Vyšší princip pískovcový

Tajemná síla kontrolující erozi pískovcových skal; Duch horniny; Inteligentní organismus; Tajemství skalních bran po 150 letech tápání vyřešeno – tak zněly namátkou vybrané titulky, které na přelomu července a srpna otiskla média po celém světě. Šlo samozřejmě o zveličení, snahu novinářů zaujmout… a prodat. Mediální lavinu spustil článek publikovaný v časopise NATURE Geoscience, který poprvé věrohodně prokázal princip, jenž je zásadní pro určitou etapu vývoje skalních bran a některých dalších známých pískovcových útvarů. Jde o myšlenku tak jednoduchou, že mnozí lidé měli za to, že je již dávno známá. Pokud jste se ale o ní chtěli něco dozvědět, ve vědeckých článcích a monografiích o pískovci jste ji nenašli.

Foto: Michael Atman, Archiv autora
Pohled na skalní bránu Delicate Arch v Utahu z větší vzdálenosti vyvolává otázku: Proč takový útvar již dávno nespadl? Odpověď přináší nově popsaný princip…

V přírodních vědách se občas stává, že i když není nějaký jev detailně objasněn a prokázán, což konec konců mnohdy ani v dané době nejde (nejsou přístroje, vhodný materiál), vědecké práce i souhrnné knihy si vystačí s určitým obecným popisem. Ten se opakuje tak dlouho, až již nikdo záležitost detailněji nestuduje, protože „už je přece vysvětlená“. Tak tomu bylo i v případě vysvětlování vzniku pískovcových skalních bran či některých dalších turisticky oblíbených přírodních objektů známých po celém světě. V případě tvaru nejznámějšího – pískovcové brány – se v geomorfologickém povědomí usadilo následující obecné vysvětlení. Zjednodušeně řečeno: nejdříve se různými způsoby, obvykle erozí po paralelních puklinách, zúží skalní masiv; někdy se v něm vyvinou z obou stran převisy, které se postupně propojí ve skalní okno, a to se důsledkem vypadávání bloků po stranách a nahoře zvětšuje. Přitom začne působit „klenbový efekt“, postupně se objevují obloukovité pukliny a podle nich se odlamují bloky do již pravidelného tvaru – pískovcové skalní brány, jejíž tvary jsou „dohlazeny“ dalšími erozními činiteli, jako je solné a mrazové zvětrávání, déšť či vítr. Ale je toto úplné a hlavně – detailní – vysvětlení? Jak přesně vzniká a co ovlivňuje klenbový efekt v pískovcích, proč se někde brána vytvoří a jinde ne, proč vznikají i slepé skalní brány, které nepotřebovaly zúžení skalního masivu? Proč skalní brány, tvary zdánlivě nestabilní, zůstávají osamoceně „trčet“ i v místech, kde většina ostatního pískovcového masivu v jejich úrovni již byla erodována? A co jiné tvary – skalní okna, pilíře nebo některé skalní hřiby? Také na nich lze pozorovat výrazné křivky, a přitom má vznik těchto útvarů pokaždé jiné zdůvodnění.

Foto: Michael Atman, Jiří Jakovenko, Archiv autorů

Ať se vypravíme do pískovcových oblastí Čech, Německa, Lucemburska, do Petry v Jordánsku nebo do „svatyně pískovcových bran“ parku Arches v Utahu (USA), zaujme nás možná až zarážející podobnost všech zmiňovaných skalních útvarů. Pojďme si tedy položit dvě otázky. Za prvé: je možné, aby byl vznik a vzhled těchto podobných tvarů dílem souběhu více méně náhodných, respektive neřízených procesů? A za druhé: proč jsou tyto „makroformy“ tolik podobné mnohem menším „mikroformám“ centimetrových až decimetrových rozměrů vyskytujícím se na tisících míst v pískovcových oblastech celého světa? Tyto malé formy přece nelze vysvětlovat opadem bloků podle klenby; jsou dokonale hladké a opadávají u nich maximálně jednotlivá zrnka písku. Bez jakékoli znalosti zkusme „nadhodit“ selsky jednoduchou a snad i trochu „provokativní“ myšlenku: není to náhodou tím, že kdesi nad odlamováním a selektivní erozí je ještě jiný – mocnější – faktor, který ovládá vše ostatní? Jakýsi dirigent, který přírodě buď dovolí, nebo nedovolí erodovat „jeho“ pískovcovou skálu, případně určí kde a do jakého tvaru?

Hrátky s pískovcem

Začátek našeho výzkumu nastartoval sled šťastných okolností. Kolega hydrogeolog Jiří Bruthans z Ústavu hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky PřF UK se s některými členy autorského týmu věnoval ­„svému“ hydrogeologickému výzkumu v lomu Střeleč v Českém ráji. Zaujaly jej přitom dvě pozoruhodné a zdánlivě nesouvisející vlastnosti zdejšího pískovce. Jednak že se zdejší skála sice musí při těžbě střílet pomocí trhavin – ale přitom lze jednotlivé kameny celkem snadno rozdrolit rukou a menší kousky dokonce nelze ani zvednout, protože se po dotyku rozpadají! Druhou a ještě markantnější vlastností bylo, že v opuštěných částech lomu spontánně vznikají pískovcové mikroformy – pilířky, branky, okna a sloupky, které jsou totožné s formami v okolních přírodních pískovcových skalách tyčících se hned za hranicí těžebního prostoru lomu. Při zběžné prohlídce několika shrnujících publikací zabývajících se vznikem pískovcových tvarů J. Bruthans zjistil, že názorů a teorií na jejich vznik je několik a že žádná není příliš detailní a obecně aplikovatelná. Odtud byl už jen krůček k nápadu, pojďme si se střelečským pískovcem hrát a pokusit se něco objevit…

První a vlastně klíčový objev v lomu představoval nález poloh speciálního pískovce, jehož fragmenty, byť velice křehké, drží na vzduchu tvar (při opatrné manipulaci) – když se ale ponoří do vody, ihned se rozpadnou na písek. Pokud se ovšem zatíží závažím, rozpadnou se jen částečně a pod závažím zůstane zachovaný pilířek, který snese i veliké zatížení. Objev tohoto zásadního materiálu a jeho chování odstartoval „těžbu“ pískovce pro laboratorní pokusy. Pomocí listů pil o různé velikosti zubů se odebíraly kostky, kvádry i válce několika rozměrů. Jako dobře manipulovatelného erozního činitele jsme pro experimenty zvolili vodu. Voda prostupující pískovcem je kapilárním sáním přitahována na stěny zrn, přičemž v pórech stlačuje vzduch, který následně ničí původně relativně pevnou strukturu pískovce. Laboratorní pokusy jsme prováděli v akváriu, v kbelících i lavorech. Jako závaží sloužily obkladové dlaždičky, olověná závaží nebo nezatápěné části pískovce. Zprvu jsme ani přesně nevěděli, co vlastně konkrétně najdeme, chtěli jsme jen vysvětlit chování střelečského pískovce a případně vyrobit alespoň některé tvary, které v lomu samovolně vznikaly a jež byly tolik podobné tvarům z přírody. Po úvodních nezdarech jsme po týdnech práce dokázali ze stlačeného a zatápěného pískovce „vyrobit“ pískovcový sloupek ve tvaru přesýpacích hodin, částečným zatopením skalní hřiby s až neuvěřitelně tenkou nohou. Stále to ale nebylo ono. Pozoruhodných výsledků jsme dosáhli, až když jsme v pokusech začali kromě zatížení uvažovat i porušení přenosu tlaku ze závaží a jeho jakési nasměrování. Podařilo se to nejprve v sadě pokusů na asi pět centimetrů tlustých plátcích pískovce o průměru asi 15 centimetrů. Pískovcové „řízky“ byly nařezány z válce pevně omotaného potravinovou fólií, která nahrazovala tlak chybějící pískovcové hmoty ze stran. Při naříznutí plátku do zhruba poloviny jeho tloušťky se přerušil přenos tlaku nad a pod naříznutou plochou a při ponoření velice rychle opadala písková zrna a vytvořila dokonalý výklenek – slepé skalní okno! Po sloupku jsme najednou měli druhý tvar z přírody. Při dalším „hraní“ s nařezáváním řízků v růz­ných směrech jsme zaznamenali důležitý objev. Přesně si vybavujeme nadšení, když se poprvé ponořil plátek pískovce naříznutý skrz, ovšem dvěma křížícími se řezy: během několika sekund se voda v akváriu zakalila rychlým opadem zrn a po jejich usazení jsme hleděli na dokonalou „bránu“, respektive „okno“, které zůstalo stabilní i při vyjmutí z vody či po opětovném ponoření. Pouze když se nařízlo v nejužším místě, útvar opět „odhodil“ písková zrna nepotřebná k přenosu napětí a zůstal dále stát. Od dílčího objevu se pokusy ještě zintenzivnily. Pískovcové kostky se nařezávaly, navrtávaly, pokládaly na nepřerušenou nebo naopak přerušenou podložku. Výsledkem poté byly dokonalé skalní brány, hřiby a pilíře…

Foto: Jiří Bruthans, Archiv autora
Obrázky malých pískovcových forem z lomu Střeleč v Českém ráji: a, b – šikmá a vodorovná brána, obě vytvořené proudící vodou; c, d – různě nakloněné brány s výraznými pilíři; e – skalní okna vytvořená v linii na vrstevní ploše; f – dokonalý skalní pilířek; g – skalní okénko vznikající z několika malých slepých bran/oken. Černá úsečka na obrázcích představuje délku 10 centimetrů.

Jedinečnost vybraných partií střelečského křemenného pískovce spočívá ve skutečnosti, že je diageneticky velmi zhutnělý, relativně málo porézní a neobsahuje skoro žádné pojivo. Jediným materiálem v mezerní hmotě jsou jílové minerály (kaolinit, illit), jejichž obsah je nižší než jedno procento. Pískovec drží pohromadě nikoli kvůli sekundárnímu tmelu, ale pouze „zamčeným“ zrnům, která do sebe pod tlakem daným miliony let trvající diagenezí přesně zapadají. Odborně se tento pískovec nazývá uzamčený písek (anglicky locked sand). Obecnější výraz pro takto se chovající materiál, který jsme ve zmiňovaném článku začali používat, je fabric interlocked material (česky zhruba asi materiál s uzamčenou strukturou). Takto vytvořená vazba mezi zrny způsobuje, že pokud pískovec stlačíme, zaklíněná zrna přenesou i velkou váhu. Uvolnit je z pískovce je mnohem těžší. Takový pískovec/písek dobře charakterizovali již například v roce 1999 britští autoři N. P. Richards a M. E. Barton z lomu u Reigate jižně od Londýna (Folkestone Bed sands) v Anglii. Jejich práce ovšem částečně zapadla (ve dnech přípravy tohoto textu má v databázi SCOPUS jen devět citací) a možnosti pozoruhodného chování tohoto pískovce pro pokusy nebyly odhaleny (mimochodem, do Anglie jsme se v rámci výzkumu vypravili a shodu s vlastnostmi střelečského pískovce zde potvrdili).

Zvýšení stability pískovce stlačením je ale jen část principu, který v článku prezentujeme. Abychom vyrobili určitý pravidelný tvar, musíme v hornině dokázat přerušit původně více či méně rovnoměrný přenos napětí z nadloží a nějak ho usměrnit, což zajistí vhodné geomorfologické, litologické a tektonické podmínky. Teprve zde vstupuje do hry prvek náhody a kombinace jevů. Přesněji řečeno, jde o diskontinuity, které zabraňují přenosu napětí, respektive jej usměrní; při pokusech šlo o přerušení podložky, řezy do zkoumaných těles, křížení řezů, návrty a podobně. V přírodě obstará tuto práci třeba mezivrstevní plocha, snadno erodovatelná vrstva (například jílová vrstva, rozpadavá poloha pískovce), tektonická plocha nebo puklina, tlakové pukliny, nebo naopak zpevněná vrstva, která je ovšem lokálně přerušená. Výraznou roli může případně sehrát i kombinace pevných (zpevněných) vrstev s těmi, které se chovají více jako materiál s uzamčenou strukturou.

Foto: Jiří Bruthans, Michal Filippi, Marek Audy, Václav Cílek, Archiv autorů
Ukázky přírodních pískovcových forem v porovnání s experimentálními formami a zobrazení průběhu napětí v těchto formách. 1. sloupec: Delicate Arch v parku Arches v Utahu je jednou z nejznámějších skalních bran světa; malá skalní branka, Glen Canyon; 2. sloupec: velké „slepé skalní okno“, oblast Navajo Bluff, USA; malé „slepé skalní okno“ v oblasti Chyddinglye Wood v Anglii; 3. sloupec: jeskynní skalní sloupky v jeskyni Cueva Eladio na stolové hoře Churi Tepui ve Venezuele; skalní pilířek z Českosaského Švýcarska; 4. sloupec: mohutný skalní hřib u Angel Arch v národním parku Canyonlands v Utahu, USA; dva menší skalní hřiby z oblasti Broumovských stěn.

Důležitou sadu experimentů představovalo srovnání nestlačených a stlačených kostek běžného (tedy cementovaného) pískovce z různých lokalit. Byly použity rozdílné typy pískovců ze tří kontinentů. Dvojice pískovcových kostek (k původní sedimentární stratifikaci náhodně orientovaných) byly vystaveny solnému a mrazovému zvětrávání. Kostky v jedné sadě byly volné, ve druhé upnuty mezi ocelové destičky a stlačeny šrouby. Kostky se poté v pravidelných cyklech opakovaně nořily do roztoku NaSO₄ a následně vysoušely v peci (= krystalizace solí), jiné kostky se máčely ve vodě a poté vystavily teplotě -20 °C (= rychlé mrznutí pórové vody); o metodice podrobněji viz Supplementary Information našeho článku. Výsledky experimentů prokázaly, že naprostá většina nestlačených kostek podrobených solnému zvětrávání se rozpadala 1,5 až 4,6krát rychleji než kostky stlačené. V případě mrazového zvětrávání byl úplný rozpad po více než 100 cyklech u nestlačených kostek o desítky (až 100 %) procent vyšší než rozpad stlačených kostek. Pozoruhodným výsledkem experimentů byly i výsledné tvary zbytkového pískovce po zvětrávacích cyklech, v podstatě ekvivalenty pilířů a sloupků známých z přírody.

Když jsme se tedy dostali do fáze, že jsme dokázali ze střelečského pískovce laboratorně vyrábět analogy přírodních tvarů, bylo potřeba zapojit další nástroje vědeckého přístupu, abychom poznatky dostatečně zdokumentovali. Zásadní bylo situaci numericky a graficky vizualizovat a také vytvořit materiálový model, který by zjištěné chování pískovce vysvětloval. Pro zobrazení chování napěťového pole v pískovci jsme použili program PLAXIS, do něhož jsme zadali parametry získané z triaxiálních zátěžových testů. Výsledky vizualizace ukázaly, že napětí diskontinuity „obtéká“, respektive je koncentrováno do zúžených částí či oblouků kolem míst, kde nemůže dojít k jeho přenosu. Materiál, který se při pokusech velice rychle rozvolnil a „opustil“ vznikající tvar, byl ve vizualizacích v oblastech napěťového stínu. Numerická vizualizace také dobře ukazuje, proč se na rovných či klenutých stěnách pískovcových skal nevyskytují výčnělky. Takové útvary totiž nepřenášejí napětí z horní části tělesa, a pokud se někde vytvoří při náhodném procesu, jako je odlomení skály, jsou snadno erodovány. Pro popis rozpadu uzamčeného písku jsme vyvinuli koncept nazvaný „locus of fabric instability“ (něco jako „obálka nestability struktury“) – v grafu závislosti smykového napětí na normálovém napětí ukazuje pole ne/stability tohoto materiálu. Na základě výsledků laboratorních experimentů lze znázornit, v jakém rozsahu napětí bude materiál stabilní a zachová svůj tvar a v jakém se rozpadne na jednotlivá zrnka.

Slovy jednoho z recenzentů publikovaného článku: „vědecká trojice: pozorování-experiment-modelování“ byla završena. Máme tady zdokumentovaný princip, nazvaný „negativní zpětná vazba mezi napětím a erozí“, který funguje na základě i) gravitačního zatížení a přenosu napětí v horninách s uzamčenou strukturou (pískovcích) a ii) koncentrace tohoto napětí v důsledku přítomných diskontinuit. Výsledkem popisovaného prin­cipu je stav, kdy se v masivu předem vytvářejí dispozice pro některé geomorfologické útvary, jež mají zatížené a nezatížené části. Přímým důsledkem tohoto stavu je skutečnost, že erozní vlivy působící na skálu erodují preferenčně nezatížené pasáže a vypreparovávají „zakódovaný“ tvar z masivu. A protože napětí je poměr velikosti síly na jednotku plochy, se zmenšující se plochou nosného prvku skalního útvaru roste jeho odolnost vůči erozi. Tedy až do doby, kdy napětí přesáhne hraniční mez pevnosti a skalní útvar se zřítí. Nejen volně stojící pískovcové brány typu Delicate Arch v Utahu mají tedy fyzikální vysvětlení… A co dál?

Z laboratoře zpět do přírody

Uvědomme si jeden důležitý aspekt. Co se podařilo prokázat na unikátním střelečském pískovci, je princip, který ideálně funguje v hornině s uzamčenou strukturou v určitém stadiu jejího vývoje. Přímo pozorovaný vznik „skalní“ brány při experimentu na střelečském pískovci je skvělý, ale proces není tak snadné pozorovat na cementovaných pískovcích, protože trvá mnohem déle. V přírodě jde o tisíce a miliony let – od sedimentace pískových zrn, přes jejich zpevnění (cementování), tektonické porušení, vytvoření „dispozic“ pro skalní tvary a rozčlenění masivu na segmenty, změny (modifikace) „dispozic“ až po finální vypreparování tvarů ze zbytků masivu. Pomocí experimentů jsme ale prokázali, že i na cementovaný pískovec má tlak nadloží zásadní vliv při selektivitě (tj. řízení) eroze a tedy jeho tvarování. Vidíme-li v přírodě skalní bránu, výklenek, okno, sloupek nebo hřib, musíme si uvědomit, že jde o výsledek dlouhodobého vývoje skalního masivu, který se tvořil v součinnosti s mnoha souběž­nými nebo navazujícími procesy. Zásadním je dle našeho názoru princip negativní zpětné vazby mezi napětím a erozí. Je ovšem nutné nepřehlížet „spoluautorst­ví“ dalších faktorů, jako jsou vliv litologie (proželeznění, silicifikace), tektoniky a mechaniky hornin (extenzní trhliny, skalní řícení).

Foto: FOTO: Jan Soukup a Jana Vaculíková, Archiv autorů
Příklady pilířků „vyrobených“ ze stlačených pískovcových krychlí cementovaných pískovců o hraně čtyři centimetry působením solného zvětrávání. Pískovce pocházejí z následujících lokalit: a – Teplicko-adršpašské skály; b – lokalita Helper, USA; c, d – Ute-Mt. Utah, USA.

Dostáváme se na začátek – tedy k názvu našeho příspěvku. V článku jsme popsali a doložili princip chování speciálního pískovce při zatížení, který vede ke vzniku některých pískovcových forem. Princip neozřejmí přesně a do detailu současný tvar každé jednotlivé skalní pískovcové brány, okna, pilíře a podobně, nicméně je klíčem k vysvětlení. Je základním mechanismem, který řídí další „formovací nástroje“ a jeho vliv a účinnost podléhají dalším okolnostem, které musí být v každé lokalitě zohledňovány.

Pojďme nakonec vyslovit jednu tak trochu „kacířskou“ myšlenku: „Co všechno lze považovat za materiál s uzamčenou strukturou?“ Zmiňujeme zvětralý granit nebo na kousíčky tektonicky podrcenou karbonátovou brekcii. A co takhle třeba historická stavba z pískovce? Není zdokumentování principu negativní zpětné vazby mezi napětím a erozí v uzamčeném pískovci jen špičkou podmořského ledovce, jehož tvar pod hladinou ještě neznáme?

Foto: Marek Janáč, Archiv autora
Sekvence vzniku umělé pískovcové brány ze střelečského pískovce. Během asi hodinového experimentu byl pískovcový kvádr 20 x 10 cm umístěn na dvě podložky a zatížen. Po částečném zaplavení vodou bylo závaží v krocích nadlehčováno – v důsledku toho se zmenšovaly pilíře vzniklé brány až do jejího kolapsu při úplném odlehčení.

Foto: Michal Filippi, Archiv autora
Ukázka vzniku okna/brány ze střelečského uzamčeného pískovce. Plátek pískovce byl pevně obalen fólií, která simulovala chybějící skalní masiv, a naříznut křížícími se řezy. Po ponoření se během několika sekund vytvořil útvar, který pak zůstal stabilní i po vynoření z vody nebo naopak dlouhodobém (několik týdnů) ponechání ve vodě.

(Autoři výzkumu: Jiří Bruthans, Jan Soukup, Jana Vaculíková, David Mašín, Gunther Kletetschka a Jaroslav Řihošek – Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze; Michal Filippi, Gunther Kletetschka – Geologický ústav AV ČR, v. v. i.; Jana Schweigstillová – Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i.; Alan L. Mayo – Brigham Young University, USA. Výzkum byl podpořen mj. grantem GA ČR 13-28040S. Článek viz http://www.nature.com/ngeo/journal/v7/n8/full/ngeo2209.html). Video z experimentu naleznete na http://youtu.be/bRlw4J1ypgI.

MICHAL FILIPPI,
Geologický ústav AV ČR, v. v. i.,
JANA SCHWEIGSTILLOVÁ,
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i.