Sukcese a chemismus minerálních výplní Českého krasu
Abfolge und Chemismus der Mineralausfüllung in Böhmischen Karst
Vladimír Lysenko, Josef Slačík
(Český kras 2; str.7—20; Beroun 1977)
Abstrakt
Zpráva se zabývá sukcesí minerální výplně, luminiscenčními vlastnostmi minerálů a chemismem vápenců a kalcitů. Zvláštní pozornost je věnována výskytu a genezi opálu a tzv. rafinačnímu efektu, které ve svých důsledcích vedou ke speleogenetickým závěrům.
0. Úvod
Geologické oddělení Okresního muzea v Berouně ve spolupráci se speleologickou skupinou Tarcus se zabývá od r. 1970 studiem kalcitových výplní jeskyní Českého krasu. Prvořadým cílem průzkumu je objasnění vztahu vývoje minerálních výplní k vývoji jeskyní Českého krasu.
Dosavadní výzkum měl tři etapy:
- a) Lokalizace a soupis sintrových forem v největším jeskynním systému Českého krasu – v Koněpruských jeskyních. Etapa byla ukončena v r. 1974.
- b) Revize starších prací, stratigrafie sedimentárních výplní Koněpruských jeskyní se zřetelem na nové výkopové práce (LYSENKO 1976) a výzkum chemismu, luminiscence a sukcese minerálních výplní v Koněpruských jeskyních (LYSENKO a SLAČÍK 1975, SLAČÍK 1976). Etapa byla ukončena v r. 1975.
- c) Soupis minerálních výplní v některých větších jeskyních Českého krasu, výzkum sukcese, chemismu a luminiscenčních vlastností těchto výplní.
V tomto článku předkládáme výsledky třetí etapy výzkumu.
1. Soupis minerálních výplní a odběr vzorků
V Českém krasu jsme sledovali 15 jeskyní (obr.1). Z nich patří Koněpruské jeskyně, Martina a Srbské jeskyně k největším a propast na Čeřince k nejhlubším systémům Českého krasu. Nově jsme odebrali kolem 150 vzorků hornin a sintrů, celkem jsme studovali kolem 400 vzorků. Všechny vzorky jsou evidované v geologickém oddělení Okresního muzea v Berouně. Odběr nových vzorků se řídil především potřebou získat pokud možno nejúplnější sled všech v jeskyni přítomných generací výplně spolu s matečnou horninou (převážně různé typy devonských vápenců).
Z minerálů výrazně převažuje kalcit. Z ostatních minerálů jsme ověřili výskyty, uváděné staršími autory (KUKLA 1952, KRÁLÍK a SKŘIVÁNEK 1964). Jsou to výskyty chalcedonu, opálu, aragonitu, sádrovce a vodnatých oxidů manganu a železa. Našli jsme četné nové výskyty opálu se stopovými obsahy uranu a několik výskytů aragonitu různého stáří a sádrovce.
2. Sukcese minerálních výplní
Obdobně poměrům v Koněpruských jeskyních (LYSENKO a SLAČÍK 1975) jsme zjistili při výzkumu kalcitových výplní v dalších jeskyních Českého krasu také pět základních generací sekundárního kalcitu dvou typů:
- Typ S – podlahový sintr, stalagmitové kůry.
- Typ V – stalaktitové formy (co do četnosti převažující).
Pro porovnání chemismu jsme sledovali i horniny – typ VH a primární výplň (vyhojení) puklin – typ V0 (primární kalcit).
Typ VH jsou různé typy devonských vápenců stupňů lochkov, prag, zlíchov a eifel.
Typ V0 jsou většinou hrubě krystalické kalcitové agregáty, převážně s jednoduchými krystalovými tvary, odvozenými od základního klence. Poměrně hojný je výskyt skalenoedru velikosti až 12 cm (spodní patro Koněpruských jeskyní, Jelínkův most, Zlomená sluj na Kobyle). V rámci typu V0 se skalenoedry jeví jako mladší generace výplně puklin.
Tabulka 1 – Sukcese kalcitové výplně v jeskyních Českého krasu.
| Generace | Charakteristika | Stáří | Pozice dalších minerálů | |
|---|---|---|---|---|
| V5 – S5 | zárodečné stalaktity, brčka, sintrové povlaky | holocén | aragonit několika generací | |
| V4 – S4 | excentrika, sintrové povlaky, mladá generace stalagmitů | teplé výkyvy W | ||
| V3 – S3 | laminované sintrové povlaky, největší stalagmity, podlahové kůry | R/W | ||
| V2 – S2 | stalagmity, sintrové desky, stébelnatá struktura | M/R G/M |
||
| V1 | mléčně bílé kalcitové agregáty od bazálních oolitických přes korallity až po keříčkovité drúzy a celistvé agregáty | donau | opál – zrna opálový sintr |
sádrovec |
| Mn-oxidy ve V1 | ||||
| vodnaté oxidy Fe a Mn | ||||
Generace V1 jsou nejstarší formy kalcitové výplně. Mají mléčně bílou barvu a tvoří je v úplném sledu: na bázi kalcitové oolity až pizolity s mikrokrystalickými přírůstkovými vrstvami; větší polokulovité (pův. ledvinité) korallity rovněž s koncentrickou stavbou mikrokrystalických přírůstkových vrstev; keříčkovité drúzy a celistvé povlaky; sintry tvořené kalcitovými agregáty. Na kontaktu s horninou bývají na bázi povlaky vodnatých oxidů Fe nebo Mn. Bazální oolity často „zarůstají“ do laloku korodovaných vápenců, inverzně ke směru růstu celé generace.
Vývoj generace V1 byl ovlivněn přínosem SiO2 zejména v závěru tvorby těchto sintrů. Vznikal tzv. opálový sintr s převahou SiO2.nH2O nad CaCO3 (Koněpruské jeskyně, Sedmisálová jeskyně), mnohem hojněji pak došlo zatlačením kalcitu zejména v mezivrstevních spárách koncentrické „slupkovité“ stavby korallitů k vyloučení opálu ve formě nepravidelných zrnek s ledvinitým povrchem. Polohy opálu se vyskytují i na povrchu korallitů (růžice) a keříčkovitých drúz mléčně bílého sintru. Často sleduje opál příčné trhlinky v koncentrické stavbě korallitů. Stárnutím dochází často k přeměně opálu v chalcedon.
Opál je vázán výhradně na generaci V1 („vůdčí minerál“) a byl zatím zjištěn v těchto jeskyních: Koněpruské jeskyně (1 na obr.1), Nová propast (2), Vestibulová na Kobyle (4), Martina (6), Tetínská chodba (7), Sedmisálová (8), Srbské (12) s Fialovou (13) a Aragonitová na Stydlých vodách (14). V Sedmisálové jeskyni je zajímavý kontakt opálu se sádrovcem.
Postupná rekrystalizace postihuje generaci V1 v celé mocnosti. Ve výbrusu lze sledovat „prorůstání“ celého agregátu paprsčitě stébelnatými krystaly, které tvoří trsy, inverzní k podkladu. U vzorků, kde je v přímém styku generace V1 s následující V2, prostupuje rekrystalizace zároveň obě generace.
Generaci V2 – S2 tvoří hlavně mocné sintrové kůry (S2), stébelnatý agregát průsvitných krystalů kalcitu hnědožluté barvy. Časté jsou hrubě krystalické mladší agregáty. U stalaktitů je charakteristická koncentricky paprsčitá struktura na příčném řezu. Původní textura sintrových desek je jemně vrstevnatá až laminovaná. Zřetelně patrná je ve výbrusech. Makroskopicky je částečně změněná rekrystalizací, zachována zůstává u lamin, překrytých povlakem jílovitého kalu. U celé generace se projevuje výraznější přerušení růstu (Martina, Koněpruské jeskyně). Hranice s generací V1 je ostrá.
Generaci V3 – S3 tvoří mikrokrystalické nebo jemně zrnité kalcitové agregáty, textura je jemně vrstevnatá až laminovaná. Ve značné míře se vyskytuje u stalaktitických forem, nejčastěji však budují tyto sintry největší stalagmitové útvary v Českém krasu (Mohyla v Koněpruských jeskyních, Obří dóm v jeskyni Martina, podlahový sintr v Srbských jeskyních). V poměru k V2 je generace V3 v Českém krasu více rozšířena. Rekrystalizace se projevuje u povrchových vrstev vznikem hrubě krystalických agregátů.
Generace V4,5 – S4,5 jsou mladé sintrové povlaky, stalaktity, excentrika a recentní brčka. Rozlišení těchto generací je možné podle superpozice na lokalitách, kde se vyskytují společně.
3. Chemismus vápenců a minerálních výplní
Vápence, primární a sekundární kalcity byly analyzovány metodou atomové absorpční spektrofotometrie na obsah Mg, Fe a Mn a rentgenfluorescenční metodou na obsah Ba a Sr. Výsledky analýz byly přepočítány na 100 % podílu rozpustného ve 3 % kyselině solné. V nerozpustném zbytku zůstávají opál, chalcedon, jílové minerály a oxidy Fe a Mn. Počet vzorků byl omezen skutečností, že jde vesměs o vzorky z chráněných přírodních objektů. Celkem bylo analyzováno 91 vzorků karbonátů a 10 vzorků jiných minerálů. Průměrné analýzy karbonátů jsou uvedeny v tab.2.
Tabulka 2 – Průměrné analýzy vápenců a kalcitů.
| Druh | Počet | % Mg | % Sr | % Ba | % Fe | % Mn | Suma | % NZ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VH | 22 | 0,276 | 0,018 | 0,030 | 0,076 | 0,036 | 0,436 | var. |
| V0 | 15 | 0,143 | 0,039 | 0,020 | 0,063 | 0,025 | 0,290 | 0,66 |
| V1 | 29 | 0,148 | 0,006 | 0,028 | 0,018 | 0,008 | 0,208 | 3,94 |
| V2 | 15 | 0,047 | 0,003 | 0,025 | 0,009 | 0,003 | 0,087 | 0,90 |
| V3 | 7 | 0,029 | 0,004 | 0,021 | 0,007 | 0,004 | 0,065 | 1,86 |
| V4,5 | 3 | 0,028 | 0,003 | 0,033 | 0,010 | 0,005 | 0,079 | 1,07 |
| Celkem | 91 | |||||||
| Poměr max/min | 39 | 220 | 9 | 50 | 104 | 29 | ||
V chemismu karbonátových výplní se výrazně projevuje postupný pokles obsahu vedlejších prvků (vyjma Ba). Vyhodnocení analýz ve vztahu k obsahu daného prvku v hornině (=100 %) ukazuje tzv. rafinační efekt, který byl poprvé publikován pro Koněpruské jeskyně (LYSENKO a SLAČÍK 1975). Při souborném hodnocení kalcitových výplní a hornin celého Českého krasu se ukázalo, že rafinační efekt má sice všeobecnou platnost a význam, ale jeho kvantitativní vyjádření je různé podle toho, jaké jsou geologické a litologické poměry v dané jeskyni.
Přehled hodnot rafinačního efektu pro průměrné analýzy z tabulky 2 je uveden na obr.2.
Velmi pravidelný je průběh závislosti u Mg, kde se projevuje výrazný rozdíl mezi VH a V1 a mezi V1 a mladšími generacemi. U obsahů Sr, Fe a Mn je rozdíl mezi V1 a mladšími generacemi mnohem menší. Obsahy Ba nevykazují žádný rafinační efekt, což by mohlo být způsobeno i vazbou Ba v síranové formě.
Detailní sledování rafinačního efektu na úplných souborech z Koněpruských jeskyní a z jeskyně Martina naznačilo, že relativní obsahy prvků, zejména v generaci V1 jsou závislé na řadě faktorů. Nejdůležitější z nich je geologická pozice jeskynního systému a litologický charakter matečné horniny pro tvorbu sintrů, kterou nemusí být nutně dnešní bezprostřední nadloží. Jako další faktory uvádíme:
- a) nestejná intenzita zvětrávání, která je zdůvodněna i markantními rozdíly v obsazích nerozpustných, tj. silikátových podílů vápenců;
- b) v jeskyních s litologicky pestřejším nadložím je možné, že se s postupující denudací střídaly i matečné horniny pro jednotlivé generace sintrů;
- c) změny fyzikálních a chemických podmínek, změny pH a Eh (redoxpotenciálu), důsledky změn klimatu a jejich dosah do hloubek pod povrchem, kde docházelo k vylučování minerální výplně, charakter pokryvných útvarů vč. typu zalesnění, vzdálenost od hladiny spodní vody atd.;
- d) typ jeskynního systému, zda jde o statický nebo dynamický typ, vertikálně členěný, systém s aktivním tokem nebo stagnující vodou apod.;
- e) porovnání výsledků s údaji GREGORA a PRINCE (1975) z Punkevních jeskyní v Moravském krasu (pod více než 100 m vysokým vápencovým masivem) naznačuje nepřímou závislost mezi absolutním obsahem Sr, Fe a Mn v hornině a jejich relativním obsahem v sintrových generacích jako celku.
Z dosavadních znalostí vyplývá, že průběh rafinačního efektu by mohl indikovat geologickou složitost zdrojů kalcitové výplně, event. změny ve fyzikálně-chemických podmínkách vývoje jeskyní. V další etapě výzkumů budou shromažďována další data o chemismu sintrových generací a tato korelována s geologickými údaji a ostatními, výše uvedenými faktory.
4. Luminiscenční vlastnosti minerální výplně
Pro stanovení luminiscenčních vlastností byla použita metodika luminiscenční typologie, jejíž základní kriteria jsou barva fosforescence po osvícení fotobleskem a barva fluorescence v krátkovlnném a dlouhovlnném UV-světle. Byly nalezeny následující luminiscenční typy (SLAČÍK 1976):
| Vápence | A0N, N0N | bez fluorescence |
| Primární kalcity | A0D, AB0A, AB0B, AB0D, AB0N, B0B, B0N | zelenavě bílá nebo červená fosforescence, bělavá, růžová, žlutá nebo žádná fluorescence |
| Sekundární kalcity | A0A | intenzivní bílá luminiscence s odstíny |
| Aragonit | A0A | stejná luminiscence |
| Sádrovec | A0A | slabá fluorescence s fialovým odstínem |
| Opálový sintr | A1EA | zelená krátkovlnná fluorescence s dosvitem několik vteřin |
| Opál | A1EA | zelená krátkovlnná fluorescence |
| Chalcedon | A0A | slabá bělavá fluorescence |
| Oxidy Fe a Mn | N0N | bez luminiscence |
Z uvedeného přehledu je zřejmé, že pro identifikaci lze použít zejména fluorescenci opálu v krátkovlnném UV-světle, odlišného chování primárních a sekundárních kalcitů a pro indikaci vyšších obsahů manganu v primárních kalcitech červenou fluorescenci typu B0B. Nejvýznamnějším úspěchem luminiscenční analýzy je rychlá, jednoznačná a spolehlivá identifikace opálu, která měla rozhodující význam při výběru sledovaných jeskyní (výskyt sintrů 1. generace), vymapování všech výskytů opálu v těchto jeskyních a i při nalezení často nenápadných forem kalcitové výplně. Problematice opálu bude věnována samostatná publikace.
5. Závěr
Sledování sukcese a chemismu minerálních výplní v rámci celé krasové oblasti je ojedinělé. Považujeme je však za velmi významné, především jako metodu, umožňující správné ocenění i rekonstrukci vývoje sledované oblasti v období čtvrtohor. To platí především pro období pleistocénu, kdy si často minerální výplně jako jediné udržují svoji stratigrafickou hodnotu, zatímco ostatní sedimentární výplně tuto hodnotu ztrácejí.
Minerální výplně jsou významné i z hlediska geochemických procesů v krasových oblastech, neboť dokumentují specifické fyzikálně-chemické podmínky v období vzniku a vývoje krasu. V přírodním systému: voda – hornina – atmosféra (půdní) dochází v podzemních vodách vápencových oblastí ke značným odchylkám od rovnovážného stavu, podmíněných různými faktory, zejména změnami klimatických podmínek na povrchu. Nejcitlivějšími ukazateli rovnovážných stavů jsou koncentrace vodíkových iontů – pH – a redoxpotenciál – Eh.
Tak např. zvýšená akumulace oxidů příp. hydroxidů manganu na bázi kalcitové výplně V1 mohla nastat pouze v podmínkách alkalického prostředí a kladného Eh. Toto prostředí je charakteristické pro období lateritického zvětrávání v nejstarším pleistocénu. Akumulace SiO2 ve formě opálu probíhala v prostředí s pH pod 7,8 (RÖSLER a LANGE 1972), tedy patrně v závěru resp. po ukončení procesu lateritického zvětrávání.
Rafinační efekt u Mg v kalcitech a další mineralogicko-chemické údaje o ostatních minerálech, vyskytujících se v jeskyních Českého krasu, lze též využít pro sledování podmínek vzniku a vývoje krasu. Poznání těchto zákonitostí je prvořadým cílem dalších našich výzkumných prací.
Obr.1 – Abb.Nr.1
1 – Koněpruské jeskyně (höhle), 2 – Nová propast (abgrund), 3 – Jelínkův most (naturbrücke), 4 – Vestibulová jeskyně na Kobyle (höhle), 5 – Zlomená jeskyně na Kobyle (höhle), 6 – jeskyně Martina (höhle), 7 – Tetínská chodba (höhle), 8 – Sedmisálová jeskyně (höhle), 9 – Kodská jeskyně (höhle), 10 – Aragonitová jeskyně v Císařské rokli (höhle), 11 – Podtraťová jeskyně (höhle), 12 – Srbské jeskyně (höhle), 13 – Fialová jeskyně (höhle), 14 – Aragonitová jeskyně na Stydlých vodách (höhle), 15 – neznámá jeskyně na Stydlých vodách (höhle), 16 – propast Čeřinka (abgrund).
Obr.2 – Abb.Nr.2
Rafinační efekt – relativní obsahy ve vztahu k 100 % v hornině.
Raffinationseffekt – relative Gehalte in Bezug auf 100 % im Gestein.
VH – hornina (vápenec) / Gestein (Kalkstein); V1 – sintr 1. generace / 1. Sintergeneration; V2 – sintr 2. generace / 2. Sintergeneration; V3 – sintr 3. generace / 3. Sintergeneration; V4 – sintr 4. a 5. generace / 4. und 5. Sintergeneration.
Literatura:
- Gregor V., Princ M. (1975): Untersuchungen über Typen, Morphologie, Genesis und physikalisch-chemische Eigenschaften der sekundären Kalzitformen in Höhlen des Mährischen Karstes (ČSSR). – Annales de spéléologie, 30/4: 673—680. Moulis.
- Králík F., Skřivánek F. (1964): Aragonit v československých jeskyních. – Československý kras, 15 (1963): 11—35. Praha. [A1]
- Kukla J. (1952): Zpráva o výsledcích výzkumu jeskyní na Zlatém Koni u Koněprus v roce 1951, prováděných krasovou sekcí Přírodovědeckého klubu v Praze (1.část). – Československý kras, 5/3—4: 49—68. Brno.
- Lysenko V. (1976): Příspěvek ke stratigrafii sedimentů v Koněpruských jeskyních. – Český kras, 1: 18—27. Beroun.
- Lysenko V., Slačík J. (1975): Chemismus genetisch verschiedener Sinterformen in den Koněprusy-Höhlen (ČSSR). – Annales de spéléologie, 30/4: 711—717. Moulis.
- Rösler H.J., Lange H. (1972): Geochemical Tables. – Elsevier: 1—468. Amsterdam.
- Slačík J. (1976): Luminiscenční typologie kalcitu a jiných jeskynních minerálů – Český kras, 1: 44—59. Beroun. [A17]
Zusammenfassung
Die geologische Abteilung des Kreismuseums in Beroun bearbeitete in enger Zusammenarbeit mit der Speläogruppe Tarcus ein Forschungsprogramm über Beziehungen zwischen Entwicklung von Mineralausfüllung und Entwicklung von Höhlen im Böhmischen Karst. In 15 Höhlen wurden über 400 Belege studiert womöglich in kompletter genetischer Folge samt Muttergestein.
Im Abfolgeschema sind fünf Generationen von Sintern, die morphologische, mineralogische und chemische Unterschiede aufweisen. Gleichzeitig mit der 1. Generation entstanden Opale und Opalsinter; Aragonit, Gips und hydratierte Oxyde von Mangan und Eisen begleiten jüngere Sinter. Vom genetischen Standpunkt ist sehr interessant der Opal, dessen einwandfreie Indizierung mit kurzwelligen UV-Strahlen (prachtvolle grüne Fluoreszenz) eine einfache Bestimmung der ältesten Sinter gewährt, ohne dass eine zeitraubende und vom Standpunkt des Höhlenschutzes unerwünschte Laborforschung nötig ist.
Chemische Analysen bewiesen den sog. Raffinationseffekt, berechnet in relativen Gehalten von Mg, Sr, Fe und Mn in Sintern bezogen auf dieselben im Muttergestein. Die Raffination macht sich in einem allmänlichen Sinken der Gehalte im Laufe der Abfolge bemerkbar. Eingehende Betrachtungen führten zur Feststellung, dass die quantitativen Werte von einer Reihe Faktoren abhängig sind. Die wichtigsten Faktore sind geologische Stellung des Höhlensystems, lithologischer Charakter der Muttergesteine für die Sinter, verschiedene Verwitterungsintensität, Änderungen der physikalisch-chemischen Bedingungen, pH- und Eh-Werte und Oberflächenklima, der Wetterführungstyp des Höhlensystemes u.a.
Die Forschungen ermöglichen eine Bewertung der Entwicklung des Karstes im Quartär und deren Gesetzmässigkeiten.
