MARTWICE WAPIENNE

Martwice wapienne są skałami węglanowymi powstającymi na lądzie w wyniku procesów chemicznych i częściowo biochemicznych (paragenetycznych). Budujący je autogeniczny kalcyt (rzadziej aragonit) wytrąca się ze słodkich wód bogatych w rozpuszczony CaCO₃ – czyli kwaśny węglan wapnia (Ca(HCO₃)₂, inaczej wodorowęglan wapnia). Proces jego powstawania tłumaczy poniższa reakcja odwracalna:

Ca(HCO₃)₂ ↔ CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Trawertyny to kopalne, zdiagenezowane, twarde i zbite martwice wapienne, wytrącone najczęściej z wód ciepłych (termalnych) lub silnie zmineralizowanych i nasyconych dwutlenkiem węgla pochodzenia wgłębnego (np. Fig. 2).

Opis skały i odmiany

Martwice są skałami barwy jasnokremowej, beżowej, białej, szarawej lub rdzawej (odbarwienia żółte, rdzawe lub czerwonawe wynikają z obecności domieszek wodorotlenków żelaza i manganu). Mogą występować w formie zwięzłej, nazywanej martwicami wapiennymi sensu stricte, lub luźnej – nazywanej miałem martwicowym. Wbrew obiegowym opiniom, zwięzłe martwice i trawertyny bardzo często wykazują wybitne, wyraźne warstwowanie laminowane lub ławicowe (Fig. 3), będące odzwierciedleniem pulsacyjnego dopływu wód, zmian sezonowych oraz rytmicznego wytrącania węglanów. Luźny miał martwicowy również wykazywać może mniej lub bardziej widoczne poziome warstwowanie równoległe.

Martwice wapienne cechują się stosunkowo niskim stopniem diagenezy. Są skałami silnie porowatymi i przez to lekkimi, często kruchymi i rozcieralnymi w palcach (Fig. 1). Powszechnie występują w nich prostoliniowe otwory po łodygach roślin i odbicia liści, a także muszle ślimaków płucodysznych. Są to skały niemal monomineralne, zbudowane z kalcytu (lub polimorficznego z nim aragonitu), przez co silnie burzą (reagują) z zimnym, rozcieńczonym HCl. Mogą zawierać pewne domieszki materiału detrytycznego w postaci kwarcu i minerałów ilastych oraz tlenków i wodorotlenków żelaza.

W zależności od środowiska hydrogeologicznego, struktury i stopnia zwięzłości w literaturze naukowej wyróżnia się kilka odmian osadów martwicowych:

• Tufy wapienne (ang. calcareous tufa) – porowate, lekkie i miękkie skały powstałe najczęściej w zimnych wodach płytkiego krążenia przy znacznym współudziale glonów, sinic i mszaków; bogate w pory i odciski roślinne.
• Trawertyny sensu stricte (ang. travertine) – zwięzłe, cięższe i zdiagenezowane skały o wyższej gęstości, powstające z wód o głębokim krążeniu, często termalnych lub silnie nasyconych CO₂ pochodzenia wgłębnego. Rozwój trawertynów determinowany jest głównie przez gwałtowne odgazowanie CO₂, a rola organizmów żywych bywa w nich ograniczona przez wysoką mineralizację wody.
• Sintry (sintry krasowe / źródlane) – twarde, mało porowate i gładkie lub wyraźnie warstwowane naskorupienia wytrącone chemogenicznie przy wywierzyskach lub w jaskiniach (jako szata naciekowa / speleotemy).
• Onkoidy i osady onkoidowe – ziarna obrostowe o kształtach kulistych lub wrzecionowatych, tworzone przez sinice i zielenice w wolno płynących strugach źródliskowych.

Geneza i formy morfologiczne

Martwice wapienne są genetycznie związane z wodami bogatymi w kwaśny węglan wapnia (tzw. "twarda woda"). Miejsca, które umożliwiają silne nasycenie wód CaCO₃, mogą być różne, ale najważniejszą rolę odgrywają tu obszary krasowe. Dochodzi w nich do ciągłego i intensywnego rozpuszczania węglanu wapnia budującego wychodnie skał, głównie wapiennych i marglistych. Intensywność zjawisk krasowych jest uzależniona od litologii i struktury ługowanych skał oraz warunków klimatycznych. Najsilniej procesy krasowe rozwijają się w klimacie ciepłym i wilgotnym. Wody opadowe, zwłaszcza w środowisku glebowym i w niewielkiej części także w atmosferze, nasycają się dwutlenkiem węgla, tworząc słaby kwas węglowy, który w kontakcie ze skałami węglanowymi rozpuszcza kalcyt. Podczas odwadniania obszarów spływ powierzchniowy ma znaczenie drugorzędne, za to duże znaczenie ma penetracja górotworów systemami szczelin i jaskiń krasowych. W jej trakcie wody ciągle ługują węglany i stopniowo nasycają się kwaśnym węglanem wapnia. Rozpuszczalność dwutlenku węgla w zimnej wodzie jest wysoka i dlatego na tym etapie najczęściej nie dochodzi do strącania CaCO₃. Wyjątek stanowi szata naciekowa jaskiń, która powstaje na skutek odprowadzenia bądź odparowania wody w suchych (starych) partiach systemów krasowych.

W przypadku klasycznych trawertynów kluczową rolę odgrywa krążenie głębokie: wody opadowe wnikają w głąb górotworu, gdzie nasycają się dwutlenkiem węgla pochodzenia skorupowego lub płaszczowego (związanego np. z dawnym lub współczesnym wulkanizmem bądź strefami aktywnych uskoków). Tego typu wody charakteryzują się bardzo wysokim stopniem mineralizacji i często podwyższoną temperaturą. W strefach takich powszechnym zjawiskiem są również suche ekshalacje dwutlenku węgla (mofety). W miejscach opuszczonych kraterów lub obniżeń terenowych wydobywający się bezwonny i gęstszy od powietrza CO₂ gromadzi się przy powierzchni ziemi, stanowiąc śmiertelne zagrożenie uduszeniem dla zwierząt i ludzi – co sygnalizują m.in. tablice ostrzegawcze przy kraterach trawertynowych w Vyšných Ružbachach (Fig. 5).

Gdy mamy już spełniony warunek wysokiej zawartości rozpuszczonych węglanów, aby doszło do samoistnej krystalizacji kalcytu z roztworu, muszą zaistnieć specyficzne warunki. Jednym z najważniejszych czynników jest gwałtowna zmiana temperatury wody oraz spadek ciśnienia. Jak już wspomniano, w roztworach o niższych temperaturach zdolność do rozpuszczania dwutlenku węgla jest wysoka. Gdy dochodzi do wzrostu temperatury lub spadku ciśnienia, rozpuszczalność CO₂ maleje, rośnie za to parowanie i dyfuzja gazów do atmosfery. Dochodzi wtedy do intensywnego strącania węglanów. Sytuacja jest wszystkim dobrze znana ze strącania kamienia w naszych czajnikach podczas gotowania wody. W przyrodzie z sytuacją taką mamy do czynienia w momencie, kiedy woda po krążeniu w górotworze wypływa na powierzchnię w źródłach krasowych (wywierzyskach) i wzdłuż początkowych fragmentów potoków (Fig. 4). Na kamieniach, łodygach i liściach roślin porastających brzegi źródeł, potoków i rzek krystalizuje wtedy muł kalcytowy. Sytuację dodatkowo ułatwia zmiana ciśnienia wody wypływającej w wywierzyskach na powierzchnię. Ucieczkę dwutlenku węgla do atmosfery w pewnym zakresie ułatwia także turbulentna, spieniona woda, z którą mamy do czynienia przy wodospadach, w bystrzach rwących potoków, na żeremiach bobrów itp. Dochodzi wtedy do wzrostu dyfuzji gazów spowodowanej powstawaniem wodnego aerozolu.

Pewne znaczenie mają tu także rośliny niższe, mszaki i glony występujące w nurcie i porastające brzegi źródeł, potoków, rzek i zbiorników wodnych. Dzięki procesowi fotosyntezy rośliny asymilują CO₂, przyspieszając krystalizację węglanów. Wytrącony muł kalcytowy z czasem ulega lityfikacji. Szczątki organiczne, na których doszło do wytrącenia CaCO₃, ulegają gniciu i rozpadają się. W słabo zdiagenezowanych martwicach pozostają po nich rurkowate pory, pustki i liczne odbicia liści i łodyg. Czasami można znaleźć ich pozostałości.

Współcześnie powstające trawertyny i martwice potrafią wykazywać przyrosty rzędu nawet kilku centymetrów rocznie (szczególnie przy źródłach silnie zmineralizowanych), tworząc widowiskowe formy terenu, takie jak:

• Kratery źródlane – w postaci mis wypełnionych wodą (np. słynny „Krater” w Vyšných Ružbachach – Fig. 6) lub wyschniętych stożków wokół dawnych wypływów,
• Kaskady i terasy martwicowe z licznymi groblami martwicowymi,
• Kopuły, stożki i pokrywy strukturalne osiągające nierzadko grubość kilkudziesięciu metrów i rozciągłość sięgającą kilku kilometrów.

Występowanie i znaczenie naukowe

W Polsce czwartorzędowe martwice wapienne najliczniej występują w dolinkach podkrakowskich w okolicach Krzeszowic, w Górach Świętokrzyskich w okolicach Opatowa-Klimontowa, w Karpatach fliszowych, na Podhalu, a także na Kujawach (związane z występowaniem glin zwałowych). Najbardziej znanym polskim trawertynem jest późnokarbońska martwica karniowicka (Fig. 2) występująca w okolicach Krzeszowic, w północnym skrzydle rowu krzeszowickiego. Powszechnie i na dużą skalę młode oraz aktywne trawertyny występują m.in. w Karpatach Zachodnich na Słowacji (np. Sivá brada, Bešeňová, Lúčky, Vyšné Ružbachy – Fig. 3-6), w rejonie śródziemnomorskim (np. Pamukkale w Turcji, Toskania we Włoszech) oraz w rejonach wulkanicznych.

W ostatnich latach słodkowodne skały węglanowe budzą ogromne zainteresowanie geologów z dwóch głównych powodów:

• Archiwum paleośrodowiskowe i klimatyczne: Rozwój trawertynów i tufów ściśle odzwierciedla zmiany klimatyczne, tektoniczne oraz ewolucję geomorfologiczną i hydrogeologiczną obszarów w czwartorzędzie.
• Znaczenie naftowe (geologia naftowa): Odkrycie bogatych złóż ropy naftowej i gazu ziemnego w głębokich, kopalnych osadach węglanów słodkowodnych/jeziornych (tzw. formacje pre-salt, np. u wybrzeży Brazylii i w Południowym Atlantyku) sprawiło, że badanie struktury, porowatości oraz genezy trawertynów stało się kluczowe dla przemysłu wydobywczego.