Stromatakty ve sklenici vody

Ne všechny procesy v geosféře mají snadné řešení. Komplikace nastávají zpravidla tehdy, jestliže známe výsledky procesů z dávné minulosti a pokoušíme se jejich vznik odvodit od výsledného efektu. Většinou býváme pyšni na současný stav vědění a nezaobíráme se možností, že se můžeme nacházet ve slepé uličce. Nejinak je tomu se stromatakty, což jsou dutiny ve vápencích vyplněné vnitřním sedimentem nebo krystalickým kalcitem. Poznají se podle specifického tvaru – na spodku bývají ploché, podél zvrstvení protažené, nahoře klkovitě či cípatě tvarované.

Kde můžeme stromatakty vidět

Mnoho lidí zná červené, šedé, pleťové nebo narůžovělé stromataktové vápence jako dekorativní obklady významných staveb. Prohlédnout si je můžeme například na železniční stanici Praha-Smíchov, na Mlýnské kolonádě v Karlových Varech nebo v kostele sv. Augustina v Brně (viz obrázek). Tyto vápence jsou prvohorní (přesněji devonské) a pocházejí z lomů v Českém krasu, například z okolí Suchomast, Chýnice nebo Radotína. Jsou-li řezány kolmo na zvrstvení, ukazují se v nich čočky krystalovaného kalcitu, které mají rozhraní dole ostrá, nahoře cípatá či místy rozmazaná. Tento prvek je velmi dekorativní. Takové vápence jsou doceňovány na celém světě, většina jich však byla vytěžena v Evropě. Převážně jsou prvohorní, popřípadě druhohorní, ¹⁾ při hlubším pohledu však zjistíme, že se podobné struktury tvořily už v prekambriu a v malé míře se mohou tvořit dodnes. Nejhojnější jsou ve vápencích mírného a tropického pásma, pocházejících z dob, kdy kolísající světová hladina oceánu byla napřed mimořádně nízko, a pak začínala mírně stoupat. Tomu odpovídal i tvar mělčin, které nebyly ohraničeny vápencovou stěnou, nýbrž se povlovně svažovaly do hlubin a často byly pokryty rohožemi bakterií.

Podle čeho stromatakty poznáme?

První popis stromataktů pochází od Edouarda Duponta (1841–1911) z Belgie. Vzhledem k různorodě tvarovaným strukturám nabýval termín stromatactis někdy i širšího významu, zahrnoval například otevřené a korodované spáry či kanálky a dutiny, které ovšem vznikly docela jinak. Proto trváme na klasickém vymezení termínu ²⁾ z Dupontovy doby: Stromatakty jsou struktury v sedimentu, které mají hladký, rovný nebo mírně zvlněný spodek a vzhůru mírně vyklenutý, prstovitě rozvětvený, cípatý, neostře omezený strop. Dalšími nápadnými znaky je řetězení do stran či propojení šikmo šplhajícími kanálky. Šířka jednotlivého stromataktu dosahuje několika centimetrů (nanejvýš 10–15 cm), na výšku ovšem měří dvakrát až osmkrát méně. Zvláště v posledních 15 letech byly popisovány i „zmenšené kopie“ stromataktů, široké jen několik milimetrů, které byly označeny jako stromataktovitá okénka.

Do očí bijící je fakt, že typické stromatakty nemají v úhrnu stejné tvary jako typické spáry v sedimentu otevřené mechanicky či vodou, a už vůbec se nepodobají dutinám po úniku plynu (metanu či oxidu uhličitého) při mikrobiálním a teplotním rozkladu organické hmoty pohřbené v sedimentu. Dutinky vytvořené plynem vypadají jako bubliny, očka, popř. hřibovité tvary zachycené pod deštníky ztvrdlých lamin sedimentu, a na rozdíl od stromataktů jsou ostře ohraničeny nahoře, avšak neostře na spodní straně. Navíc nebývají vyplněny koncentrickými zónami bělavého kalcitového tmelu s množstvím jemných inkluzí, nýbrž pouze čirými, mozaikovitě uspořádanými krystaly kalcitu.

Vývoj názorů na stromatakty „od zdi ke zdi“

Více než stodvacetiletá historie výzkumu stromataktů je pozoruhodným přehledem nejrůznějších argumentů. Už od začátku převažovala představa, že se poměrně velké stromataktové dutiny v původním sypkém sedimentu prostě nemohly udržet, neboť by se tlakem nadloží musely zhroutit. (To si může každý vyzkoušet s pískem nebo bahnem.) Jako nejrozumnější se tedy jevila myšlenka, že stromatakty vznikly v místech, která byla původně vyztužena pevným tělesem. To později buď na místě překrystalovalo, nebo bylo rozpuštěno a dutina po něm znova zaplněna, ovšem již ve zpevněném sedimentu. Většina názorů tedy vycházela z představy, že stromatakty jsou pozůstatky po něčem pevném, co se v sedimentu nalézalo dříve.

Tak uvažoval E. Dupont, který stromatakty považoval za překrystalované stromatopory (vyhynulé organizmy blízké houbám). Mnozí autoři potom hledali něco, co podle nich mohlo zbýt na okrajích stromataktů. Chtěli tak zjistit, která organická těla tam ležela a předurčila vznik zvláštních útvarů. Okolo poloviny minulého století se objevily více či méně kategorické závěry o řasách, houbách, popřípadě vyšších živočiších s měkkými těly, zvažováno bylo i prohrabávání živočichů žijících pod povrchem sedimentu. Ke konci století se stoupenci této interpretace přikláněli k názoru, že dříve existovaly tlusté želatinové koberce bakterií, které periodicky pokrývaly mořské dno, potom byly pohřbeny a po zpevnění struktury sedimentu se rozpadly; jejich zbytky byly odneseny vodou vyskytující se v pórech horniny. Nejmodernější interpretace této hypotézy počítají s hrudkami slizovitých a pružných bakteriálních objektů, s pohřbenými útržky bakteriálních rohoží či se srážením látek, které byly vyloučeny bakteriemi, v pórech sedimentu. Každý z autorů se zkrátka snaží posílit slabé či nepřímé doklady, které by mohly podpořit jeho verzi.

Podezřelými objekty se staly i povlaky či konkrece minerálů, jež mohly být v sedimentu nějaký čas přítomny a později rozpuštěny. Mluvilo se o povlacích vykrystalovaného aragonitu, sulfátů nebo halových sloučenin. Mnozí geologové namítali, že zbytky zkopírovaných pevných objektů nejsou příliš přesvědčivé, a hledali pro vznik dutin jiná vysvětlení. Někteří považovali za příčinu vzniku dutin mechanické otevírání spár v hornině, u zpevněných vápenců pak i rozpouštění spár oxidem uhličitým a hydrouhličitany. Mnoho praktiků si rovněž myslelo, že stromatakty jsou pouze odrůdou korodovaných ploch zvrstvení ve zpevněném vápenci, jiní byli ochotni připustit, že může jít o struktury po úniku vody a plynu, další hovořili o důsledku nejednotného zhutnění a sesedání sedimentu. Když bylo zjištěno, že i metan a oxid uhličitý mohou tvořit v sedimentech (při dostatečně nízké teplotě a vysokém tlaku) pásky podél vrstev, začala se testovat omezení. Publikovaných odkazů na téma vzniku stromataktů je celkem několik set a zdaleka ne všechny byly kriticky zhodnoceny. Zkrátka každý má rád zejména svoji verzi.

Dnes samozřejmě existuje „hlavní proud“, který je určován názory autorit a opírá se o učebnicová shrnutí. Ten nám nabízí informaci, že se stromatakty vyskytují zpravidla ve spojení s kalovými kupami, tedy zejména (ač ne výhradně) ve ztvrdlém karbonátovém bahně. Byly ovšem popsány i z krinoidových vápenců (obsahujících kromě úlomků zmíněných ostnokožců velká zrna karbonátového „písku a štěrčíku“), přičemž výskyt všech těchto sedimentů je nejspíše nějak časově i prostorově provázán se zvětšením objemu mikrobiálních společenstev jak na mořském dně, tak v sedimentu.

Jak vyjasnit podmínky vzniku stromataktů

Jako každý geolog zabývající se karbonátovými horninami jsem se setkával se stromatakty od mládí. Vídal jsem je v devonských vápencích – okolo řasových a mikrobiálních útesů na Obůrce u Hranic na Moravě, při okraji korálových útesů na Šumbeře nad Brnem či v lavicích uvnitř zhlíznatělých vápenců u Jedovnic v Moravském krasu. K nalezení byly i v jurských vrstvách na Stránské skále u Brna. Jaroslav Dvořák, jeden z mých brněnských učitelů, nevynechal příležitost, aby si nepoznamenával tvary stromataktů, které vídal v zahraničí. Koncem osmdesátých let jsme mimo jiné pomáhali kolegům z Cách, kteří se snažili objasnit původ stromataktů ve spodním devonu Českého krasu. Závěry byly mlhavé. V posledních letech nám při našem paleomagnetickém a paleoenvironmentálním zkoumání záznamu v barrandienských vápencích začalo vágní stanovisko ke stromataktům vadit. Také zvídaví studenti se ptali, proč právě stromataktové dutiny mají plochý a rovný spodek.

Pokusme se názory na stromatakty nějak uspořádat. Víme už, že byly nalézány v sedimentech zhruba z posledních dvou miliard let zemské historie. Záznam sice není souvislý, je však nutno počítat s tím, že větší část stromataktových lokalit (jako norský silur jihozápadně od Osla, slovenská jura Pienin, spodní křída ve Španělsku a mnoho dalších) nebyla uváděna v literatuře a velké množství údajů zůstalo pouze ve zprávách či paměti provozních geologů. Málo se ví i o množství stromataktů v Čechách, např. v barrandienských lomech u Prahy.

Tvary stromataktů se opakují ve všech obdobích, bez ohledu na proměny okrajů moří, změny geochemie mořské vody, změny atmosféry či nástupy a mizení různých stavitelů vápencových útesů. Nerozhoduje ani hloubka ukládání sedimentu (od několika do dvou až tří set metrů). Výskyty stromataktů tedy nespojuje napříč dvěma miliardami let vlastně nic jiného, než že jsou přítomny v poměrně masivních vápencových lavicích, mnohdy uložených v rámci výskytů nějakých kalových kup či klínů sedimentu na svazích, kde v blízkosti není nouze o bakterie. To poslední ale není nezbytná podmínka. Při takové rekapitulaci vypadnou ze hry modely s organickými i anorganickými objekty tvořícími dutinám „předlohu“. Takové objekty by se totiž musely během zemské historie střídat, a ne se navzájem podobat jako vejce vejci. Jediné, co ve hře zbývá, je sediment sám, jeho složení, vodní prostředí, a zejména procesy během sedimentace a zpevňování uložené vrstvy. Základem analýzy tedy musí být studium horniny, v níž se stromatakty vyskytují.

Obecně se tvrdí, že většina stromataktů je v horninách tvořených kalem nebo směsí kalů obsahujících drobné i hrubší částečky. Někteří zdůrazňují vícesložkové složení materiálu, jiní poukazují na typické stromatakty z hrubších materiálů – vápenců s převahou rozpadlých koster metazoí, zvláště článků krinoidů.

Začněme stromatakty z Českého krasu. Na dostatečně tenkých výbrusech z vápence můžeme v mikroskopu změřit tvarové a velikostní parametry částic. I když část hornin budila na první pohled dojem, že skutečně obsahuje podstatnou část normálního vápencového kalu, výsledky podrobných analýz byly překvapivé. Ať již je celkové velikostní rozdělení horniny posunuto k velmi jemným částicím nebo k částicím hrubším, základem byla vždy různorodá směs málo zaoblených, ostrohranných, cípatých až bizarně tvarovaných úlomečků, které byly porézní, drolily se a odpadávaly z nich ještě drobnější střípky a krystalky.

Je ostrohrannost sedimentárních částic spolu s jejich extrémní velikostní a tvarovou různorodostí uvnitř jedné směsi jevem který se týká jenom stromataktových hornin z Českého krasu? Zdá se, že nikoliv. Výbrusy z belgických, norských, rumunských a jiných stromataktových vápenců obsahují téměř totéž. Sediment se stromatakty je zkrátka složen z částic různě velkých, různě tvarovaných, většinou ostrohranných, cípatých a rozpadavých. Je to vlastně jemná, avšak nesourodá drť se střípky a krystalky mnoha velikostí – tedy něco úplně jiného než běžné vápencové bahno, kde bývá podstatný podíl stejně velkých a mnohdy spíše zaoblených (tupohranných) karbonátových zrnek. Však také tam, kde v sedimentu převažují zrníčka běžného vápencového kalu, pravé stromatakty nenajdeme. Jestliže se zblízka podíváme na vrstvy v devonských vápencích Českého krasu, francouzského Languedoku či belgického Frasnu, popř. v jurských vápencích ve Velkém Kamenci na Ukrajině, všude najdeme strukturně a barevně nesourodý „krupičkovitý“ materiál smíchaný z čerstvých, avšak i starších nepatrných úlomků, pocházejících jak z organických kostřiček, tak z hornin. Na předpokladu, že stromatakty vznikaly pouze v materiálu specifických vlastností, jsme pak založili své experimenty.

Experimenty v laboratoři

Jako materiál, který by odpovídal tvarem i velikostí (mezi 1 μm a 1 mm), jsme zvolili jemnou drť pevného vápence s prachem, pořízenou čelisťovým a válcovým drtičem. V laboratorních pokusech jsme používali třísložkovou drť z běžných devonských vápenců Moravského krasu. Všechny složky pocházely z měřených bodů v terénu a bylo podrobně známo jejich chemické složení i fyzikální vlastnosti. Drť jsme rozmíchali s malým množstvím organického čistírenského kalu v čisté mořské vodě, lehce okyselené kyselinou mravenčí, a směs jsme vpravili do vysoké průhledné sedimentační nádoby nebo koryta. Organický kal měl sloužit jako aditivum (na základě hypotézy, že součástí sedimentárních materiálů mohla být také mikrobiální vlákna a organický mikrodetrit). Ačkoliv samotná suspenze čerstvého čistírenského organického kalu sedimentuje pomalu (někdy plavou ve vodě lehké vločky i několik dní a stále se tvoří mikroskopické bublinky), směs sedimentuje velice rychle. Průběh sedimentace byl fotografován a natáčen rychloběžnou kamerou (viz rámeček Sedimentace v laboratoři 1 ).

Okénka vzniklá sedimentací jsou sice od začátku pozoruhodně stabilní, nicméně ještě asi dvě hodiny procházejí změnami. Deformují se do ploššího kolébkovitého tvaru, popřípadě se v nich dotvářejí rourkovité kanály směřující šikmo vzhůru. Kolem kanálů někdy vznikají malinké dceřiné stromataktovité dutinky. Nasedimentovaná vrstva je pozoruhodně stabilní a soudržná, už po 1 dni snese sediment s okénky až několikaminutové postavení kolmo na výšku, aniž změní tvar. Čím více mikrobiálních vláken a různotvarých částeček z čistírenského kalu jsme přidali, tím větší okénka vznikala. (Velikost okének lze ovlivnit také velikostí sedimentační nádoby: čím větší prostor, tím větší okénka se zakládají již na počátku sedimentace.) U okének s mikrobiálními vlákny jsme zaznamenali i dodatečné změny po několika dnech. Základní tvar se nezměnil, ale jak pohřbené organické složky vyhnívaly, uvolňovaly milimetrové až centimetrové bubliny, které vytlačovaly do klenby okének prstovité výčnělky. Po dalších měsících pak sediment ztuhl a smrštil se. Tak vznikly ojedinělé trhliny protínající šikmo vzhůru sediment i s okénky.

Laboratorní pokusy tedy napodobily vznik stromataktových dutin i všech dílčích atributů (tvar, umístění ve vrstvě, dno dutiny zasněžené jemným kalem, odpadávání částic ze stropu okénka, propojení kanálky). Když nám to tak pěkně fungovalo, přemýšleli jsme jak pokus dále zjednodušit, abychom se snáze dobrali nezbytných parametrů směsi.

Experiment „pro doma“

Položili jsme si otázku: Fungovalo by to s jednoduchou vápencovou drtí (bez organického kalu) a s vodou z vodovodního kohoutku? V sérii pokusů se překvapivě ukázalo, že dokonce i za těchto podmínek se ve výsledném sedimentu pravidelně objevuje řada pěkných stromataktovitých okének (tj. menších stromataktů, širokých jen 3–12 mm). Zdá se, že postačující podmínkou pro tvorbu stromataktů je tvarové a velikostní složení vápencových zrn. Teprve jakýmsi „katalyzátorem“ jsou vlákna a měkké mikroskopické útržky z mikrobiálních kolonií, nesoucí s sebou další množství mikroskopických bublinek. Tímto aditivem se velikost dutin dávajících základ stromataktům dá docela efektivně zvětšovat.

Podrobný popis nastíněných jevů je samozřejmě otázkou dalšího výzkumu a bude se vyvíjet ještě měsíce či roky. Zatím známe jen základ procesu a víme, že to prostě funguje. Myslím, že současné pokusy mohou rozčertit nejednoho sedimentologa zahleděného do svého směru interpretace stromataktů. Pro nás je ovšem podstatné, že si můžeme dát jednoduše připravený umělý stromataktový sediment (vápencovou drť) třeba do zavařovací sklenice s vodou (např. v poměru 1 : 4 či 1 : 5), zatřepat s ní a předvést studentům, jak stromatakty začínají vznikat již během ukládání sedimentu.

Výzkum stromataktů byl podpořen grantem AV ČR IAA3013406.