Polska zajmuje w Europie miejsce szczególne, bowiem na jej obszarze stykają się trzy główne jednostki tektoniczne budujące kontynent europejski: stara platforma prekambryjska Wschodniej Europy o wieku konsolidacji około miliarda lat, platforma paleozoiczna Centralnej i Zachodniej Europy o wieku około 300 milionów lat oraz młody górotwór alpejski - Karpaty. Strefa kontaktu platform paleozoicznej i prekambryjskiej, o rozciągłości około 2000 km, przecinająca kontynent europejski od północnego zachodu na południowy wschód, od Morza Północnego do Morza Czarnego, nosi nazwę szwu transeuropejskiego (Trans European Suture Zone - TESZ). Prawdopodobnie rozciąga się on dalej w kierunku zachodnim, przecinając Atlantyk i wchodząc w orogen Appalachów w Ameryce Północnej, a więc zyskując rangę i znaczenie planetarne.
Przejście od struktur paleozoicznych Europy Centralnej i Zachodniej do struktur prekambryjskich Europy Wschodniej przez strefę TESZ charakteryzuje się ogromnym zróżnicowaniem własności fizycznych litosfery Ziemi, której miąższość na tym obszarze zmienia się od 80 do 150 km. Wszechstronne rozpoznanie struktury i własności fizycznych TESZ jest warunkiem koniecznym dla zrozumienie procesów geodynamicznych kształtujących cały kontynent europejski, w tym obszar Polski. Problem ten był głównym celem międzynarodowego eksperymentu sejsmicznego, który został zrealizowany na obszarze Polski w dniach od 15 do 31 maja 1997 r. w ramach projektu POLONAISE '97 (POlish Lithosphere ONsets - An International Seismic Experiment).
2. Eksperyment POLONAISE '97
Szczegółowe badania sejsmiczne struktury i własności fizycznych wnętrza Ziemi, wykonane w ramach projektu POLONAISE '97 na obszarze Polski, objęły swoim zasięgiem skorupę ziemską i dolną litosferę do głębokości około 100 km. Sejsmiczne prace eksperymentalne metodami sejsmologii eksplozyjnej przeprowadzono głównie na obszarze Polski na pięciu profilach o łącznej długości około 2000 km (rys. 1). Eksplozje ładunków wybuchowych w 40-metrowych otworach wiertniczych, generujących fale sejsmiczne w 63 punktach strzałowych, zostały zaprogramowane i wykonane automatycznie przy zastosowaniu systemu GPS. Rejestracje fal sejsmicznych wykonano przy użyciu 613 nowoczesnych cyfrowych aparatur sejsmicznych ze znanych ośrodków naukowych w USA, Kanadzie, Europie Zachodniej oraz własnych. W pracach eksperymentalnych wzięło udział około 600 geofizyków, inżynierów i techników, w tym 35-osobowy zespół z zagranicy. Rekordowa liczba punktów strzałowych, wielka ilość użytych aparatur sejsmicznych (około 50-60% zasobów światowych) i precyzja wykonanego eksperymentu kwalifikują projekt POLONAISE '97 do największego przedsięwzięcia badawczego tego typu na świecie.
Rys.1. Lokalizacja profili sejsmicznych POLONAISE '97. Punkty strzałowe generujące fale sejsmiczne zaznaczono gwiazdkami. Pozycje aparatur sejsmicznych oznaczono kropkami
3. Wyniki
Uzyskano w sumie około 70 000 wysokiej jakości sejsmogramów (rejestracji składowych pionowych i poziomych). Dane sejsmiczne otrzymane w eksperymencie POLONAISE '97 są wyjątkowo wysokiej jakości. Modelowanie danych sejsmicznych prowadzi się przy użyciu kilku metod. Przykład tomograficznego modelu rozkładu prędkości fal podłużnych P w skorupie ziemskiej na profilu P4 otrzymany metodą inwersji hodografów pierwszych impulsów [1] został przedstawiony na rys. 2. Linie ciągłe oznaczają izolinie prędkości fal P w km/s. Głównym elementem górnego piętra modelu skorupy ziemskiej jest wielki basen sedymentacyjny, występujący w przedziale odległości 150-300 km, w którym skały o prędkościach fal P < 6,0 km/s sięgają do głębokości 16-20 km. Basen ten, nazywany basenem polskim, jest wyraźnie asymetryczny. Ostre ograniczenie basenu od strony północno-wschodniej (ok. 300 km) określa jednoznacznie krawędź krystalicznego cokołu starej platformy prekambryjskiej. Głębokość dolnej granicy skorupy ziemskiej (izolinia 8 km/s) zmienia się na badanym obszarze od 32 km na platformie paleozoicznej do 42 km na platformie prekambryjskiej, osiągając maksymalną wartość około 50 km w strefie kontaktu platform (około 300 km profilu). Asymetryczny basen sedymentacyjny jest wyraźnie przesunięty względem depresji dolnej granicy skorupy ziemskiej [2,3].
Rys. 2. Tomograficzny model rozkładu prędkości sejsmicznych fal podłużnych (P) dla profilu P4 (Zgorzelec-Toruń-Suwałki-Wilno) otrzymany metodą inwersji hodografów pierwszych wstąpień. Linie ciągłe oznaczają izolinie prędkości w km/s. Izolinia 6,0 km/s wyznacza w przybliżeniu granicę podłoża krystalicznego skorupy ziemskiej, określając tym samym grubość pokrywy osadowej w basenie polskim. Izolinia 8 km/s wyznacza w przybliżeniu dolną granicę skorupy ziemskiej (nieciągłość Moho)
Eksperyment sejsmiczny POLONAISE '97 był przedsięwzięciem badawczym zrealizowanym dzięki szerokiej współpracy międzynarodowej ekip naukowych i technicznych z USA, Kanady i Europy Zachodniej, a wyniki badań znajdują się w centrum zainteresowań geofizyków i geologów.
Literatura
[1] J.A. Hole, J. Geophys. Res. 97, 6553 (1992).
[2] A. Guterch, M. Grad, H. Thybo, R.G. Keller, EOS, AGU, 79, 26, 302,
305 (1998).
[3] A. Guterch, M. Grad, H. Thybo, R.G. Keller oraz POLONAISE Working
Group, Tectonophysics, w druku (1999).