Mariusz Blimel: Jaka jest misja Instytutu Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk?
Prof. dr hab. Stanisław Mazur:
Wyobrażamy sobie świat, w którym zaufanie między naukowcami a społeczeństwem stanowi podstawę bardziej zrównoważonego i stabilnego rozwoju, dzięki któremu wszyscy ludzie mogą żyć i prosperować w dobrobycie. Nasza praca jest poświęcona zrozumieniu struktury i ewolucji Ziemi oraz ich konsekwencji dla środowiska naturalnego. Posiadaną wiedzę wykorzystujemy do poznania mechanizmów rządzących procesami ziemskimi i ewolucją innych planet. Naszym ostatecznym celem jest wspieranie zrównoważonego rozwoju współczesnego społeczeństwa i przyczynianie się do rozwiązywania stojących przed nim globalnych wyzwań.
M.B.: Jaką kategorię naukową posiada instytut?
S.M.: Instytut posiada kategorię A nieprzerwanie od wprowadzenia ewaluacji jednostek naukowych przez ministerstwo. Podczas ostatniej ewaluacji, żadna z jednostek w dyscyplinie nauk o Ziemi i środowisku nie została oceniona wyżej, czyli na A+. Naszą najmocniejszą stroną jest działalność publikacyjna. Zatrudniając niewiele ponad 60 naukowców publikujemy średnio 100 artykułów naukowych rocznie, które są oceniane na 100 lub więcej punktów według klasyfikacji ministerialnej. Pracuje u nas szereg naukowców rozpoznawalnych na świecie mających w swym dorobku tysiące cytowań. Dodatkowo posiadamy europejskie logo doskonałości w badaniach „HR Excellence in Research”. O naszej pozycji świadczy również ilość prowadzonych przez nas projektów w tym tych finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki. Jest ich ponad 40, co oznacza, że prawie każdy naukowiec ze stopniem doktora jest kierownikiem takiego projektu.
M.B.: Proszę opowiedzieć o interdyscyplinarności instytutu.
S.M.: Program badawczy Instytutu ma charakter multidyscyplinarny obejmując tektonikę i geologię strukturalną, geofizykę, sedymentologię, petrologię, geochemię, geochronologię, mineralogię ilastą, paleoklimatologię, paleobiologię i badania środowiskowe. Nauki o Ziemi mimo całej swej specyfiki są dyscypliną na pograniczu fizyki, chemii i biologii. Dlatego zatrudnienie u nas poza geologami znajdują również przedstawiciele innych dyscyplin i dziedzin. Współpracujemy także z wieloma jednostkami naukowymi w kraju i za granicą o bardzo szerokim spektrum zainteresowań badawczych.
M.B.: Jakie są główne cele działalności oraz strategia instytutu?
S.M.: Do naszych strategicznych priorytetów należy wsparcie naukowe dla transformacji energetycznej w Polsce, badania zapisu geologicznego zmian klimatycznych i ich wpływu na środowisko, jak również przygotowanie wsparcia dla powojennej odbudowy Ukrainy. Uczestniczymy również w wydarzeniach promujących naukę, między innymi w dorocznej Europejskiej Nocy Naukowców, Małopolskiej Nocy Muzeów oraz Pikniku Naukowym CN „Kopernik” i Polskiego Radia. Nasi naukowcy na zaproszenie szkół z różnych województw prezentują swoje metody badawcze oraz nowe, globalne wyzwania nauki.
M.B.: Jakimi laboratoriami dysponuje instytut?
Nasz instytut posiada szereg laboratoriów, które mają wysoką rozpoznawalność nie tylko w kraju, ale i za granicą. Wszystkie łączy fakt posiadania bardzo nowoczesnego wyposażenia i doświadczonej kadry badawczej. Jednym z nich, jest Laboratorium Geochronologii i Geochemii Izotopów, które wchodzi w skład europejskiej platformy EPOS (European Plate Observing System). W ramach programu EPOS PL+, laboratorium to zostało w 2021 roku dofinansowane kilkunastoma milionami złotych na zakup nowej generacji spektrometrów masowych oraz ablacji laserowej. Laboratorium minerałów ilastych ma ugruntowaną renomę międzynarodową prowadząc zarówno badania podstawowe, jak i aplikacyjne. Badania eksperymentalne są dodatkowo wspomagane modelowaniami numerycznymi. W roku 2022 laboratorium zostało wsparte grantem ministerialnym na zakup nowego dyfraktometru rentgenowskiego. Do naszych wizytówek w światowej nauce należy także laboratorium modelowania biogeosystemu, które prowadzi zarówno prace eksperymentalne jak modelowania numeryczne. Mamy także laboratorium uranowo-torowe i izotopów stabilnych, oba specjalizujące się w badaniach środowiskowych. Instytut dysponuje także szerokim wachlarzem oprogramowania w zakresie GIS, geofizyki poszukiwawczej oraz geologii strukturalnej. Oprogramowanie to stanowi podstawowe narzędzie pracy dla kilku działających u nas grup badawczych i jest wykorzystywane w działalności aplikacyjnej.
Reasumując, pragnę podkreślić, że Instytut dysponuje zarówno nowoczesnym wyposażeniem jak i wysoko wykwalifikowaną kadrą. Dlatego może być atrakcyjnym partnerem do współpracy zarówno przy badaniach podstawowych, jak i stosowanych na potrzeby przemysłu.
Dziękuję bardzo za rozmowę.
Zespoły badawcze i laboratoria Instytutu
Laboratoria izotopowe
Instytut posiada dwa laboratoria izotopów radiogenicznych – Laboratorium Geochronologii i Geochemii Izotopów w Krakowie i Laboratorium Uranowo-Torowe w Warszawie. Prowadzą one prace badawcze w oparciu o najnowocześniejszą aparaturę służącą precyzyjnym i dokładnym pomiarom składu izotopowego oraz zawartości pierwiastków śladowych w minerałach, skałach, szkłach, ceramice, stopach metali, glebach czy kościach. Ośrodek w Krakowie dysponuje laboratorium ultraczystej chemii zbudowanym w standardzie niestosowanym wcześniej w naukach o Ziemi oraz wielokolektorowym spektrometrem masowym z indukcyjnie wzbudzaną plazmą (MC ICPMS) Neptune, który był pierwszym tego typu instrumentem w kraju. Działa tam również laser ekscymerowy (ArF, 193 nm) RESOlution M-50. W latach 2019-2023 konsorcjum EPOS PL+, w skład, którego wchodzą wiodące polskie placówki badawcze, zrealizowało zakup nowego, tandemowego spektrometru masowego z potrójnym kwadrupolem, MC ICPMS nowej generacji, spektrometru masowego ze źródłem termicznym (TIMS) oraz lasera ekscymerowego z ultraszybką komorą ablacyjną. Sprzęt ten pozwala na analizy składu izopowego analitu wielkości pojedynczych nanogramów, a w niektórych przypadkach na poziomie sub-nanograma oraz na obniżenie progów wykrywalności dla większości metali na poziomie ppq (części na kwadrylion). Laboratorium w Warszawie dysponuje spektrometrami cząstek alfa, beta i promieniowania gamma, oraz wysokorozdzielczym spektrometrem masowym ICP-MS. Posiada zaplecze do preparatyki próbek wód, gleb, skał i osadów, także w warunkach podwyższonej czystości.
Wdrożone przez nas techniki są stosowane w wielu obszarach nauki, stąd prowadzone przez nas badania mają najczęściej charakter interdyscyplinarny, co pozwoliło nam nawiązać współpracę naukową z instytutami badawczymi w ponad 20 krajach. Jednym z głównych kierunków badań jest geochronologia, której celem jest precyzyjne i dokładne określanie wieku procesów geologicznych. Stosowane metody datowania (np. Sm-Nd, Lu-Hf, U-Th-Pb, stratygrafia Sr, czy metoda trakowa) pozwalają nie tylko na chronologiczne porządkowanie zdarzeń kształtujących naszą planetę, lecz również na określenie tempa w jakim procesy te zachodzą.
Innym obszarem naszych zainteresowań jest zastosowanie pomiarów składu izotopowego i zawartości pierwiastków śladowych przy pomocy ablacji laserowej. Technika ta pozwala na osiągnięcie wysokiej rozdzielczości przestrzennej analizowanego materiału, nawet rzędu pojedynczych mikrometrów. Przykładem tego typu badań są prace nad odtworzeniem ścieżek mobilności ssaków poprzez pomiar zmienności składu izotopowego Sr archiwizowanego w bioapatycie tworzącym szkliwo zębów.
Laboratorium w Warszawie skupia się na ustaleniu chronologii profili osadów jeziornych i jaskiniowych, rekonstrukcjach paleoklimatycznych i paleoekologicznych oraz ocenie wpływu działalności człowieka na środowisko przyrodnicze. Przykładem tego jest rekonstrukcja warunków klimatycznych w plejstocenie i holocenie Europy Środkowej w oparciu o zapisy izotopowe z nacieków jaskiniowych, czy zbadanie stopnia zanieczyszczenia mikroplastikiem wód i osadów na warszawskim odcinku doliny Wisły.
Oprócz procesów geologicznych frakcjonujących izotopy w sposób naturalny, we współpracy z fizykami jądrowymi, prowadzimy pomiary składu izotopowego modyfikowanego poprzez wymuszone reakcje jądrowe. Do takich badań należy identyfikacja źródeł zanieczyszczenia środowiska naturalnego plutonem, który wprowadzany jest jedynie w wyniku działalności człowieka związanej z eksperymentami militarnymi i energetyką jądrową.
W Warszawie znajduje się laboratorium izotopów stabilnych, które bada krążenie izotopów stabilnych pierwiastków lekkich w złożonym hydro-bio-geosystemie. Laboratorium korzysta ze spektrometrów masowych oraz zautomatyzowanych linii ekstrakcyjnych, przystosowanych m.in. do analiz materiałów węglanowych, fosforanowych, siarczanowych, azotanowych, organicznych oraz wody. Prowadzi badania z zakresu zanieczyszczeń środowiska naturalnego, hydrogeologii, paleontologii i geoarcheologii. Obecne projekty dotyczą m.in. wykorzystania zapisu izotopowego w szkliwie kopalnych zębów zwierzęcych do szczegółowej rekonstrukcji zmian klimatycznych, wykorzystania składu chemicznego i izotopowego wód drenażowych w kopalniach do określania pochodzenia wód oraz identyfikacji dróg ich dopływu do wyrobisk górniczych oraz określania udziału czynników naturalnych, rolnictwa i odpływu ścieków w eutrofizacji cieków i zbiorników powierzchniowych. Laboratorium rozwija współpracę naukową z antropologami, archeologami, zoologami, agronomami, a także z przemysłem wydobywczym.
Laboratorium Minerałów Ilastych (ClayLab)
Laboratorium Minerałów Ilastych (ClayLab) zajmuje się analizą strukturalną, ilościową oraz jakościową skał oraz gleb zawierających minerały ilaste. Zespół badawczy tworzy wysoko wykwalifikowana kadra naukowców oraz techników, w skład której wchodzą: geolodzy, chemicy, fizycy i informatycy. ClayLab prowadzi zarówno badania podstawowe, jak i aplikacyjne, obejmujące takie zagadnienia jak: wysokociśnieniowa adsorpcja metanu i wodoru przez skały, geochronologia skał i minerałów krzemianowych, wymiana izotopów stabilnych w minerałach ilastych, przemiany diagenetyczne skał i osadów, termiczne przeobrażenia minerałów, w tym badanie mechanizmów reakcji rozkładu glinokrzemianów warstwowych. Dodatkowo badania eksperymentalne wspomagane są modelowaniami molekularnymi.
Laboratorium realizuje projekty finansowane przez naukowe instytucje krajowe i zagraniczne takie jak NCN, Niemiecka Służba Geologiczna oraz komercyjne projekty zewnętrzne np. dla SKB (Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co.). Ponadto ClayLab uczestniczy w międzynarodowych projektach, m.in. Europlanet 2020 RI, H2020 wzbogacając bazę spektralną minerałów dla badań planetarnych.
Spośród 76 laboratoriów z 23 różnych krajów ClayLab zajął 3 miejsce w prestiżowym konkursie Reynolds Cup w 2020 r – ogólnoświatowym konkursie na najdokładniejszą analizę mineralogiczną. Dotychczasowe badania pozwoliły na opracowanie i wdrożenie szeregu nowych metod pomiarowych, które są wykorzystywane nie tylko przez ośrodki naukowe, ale i przemysłowe, m.in. spektroskopowy pomiar ładunku minerałów ilastych, który jest unikatową usługą na skalę światową i wzbudza zainteresowanie ze strony partnerów przemysłowych. Rezultaty przeprowadzanych badań znajdują swoje odzwierciedlenie w licznych publikacjach naukowych o zasięgu światowym w wiodących periodykach (średnio 10 publikacji na rok). Członkowie zespołu zdobywają również indywidualne międzynarodowe nagrody za osiągnięcia naukowe (m.in. prof. Jan Środoń – Pioneer in Clay Science Lecture, Jackson Mid-Career Clay Scientist Award).
Zespół ClayLab prowadzi badania interdyscyplinarne wspomagając takie dziedziny jak: archeologia, inżynieria środowiska, energetyka, klimatologia, chemia, biologia, historia sztuki czy badania planetarne. Do ważnych aplikacji przemysłowych należą: (1) jakościowa i ilościowa analiza składu mineralnego skał oraz analiza porowatości dla przemysłu naftowego i gazowego, (2) analiza właściwości fizykochemicznych skał i minerałów dla przemysłu naftowego, inżynierii środowiska oraz dla firm syntetyzujących i przetwarzających minerały ilaste oraz (3) analizy mineralogiczne oraz izotopowe w kontekście bezpiecznego magazynowania odpadów nuklearnych, wodoru czy sekwestracji CO2
Zespoły Badawcze Tektoniki i Geofizyki
W Instytucie działają dwa zespoły badawcze zajmujące się tektoniką i geofizyką: Zespół Systemów Depozycyjnych (DEPOS) w Krakowie oraz Interpretacji Sejsmicznych i Analiz Basenowych (SEISSED) w Warszawie. Obszarem ich badań jest:
Rekonstrukcja architektury basenów sedymentacyjnych przy użyciu zintegrowanych danych terenowych, otworowych, geofizycznych (sejsmicznych, grawimetrycznych i magnetycznych), paleontologicznych, geochemicznych oraz modelowań strukturalnych i geofizycznych.
Badanie zależności przestrzennych i czasowych pomiędzy wypełnieniem basenów, ich obszarami źródłowymi oraz procesami depozycji. Studia proweniencji wypełnień basenów w oparciu o analizy instrumentalne detrytusu dla identyfikacji obszarów źródłowych i rekonstrukcji ich ewolucji tektonotermalnej.
Analizę wypełnienia osadowego basenów przy użyciu metod stratygrafii, stratygrafii sekwencyjnej, analizy facjalnej, sedymentologii i termochronologii (metod trakowych) w celu poznania tempa depozycji oraz modelowania historii termicznej i warunków pogrzebania.
Kompleksowe analizy na potrzeby przemysłu naftowego z wykorzystaniem technik ilościowych i modelowań numerycznych.
Zapleczem badawczym zespołów jest krakowskie laboratorium analiz trakowych oraz szeroki zestaw programów komputerowych służących obróbce danych geofizycznych, i geologicznych ich integracji oraz modelowaniu numerycznemu takich jak Kingdom (IHS Markit), Oasis montaj (Geosoft), ArcGIS (Esri), Studio RM (Datamine), BasinMod (Platte River Associates), Move (Petex), GETGrid (Getech), Tesseral Pro (Tesseral Technologies Inc.). Posługujemy się także własnymi kodami stworzonymi w MATLABie i Pythonie.
W latach 2020-2023 pracownicy obu zespołów byli zaangażowani w 9 projektów finansowanych przez NCN, 1 przez NCBiR i 3 przez polski przemysł naftowy. Posiadają szeroką sieć współpracy krajowej i międzynarodowej zarówno z instytucjami naukowymi jak i podmiotami przemysłowymi.
Zespół Badania Procesów Petrogenetycznych
Badania mineralogiczne, petrologiczne i geochemiczne prowadzone przez Zespół Badania Procesów Petrogenetycznych (PETROGEN) koncentrują się na procesach zachodzących w mikro- i nanoskali, których interpretacje są wykorzystywane w rekonstrukcjach procesów geologicznych zachodzących w skali całych orogenów. Tematyka prowadzonych przez nas projektów badawczych obejmuje: wpływ systemu hydrotermalnego w późnym archaiku na skład środowiska abiotycznego; transformacje minerałów w procesach przeobrażeń monacytu i ksenotymu w nano- i mikroskali oraz wpływ przeobrażeń metasomatycznych na zapis wieków U-Th-Pb; charakter kambro-ordowickiego bimodalnego magmatyzmu w północnej Gondwanie w świetle cech geochemicznych i izotopowych skał NE części Masywu Czeskiego; ewolucję magmową i pomagmową archaicznego sanukitoidu z kratonu Singhbhum w Indiach; opracowanie nowych materiałów odniesienia (wzorców) do datowania apatytu metodą U-Pb oraz monacytu metodą U-Th-Pb; badania płonących hałd jako „nowoczesnych wulkanów”; badania dyferencjacji siarczków i wzbogacenia w metale w dolnej skorupie oceanicznej na podstawie badań próbek z odwiertów. Badania obejmują ponadto zagadnienia związane z powstawaniem endogenicznych złóż metali na Marsie w świetle nowych danych z sondy ExoMars/TGO i meteorytów marsjańskich, jak również opracowanie nowej metody teledetekcji do badania skał na powierzchni Marsa na podstawie ich właściwości termicznych. Aktualnie jest realizowanych 7 projektów finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki oraz kilka projektów finansowanych przez instytucje zagraniczne (Komisję Europejską, European Space Agency, International Association of Geoanalysts).
Zespoły Badawcze Modelowania Biogeosystemu i Analiz Środowiskowych
W Instytucie działają dwa zespoły badawcze zajmujące się procesami rozgrywającymi się na styku biosfery, geosfery, hydrosfery i atmosfery. Są to: Zespół Modelowania Biogeosystemu (BIOGEO) w Krakowie i Zespół Badań Środowiska – Klimat i Człowiek (PALEO) w Warszawie. Zespół krakowski szczególnie interesuje się kopalnymi i współczesnymi środowiskami morskimi, podczas gdy zespół w Warszawie koncentruje się na zmianach środowiska lądowego, w tym szczególnie jeziornego.
Priorytetami Zespołu BIOGEO są badania eksperymentalne oparte na wysokorozdzielczych metodach obrazowania służących poznaniu procesów biomineralizacyjnych i morfogenetycznych na poziomie komórkowym i subkomórkowym. To właśnie te procesy wpływają na zrozumienie skamieniałości, ich zmiennej morfologii i niezwykłego potencjału zachowania informacji o środowisku, w którym żyły i ewoluowały przez setki milionów lat. Inny kierunek badawczy opiera się na rekonstrukcjach środowisk morskich i lądowych opartych na zapisie kopalnym szczątków organizmów, od mikroskopijnych bruzdnic do paleoflory skonsumowanej przez dinozaury. Zespół wdraża także nowoczesne metody modelowania systemu ziemskiego w skali globalnej będące kluczem do rekonstrukcji przeszłości i przewidywania przyszłych zmian w ekosystemach ziemskich.
Zespół PALEO prowadzi badania w zakresie paleoekologii, paleoklimatologii i paleolimnologii, które koncentrują się na procesach zachodzących na przestrzeni ostatnich kilkuset tys. lat i realizowane są na obszarze Europy (m.in. Polska, Chorwacja, Ukraina, Finlandia), Ameryki (Meksyk, Gwatemala, Salwador, Honduras) oraz Chin. Rekonstrukcje zmian środowiska są oparte na wynikach badań interdyscyplinarnych osadów jeziornych i torfowiskowych, obejmujących analizy biologiczne (analiza diatomologiczna-okrzemek, analiza palinologiczna, analiza szczątków wioślarek-Cladocera) i analizy geochemiczne (analiza chemiczna, analiza izotopów trwałych). Prowadzone badania paleolimnologiczne umożliwiają odtworzenie parametrów jeziora np. poziomu i temperatury wody, trofii wody, składu roślinności wodnej, zoo- i fitoplanktonu, zasolenia, pH. Dane palinologiczne są wykorzystywane do określania historii rozwoju roślinności i parametrów klimatycznych, w tym średniej temperatury najzimniejszego i najcieplejszego miesiąca oraz średniej wielkości rocznych opadów. Badania geochemiczne i biologiczne osadów jeziornych umożliwiają identyfikację zmian środowiskowych wywołanych obecnością i działalnością człowieka oraz ocenę wielkości tej antropopresji.
Wiele projektów jest realizowanych w ramach współpracy międzynarodowej. Jest wśród nich projekt DeepMIP**, którego celem jest porównanie wyników symulacji Eocenu przeprowadzonych przez różne modele systemu Ziemi. Projekt przyczyni się do znalezienia wspólnych cech charakterystycznych dla klimatu wczesnego Eocenu co ułatwi przewidywanie przyszłych zmian klimatu. Realizujemy także projekt, zajmujący się strukturą i składem materii organicznej wyścielającej skorupki otwornic. Niewątpliwym osiągnięciem okazało się wdrożenie w Polsce nowoczesnych metod modelowania systemu ziemskiego, dzięki projektowi UE i współpracy z Instytutem Alfreda Wegenera (AWI) w Bremerhaven. Zaproponowaliśmy wspólne badania rekonstrukcji środowisk cieplarnianej kredy, których wyniki wiele mówią o naszej cieplarnianej przyszłości.
W Krakowie powstaje jedyne w tej części Europy laboratorium, badające otwornice metodami eksperymentalnymi. Badania oparte są na nowych i klasycznych metodach stosowanych in fossilio, in vivo oraz in silico. Posiadamy optyczny mikroskop fluorescencyjny i klasyczny mikroskop skaningowy. W 2024 r. uzyskaliśmy finansowanie dla stworzenia pierwszego w Polsce eksperymentalnego systemu wysokorozdzielczej laserowej mikroskopii konfokalnej dostosowanej do badań aktualistycznych i kopalnych. Modelowania systemu ziemskiego wykonujemy w AWI oraz dzięki modelom Instytutu Meteorologii Maxa Plancka w Hamburgu.
