Skály a teplo

„Objemové změny hornin podmíněné kolísáním teploty způsobují hlavně otevírání puklin, neboť při teplém, slunečném počasí se horniny na povrchu území silně zahřívají, čímž nabývají na objemu, a po ochlazení se opět smršťují.“ Těmito slovy uvedl v roce 1931 zakladatel české inženýrské geologie profesor Quido Záruba příspěvek o stabilitě svahů nad tehdy nově vybudovanou povltavskou silnicí u Štěchovic a Vraného. Pozoroval na nich vliv teplot na uvolňování velkých bloků, které ohrožovaly novou silnici skalním řícením (obr. 1).

Za sto let se výzkum působení teploty na stabilitu skal významně rozvinul. Proto lze rozlišit několik hlavních vlivů teploty na destabilizaci hornin. Mimo již zmíněné přímé objemové změny skal je to zejména zamrzání vody ve spárách a puklinách. Při fázové přeměně vody na led dochází k nárůstu objemu asi o 9 %. Výzkumy ukazují, že tento objemový nárůst ledu dokáže v trhlinách vyvolat tlak i přes 200 MPa, což může snadno vést k překročení meze pevnosti hornin a ke vzniku skalního řícení. Mezi další patří poměrně specifický vliv, takzvané klínování. Jedná se o vcelku jednoduchý mechanismus vzniku nestabilních skalních bloků. Předpokladem je existence klínovitého bloku, který postupně při změnách teploty zapadá hlouběji a hlouběji do trhliny. Při ochlazení se totiž skála smrští, blok zapadne níže a při opětovném zahřátí vzniká tlakové napětí, které může při překročení smykových parametrů vést k posunu horninových bloků a následně i ke skalnímu řícení.

Uvedené příklady často vedou ke vzniku řícení, nicméně teplota ovlivňuje skálu zejména dlouhodobě, a to zvětrávacími procesy. Změny teploty totiž vyvolávají i změny napětí v hornině. Na povrchu se tak hornina roztahuje mnohem více než v hloubce. To vede ke vzniku okem neviditelných mikrotrhlin, které zase pozitivní zpětnou vazbou usnadňují pronikání vody a zvyšují intenzitu zvětrávacích procesů.

Stabilita skal

V našem výzkumném týmu se s kolegy věnujeme právě dlouhodobým vlivům teploty na stabilitu skal. Pomocí teploměrů sledujeme na několika místech v Česku teplotu skal v různých hloubkách až do tří metrů pod povrch. Ukazuje se, že denní změny teplot jsou znatelné až do hloubky jednoho metru. Roční změny teploty pak ve skalách zasahují dle modelů dokonce do více než 15 metrů pod povrch. Zatímco ovšem roční amplituda teploty v hloubce 0,5 m činí třeba 30 °C, v hloubce větší než 15 metrů to je méně než 1 °C. Takto vyvolané teplotní změny způsobují poměrně velké změny napětí v horninách. Kdyby nedocházelo k uvolnění těchto napětí na již existujících puklinách, mohla by být snadno překročena tahová pevnost hornin, a tím dojít i k rozpadu skal. Největší změny teplot se ale odehrávají přímo na povrchu. V roce 2019 jsme se věnovali pozorování teploty povrchu Branické skály v Praze. Shodou okolností šlo o nejteplejší den v roce, kdy teplota vzduchu dosáhla až 38,1 °C. Skála se však vlivem slunečního záření dokázala rozpálit až na 73,3 °C a následně v noci ochladit na 15,3 °C. To je v podmínkách střední Evropy vysoké rozpětí, i když v tomto případě určitě ovlivněné nejteplejším dnem v roce. Obecně platí, že největší vliv mají na pohyb skal teploty v aridních teplých oblastech, kde jsou vlivem nízké vlhkosti a malého množství vegetace rozdíly v denním chodu teplot vzduchu obrovské. Ovšem k teplotnímu ovlivnění skal dochází často i ve velmi chladných krajinách, jako je Arktida a Antarktida, či ve vysokohorských oblastech. Tyto vysoké denní teplotní výkyvy pak mohou vést k praskání a rozpadu skal (obr. 2). Dříve se uvažovalo, že v polárních oblastech je k tomu potřeba voda, která zamrzá v puklinách, ale ukazuje se, že k pukání kamenů tam může docházet i „za sucha“.

Rozpad skal v Arktidě (fjord Hornsund, Svalbard) způsobený teplotními změnami.

Snímek J. Blahůt

Reprodukce z práce Quida Záruby (1931) ukazuje, jak objemové změny vyvolané teplotou ovlivňují stabilitu skal nad povltavskou silnicí u Štěchovic a Vraného.

Se změnami napětí jsou spojené i pohyby na už existujících trhlinách, které jsou někdy cyklické (vratné), ale mohou také vykazovat určitý nevratný trend. V našich podmínkách dosahují velikosti ročních vratných pohybů až jeden milimetr, a proto je potřeba pro určení případného trendu nejméně roční pozorování. Ovšem výzkum provedený v Yosemitském národním parku ukázal, že za určitých podmínek mohou být denní změny pohybu na trhlinách okolo jednoho centimetru. I v tomto případě se jedná o vratné změny způsobené specifickou situací, kdy k pohybu dochází na exfoliačních klenbách (viz rámeček).

Požáry

K odlupování a praskání skal však může docházet i z úplně jiných důvodů, než je exfoliace, jak ukazuje loňský požár v Českém Švýcarsku. V místech, kde byly skály zasažené ohněm, dochází k odlupování až několikacentimetrových desek pískovce (obr. 3). Tyto desky se od skály oddělily kvůli šokovému zahřátí povrchu až na několik set stupňů Celsia. To způsobilo rychlý nárůst objemu v přípovrchové zóně, na niž nestačila reagovat chladnější skála v hloubce. Další šokové zchlazení mohlo nastat při hašení vodou. Rychlá změna napětí tak vedla k oddělení přípovrchové vrstvy. Toto odlupování pískovců, které je v našich podmínkách unikátní, je dobře viditelné i nyní, více než rok po požáru. Určitou roli, která ale není doposud detailně vysvětlena, hrála i přítomnost vody ve skalách. Existující teorie předpokládají, že se voda při zahřívání vypařila, ale mohla také vytvořit dodatečné tlaky fázovou přeměnou na páru.

Odlupování tenkých desek pískovců je nejviditelnějším důsledkem, který měl na skály požár v Českém Švýcarsku.

Snímek J. Blahůt

O tom, jak jsou skály zasažené požárem porušeny do hloubky, se zatím mnoho neví a je to předmětem našeho výzkumu. Při něm porovnáváme fyzikálně-mechanické vlastnosti skal zasažených a nezasažených požárem. Na výsledky tohoto výzkumu si ovšem budeme muset ještě počkat. Co ale víme ze zahraničí, je, že požáry ovlivňují skály zejména odlupováním přípovrchových vrstev. Krásnou ukázkou je studie z australské skály Ayers Rock (Uluru). Tamní pískovec tvoří u paty svahu charakteristickou prohloubeninu ve tvaru vlny, která byla vytvořena právě vlivem opakujících se požárů buše. Její výška cca 2 m také přesně odpovídá výšce tamní ohořelé vegetace (obr. 5). Pro podobné příklady ale nemusíme chodit až do Austrálie, letošní rozsáhlé požáry ve Středomoří nabízejí další ukázky porušení skal teplotním šokem. Zde je vhodné uvést na pravou míru informaci, že pády skal mohou vyvolat požár. Při skalních říceních a velkých skalních lavinách sice bylo pozorováno jiskření, kdy se padající a sesouvající kameny o sebe rychle odíraly, nicméně toto jiskření a zahřívání je omezeno na poměrně malou oblast smykové plochy nebo kontaktu dvou bloků a dosud se vědecky neprokázalo, že by někdy vedlo ke vzniku požáru. V jednom případě z amerického Utahu to však nelze úplně vyloučit.

Termogram z časosběrného snímkování v lomu Na Požárech ukazuje rozdíly v teplotách na různých místech skalního výchozu (v kroužcích místa se značně odlišným vývojem teploty i odlišnou vlastností skal). Různým režimům chladnutí odpovídají i rozdílné vlastnosti granodioritu.

Měření teplot skal nám nepomáhá jen s hodnocením jejich dlouhodobé stability, ale může odhalit i další skryté informace o jejich fyzikálně-mechanických vlastnostech. Zahřátí skal je ovlivněné zejména jejich barvou, minerálním složením a pórovitostí. Stejně jako v přírodě obecně platí, že tmavé povrchy se zahřívají více, platí i to, že horniny s vyšší pórovitostí se zahřívají (a chladnou) rychleji. Naše i zahraniční odborné studie ukazují, že pozorováním teploty skal pomocí termokamery lze nejen identifikovat místa, kde jsou části skal téměř odděleny od pevného podkladu (tzv. skalní mosty – rock bridges), ale pomocí časosběrné termografie (obr. 4) je možné odhalit místa s různou rychlostí chladnutí. Následné laboratorní zkoušky ukázaly, že se tato místa liší i v zásadních fyzikálně-mechanických vlastnostech. Mimo již zmíněnou pórovitost, která ukazuje míru zvětrání, to je pevnost hornin a dynamické moduly. To jsou významné ukazatele pro hodnocení dlouhodobé stability a pevnosti skal a umožňují vyhodnocovat i nebezpečí jejich pádu. Věříme, že v budoucnu dokážeme zjistit vlastnosti skal plošně na dálku, takže bude možné snížit riziko ohrožení tím, že nestabilní skály budou včas a s výrazně nižšími náklady zajištěny. Aby se neopakovala třeba v úvodu zmíněná situace mezi Vraným nad Vltavou a Štěchovicemi, kde skály ohrožovaly silnici skoro sto let a k zajištění vedla masivní, předimenzovaná a drahá stabilizace pomocí kotev, statických i dynamických bariér, sítí a valů. 

Australská skála Uluru, na jejímž úpatí vznikla vlivem opakujících se požárů buše charakteristická vlna.

Zdroj DOI: 10.1038/s41467-021-22451-2, licence CC BY

Článek vznikl s finanční podporou Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i.