Zahlavi

Výzkum krasových sedimentů

Výzkum krasových sedimentů

Mon Aug 22 10:40:42 CEST 2016

Ačkoli se výzkum krasu a jeskyní běžně považuje spíše jen za hobby početně omezené skupiny nadšenců-speleologů, mnozí lidé rádi navštěvují zpřístupněné jeskyně v Česku i v zahraničí a vyrážejí do krasových území v Chorvatsku, Slovinsku, Provence, Kentucky, jihovýchodní Asii i jinde. Krasová území pro nás, kteří je studujeme, jsou též krásná – své pojmenování však od krásy odvozené nemají. V původním významu termín „krš“ (v německé transkripci „karst“, italsky „carso“, česky „kras“) znamenal jižně od Alp kamenitou krajinu s nečetnými zdroji vody i vegetace, jejíž překonání pro středověké poutníky představovalo podobné utrpení jako zdolat písečnou poušť. Krasová území ale znamenají kromě turistické atraktivity i oblasti s ekonomickým významem a se zdroji unikátních nerostných surovin (například bauxity; hlavní zdroj hliníku) a především vody (až 25 % světové spotřeby vody pochází z krasových oblastí). Studium krasu a jeskyní tak napomáhá dešifrovat jejich vývoj a přispívá k ochraně i udržitelnému využívání.

Jelikož každý příběh má svůj začátek, vraťme se do konce let sedmdesátých minulého století. Mladí pracovníci z Geologického ústavu ČSAV (Ivan Horáček a Pavel Bosák) s polskými kolegy (Jerzy Głazek, Adam Szynkiewicz) studovali výplně Žabí jeskyně v krakovsko-čenstochovské juře a přitom odebrali paleomagnetické vzorky ke studiu paleomagnetických vlastností sedimentu, který obsahoval i dobře zachované kosterní zbytky. Analýzu z GFÚ se nikdy nepodařilo získat v plné formě, protože citlivost tehdejších zařízení nebyla vysoká. Ve středoevropském regionu to však bylo poprvé, kdy badatelé v jeskyních využili paleomagnetickou metodu, aby zpřesnili geochronologická data.
Časový střih nás zavádí do poloviny let devadesátých 20. století, kdy jeden z nás již pravidelně navštěvoval pracovní sympozia ve Slovinsku (Mezinárodní krasové školy – Klasický kras). Šlo o období překotné výstavby infrastruktury – především dálnic. Při jejich stavbě se pravidelně objevovaly zbytky jeskyní spolu s výplněmi; jeskyně však neměly stropy, nadložní vápence byly rozpuštěny chemickou denudací, která bez přestání ukrajuje větší či menší porci horniny a postupně obnažuje stále hlubší partie krasového masivu a zčásti nebo úplně fosilizované jeskyně. Místní specialisty nálezy potěšily, neboť firmy budující dálnice jim umožňovaly jevy detailně studovat. Na druhou stranu byli poněkud bezradní – použili různé dostupné metody datování, zejména biostratigrafické (datování pomocí zbytků flóry a fauny), ale bez výsledku; vrstevní sledy jeskynních sedimentů byly buď úplně sterilní, nebo byly ojedinělé zbytky poničené a neurčitelné. V této situaci jsme slovinským kolegům z Ústavu pro výzkum krasu Slovinské akademie věd a umění v Postojné nabídli (bez záruky), že se ke zjištění stáří uloženin pokusíme znovu použít paleomagnetickou metodu. Metoda byla zavedena v Paleomagnetickém oddělení GLÚ, ovšem zaměřovala se spíše na studium zpevněných hornin než nezpevněných sedimentů. Na podzim 1997 jsme odebrali pilotní vzorky z profilu na dálnici u obce Divača (Klasický kras, Slovinsko) i z nedalekých jeskyní Trhlovca a Divaška jama. Navzdory dosti primitivní metodě odebrání vzorků se analýza paleomagentických vlastností sedimentů povedla. Šlo spíše o zázrak a výsledky, jež byly pro místní značně překvapivé a poněkud jim převrátily dosavadní interpretace věku jeskynních sedimentů i koncepci o vývoji krasu (karstogenezi) a jeskyní (speleogenezi) Klasického krasu, jsme představili na následující Krasové škole (Trenta, 1998). Na krátké vystoupení máme nezapomenutelný zážitek – v první řadě auditoria seděli koryfejové světové krasové vědy (akademik Ivan Gams, prof. Petar Habič, prof. Jurij Kunaver či nynější akademik Andrej Kranjc). Po přednášce následovalo dlouhé ticho jako v chrámu a pak několik dotazů od obou prvně jmenovaných; posléze Ivan Gams pravil „hudič“ (něco jako sakra), čímž bylo vše řečeno a hlavně přijato.


Všechna fota: Andrej Mihevc, Archiv autora
Jeskyně Markov spodmol u Postojné, Klasický kras. Profil rytmicky laminovanými sedimenty (stáří dosud nestanoveno).

Takový byl začátek vzniku týmu spolupracovníků z několika států a různých disciplín krasového a geochronologického výzkumu. GLÚ vzápětí uzavřel smlouvy o spolupráci v krasovém výzkumu s Ústavem pro výzkum krasu Slovinské akademie věd a umění v Postojné, Ústavem geologických věd Polské akademie věd ve Varšavě, Správou Slovenských jaskýň a Slovenským muzeem ochrany přírody a jeskyňářství v Liptovském Mikuláši a posléze i s Ústavem geologických věd Národní akademie věd Ukrajiny v Kyjevě. Jednotlivá pracoviště se metodicky doplňovala – některé se specializuje na paleontologii, jiné na numerické datování, naše pracoviště na paleomagnetismus atd. Výzkum se postupně rozšířil i na Slovensko a Itálii, do Maďarska, jižní Koreje, Makedonie, Řecka a nedávno i do Rakouska. Práce se pochopitelně uskutečňovaly také na území České republiky – zvláště při rekonstrukcích zpřístupněných jeskyní. Výzkum podpořily několikeré projekty Grantové agentury AV ČR a KONTAKT MŠMT ČR i zahraniční granty a výzkumné programy (Maďarsko, Slovinsko, Slovensko).

Proč se vlastně krasem a jeskyněmi zabýváme?
Krasové systémy představují jedinečný zdroj paleogeografických a paleoklimatických informací – kras přitom slouží jako past, jež informace konzervuje. Nejdůležitějšími nositeli dat jsou krasové sedimenty (povrchové a jeskynní). V mírném klimatickém pásmu jsou rozšířené jak na povrchu krasových území, tak v četných jeskyních, byť povrchové krasové sedimenty nebo pokryv v mnoha krasových oblastech zcela chybí (například v suchém klimatu nebo na rozsáhlých krasových planinách); přítomny jsou jen výplně podpovrchových dutin. Krasové nerovnosti a dutiny uchraňují úlomkovité, chemické a organické částice v přírodním prostředí života jeskyně (včetně jejich obsahu paleontologického, archeologického, geochemického atd.). Konzervují tak záznam, který může mimo kras chybět a z mnoha období geologické minulosti většinou ve stratigrafickém záznamu i chybí. S ohledem na vývoj většiny krasových oblastí v jasněji či méně zřetelně oddělených fázích a periodách mohou krasové sedimenty zachytit i dlouhé časové úseky, jakkoli jeskyně většinou uchraňují záznam jen poslední fáze vyplňování; v příhodných podmínkách mohou zaznamenat i více cyklů vyplňování/vyklízení. Chování jeskynního systému lze totiž přirovnat k funkci kanalizace – pokud je jeskyně/jeskynní systém aktivní součástí hydrologického systému, dochází k téměř úplné destrukci (vyklizení) produktů předchozí akumulační fáze; je-li jeskyně/jeskynní systém zčásti nebo zcela odpojen od aktivní funkce v hydrologickém systému, výplně zůstávají částečně nebo úplně zachovány. Uvedená funkce bývá charakterizována jako dynamika jeskynního prostředí.


Jeskyně Račiška pečina, Podgorski kras. Panorama profilu ve vrstevnatých podlahových sintrech s vložkami fosiliferních jílů (stáří 9 ka až 3,5 Ma).


Datování procesů karstogeneze a speleogeneze se zakládá především na datování krasových sedimentů a korelátních uloženin i v nekrasovém okolí a zhusta se nepřímo odvozuje od modelů vývoje krasového reliéfu, údolní sítě a dalších geomorfologických prvků a jednotek. Komplexní znalost krasových sedimentů, jejich složení, způsob ukládání a hlavně stáří umožňuje dešifrovat globální paleogeografické a jiné změny. Ovšem ne všechno je tak jednoduché a jednoznačné. Jeskynní sedimenty představují složitý cíl výzkumu a zejména datování. Jednoznačně je možné datovat pouze sedimenty ve vchodu do jeskyně a nedaleko od něj – jde o sedimenty tzv. vstupní facie; je zde dobře vyvinutá vrstevnatost, obsah paleontologických i archeologických zbytků bývá značný a každá vrstva má svůj význam a pozici (vyšší je mladší než nižší – tzv. zákon superpozice). Problematická je skutečnost, že sedimenty náležející tomuto prostředí jsou ve fosilním záznamu obsaženy jen raritně. Uvnitř jeskynního systému je situace odlišná. Paleontologické zbytky jsou nečetné, mnohdy přemístěné a transportem poničené, sled vrstev bývá často porušen a promíchán, vložené mladší vrstvy nejsou výjimkou právě kvůli vysoké dynamice jeskynního prostředí. Použití klasických stratigrafických metod pro datování je tak dosti omezené; navíc přímo datovat vlastní jeskyni, tedy vznik dutého prostoru v hornině, je většinou téměř nemožné.

Paleomagnetické metody výzkumu slouží k analýze záznamu změn magnetického pole Země. Jde o metodu srovnávací, kdy se získané výsledky srovnávají s numericky kalibrovanou paleomagnetickou škálou. V geologické historii se střídají normálně a reverzně polarizované periody, které bývají obohaceny o opačně polarizované krátkodobé exkurze. Současná, normálně polarizovaná epocha (Brunhes) je datována od 780 tisíc let (ka) do současnosti, předchozí, reverzně polarizovaná perioda Matuyama trvala od 780 do 2558 ka. Uvedené střídání se využívá při interpretaci stáří. Jelikož paleomagnetická metoda neposkytuje přímo numerický výstup (jen srovnání), je užitečné ji kombinovat s jinými metodami – speciálně biostratigrafickými i numerického datování (14C, Uranium Series Method apod.); mají však omezený časový rozsah (40 ka, resp. 650 ka) a některé další metody lze obtížně použít (například datování Pb/U s neomezeným časovým dosahem).


Lokalita Černotiče II, lom Črni Kal, Klasický kras. Profil jeskyní bez stropu seříznutý zarovnaným povrchem. Výplň tvoří řícené speleotémy nahoře a zvrstvený sedimentární profil (2,5–3,6 Ma) dole. Paleomagnetické vzorky označují kartičky.

Pro paleomagnetický výzkum se používají především jemnozrnné klastické sedimenty (jíly, prachy) a chemogenní uloženiny (krápníky a sintry – speleotémy), které nenarušily procesy probíhající po jejich sedimentaci (svahové pohyby, řícení, prosakování roztoků atd.). Detailní znalost povahy, struktury, textury, mineralogického a geochemického složení uloženin je nezbytná pro rozeznání postsedimentárních (diagenetických) změn a správnou interpretaci výsledků; základem je proto dokonalá dokumentace v terénu. Naprosto nepostradatelné je to již z důvodu vysoce dynamické povahy sedimentace jeskynních výplní. Paleomagnetický záznam zachycený v krasových oblastech obsahuje nejen údaje nutné pro vlastní datování, ale i pro rekonstrukci geomorfologického vývoje (speleogeneze, vývoj reliéfu), interpretaci tektonických procesů (především v mobilních oblastech) atd. Krasová území Slovinska jsme tudíž zvolili jako vhodná k testování a využití tohoto typu rekonstrukcí; poznatky zde získané jsme aplikovali i na další území, zejména v prostoru střední Evropy.

Práce ve Slovinsku a přilehlé části Itálie se uskutečňovaly především v oblasti Klasického krasu (asi 150–500 m n. m.; severozápadní Slovinsko a okolí Terstu v Itálii), částečně v oblasti středohorského krasu (kolem 1000–1300 m n. m.; území kolem jezer Bled a Bohinj) i vysokohorského krasu (nad 1500 m n. m.; Savinjsko-Kamnické Alpy). S postupujícími pracemi jsme vylepšovali i metodiku vzorkování. Nejprve jsme vzorkovali pouze pilotní vzorky (vzdálené 5–25 cm), při další návštěvě jsme zahustili hraniční intervaly se změnami polarity. Pozvolna jsme přešli k hustému vzorkování po 2–3 cm již při první návštěvě, protože nebylo nutné znovu navštěvovat stejné lokality (mnohdy svízelně dostupné); v lomech hrozilo nebezpečí náhlého odtěžení lokality a výsledky navíc poskytly komplexní obraz paleomagnetických vlastností s vysokým rozlišením.
Obecně jsme zjistili, že geomorfologická historie a vývoj krasových území ve Slovinsku jsou dlouhodobé a dosti složité ve srovnání s dosavadními modely. Předchozí karstogenetické a speleogenetické modely (1996–1997) předpokládaly, že stáří jeskynních sedimentů nepřevyšuje 350–400 ka s tím, že styl sedimentace ovlivňovaly především klimatické výkyvy. Vznik většiny jeskynních systémů byl spojován s kvartérními cykly v posledních zhruba 1,8 milionu let (Ma). Komplexně provedený výzkum jeskynních a krasových sedimentů, rozsahem ve světě unikátní, však přesvědčivě ukázal, že existují jasně vymezitelné fáze s převládající sedimentací v jeskyních, a to stejného stáří v krasových oblastech s různou současnou geomorfologickou pozicí (tj. v dinárském, alpském i izolovaném typu krasu). Fáze od nejstarší k nejmladší byly datovány na: (1) starší než 1,2 (numerické datování)/1,77 Ma (paleomagnetická data) se spodní hranicí mezi 5 a 6 Ma, tedy sedimenty nejvyššího miocénu až spodního ­pleistocénu (v novém pojetí hranice pliocénu); (2) od zhruba 0,78 Ma po více než 4 Ma (paleomagnetická data; starý pleistocén až pliocén); jejich stáří potvrdily unikátní nálezy drobné savčí fauny; tento typ sedimentů vytváří dvě podskupiny: (a) více než 0,78 Ma až zhruba 4,2 Ma a (b) 0,78 Ma až zhruba 2,1 Ma (starý pleistocén); (3) nejmladšími jsou uloženiny mladší než 0,78 Ma (paleomagnetické datum; mladý a střední pleistocén); patří sem i mladší uloženiny v nadloží sedimentů datovaných do fází (1) a (2). Výjimku z těchto skupin představují sedimenty v jeskyni Grofova jama na hranicích s Itálií, kde datování metodou štěpných ploch u apatitu ze smektitových jílů indikuje stáří kolem 21 Ma. Tato výplň je prozatím nejstarší ze všech jeskyní Slovinska a dokumentuje pozdně oligocénní až časně miocénní fázi krasovění, raritně zachovanou, protože se všeobecně soudí, že paleojeskyně starší 10 Ma nebývají obnaženy na povrchu krasu procesem chemické denudace.


Husté vzorkování pro paleo-magnetickou analýzu umělohmotnými krabičkami v jeskynním sedimentu. Kartičky označují polohu vzorků pro paleontologickou analýzu. Snežna jama, Savinjsko-Kamnické Alpy.

Lze konstatovat, že v krasových oblastech Slovinska je zachován záznam geologického a geomorfologického vývoje a environmentálních změn posledních zhruba 20 Ma, jakkoli s určitými přerývkami. Geomorfologický vývoj krasových území Slovinska je spjat s fázemi tektonické (neotektonické) aktivity (zvláště v posledních 17 Ma), především se změnami tektonického režimu následkem rotace Adriatické mikrodesky v posledních 7–4 Ma, transgresně-regresním vývojem v oblasti Paratethydy a Benátské pánve (23–5 Ma) a výraz-ným kolísáním hladiny Adriatického moře v průběhu kvartéru. Zdá se, že některé z dosud zjištěných fází masivní sedimentace v jeskyních mohou korelovat s výše zmíněnými událostmi, hlavně před zhruba 6–5, 4 a 2 Ma. Naše zjištění jsou proto časově hodně posunutá v porovnání s etapou před zhruba rokem 1997; potvrdila koncept tzv. jeskyní bez stropu a výrazně posunula interpretaci speleogenetických procesů hlouběji do geologické minulosti nejen v Klasickém krasu.

Obdobně se nám dařilo na Slovensku, zvláště ve zpřístupněné Belianské jeskyni (severní Slovensko). Zde jemně klastické výplně jeskyně (tvořené jílem a reziduem po rozpouštění dolomitických matečných hornin) sedimentovaly již v průběhu paleomagnetické epochy Gilbert (zhruba 3,85 až 6,14 Ma), tedy v miocénu. Pokryvné sintrové kůry jsme datovali palynologicky (pyly rostlin uzavřené krápníkovitě) do spodního pliocénu a pliocénu. Znamená to, že jeskyně byla v té době otevřena na povrch. Interpretace je velmi vzdálená od dřívějších představ o relativně mladě-pleistocénním vzniku vlastní jeskyně i výplní v souvislosti s táním ledu a sněhu v meziledových dobách. Výzkum rovněž potvrdil, že jeskyně nevznikala procesem od shora dolů, nýbrž že vlastní dutinu vytvořily vody hlubokého oběhu vystupující směrem vzhůru podél hlubokých zlomů na jihu omezujících Vysoké i Belianské Tatry (dodnes vyvěrají například v lázních Vyšné Ružbachy). Výzkumy ovlivňují i interpretaci vývoje karpatské geomorfologie, tedy zarovnaných povrchů a zahlubování údolí – na základě datování jeskynních sedimentů jsme nově interpretovali paleopovrchy, které se nalézají v různých nadmořských výškách, do stejné vývojové fáze (později rozčleněné tektonickými pohyby výškově až o 900 m); nově vysvětleno bylo dále vyšší stáří i vyšší hloubkový dosah zahloubení horních částí říčky Bielej.

Na výzkumu se od roku 1997 podíleli a podílejí mnozí pracovníci GLÚ, zvláště z Paleomagnetického oddělení v Průhonicích, Oddělení analytických metod, Oddělení paleobiologie a paleoekologie a Oddělení exogenní geologie a geochemie. Při výzkumu spolupracujeme s partnery z Ústavu pro výzkum krasu v Postojné (Nadja Zupan Hajna, Andrej Mihevc, Andrej Kranjc, Tadej Slabe), ze Správy Slovenských jaskýň a Katolické univerzity v Ružomberoku (Pavel Bella), z Ústavu geologických věd PAN ve Varšavě (Helena Hercman), Jagellonské univerzity v Krakově (Michal Gradziński), Eötvös Loránd University v Budapešti (János Móga), Ústavu geologických věd v Kyjevě (Maryna Komar), dále s kolegy z Přírodovědecké fakulty UK (Ivan ­Horáček), Správy jeskyní ČR (Jaroslav Hromas), Muzea SMOPAJ (Monika Orvošová), Geologického ústavu SAV v Bratislavě (Ján Soták) a s mnohými dalšími specialisty z různých domácích i zahraničních institucí.

PAVEL BOSÁK a PETR PRUNER,
Geologický ústav AV ČR, v. v. i.