Uniformita a uniformistické koncepce v sedimentologii
David J. Tyler
c/o P.O. Box 22 Rugby, Warwickshire, CV22 7SY, UK
(Z Uniformity and Uniformitarian Concepts in Sedimentology, přeložil M. T. – 01/2008, Creation Research Society Quarterly, roč. 42, č. 4, březen 2006, str. 265 – 267
V diskusích s některými současnými geology se ukazuje, že Lyellovský uniformizmus (aktualizmus) je pokládán za přežitek z minulosti. „Moderní geologové změnili své názory“, říkají. „Jsme nyní tak otevření katastrofizmu jako kdokoli jiný, ale je třeba, aby nás přesvědčily důkazy“. Avšak navzdory těmto ujištěním jsem si též vědom toho, že mnozí z těchto geologů pokračují v uvažování uniformistickým způsobem. Zdá se, že je pro ně velmi obtížné vymanit se z hluboce zakořeněné praxe vytvořené Lyellovskou geologií!
Lyell, sir Charles, brit. geolog (14. 11. 1797 Kindary – 22. 2. 1875 Londýn). Vystupoval proti Cuvierově teorii katastrofizmu a založil teorii aktualizmu či uniformizmu (předpoklad, že na Zemi působily v minulosti tytéž vnější a vnitřní síly jako v současnosti). Dílo: Základy geologie (1830-33). (pozn. překl.).
Jedním z argumentů, kterými uniformistické myšlení opakovaně obhajuje svou pozici, je dovolávání se fyzikálních zákonů. „Nemůžete ignorovat fakt, že takhle se příroda chová!“ Populárním příkladem tohoto uvažování je Stokesův zákon, který popisuje způsob, jakým se částečka v roztoku pohybuje skrze kapalinu či plyn za působení přitažlivosti.
Stokes, sir George Gabriel, angl. matematik a fyzik (13. 8. 1819 Skreen – 1. 2. 1903 Cambridge). Zabýval se hydrodynamikou (Stokesův vzorec), formuloval Stokesovu větu pro plošné integrály. (pozn. překl.).
Když do této rovnice dosadíme příslušná čísla, pak je snadné ukázat, že některým jemnozrnným sedimentům muselo trvat dlouho, než se usadily z roztoku. „Pro tyto sedimenty musíme vyloučit katastrofizmus jako možné vysvětlení – což se mělo dokázat!“ Pro neprozřetelného čtenáře se zdá tento argument závažným – neboť kdo se odváží zpochybnit ověřené zákony fyziky?
Klíčovým problémem, kterým se zde budeme zabývat, je redukcionizmus. Argument Stokesova zákona vznášejí lidé, kteří si myslí, že rozumějí stavebním kamenům našeho světa i způsobu, jakým se skládají. To jim umožňuje budovat obraz celku, o němž se domnívají, že je úplný (tohle myšlení je například v pozadí těžko zařaditelné „teorie všeho“). Existují tu přinejmenším dva omyly: za prvé ten, že prý rozumíme všem stavebním kamenům, a za druhé ten, že prý rozumíme způsobu, jakým se skládají! V následujícím článku budeme rozebírat tři typy usazenin, o nichž se o všech tvrdí, že se nahromadily pomalu, a jejichž teorie je založena na uvedených dvou omylech . Tyto usazeniny jsou ložiska vulkanického popela, diatomity a křída.
Vulkanický popel z nedávné erupce hory Pinatubo
Roku 1991 vybuchla sopka Pinatubo na Filipínách a velká množství sopečného popela napadala do moře. S použitím Stokesova zákona vycházela doba usazení tři měsíce, ale vrstva popela se na mořském dně vytvořila za tři dny (Wiesner et al., 1995). Z toho vyplývá, že v analýze cosi chybělo. Není tomu tak, že Stokesův zákon by byl chybný: nikdo si nemyslí, že se jakkoli změnily zákony fyziky. Problém byl v modelu ukládání. Byl chybný, protože částečky popela se nechovaly jako nezávislé částice v roztoku (jak by tomu muselo být, kdybychom je měli popisovat pomocí Stokesova zákona). Alternativní teorie k vysvětlení dat zvažovali Manville a Wilson (2004).
Jejich práci podpořily laboratorní experimentální simulace a závěr byl, že spad popela na hladinu oceánu vytvořil hustotní proudy, které plynuly vertikálně na dno moře. Jinými slovy, spad popela vytvořil fluidum o vyšší hustotě než má mořská voda a tento roztok (fluidum) klesal pohromadě skrze vodní sloupec. (Tito autoři našli také důkazy pro rychlé diagenetické – zpevňovací procesy, ale to nás zde nezajímá, protože se zaměřujeme na proces ukládání).
Toto je příklad, který se týká interakcí částic v suspenzi. Místo aby se chovaly nezávisle, vytvořil se hustotní proud, který se pohyboval „o dva až tři řády rychleji než bylo očekáváno“ (Wiesner et al., 1995, str. 887).
Rozsivky z chilského eocénu
Rozsivky jsou křemitá těla jednobuněčných řas žijících na hladinách oceánů. Když zemřou, frustuly (křemité schránky) klesnou na dno oceánu a stávají se součástí hromadícího se sedimentu. Velikost rozsivek se obvykle pohybuje od 10 – 200 mikrometrů. Podle Stokesova zákona potřebují jednotlivé buňky těchto velikostí 1 týden až 2 roky ke svému usazení.
Frustula = schránka rozsivek složená ze dvou částí, z nichž větší překrývá menší jako víko krabičku. Pektinová vrstva buněčné stěny frustuly je inkrustovaná hydratovaným amorfním oxidem křemičitým.
Frustulace = způsob nepohlavního rozmnožování u láčkovců, kouskování. (pozn. překl.).
V moderních oceánských pánvích jsou rychlosti hromadění rozsivkových frustul i bahna nízké (jedna studie z kalifornského pobřeží psala o rychlosti 40-73 cm sedimentu za tisíc let). Geologové hovoří o „rozsivkovém bahně“tam, kde je podíl rozsivek významný. Rozsivková ložiska jsou hospodářsky významná, protože je tvoří relativně čistý křemík v hydratované formě, která usnadňuje jeho chemické uvolňování. Dolovatelná ložiska jsou většinou interpretována jako vzniklá za tisíce let.
Je možné – analogicky s příkladem vulkanického popela – , aby se rozsivky tvořily rychle a ukládaly se rychle? Existují způsoby ukládání odlišné od „nezávislých částic v suspenzi“, které popisuje Stokesův zákon? Odpověď je zde nepochybně kladná. Je například známo, že mnoho planktonových rozsivek by nemělo být považováno za jednotlivé buňky, protože tvoří vícebuněčné řetězce. Ty mohou dosahovat délky několika mm.
Avšak hlavní důkazy pro rychlejší způsoby ukládání pocházejí z přítomnosti fosilních obratlovců v některých ložiscích diatomitů. Nejzávažnější případ se týká fosilizovaných kosticovců v rozsivkových horninách v oblasti Cerro Bianco v Peru. Spodní část formace Pisco tvoří většinou pískovec s některými rozsivkovými složkami. Horní část (silná asi 80 m) má rozsivkové složky plus vytvrzené bahno se sopečným popelem. V uvedené rozsivkové složce nalézáme fosilní kosticovce dlouhé 5 až 13 m; mnoho z nich je zvlášť dobře zachováno. V nedávno popsaném výzkumu (Brand et al., 2004) bylo studováno 346 takovýchto velryb na ploše 1.5 km2 odkrytých nalezišť. Tyto fosilie někdy zachovaly i měkké tkáně včetně kostic. Jedinými dalšími běžnými fosiliemi jsou žraločí zuby, ale formace vydala i ryby, želvy, tuleně, sviňuchy, tučňáky, a dokonce i vymřelé chudozubé savce jako je megatherium či mylodon.
Brand et al. uvažovali o třech mechanizmech ukládání:
- anoxie ve stojaté vodě, zachovávající velryby, zatímco usazenina (sediment) se hromadila pomalu,
- koberce rozsivek sem byly naplaveny, aby přikryly těla velryb a zabránily saprofágům v jejich narušení, a
- rychlé pohřbení rozsivkovým sedimentem. Jejich článek probírá důležitá pozorování, zavrhuje možnosti 1 a 2, a končí konstatováním, že důkazy podporují možnost 3.
„Tato nutnost rychlého pohřbení naznačuje, že v některých obdobích v minulosti byly rychlosti hromadění rozsivek mnohem vyšší než jsou rychlosti typické v moderních oceánech“ (Brand et al., 2004, str. 168). Navrhovanými mechanizmy jsou bohaté rozsivkové výkvěty ve volném oceánu (tj. „výbuch“ rozsivkové populace jako důsledek hojného přísunu potravy a příznivých podmínek pro rozmnožování) kombinované s proudy přinášejícími frustuly do oblasti hromadění. Tento výzkum proto dokumentuje přesvědčivý příklad usazenin nahromaděných za mnohem kratší dobu, a tak s úspěchem zavádí katastrofickou alternativu do myšlení, jehož doménou do nedávna byl uniformizmus. „Sedimentace částic podle Stokesova zákona“ musí být nahlížena jako jeden extrém z celého spektra způsobů ukládání.
Tento případ se týká stavebních kamenů diatomitové formace. Ačkoli jsou rozsivkové výkvěty známy i dnes, nemáme doklady událostí, jež odpovídají uloženinám v Cerro Bianco. Procesy v minulosti se skutečně vymykaly dnešní zkušenosti. Přítomnost sopečného popela v těchto uloženinách může být významná – jak uvádíme níže.
Křída z období křídy
Nejpodnětnějším případem vyžadujícím ukládání malých částic se jeví křída. Tento sediment tvoří vápnité schránky jistých řas a bičíkovců známých jako Coccolithophores. Tvrdé části nazýváme kokolity, a jejich skutečný průměr při usazování sahá od 2 do 12 mikrometrů. Tyhle struktury se rozpadají a výsledkem jsou úlomky velké od 1 do 4 mikrometrů. Jelikož vlnová délka červeného světla je asi O.7 mikrometru, nebylo možné určit strukturu křídy do příchodu elektronových mikroskopů.
Křída (sediment) = druh vápence světlých barev, špatně zpevněného, s obsahem CaCO3 mezi 90 a 99%. Tvoří se převážně ze schránek planktonních organizmů (foraminifer), kokolitů, řas a malých mlžů. Ty jsou uloženy ve velmi jemnozrnném mikritu, který může vznikat chemogenně či rozpadem těchto schránek.
Kokolity = mikroskopické okrouhlé, talířovité destičky bičíkovců skupiny Coccolithophoracea, tvořící součást některých vápnitých (globigerinových) bahen, hlubokomořských i mělkomořských. (pozn. překl.)
Větší částice potřebují alespoň rok k tomu, aby sestoupily na dno moře, ale částicím rozmělněným to může trvat přes 100 let! Podle některých odhadů představuje 1 m křídy asi 100 000 let času. V moderních oceánech nalézáme kokolitofory (bičíkovce) ve vodách chudých na živiny a kokolity jsou vždy smíseny s jinými materiály v sedimentech na dně moří. Křídová bahna v hlubinných mořích z Atlantiku mají obsah kokolitů (na váhu) 5-33%, a z Indického oceánu 4-71% (Jeans a Rawson, 1980).
Tím spíše pak překvapuje, že nalézáme hojná ložiska křídy ve svrchní křídě, a též zastoupena v některých vrstvách třetihor. To znamená, že v minulosti existovaly rozsáhlé oblasti světadílů pokryté mořem, v němž se dařilo řasám a bičíkovcům produkujícím křídu s relativně malými příměsmi jiného sedimentárního materiálu. Nejspíše (uvážíme-li, jak pomalu se křída sráží z roztoku) bychom měli očekávat, že nalezneme pouze křídová bahna. Nicméně mnohá z ložisek křídy jsou mimořádně čistá a velmi silná (kolem 350 m v jižní Anglii, a v USA má formace Niobrara křídovou složku, jež měří v průměru asi 180 m). Mnozí vědci došli k závěru, že tato ložiska křídy se musela tvořit způsobem, který v moderních procesech nenacházíme: „nemůžeme dosud citovat žádný přesný analogický proces ke křídě z období křídy“ (Jeans a Rawson, 1980, str. 92). Další informace o nezvyklých vlastnostech křídových vrstev nalezneme u Tylera (1996).
I konvenční geologie potřebuje nalézt způsoby ukládání křídy rychlejší než ty, které dovoluje Stokesův zákon. Jeden z oblíbených mechanizmů mezi některými geology je ten, že kokolity byly většinou pozřeny jinými organizmy a vyloučeny jako hrubší částice. Tyhle hrubší shluky se vyloučí ze suspenze relativně rychle. Toto vysvětlení má za cíl vysvětlit zásadní rozdíly v texturách jistých křídových usazenin.
Můžeme samozřejmě zkoumat i další myšlenkové cesty. Existuje možnost, že se tvořily výkvěty řas, s velmi zvýšenými rychlostmi tvoření kokolitů. Podmínky pro trvalý explozívní růst je nutno ještě podrobně zkoumat, ale se základní myšlenkou přišel už Roth (1985) a jiní ji dále rozvíjeli.
Nějakou dobu je známo, že železo může vyvolat výkvěty řas, ale experimenty v oceánech nelze jednoznačně interpretovat. Nedávná práce se železem jako zdrojem výkvětů řas naznačila, že pouhá přítomnost železa nestačí – železo musí být v takové formě, kterou organizmy mohou skutečně použít. Dvě bouře, jež přinesly prach bohatý na železo z pouště Gobi do Tichého oceánu, nám poskytly důležité informace o některých relevantních procesech. Meskhidze et al. (2005) to zdokumentovali.
Jak bouře přecházely Čínu, znečistil se železitý prach kysličníkem siřičitým. Zdá se, že relativně vysoká hladina kysličníku siřičitého je schopna transformovat železo do rozpustnější formy, kterou může fytoplankton využívat. První bouře vyústila v rozmnožení fytoplanktonu, ale druhá nikoli. Tato obsahovala významné množství uhličitanového prachu, který SO2 neutralizoval.
Jednou z výhod opuštění uniformistického myšlení je to, že dříve nepropojená data lze integrovat pozoruhodnými způsoby. To se týká „interakční“ slabiny uniformizmu. Je dobře známo, že sopečná aktivita vytváří prach bohatý na železo spolu s velkým množstvím oxidu uhličitého a oxidu siřičitého. A skutečně tento fenomén vedl kritiky stoupenců potopy k námitce, že by existovalo extrémně toxické prostředí během katastrof jako byla potopa a její následné efekty. Nyní se však ukazuje, že existují mechanizmy zpětné vazby. Sopečná činnost může podporovat růst fytoplanktonu (výkvěty řas) tak, že obohatí vody oceánů o prach bohatý na železo a oxid siřičitý, zvýšit absorpci CO2 (během fotosyntézy) a vytvořit spousty kyslíku. Máme zde co dělat s mechanizmem zpětné vazby, který pomáhá udržovat naši planetu ve stavu dobrém pro život v jakýchkoli časech globální nestability spojené se sopečnou činností.
Shora vylíčený scénář počítá s hojnými výkvěty řas. Jaká je situace s řasami produkujícími kokolity? Kokolitofory jsme popsali jako zástupce jedněch z nejrychleji rostoucích planktonických bičíkovců a řas, ale na rozdíl od většiny dalšího fotosyntetického planktonu se nezdá, že by jejich růst podporovaly dusičnany, fosforečnany či železo. Jak tedy mohou být tyto organizmy stimulovány k růstu?
Důležitý průlom v chápání faktorů prostředí podmiňujících produkci křídy přinesla práce Stanleye et al. (2005). Tito autoři si všimli, že mořskou vodu v období křídy charakterizovala nízká procenta Mg/Ca a vysoké koncentrace Ca. Mořská voda v paleocénu měla koncentrace Mg a Ca též blízké úrovním období křídy. Moderní mořská voda má vysoké procento Mg/Ca a asi poloviční koncentraci Ca ve srovnání s obdobím křídy. Hypotéza zmíněných autorů byla ta, že koncentrace minerálů v mořské vodě byly významným faktorem a autoři vykonali řadu experimentů, aby to prokázali.
Autoři znali skoro 300 druhů kokolitoforů, žijících většinou v malém počtu v subtropických/tropických vírech oceánů chudých na živiny. Tři druhy byly vybrány pro experimentování, a všechny reagovaly silně na mořskou vodu z období křídy. Jeden zdvojnásobil svůj populační růst, a ty ostatní vykazovaly „několikanásobnou rychlost růstu – rostly třikrát až čtyřikrát rychleji ve vodě z období křídy než ve vodě moderní“ (Stanley et al., 2005, str. 595). Jeden druh změnil charakter své kokolitové generace: „vylučoval v křídové vodě větší a mohutněji stavěné kokolity“.
Stanley et al. (2005) upozorňují, že moderní kokolitofory žijí v tom, co připomíná zbytkové populace. Ve vodě s vysokým obsahem hořčíku se jim nedaří. Faktorům ovlivňujícím výkvěty je stále nutno věnovat v bádání pozornost, ale zmíněný článek posunuje o hodně dál naše znalosti o tom, proč jsou křídové vrstvy primárně fenoménem období svrchní křídy a proč moderní kokolitofory nevykazují známky produkce významných a silných vrstev křídy. Článek též ukazuje, že pokud jsou podmínky příznivé, mohou se tyto malé organizmy množit rychle.
Pokud jde o křídu, byly by bývaly výkvěty ústily do hustotních proudů? Vedly by k hromadění kokolitů? Jak by byly výpady kokolitů z výkvětů ovlivnily jedinečné ekosystémy, které zdá se žily na dně moře pokrytém křídou? Ačkoli odpovědi na tyto otázky ještě neznáme, mechanizmy musely existovat, protože je dostatek důkazů pro to, abychom vyloučili srážení z roztoku podle Stokesova zákona.
Závěr
Bádání zmíněná v našem článku pomáhají osvětlit problémy uniformizmu. Není to tak, že by uniformisté nebyli ochotni přijmout důkazy katastrofizmu v geologické minulosti. Spíše mají velmi úzký pohled na fenomén geologie. Raději pracují s analogiemi moderních procesů a fyzikálních zákonů bez toho, aby testovali „správnost a vhodnost“ a bez toho, aby zkoumali alternativní hypotézy, které dovolují stejně dobrou či zlepšenou shodu mezi pozorováním a teorií. Ve shora uvedených třech případech usazování jemných částic uniformizmus selhal, protože nesprávně pochopil „stavební kameny“ a jejich interakce. Pokud mohu posoudit z publikovaných výzkumů, přicházejí významné pokroky jedině tehdy, když jsou badatelé ochotni vyjít z vyježděných kolejí a zpochybnit převzatou moudrost.
Odkazy na literaturu
- Brand, L.R., R. Esperante, A.V. Chadwick, O.P. Porras, and M. Alomía. 2004. Fossil whale preservation implies high diatom accumulation rate in the Miocene–Pliocene Pisco Formation of Peru. Geology 32(2):165–168.
- Jeans, C.V., and P.F. Rawson (editors). 1980. Andros Island, chalk and oceanic oozes, Yorkshire Geological Society, Occasional Publication No. 5, Leeds, UK.
- Manville V., and C.J.N. Wilson. 2004. Vertical density currents: a review of their potential role in the deposition and interpreta tion of deep-sea ash layers. Journal of the Geological Society 161:947–958.
- Meskhidze, N., W.L. Chameides, and A. Nenes. 2005. Dust and pollution: A recipe for enhanced ocean fertilization? Journal of Geophysical Research (Atmospheres) 110, February, D03301.
- Roth, A.A. 1985. Are millions of years required to produce bio genic sediments in the deep oceans? Origins 12:48–56.
- Stanley, S.M., J.B. Ries, and L.A. Hardie. 2005. Seawater chem istry, coccolithophore population growth, and the origin of Cretaceous chalk. Geology 33:593–596.
- Tyler, D.J. 1996. A post-Flood solution to the Chalk Problem. Creation Ex Nihilo Technical Journal 10:107–113.
- Wiesner, M.G., Y. Wang, and L. Zheng. 1995. Fallout of volcanic ash to the deep South China Sea induced by the 1991 erup tion of Mount Pinatubo (Philippines). Geology 23:885–888.