3. přednáška Horniny - horninový cyklus Horniny - cíl : na základě strukturních a texturních znaků rozlišit hlavní genetické typy hornin, seznámení se s geometrií horninových těles a primárními deformacemi těles a s vlastnostmi hornin, které ovlivňují využití hornin ve stavební praxi hlavně jako dekorační kámen a které ovlivňují jejich vhodnost pro zakládání Horniny a jejich výskyt dokumentují geologickou historii Země, neboť jsou výsledkem endogenních i exogenních geologických procesů. Horniny vyvřelé vznikají magmatickou činností, která představuje nejdůležitější endogenní proces, díky kterému je naše planeta Země živá a který vyvolává další endogenní pochody jako je metamorfóza, zemětřesení a deformace horninových těles. Horniny magmatické neboli vyvřelé vznikají postupnou krystalizací horninotvorných minerálů z magmatické taveniny, která díky své viskozitě v závislosti na chemismu, obsahu plynných látek a teplotě se protavuje do svého nadloží. Podle místa, kde transport taveniny končí vznikají horniny hlubinné, která tvoří tělesa velkých rozměrů, u kterých neznáme podloží, horniny žilné (tělesa deskovitá, která podle pozice vůči okolí se označují jako pravé žíly nesouhlasně uložená, nebo ložní žíly při souhlasném uložení v sedimentárních komplexech) ) a horniny výlevné - vulkanické ( deskovitá tělesa vulkanické příkrovy a proudy na povrchu, nebo morfologicky nápadné kužele,kupy,homole). Při explozivní vulkanické činnosti vznikají pyroklastické horniny tufy (úlomkovité lávové horniny) Velikost těles a jejich hloubka uložení mají vliv na rychlost ochlazování taveniny, což se odráží ve velikosti zrn- krystalů horninotvorných minerálů a jejich vzájemných vztahů, podle kterých lze jednotlivé typy hornin poznat Ze základních typů hlubinných vyvřelin jsou pro kontinentální typ zemské kůry typické nejrozšířenější žuly = granity nebo-li horniny žulového typu (převážně světlé horniny křemen, živec,slídy), menší rozšíření mají syenity (horniny podobné žulám, ale neobsahují křemen) ( podle druhu živců se označují za horniny kyselé). Tmavší hlubinné horniny diorit a gabro (bazická hornina - podle druhu živců), vznikající v hlubších částech zemské kůry, a proto tvoří na povrchu ojedinělá erozí obnažená tělesa. Krystaly minerálů v hlubinných horninách jsou převážně stejnozrnné. Žilné horniny se vyznačují rozdílnou velikostí krystalů a podle typické nestejnozrnné (porfyrické) struktury nazývají porfyry s přívlastkem tvořeným z názvu příslušné hlubinné horniny ( žulový, syenitový atd.). Výlevné horniny vulkanity a jejich tufy tvořené různě velkými úlomky lávy) mají chemickou (mineralogickou) souvislost s hlubinným magmatem a podle toho se přiřazují k hlubinným vyvřelinám: ryolit (=liparit) - výlevná od žulového magmatu trachyt, znělec - výlevná od syenitového magmatu čedič, diabás - výlevné od gabrového magmatu I podle typu vyvřelin lze zpětně v geologické historii Země usuzovat na stará rozhraní litosferických desek. 1
Při tuhnutí magmatu dochází ke kontrakci - stlačování hmoty magmatického tělesa, což vyvolává vznik primárních deformací, které ovlivňují přirozený rozpad hornin odlučnost (pravidelná - kvádrovitá, nepravidelná - polyedrická, sloupcovitá, kulovitá). Vyvřelé hlubinné horniny spolu s horninami metamorfovanými se začaly jako stavební a dekorační kámen používat později než horniny sedimentární a jejich těžitelnost a opracování souvisí s technickým pokrokem v kamenictví. Naše žuly jsou převážně světle šedých, ( modravých) barev, červenavé žuly jsou převážně ze zahraničí. Tmavší vyvřeliny označované v dekoračním kameni jako syenity (petrograficky syenity, diority, gabra) se u nás vyskytují v ojedinělých tělesech, a proto se používaly výrazně v menší míře, i když jsou z estetického hlediska velmi příjemné. Z dovážených syenitů patří mezi nejznámější šedomodrý hrubě krystalický alkalický syenit larvikit z Norska viz ukázka v přednášce - živce se vyznačují vysokým leskem s měnou barvy( palác Koruna na Václavském náměstí). Metamorfované horniny jsou typické pouze pro kontinentální typ zemské kůry, a doprovázejí převážně tělesa hlubinných vyvřelin, se kterými je spojuje místo vzniku konvergentní a kolizní zóny litosférických desek. A protože metamorfity jsou rovněž tvořeny minerály-krystaly, mají krystalické struktury, ale na rozdíl od vyvřelin jsou minerály usměrněné často až do ploch břidličnatosti. Proto se tyto horniny označují jako krystalické břidlice. Z metamorfovaných hornin se jako dekorační kameny uplatňuje hlavně šedozelený hadec (serpentinit) se světlým žilkováním (Nová scéna ND - dovoz z Kuby). Ortoruly, granulity a migmatity dovážené ze zahraničí jsou v současné době používány na fasádách i v interiérech nových budov (banky) pro usměrněné (zvrásněné) textury a velkou barevnost kamene. Fylity, pokrývačské břidlice tence břidličnaté horniny s hedvábným leskem jsou používané jako obklady nebo střešní krytina. Území, kde se vyskytují krystalické břidlice a hlubinné vyvřeliny jsou označovány jako krystalinikum. Usazené horniny sedimenty se rozdělují dále do tří skupin. Nejrozšířenější jsou sedimenty úlomkovité = klastické. Jsou takovou kronikou geologického vývoje Země. Sedimenty se ukládají ve vrstvách deskovitá tělesa subhorizontálního uložení o různé mocnosti. Mocnost vrstvy je kolmá vzdálenost mezi horní a dolní hranicí vrstvy(vrstevní spáry) pravá mocnost. Při výchozu vrstvy na terén můžeme změřit šikmou vzdálenost -nepravá mocnost. V Čechách jsou subhorizontálně uložené sedimenty kvartéru, terciéru a křídy, starší sedimenty jsou zvrásněné. Vznik sedimentů souvisí s exogenními pochody a to se zvětráváním všech hornin, nacházejících se na povrchu. Výsledný produkt zvětrávání je rozpad původních hornin na jednotlivé horninové částice, takže má charakter zeminy (+ úlomky), s hloubkou v zemině přibývá množství úlomků zvětralé podložní horniny a pozvolna přechází do zvětralého rozpukaného skalního podkladu. Zvětralina se označuje jako eluvium. Při zakládání na zemině eluviálního původu máme tedy jistotu, že s hloubkou bude mít zemina vždy lepší mechanické vlastnosti, mocnost eluvia může, ale být velmi proměnlivá. Přemístěním zvětralin různými transportními médii dochází posléze k sedimentaci a vzniku nezpevněného úlomkovitého sedimentu. 2
Jednotlivá transportní média a délka transportu mají vliv na opracování přenášených částic a jejich velikost. Význam má i odolnost úlomku - složení hornin. Podle typu transportu pak lze usuzovat na prostorové uložení sedimentů. Svahové - deluviální sedimenty přenos na krátkou vzdálenost, tvar úlomků je neopracovaný a jeho tvar je ovlivněn rozpadem matečné horniny(ploché, střípkovité, polyedrické,.. úlomky) Zrnitostně se podobají eluviu, a proto je často jejich odlišení nesnadné, usuzuje se na ně z morfologie terénu. U těchto sedimentů, pokud nejsou jílovité, se předpokládá dobrá průlinová až mezerovitá ( u úlomkovitých sutí) propustnost, HPV = hladina podzemní vody výrazně kolísá v závislosti na srážkách. Při zemních pracích v těchto zeminách je nutné posuzovat stabilitu svahu. Transport ve vodním prostředí potoční, říční (fluviální) dále jezerní a mořské sedimenty. Je přenášen materiál od kamenů (v horní části toku, kde je velký spád) a drobných úlomků a dále až jílovitá suzpenze. Opracovaný materiál valoun ( = štěrk) je jasným dokladem vodního transportu. Podle hornin, které tvoří valouny lze usuzovat na geologickou stavbu horniny, které se nacházejí v povodí toku. Ve vodním toku dochází k vychylování proudnice v závislosti na příčném řezu koryta a podle toho dochází k postupnému vymýlání vnějších (nárazových) břehů a ukládání sedimentaci na vnitřních (nánosových) březích a jejich posun ve směru toku. Při běžném průtoku dochází k ukládání štěrků na dně a v dolní části (jesepního) - nánosového břehu, písky se ukládají v jeho horní části vrstevního sledu. Akumulace materiálu v plochém území nánosového břehu tvoří horizontálně uložené těleso se označuje jako terasa. Během vývoje říčního koryta dochází k jeho překládání, zahlubování (vodní eroze) v závislosti na průtočném množství a spádu (změn hladiny moře) a tento jeho vývoj dokumentují terasové stupně - zachované v různých nadmořských výškách nad stávajícím údolí toku.v údolních terasách našich řek jsou v nejsvrchnější části terasy uloženy jemnozrnné jílovitopísčité holocenní sedimenty povodňové hlíny. Při povodních dochází k chaotické sedimentaci, a proto při zakládání staveb na (fluviálních) sedimentech - údolní terasy je třeba počítat kromě vysoké hladiny podzemní vody i se složitějšími úložnými poměry. Vznik vátých eolických sedimentů je spjat s klimatem, kdy absence srážek způsobí ztrátu vegetačního pokryvu (aridní klima nebo ochlazení planety v období jejího částečného zalednění). Malé unášecí síle odpovídá zrnitost transportovaných části - jemný stejnozrnný písek až prach. Spraš prachovitá zemina tvořená křemenným prachem, cca 10 % jílu a s pojivem CaCO 3, který je typický pro spraš a ovlivňuje její vlastnosti.váté sedimenty jsou kypré, a proto silně stlačitelné, prosedavé. Transportem ledovcovým tělesem dochází k odstranění zvětralin (balvany až hlínu) a k jeho následnému ukládání jako čelní nebo boční moréna glacigenní (ledovcové sedimenty. Proto mohou být ledovcové sedimenty značně zrnitostně nevytříděné jak ve vertikálním tak i v horizontálním směru, což je z hlediska zakládání nepříznivé (nestejnoměrné sedání, únosnost). 3
Antropogenní sedimenty jejich vznik souvisí jednak s těžbou nerostných surovin, u povrchového způsobu dobývání nerostných surovin je přesun hmot (hlušiny skrývky) největší ( vznik výsypek). Dále jsou to zemní práce ve stavebnictví (stavební jámy, liniové stavby zvláště dopravní stavby. Často se s nimi stavaři setkávají v městské zástavbě. Rozpoznání antropogenních sedimentů od běžných sedimentů je důležité při návrhu zakládání nové stavby. Kritéria. která k tomuto účelu lze využít : - morfologii terénu posoudit s topografickým mapovým podkladem ( i starším), - složení materiálu může být geologicky odlišné od stávajících geologických poměrů - pokud je shodné, pak může obsahovat věci, které tam nepatří (cihlu, sklo...) - navezený materiál má odlišné (chaotické) uložení od přirozeného způsobu ukládání - navezený materiál může mít jiné mechanické vlastnosti ( např.je nakypřený) - (změna ve vegetaci) Zpevňování klastických sedimentů se označuje jako diageneze. Tlak nadložních sedimentů způsobuje stlačení kompakci... důležitou roli kromě toho hraje i geologický čas. Proto kvartérní sedimenty nejsou zpevněné! příklady nejčastějších zpevněných sedimentů : pískovce stmelení křemenných pískových zrn arkósa - písková zrna jsou tvořena převážně živcem (=živcový pískovec) křemence pískovce velmi jemnozrnné až celistvé díky typu tmele, který obalil písková zrna ( velmi křehké) dlažba -kočičí hlavy opuka jílovitý sediment a CaCO 3 = slínovec a s velkou příměsí prachových a písčitých zrn Pevnost a trvanlivost klastických sedimentů je ovlivněna složením tmele, který spojil jednotlivé horninové částice. Mineralogické složení tmele, popřípadě i klastická příměs rozhoduje o barvě těchto sedimentů. Pískovce byly využity hlavně při v období vrcholné gotiky spolu s arkósou i v sochařství. Písčité slínovce opuky byly dříve používány jako stavební kámen (románské období), dnes se opuka používá i pro obklady. jílovec a jílová břidlice celistvé horniny s výraznými plochami vrstevnatosti, úlomkovitě a střípkovitě rozpadavé nemají ve stavebnictví uplatnění. Sedimenty skládající se z organické hmoty sedimenty organogenního původu jsou u nás zastoupeny hlavně vápenci. Jejich barevnost způsobená různými příměsi v sedimentačním prostoru (od brekciovitých, žilkovaných po celistvé struktury) byla využita hlavně u barokních staveb a později byly pak střídměji použity pro vnitřní výzdobu novorenesančních a secesních staveb.vápenec jako dekorační kámen bývá označován jako mramor, což z hlediska jeho geneze je nepřesné ( mramor = krystalický vápenec je metamorfovaná hornina, rovněž hojně využívaná jako dekorační kámen). Stejně tak je jako mramor označován kámen umělý, imitace mramorů jsou tak věrohodné, že jejich rozlišení je pro neodborníka velmi obtížné. Sediment světlé barvy vysrážený z minerálních podzemních vod na bázi karbonátů (travertin) má charakteristické usměrnění s výskytem dutinek páskovanou dutinatou texturu, a proto je tento dekorační kámen vhodnější do interiérů. Přesto jeho venkovní použití bylo u nás dosti časté (Městská knihovna a Filosofická fakulta UK v Praze). Páskovanou texturu zvýrazňuje často okrové zbarvení interiér Fakulty TVS UK (zlatý travertin z Běšeňové u Ružomberka). 4
Horniny se mohou skládat z: - minerálů krystalů - horniny krystalické (vyvřelé a metamorfované) Je důležité rozpoznání úlomku a krystalu, neboť oba mohou mít ostré hrany, krystaly jednotlivých minerálů mají charakteristické tvary, lesk, štěpnost. Mineralogická pestrost hornin a různé zbarvení horninotvorných minerálů způsobují barevnou pestrost každého typu horniny, a proto jen podle barvy nelze určovat horniny. Hlavní petrografické rozlišení hornin je podle nejvíce zastoupených minerálů : hlavní minerály (např. křemen, živec, slída = žula, živec, slída = syenit) vedlejší minerály (určují druh horniny) - u úlomků - sedimenty klastické a pyroklastické horniny je pro jejich zařazení kromě mineralogického zastoupení důležitá absolutní velikost úlomků (písčité, prachovité ) - u organické hmoty - sedimenty organogenní pak chemické složení hmoty Minerály jsou převážně látky krystalické, jejichž krystalová (strukturní) mřížka určuje fyzikální a optické vlastnosti minerálu a její typ závisí na tlaku a teplotě při krystalizaci. Během geologické historie (4,6 mld. let) docházelo k opakované recyklaci hornin viz obr. v přednášce. Určování hornin musí vycházet z velikosti a tvaru krystalů (struktury zrnité : krystalické, stejnozrnné - nestejnozrnné) a uspořádání částic (textury neusměrněné, usměrněné), pak je možné horninu geneticky zařadit mezi vyvřeliny (hlubinné, žilné výlevné) nebo metamorfované a pak podle hlavních minerálů ji dát název. Jsou-li horninové částice úlomky horniny se zařadí do sedimentů klastických a dále podle absolutní velikosti do příslušné skupiny. Nejsou-li horninové částice makroskopicky patrné struktura je celistvá a pro další její zařazení je třeba mít již více geologických znalostí. Postup zařazení horniny do genetické skupiny viz přednáška Naše území je geologicky velmi dobře prozkoumané, máme k dispozici geologické mapy celého našeho území min. v měř. 1 : 50 000, většina území je zmapována i v měř. 1 : 25 000, a proto zjištění hornin v zájmovém území je velice snadné (www. geology.cz). doporučená literatura o dekoračním kameni : Praha kamenná přírodní kameny v pražských stavbách a uměleckých dílech - kol. autorů, vydalo Národní divadlo 1996, Kámen v architektuře B. Syrový a kol.,sntl 1984), Člověk a kámen- kol. autorů, ČSAV 1989, Kámen ve službách civilizace - M. Kužvart,ČSAV 1990 časopis Kámen (www. revuekamen.cz ) 5