Aragonit v jeskyních

Aragonit, kosočtverečná modifikace uhličitanu vápenatého nazvaná podle španělské lokality v oblasti Aragon, je druhým nejrozšířenějším jeskynním minerálem. Od prvních, důkladně popsaných nálezů z padesátých let minulého století zůstával minerálem kontroverzním. Jeho jeskynní původ se pokoušela vysvětlit řada hypotéz. Dlouhou dobu se věřilo, že trigonální kalcit vzniká za nízkých teplot, zatímco aragonit, například v karlovarském vřídlovci, z roztoků teplejších než 35 °C. Pokud by se nad tím již tenkrát někdo zamyslel, všiml by si, že v horkých pramenech a hydrotermálních systémech se většinou sráží kalcit. Jenže v řadě pokusů založených na srážení chloridu vápenatého a uhličitanu sodného bylo nade vši pochybnost zjištěno, že při této reakci vzniká za nízkých teplot kalcit a za vyšších aragonit.

Aragonity a stroncium

Následovaly jeskynní nálezy. Například v Aragonitové jeskyni na Stydlých vodách v Českém krasu i na řadě dalších lokalit, kde teplota reakce nemohla překročit obvyklých 6–9 °C, vznikaly drobné jehličky aragonitu téměř člověku před očima. Teplota jeskynního postředí většinou odpovídá ročnímu průměru teplot a během roku se příliš nemění. Aragonity v Českém krasu obsahují až kolem 1 % stroncia, a proto byla vyslovena hypotéza, že nejprve vznikají krystalizační jádra stroncianitu (SrCO3), který existuje jen v kosočtverečné formě, a kolem nich krystaluje strukturně podobný aragonit. Jenže v alpských i slovenských jeskyních, jejichž vápence obsahují mnohem méně stroncia než vápence Českého krasu, se rovněž tvořily aragonity. Hypotéza v tomto případě zněla, že aragonit krystaluje přednostně vlivem povlakových aerosolů.

Je zajímavé a do jisté míry z hlediska psychologie vědy symptomatické, že nikdo nezpochybnil fázový diagram. Ten byl získán za pomoci experimentu (o němž se říká, že nelže), byl reprodukovatelný a založený na číslech, jež přece leží u základů světa! A priori bylo uznáno (a dosud uznáváno bývá), že model přírody je mocnější než příroda, ba než svět sám. Přitom ke zpochybnění stačilo málo. Reakce za nízkých pokojových teplot probíhají v širokém pásmu nejistot a jsou ovlivňovány časem. Je rozdíl, jestli sliji dohromady roztoky ze dvou kádinek, anebo nechám molekuly pomalu difundovat třeba jílem. Možná také stačilo říct, že v přírodě se aragonit nikdy nesráží reakcí chloridu vápenatého a sody, ale ze složitých roztoků, silně ovlivňovaných rozpouštěním, únikem a pohlcováním oxidu uhličitého v systému atmosféra-roztok-karbonát-hydrogenkarbonát.

Aragonity a hořčík

Pak se v jeskyních Starý hrad a Záskočí v Nízkých Tatrách našly krápníky, které byly složeny ze střídavých aragonitových a kalcitových poloh. Analýza stabilních izotopů uhlíku a kyslíku ukázala, že tyto dva minerály vznikají za velice odlišných podmínek. Většina kalcitu v krápnících a sintrech krystaluje nejběžnější reakcí. V roztoku nasyceném oxidem uhličitým v půdním prostředí se kalcit rozpouští. Při opětném vstupu roztoku do prostředí jeskyně a úniku oxidu uhličitého do atmosféry se malá část kalcitu zase vysráží, ale přes 90 % (možná 97 %) rozpuštěného kalcitu je odváděno podzemními toky do řek. Protože se mnohem víc vápence rozpustí, než opět vysráží, zaroste málokterá jeskyně krápníky bezezbytku.

Aragonit naopak vzniká při pomalém kapilárním transportu krasových roztoků vzlínajících z jeskynních jílů a zvětralin nebo v hlubokých, uzavřených dutinách, které mají stabilní klima a nekomunikují s povrchem. Při jeho vzniku se uplatňuje intenzivnější výměna s ovzduším jeskyně a také odpar. Má to jeden háček – v jeskyni musí být dostatek, či ještě lépe nadbytek hořčíku. Hořčík potlačuje krystalizaci kalcitu, a tím dává přednost aragonitu.

Kdy jeskynní aragonit vzniká?

Které z podmínek jsou pro něj optimální? Především okolní horniny musí obsahovat dolomitickou příměs, a tedy zvýšené pozadí hořčíku. Jeskyně nebo její část nesmí komunikovat s povrchem. Teplota ovzduší by se měla měnit zhruba v rozmezí 1 °C, vzduch by měl proudit jen jako neochotná, uzavřená konvekční cela. Malé variace teploty vytvářejí prostor pro velmi malé variace vlhkosti, a tím pro zcela minimální uplatnění odparu. Vlhkost většiny uzavřených jeskyní se pohybuje mírně pod 100 %. Příroda má ale víc času než my, a tak aragonit pomalu roste i při velmi malém odparu. Terénní výzkumy ukazují, že stálá vlhkost je pro vznik aragonitu velmi významným faktorem. Například asi 50 % plochy stěn známé Ochtinské aragonitové jeskyně je pokryto železitými okry, které obsahují 45–55 % vody. Okry snadno uvolňují i pohlcují vodu, fungují jako obrovský vlhkostní výměník. Podobnou pufrovací funkci mají v největší aragonitové jeskyni světa Bohemia Cave na Novém Zélandu (Vesmír 74, 338, 1995/6) fylity zvětralé na vlhkou jílovitou hmotu.

Málokterý přírodní proces má jen jedno vysvětlení

Aragonitové trsy z jeskyně Emine Bojir Chasar jsou tvořeny jehlicemi tří generací. Nejrozšířenější je nejstarší generace dlouhých jehlic, jež se pravidelně povlékají ankeritickým (železnatým) dolomitem, který pro svůj vznik obvykle vyžaduje zvýšenou teplotu. Dolomitové povlaky se často vyskytují orientovaně z jedné strany agregátů, jako kdyby jeskyní jedním směrem foukaly páry obsahující nějaký horký aerosol. A tak se vracíme na začátek. Aragonit této jeskyně je s největší pravděpodobností aragonit horkých roztoků, které vnikly do již existující dutiny, dále ji rozšířily a snad na kontaktu studenějšího povrchového prostředí a teplejšího hydrotermálního systému vytvořily aragonitovou výzdobu, jaká není nikde jinde na světě.

Ralph Waldo Emerson ve sbírce esejů „Příroda a duch“ (Praha 1927) říká: V přírodovědeckém kabinetu pociťujeme jakési tajné poznání a sympatii k nejneohrabanějším a nejvýstřednějším podobám zvířat, ryb a hmyzu... Věda není dost lidská, přehlíží-li onu shodu trvající mezi člověkem a světem... Někdy přemýšlím, jakou spřízněnou formu sebe sama potkáváme třeba v aragonitové jeskyni. Možná to je pocit cirkulujících roztoků a nerostné přírody vznikající v podobě krápníků někde na samém rozhraní mineralogického a biologického světa.