ji chladnout byl úkol jednoduchý. Příroda dovolila studovat proces krystalizace magmatu v kráterech a lávových jezírkách činných sopek. Způsob vzniku magmatu a jeho oddělení od pevné horniny ve velkých hloubkách zůstával nepoznán. Na konci dvacátých let vznikla laboratoř ve washingtonské Carnegie Institution, ve které se začaly studovat jednoduché systémy napodobující horniny. Dnes známe teploty a tlaky, za kterých vzniká magma, umíme napodobit tlaky panující v zemském plášti i jádře, oddělení magmatu od krystalů, známe distribuční koeficienty pro taveninu a krystal u většiny prvků za teplot a tlaků panujících v plášti i kůře. Proto dokážeme z hornin vyskytujících se na povrchu planety vyčíst, jakým procesem, v jaké hloubce, za jaké teploty a z jakého materiálu magma vzniklo. Dokážeme určit, jak vypadá tavenina ze svrchního pláště a dokážeme zhodnotit účinek vody na tavení magmatu. Dokážeme napodobit, jaké minerály krystalují (anebo se taví) v hloubce 10, 100 anebo 2 500 km pod povrchem Země. Tento zdánlivě teoretický obor umožnil, že dokážeme vysvětlit strukturu slupkovité Země, dříve již známou ze sledování změn rychlostí seizmických vln, a každé takové změně dokážeme připsat fyzikální či chemickou podstatu.
Experimentální petrologii se podařilo napodobit i fázové změny v pevném stavu, tedy metamorfní reakce, a tím i kalibrovat v parametrech teploty a tlaku minerální společenstva přeměněných hornin. Právě tento výzkum prokázal, že horniny, které byly součástí zemského povrchu, mohou být zavlečeny do hloubek kolem stovky kilometrů, poznání, které změnilo pohled na vznik pásemných pohoří (například Alp) kolizí kontinentů. Byly vyvinuty metody deformace hornin v „pevném“ stavu a tak nastartována disciplína, která z hornin čte mechanické geologické procesy minulosti, orientaci tlaků i posloupnost těchto dějů.
Hlavním stavebním kamenem kontinentální kůry jsou žuly. Aplikace experimentální petrologie přispěla k porozumění tolik kontroverznímu problému, jako je původ žul. Voda v silikátové, např. žulové tavenině za určitého tlaku (viz obr. dole) totiž snižuje bod jejího tavení. U žuly je to o dobrých 500 oC. Tím bylo možné vysvětlit vznik žul v zemské kůře, protože teploty k tavení suchých žul, teploty nad l 000 oC, se v kůře Země nevyskytují.
Neporozumění výsledkům experimentální petrologie, dokonce odmítání reprodukovatelných výsledků, vedlo a dosud vede k přežívání hypotéz o granitizaci – vzniku žul v pevném stavu – působením roztoků: názoru, který přežívá vinou hlubokých kořenů v české a snad ještě i ruské odborné literatuře.
DOSTUPNOST SUROVIN:
Kniha Meze růstu napsaná autory Římského klubu připomněla v sedmdesátých letech, jak vrtkavá, nebezpečná a ošidná situace může vzniknout při nárůstu počtu obyvatel a nerozumném hospodaření s neobnovitelnými zdoji. Kniha předpověděla krátkodobou životnost mnoha energetických zdrojů, ale i zdrojů nerostných surovin, a také nárůst cen komodit a jejich celkový nedostatek. Prognózy zhoršeného stavu životního prostředí se do určité míry ukázaly jako opodstatněné, ale zdá se, že nerostné suroviny, jejich dostupnost, cena a ekologicky přátelské využití podléhají zřejmě jiným pravidlům, než na jakých autoři založili své předpovědi. Ceny surovin nestouply, jak se očekávalo, a životnost existujících využitelných zásob se nejen nezkrátila, ale ve všech nerostných komoditách, s výjimkou zlata, se prodloužila. Důvodů je mnoho. Patří k nim ohromný pokrok vyhledávacích strategií v důsledku změněných koncepcí geologického dění přijetí koncepce deskové tektoniky, změny technologických způsobů získávání kovů a samozřejmě, že i zvýšené vyhledávací úsilí. A pokud bychom měli Římskému klubu připsat zásluhu na poli nerostných surovin, pak svou skepsí sehrál velmi stimulující roli. Obrázek ilustruje předpověď Římského klubu a skutečný stav na začátku devadesátých let.
MOHOROVIČIČOVA DISKONTINUITA
Diskuse o celkovém složení planety Země a tím i povaze Mohorovičičovy diskontinuity se opírala o studium meteoritů. Primitivní meteority (chondrity) sloužily jako jeden z modelů možných zdrojů Země, zatímco druhým modelem pro složení Země byly meteority diferencované (achondrity). Achondrity jsou bazaltového čedičového složení. Jestliže jsou zdrojem pro vznik Země achondrity, pak je Země celkově čedičová a Mohorovičičova diskontinuita reprezentuje toliko změnu fázovou. Nad i pod Mohorovičičovou diskontinuitou je chemicky stejný materiál, který se liší toliko mineralogicky (pod M-diskontinuitou by byly hustší minerály, např. pyroxen a granát).
V případě, že zdrojem Země jsou chondrity, které jsou ultramafické (málo křemíku, hodně magnezia a železa) a kůra je žulového a čedičového složení, je rozdíl v rychlosti šíření seizmických vln dán změnou složení na M-diskontinuitě.
Kosmochemické modely však mají i další důsledky. V chondritovém modelu jsou kůra, ale i jádro Země výsledkem procesů, které se odehrály při anebo těsně po akreci Země. V případě achondritového složení je nutné akceptovat akreci heterogenní. Nejdříve tedy vznikalo redukované kovové jádro a teprve posléze se na toto jádro nabaloval oxidovaný křemičitanový materiál.
Geologické důkazy, jakými jsou uzavřeniny ve vulkanických horninách, ale i experimenty, ve kterých se podařilo částečným tavením chondritů vytvořit čediče a konečně i důkazy z rychlostí šíření seizmických vln, už v šedesátých letech naznačily, že chondritový model a tím i chemická povaha Mohorovičičova rozhraní je pravděpodobnější a přijatelnější řešení.
EXPERIMENTÁLNÍ PETROLOGIE
Experimentální petrologie měla v Čechách četné odpůrce. Tradiční myšlení, vliv severské geologické školy a praktická kladívková geologie bránily přijmout názor, že lze učinit pokrok zavedením fyzikálně-chemických pravidel do geologického dění, aplikací termodynamiky k posouzení rovnováh systémů, jakými jsou horniny. Slýchávali jsme argumenty, že geologie je něco zcela zvláštního a že faktor času je něco, co nelze experimentální petrologií napodobit. Paradoxně i tento nenapodobitelný faktor času, který se měří miliony let, lze redukovat na znalost difuzních koeficientů za geologicky reálných teplot a tlaků. Analytické techniky, jimiž lze měřit chemické složení v mikronových rozměrech, pak umožnily difuzní koeficienty, a zejména vliv přítomnosti těkavé fáze například v magmatu experimentálně studovat. Obrázek ilustruje vliv vody na fázové vztahy v hornině tak běžné, jako je žula. V podmínkách zemské kůry lze roztavit žulu za přítomnosti vody anebo jiné těkavé fáze (fluoru či oxidu uhličitého) za poměrně nízkých teplot (viz obr.2
VYSOKOTLAKÁ METAMORFÓZA
Doménou petrologů zabývajících se přeměněnými horninami donedávna byly takové oblasti teplot a tlaků, jaké známe z dnešní kůry. Předpokládalo se, že horniny zemské kůry v důsledku nízké hustoty a stability kůry neprodělaly teploty přesahující 800 oC a tlaky odpovídající hloubkám 30 40 km, což je kolem 10 12 kilobarů (1,0 1,2 GPa). Objevem vysokotlakých modifikací oxidu křemičitého (SiO2) v metamorfovaných horninách v Alpách, objevu tzv. bílých ale i modrých břidlic a změně v pohledu na horotvorné procesy, které jsou důsledkem kolizí kontinentálních desek, změnil se i hloubkový rozměr metamorfních procesů. Kolize kontinentů dokáže zatlačit horniny kůry do hloubek kolem 80 km, ale i 100 km, tedy do oblasti svrchního pláště.
I Český masiv nabízí škálu hornin, které krystalovaly za extrémně vysokých tlaků. Geologie, která v 60. i 70. letech odmítala přijmout myšlenku, že horniny v Českém masivu (nazývané granulity) dosáhly podmínek granulitové facie (tj. podmínek s teplotami nad 700 oC a tlaků 5 možná i 30 kilobarů), podlehla tíži důkazů. Český masiv se stal klasickým terénem vysokotlaké petrologie a úvahy o tom, že zde bylo před 340 miliony let horstvo, které bylo pravděpodobně vyšší (anebo mělo podstatně hlubší kořeny) než současné Alpy (srovnatelné se současným Himálajem) se stávají téměř badatelským klišé (teploty a tlaky zjištěné v Českém masivu Moldanubiku, pro ultramafické horniny větší pole, teploty a tlaky zjištěné pro granulity).
O autorovi
Petr Jakeš
Doporučujeme
Přírodovědec v ekosystému vědní politiky 
Od krytí k uzavření rány
