Stratigrafie

Stratigrafie posuzuje všechna horninová tělesa z prostorového a časového hlediska. U hornin můžeme poměrně přesně určit jejich stáří a můžeme v nich poté číst jako ve správně číselně seřazených listech knihy o geologickém vývoji naší planety. Nabízejí nám pohled na procesy a jevy, které se odehrály v daleké minulosti. Vulkanické horniny nabízejí téměř dokonalý záznam o tvorbě oceánské kůry a je v nich přesně zachován směr a orientace zemského magnetického pole. Mnohdy jsou pro nás však důležitější procesy, které se odehrávaly na kontinentech, tedy například produkty pradávných sopečných erupcí lze velmi dobře datovat. Metamorfované horniny představují záznam o pradávných kolizích kontinentů a horotvorných procesech, jsou velmi užitečné. A sedimentární horniny představují vůbec nejkompletnější a nejplynulejší záznam všech zmíněných procesů a navíc hrají naprosto nezastupitelnou roli v tom, že dokumentují vývoj života na Zemi. Sedimentární horniny nás, paleontology, přirozeně zajímají nejvíce. Je zde ovšem jeden velký problém. Sedimenty jsou velmi náchylné k erozi. Je zde velmi malá šance, že zůstanou zachovány. 

V sedimentárním záznamu zůstanou doklady pouze o jedné z milionů vrstev. U těch, které se nám zachovaly byla eroze nějakým způsobem zpožděna (například odolností sedimentu vůči erozi nebo jeho dočasným překrytím jinými horninami). Ze všech typů hornin jsou pro nás nejlépe čitelné ty, které vznikaly v mořském prostředí. Mořské pánve disponují mohutným akomodačním prostorem (dostupným prostorem pro ukládání sedimentu). Mnoho sedimentů také vzniká přímo na mořském dně (vápence, evapority), kde je poměrně klidné prostředí. Největší náchylnost k erozi mají v mořích sedimenty příbřežní, které jsou často destruovány mořským vlněním, bouřkovým vlněním nebo sesuvy.

Zajímavým fenoménem, se kterým se můžeme v terénu setkat, je ten, že mocnost sedimentárních vrstev vždy neodráží dobu, po kterou se tato vrstva ukládala. Lépe řečeno, že mocnost vrstvy není přímo závislá na čase. Typickým příkladem jsou desky turbiditů střídané laminami břidlic. Turbidity vznikají ukládáním materiálu transportovaném turbiditními (podmořskými) proudy. Během této události je materiál z kontinentálního svahu transportován do hlubokomořského prostředí, kde je následně ukládán na mořském dně - a tato sedimentace jistě trvá méně než rok. Tenké polohy břidlic se ukládaly jako drobná zrnka velikosti prachu, která pomalu klesala na mořské dno. Jeden centimetr břidlic tak ve skutečnosti odráží mnohanásobně delší časové období, než jeden metr turbiditu. Ve flyšových sedimentech tak dominují sedimenty krátkodobých procesů (eventů) nad pozaďovou sedimentací. Takové sedimentární profily jsou z větší části tvořeny sedimenty ukládanými během krátkodobých událostí.

Tmavé deskovité horniny s laminací jsou kalciturbidity. Byly ukládány během několika hodin až dnů. Jsou střídány jemně laminovanými, rozpadavými břidlicemi (zvláště dobře patrnými ve spodní části fotografie). Ukládaly se nejméně tisíce let.
Lom Hády, Brno (devonské hadsko-říčské vápence líšeňského souvrství)

Většina historie Země zůstane zcela neprobádána. S tímto smutným faktem se musí smířit všichni geologové. Země je stará asi 4,6 miliardy let, přičemž celou tuto její historii můžeme dělit na prekambrium a fanerozoikum. Fanerozoikum zahrnuje pouze posledních asi 540 milionů let, tedy necelou jednu devítinu celé historie Země. Chcete-li si to představit ještě lépe, natáhněte ruku. Celou délku ruky od ramene až po první článek vašeho ukazováčku představuje doba, o které téměř nic nevíme. Na začátku vašeho prstu začíná fanerozoikum, ze kterého jsou známy první fosilie s pevnými schránkami či kostrami. Život však sahá mnohem dál, vznikl poblíž vašeho lokte. Na Zemi máme i horniny staré téměř 4 miliardy let. Přesto je většina pozornosti geologů upřena na posledních 540 milionů let - na články vašich prstů. To bylo rozděleno na prvohory, druhohory, třetihory a čtvrtohory a dál na útvary. První útvary získaly svá jména na konci 19. století. Jsou to názvy geografické (devon, perm), etnografické (silur, ordovik), časové (trias) a litologické (karbon, křída). Tento chaos byl způsoben prvními průkopníky na poli geologie. Jedním z nejznámějších badatelů, kteří kdy pobývali na našem území, byl Joachim Barrande. Svůj život zasvětil systematickému zpracování paleontologicky velmi poutavé, celosvětově velmi cenné a sběrateli vyhledávané oblasti, které dnes nikdo neřekne jinak než barrandien. Barrande skutečně předběhl svou dobu a při dokumentaci lokalit si dělal nákresy vrstev v profilech, kde jednotlivým vrstvám přiřazoval písemné zkratky. Kdyby těmto vrstvám dal jména, například podle nejbližších měst, mohli lidé dodnes místo kambria, siluru a devonu na celém světě používat názvy útvarů jako jince, beroun, kosov a podobně. Přesto se některé české názvy vryly do světa! Snaha poznat a časově zařadit veškeré horninové útvary na Zemi vedla ke vzniku globální chronostratigrafické tabulky (viz níže). Ve chronostratigrafii, globální standartní stratigrafii, rozlišujeme několik útvarů dělených na oddělení a stupně. Nová oddělení bývají pojmenovávána buď jako spodní, střední a svrchní a nebo mají geografické názvy. Stupně mají vždy názvy geografické. Nejmladší série siluru (přídolí) a nejstarší stupně spodního devonu (lochkov a prag) nesou názvy po částech Prahy a Velké Chuchle. V Česku byly také definovány celosvětově uznávané hranice mezi ludlowem a přídolím a mezi přídolím a lochkovem. (silurem a devonem). Byl to vůbec první stratotyp na světě a byl stanoven na české lokalitě Klonk.

Chronostratigrafická tabuluka se standartní chronostratigrafickou stupnicí.

Principy stratigrafie

Velkým průkopníkem stratigrafie byl Nicolas Steno, který definoval čtyři stratigrafické principy. Princip superpozice říká, že těleso v nadloží jiného tělesa je mladší. Podobně princip vzájemného protínání říká, že těleso protínající jiné těleso je vždy mladší (platí i pro zlomy). Princip původní horizontality říká, že horninové vrstvy byly původně uloženy v téměř horizontálním smyslu. Princip laterální korelace říká, že horninové těleso je rozprostřeno laterálně do svého okolí, pokud mu v tom něco nebrání. William Smith přezdívaný "strata" definoval zákon biotické sukcese - zákon stejných zkamenělin. Ten říká, že horniny obsahující stejné zkameněliny lze považovat za stejně staré. Ukázal také, že podle zkamenělin obsažených v horninách lze často velmi dobře posoudit, které horniny jsou mladší nebo starší než jiné. Je však třeba brát v úvahu erozi a transport fosilií, které se mohou objevovat i v mnohem mladších horninách.

Princip superpozice říká, že níže položené sedimentární vrstvy jsou zpravidla nejstarší. To však platí jen do určité míry. Starší vrstvy mohly být deformovány nebo i transportovány a dnes nemusí ležet v podloží mladších hornin. Významný je také Waltherův zákon, který říká, že různé facie v rámci jednoho sedimentačního prostředí nebo i produkty několika sedimentačních prostředí ležící vedle sebe, jsou ve vertikálním profilu viditelné nad sebou. V podstatě tak můžeme přinejmenším odhadovat jaké vrstvy se nalézají v podloží pokud dobře zmapujeme dané území a stejně tak lze při pohledu na sedimentární profil nebo výchoz odhadnout jak vypadala krajina v dávné minulosti.

Později byly definovány další principy. Princip aktualismu říká, že procesy, které se na Zemi odehrávají v různých dobách, jsou řízeny vždy stejnými přírodními zákony. Tento princip nám pomáhá pochopit, co se na Zemi odehrávalo v dávné minulosti. Je však třeba brát v úvahu například rozdílné chemické složení atmosféry, které dovolovalo vznik hornin, které dnes již vznikat nemohou. Dříve byl také den mnohem kratší, teplota zemského jádra byla vyšší a podobně. Princip stratigrafické inkluze říká, že uzavírané těleso je vždy starší než těleso, které jej uzavírá. Těmito pravidly můžeme uvažovat o relativním datování těles jakýchkoli hornin, často i magmatických.

Princip laterální korelace. I vzdálená a dnes nesouvislá horninová tělesa lze v mnoha případech
korelovat (časově porovnávat). V tomto případě jsou všechny pískovcové stolové hory stejně staré.
Autor snímku: Dennis Diener (Monument Valley, Utah)

Stratigrafická korelace a relativní datování hornin

Korelace horninových těles je snaha porovnávat horniny z hlediska jejich stáří. K tomu můžeme využít několik metod. Litostratigrafie je snaha korelovat horniny na základě jejich litologie - podle minerálního složení, struktury, textury, mocnosti a podle vztahů s okolními horninami. Na základě litologických znaků jsou horniny sdružovány do vrstev, členů, souvrství, skupin a superskupin. Každá litostratigrafická jednotka má nějaký typový (referenční) profil, stratotyp. Nejdůležitější litostratigrafickou jednotkou jsou souvrství. Obvykle nesou názvy podle geografických názvů typových lokalit. Existují však výjimky, například menilitové souvrství je pojmenováno po menilitu - minerálu pojmenovaném po předměstí Paříže. Nevýhodou litostratigrafie je, že i stejně staré horniny mohou být zastoupeny různou litologií - vždy záleží na podmínkách, ve kterých se horniny těchto jednotek utvářely. U nevrstevnatých těles nerespektujících principy superpozice se také setkáváme s tím, že mají tak složité tvary, že je nelze snadno datovat.  Pro taková tělesa se užívají litodemické jednotky (metamorfní série, krystalinikum, skupina, vulkanický komplex, terán). 

Učebnicový příklad jednoho z principů stratigrafie. V tomto případě je výlev sloupcovitě
odlučného bazaltu připomínající vrstvy intrudován žilou mladší výlevné horniny.
Autor snímku: Suzanna Chan

Geologové si kdysi povšimli, že na některých profilech se některé vrstvy hornin pravidelně opakují a to v globálním měřítku - tedy po celé planetě. Přirozeně je zajímalo proč tomu tak je. Odpověď nabídla cyklostratigrafie. Ta využívá Milankovičových (astronomických) cyklů, jejichž periodicita je relativně stálá a dobře průkazná. Jedná se o velmi drobné změny v excentricitě oběžné dráhy Země, změny v náklonu a směru zemské rotační osy. Všechny tyto změny (spolu s mírou zalednění a mnoha dalšími faktory) zásadně ovlivňují klima na Zemi a intenzitu ročních období. Na změnu excentricity oběžné dráhy Země (periodicita 95, 123 a 413 tisíc let) mají vliv především Jupiter a Saturn. Oblikvita, tedy míra náklonu zemské osy, se mění s periodicitou 41 tisíc let zhruba v intervalu 22,1° a 24,5°. V současné době je zemská osa nakloněna pod úhlem 23,5°. Posledním z Milankovičových cyklů je precese, kterou je poněkud obtížnější si představit. Představme si, že sklon zemské osy se nemění, ale mění se směr, kterým míří. Aktuálně míří zemská rotační osa k hvězdě Polárce. Směr zemské rotační osy se v průběhu tisíců let mění, pozvolna opisuje kružnici. Precese je způsobena gravitačním působením Slunce a Měsíce. Všechny tyto změny mohou být zaznamenány v sedimentárním záznamu a můžeme pak odhadnout stáří těchto vrstev. Perioda mezi jednotlivými cykly se v průběhu času mění (dá se však snadno dopočítat). Cyklostratigrafie je tedy studium astronomicky řízených klimatických cyklů odrážejících se v sedimentárním záznamu. 

Eventostratigrafie nám dovoluje korelovat horniny na základě krátkodobých jedinečných procesů (eventů), které jsou v nich zachovány. Takovými eventy mohou být zemětřesení, erupce vulkánu, dopady meteoritu a podobně. Lze také využít eventy, které za sebou nezanechávají žádný sedimentární záznam, například náhlá eroze nebo eventy, během nichž došlo k hromadnému vymírání fosilních organismů. Nejcennější jsou tzv. markery - často málo mocné, unikátní (jen vzácně se opakující) horizonty. Například iridiové vrstvy bohaté na vzácný prvek iridium jsou hraničním markerem mezi obdobím křídy a paleogénu a dovolují nám tuto hranici v sedimentárních sledech po celém světě snadno rozlišit.

Hranice mezi křídou a paleogénem (tenká světla vrstva uvnitř tmavých uhelných vrstev).

Autor snímku: James John (okolí jezera Trinidad, Colorado)

Biostratigrafie je velmi přesnou metodou dovolující časové zařazení hornin na základě fosilního obsahu. U této metody předpokládáme, že některé velmi rychle evolující (indexové) skupiny fosilních organismů se na Zemi vyskytovaly ve stejném, úzkém časovém období. Využívá principu evoluce, který říká, že v historii Země se nikdy neobjeví tentýž druh dvakrát, a že každý druh je charakteristický pro určité období ve vývoji Země. První výskyt určitého biologického druhu pak srovnáváme s jeho prvním výskytem na dalších lokalitách na Zemi. Každý biologický druh má vlastní zónu rozsahu. Lze však předpokládat, že doba výskytu jednoho biologického druhu je na různých místech na Zemi různá - diachronní. K biostratigrafickým korelacím se proto využívá spíše společenstva několika druhů. Nejlepšími indexovými fosiliemi jsou takové, které jsou hojné, snadno určitelné, charakteristické pro co nejužší časové období, a které jsou co nejvíce rozšířeny (nejlépe globálně). Pro různá časová období tak využíváme různé skupiny, typicky konodonty (kambrium-trias), graptolity (ordovik-silur), amonoidy (devon-křída) a foraminifery (kambrium-recent). Setkáváme se zde s mnoha stratigrafickými termíny. Například s biohorizontem (hranicí, která může definovat první nebo poslední výskyt daného druhu, výrazně hojný výskyt druhu, výraznou změnou v četnosti výskytu nebo změnu morfologie druhu), biozónou (např. intervalová zóna druhu nebo několika druhů), zónou rozsahu a podobně. Nikdy však nebudeme schopni nalézt absolutně nejstarší nebo nejmladší exemplář daného druhu (Signor-Lippsův efekt). Fosilie nacházíme spíše v sedimentech takového stáří, kdy začal být daný druh běžný. Nejen, že jsou tedy biostratigrafické hranice umělé a v závislosti na některých faktorech se mohou i posouvat, ale narážíme zde i na problémy spojené s erozí a s redepozicí fosilií. Graptoliti, konodonti a amonoidi nám umožňují určit stáří sedimentárních vrstev s přesností i méně než 200 000 let, jurští amoniti i s přesností kolem 100 000 let. Tato metoda nabízí takovou přesnost, že je v případě prvohorních a druhohorních hornin nedostižná jakoukoli další samostatnou metodou. 

Amoniti, jedny z nejvýznamnějších indexových fosilií.
Určíte-li druh amonita, určíte zároveň stáří horniny.

Autor snímku: Iain Harris (Klive, pobřeží jižní Anglie)

Pokud v mořských karbonátových horninách nemáme zachovány fosilie, můžeme využít chemostratigrafie. Cílem této metody je změřit poměr některých prvků nebo poměr stabilních izotopů jednoho prvku v sedimentárním sledu tak, abychom srovnáním naměřených hodnot s hodnotami naměřenými v rámci historie Země mohli usuzovat na stáří hornin. Využívá se poměrů prvků Sr/Ca a Ca/Mg nebo poměru izotopů síry, kyslíku, uhlíku a stroncia. Za podobným účelem můžeme měřit i hodnoty přirozené radioaktivity.

Absolutní datování hornin

Všechny uvedené metody slouží k relativnímu datování. Můžeme zjistit, která hornina je mladší, ale nezjistíme žádný konkrétní časový údaj. K tomu slouží absolutní datování. Nejznámější metodou, pomocí které můžeme určit konkrétní (číselné) stáří hornin, je metoda využívající přirozeného rozpadu nestabilních izotopů. Kdo by neznal radiokarbonové datování uhlíku? Uhlík 14C vzniká v atmosféře a odtud se dostává do rostlin a poté i do živočichů. Uhlík 14C v poměru s uhlíkem 12C lze však použít jen pro datování organického materiálu mladšího než 50 000 let. Pro radiometrické datování je třeba vybrat takové izotopy, které mají vhodný poločas rozpadu. Při radiometrickém datování se využívá aktuálního poměru množství nestabilního izotopu ku množství dceřinného prvku a poločasu rozpadu (doba, za kterou se polovina množství nestabilního materiálu přemění na dceřinný prvek). Využívá se například i rozpadu některých izotopů draslíku, argonu, rubidia, stroncia, uranu a thoria. Nosiči těchto prvků jsou zejména draselné živce, jílové minerály, těžké minerály a organická hmota. U karbonátových hornin, které neobsahují téměř žádné thorium, se nejčastěji využívá poměru izotopů uranu a thoria. Nejlepší materiál pro datování představují vrstvičky pyroklastik - usazeniny sopečného původu. Datováním a korelací vrstev vulkanického původu se zabývá tefrostratigrafie.

Pro absolutní datování je dále možné využít metodu štěpných stop (fission-track). Tehdy se využívá míry destrukce krystalické mřížky minerálů (typicky apatitu)), které do své mřížky vážou nestabilní izotopy prvků. Počet takovýchto stop pak vypovídá o stáří dané horniny. Každý apatit má však jiné množství uranu,  což znamená velký problém pro datování. Naštěstí lze tuto záležitost obejít, když apatit uložíme na několik týdnů v atomovém reaktoru se stabilním výkonem. Dopadající neutrony něm pak vyvoří sekundární trhliny, jejichž srovnáním můžeme získat věk, kdy se apatit dostal do zóny s teplotou nižší než 60 °C, tedy typicky do hloubky 2-3 km pod zemským povrchem. Při teplotě vyšší než 60 °C se totiž štěpné stopy hojí. 

Když je něco radioaktivní, tak je to skvělé, protože se to dá datovat.

Jaromír Leichmann (2020) 

Po celém světě můžeme efektivně zjistit stáří horniny pomocí magnetostratigrafie. Využívá se ferromagnetických minerálů, které se při ukládání v klidném sedimentačním prostředí nebo při krystalizaci magmatických hornin orientují podle aktuálního magnetického pole. Magnetické pole má buď normální a nebo inverzní polaritu. Protože je vytvářené prouděním vodivých látek ve vnějším zemském jádru, mění se jeho polarita v nepravidelných časových intervalech. Magnetický záznam je tedy možné porovnat s horninami po celém světě a tím získat velmi dobrou představu o stáří horninového souboru. Velmi dobře lze touto metodou datovat oceánskou kůru, v případě našich možností v České republice pak datování spraší. Je však třeba vyloučit možnost, že se magneticky polarizované minerály v horninách mohly vytvářet sekundárně (dlouho po vzniku horniny). 

Moderní a velmi užitečnou metodou je sekvenční stratigrafie. Jedná se o interpretaci sedimentárních vrstev, především ze seismických profilů, na kterých jsou dobře vidět hranice mezi sedimentárními tělesy. Je snahou rozlišit sedimentární cykly mezi mořskými transgresemi a regresemi (nástupem a ústupem moře). Základní jednotkou je parasekvence, která je záznamem jednoho cyklu mezi transgresí a regresí. Jsou tedy vždy vymezeny transgresními povrchy, které vždy vykazují trend postupného změlčování depozičního prostoru. Transgresní povrchy se v sedimentárním profilu projevují skokovou změnou zrnitosti sedimentu, která se následně (v rámci jedné parasekvence) snižuje nebo zvyšuje. I přes kusé informace, které jsme schopni ze sedimentárního profilu vyčíst, jsme schopni díky této metodě předpovědět kde mohou být stratigrafické hiáty (chybějící vrstvy). Jednou z největších zajímavostí o sedimentárním záznamu je ta, že je velmi děravý. Většina sedimentárních vrstev v něm chybí. 

The stratigraphic record is "more gap than record".

Derek Ager (1973)

98% of the Earth's sediments have disappeared.

Alfred de Grazia (1981) 

Pískovce ukládané v křídovém moři nasedající na metamorfované pískovce ordovického moře.
Časová mezera v sedimentárním záznamu zde odpovídá více než třem stům milionům let.
Přírodní památka Na Skalách nedaleko Chrudimi.

Dále lze s úspěchem využít metody dendrochronologie, avšak jen pro datování materiálu mladšího než 10 000 let. Využívá se letokruhů ve dřevě, které umožňují datovat i několik tisíc let staré sedimenty. Každý letokruh je jiný a odráží klima, a protože je tvořen z materiálu obsahující kyslík, můžeme pomocí metody srovnávání izotopů kyslíku odhadnout i teplotu v daném roce! Podobně se pro datování hornin využívají varvy, což jsou rytmické jezerní sedimenty, které se ukládají podobně jako letokruhy ve dřevě. V rámci jednoho roku je na dně jezera ukládána světlejší a tmavší vrstvička sedimentu, vždy podle ročních období. Kuriózní metodou je datování pomocí lišejníků - lichenometrie. Měří se velikosti (poloměr) lišejníků a podle něj se poté odhadne stáří, kdy byla hornina odkryta a vystavena zvětrávání. Kupříkladu 10 cm velký lišejník odpovídá stáří asi 400 let! Lze tak odhadnout kdy v nedávné době došlo k pohybu na zlomu. Podobně lze využít metody kosmogenní - kdy nám stačí kousek křemen na to, abychom dokázali říct, kdy se hornina dostala do prostředí vlivu slunečního záření. Tehdy se uvolňují radioaktivní izotopy berylia a hliníku.