Vznik zkamenělin a jejich rozdělení

Zkameněliny neboli fosilie jsou zbytky organizmů nebo stopy po jejich životní činnosti, které se zachovaly z minulých geologických dob a od jejichž vzniku uplynula nejméně jedna geologická perioda, tj. jsou starší než holocén.

Vznik zkamenělin je výsledkem mnoha fyzikálních a chemických procesů, které se označují jako procesy fosilizační. Většina odumřelých organizmů rychle podléhá rozkladným procesům, na kterých se podílí negativní působení atmosféry a vody, mechanické vlivy okolního prostředí a činnost mikroorganizmů.

Rychlost dezintegrace odumřelých organizmů neprobíhá všude stejně rychle. Rychleji probíhá v teplých a vlhkých oblastech, pomaleji v oblastech chladných, kde extrémně nízké teploty zpomalují nekrobiologické procesy. Odumřelí živočichové mohou být působením nízkých teplot zachováni po desetitisíce let (např. proslulé nálezy mamutů v permafrostu u řeky Berezovky na Sibiři, nálezy v Koskowin na Aljašce). Negativní postmortální vlivy působí na organická těla i ve vodním prostředí. Většina z nich je rozkládána chemickými a biochemickými vlivy (činnost baktérií) nebo je konzumována predátory.

Fosilizace

Ke vzniku fosilií je proto nutný souběh příznivých okolností, které v důsledku vyústí ve fosilizační proces. Jedná se především o tyto vlivy:

l. odumřelý organizmus má být rychle překryt okolním sedimentem. Zabrání se tím negativnímu působení vzduchu, vody, mechanickým vlivům a působení mikroorganizmů. Uvedený fenomén působí rychleji ve vodním (mořském) prostředí než na souši, a proto většina fosilií patří k mořským organizmům. Pro na souši příznivě působí jen určité okolnosti, např. vulkanická činnost. Při sopečných explozích se uvolňuje pyroklastický materiál (popel, prach), který je vhodným konzervačním médiem. Vzhledem k množství volného Si0₂, který se při vulkanické činnosti uvolňuje, vznikají v jezerech vhodné ekologické podmínky pro rozvoj rozsivek. Horniny vzniklé z jejich křemitých schránek (diatomity) obsahují často dobře zachované fosilie (obr. 1). Rovněž subakvatický vulkanizmus může pozitivně ovlivnit vznik fosilií. Jednak může dojít k velkému nahromadění organizmů, otrávených vulkanickými produkty, jednak vulkanoklastické sedimenty (tufity) jsou velice příznivým prostředím pro následnou fosilizaci (i díky své sterilitě). Fosilní živočichové mohou být zachováni i v prostředí asfaltových jezírek (Trinidad, Rancho La Brea v Kalifornii), kuriózní jsou přirozené pasti v dutinách pařezů karbonských přesliček a plavuní.

Obr. 1. Dokonale zachovaná fosilie Palaeobatrachus sp. v diatomitu Bechlejovice, oligocén (Z. Roček).

2. vznik fosilií je ovlivňován granulometrickými vlastnostmi sedimentů - v jemnozrnných sedimentech jsou fosilie lépe zachované (zachovávají se jemnější morfologické detaily, obr. 2); u hrubozrnných sedimentů voda a vzduch cirkulující intergranulárními prostorami vyvolávají rozklad organických zbytků (obr. 3). Negativně se projevují i mechanické vlastnosti hrubozrnných uloženin (např. štěrků), kdy dochází k drcení organických zbytků.

Obr. 2. Hoplolichas tricuspidatus, ordovik, St. Petersburg, Rusko (www.fossilmuseum.net).

Obr. 3. Schránka třetihorního mlže rodu Pecten ve slepenci, Podbranč (foto P. Skupien).

3. fosilizační proces je ovlivňován též geochemickými vlastnostmi prostředí - schránky z uhličitanu vápenatého jsou ve vápenitých sedimentech lépe zachovány díky chemické rovnováze, než v prostředí chemicky cizorodém.

4. fosilizační procesy jsou ovlivňovány dále tlakem a teplotou prostředí sedimentu (obecně platí, že vyšší PT podmínky působí katalyticky na průběh většiny chemických rozkladných procesů) a důležitou roli hrají i chemické vlastnosti roztoků v sedimentech (hodnoty pH atd.). Zcela výjimečně se fosílie objevují ve slabě metamorfovaných horninách (převážně se jedná o mikrofosílie).

5. důležitý je i předpoklad organismu samého pro fosilizaci. Míníme tím morfologické a anatomické vlastnosti odumřelých jedinců - lépe se dochovávají silnostěnné schránky měkkýšů, kosti a zuby obratlovců (obr. 4) či krunýře raků a trilobitů než měkké tkáně červů či medúz. Tyto se mohou dochovat rovněž jako zkameněliny (obr. 5), ale pouze za zcela výjimečných podmínek, většino ve velmi jemnozrnných sedimentech (např. v prostředí tzv. burgeských břidlic ap.). 

Obr. 4. Zub druhohorního žraloka, USA. (www.ucmp.berkeley.edu)

Obr. 5. Dickinsonia sp., ediakarská fauna, Kanada. (www.fossilmuseum.net)

Po překrytí sedimentem podléhají zbytky organizmů za působení shora uvedených faktorů vnitřním a vnějším změnám, které v důsledku vedou k jeho zkamenění (fosilizaci, petrifikaci).

K vnitřním vlivům, které začínají působit na odumřelý organizmus patří především procesy hnilobné, probíhající bez přístupu vzduchu či za nízkého parciálního tlaku. Jde tedy o proces anaerobní, enzymaticky ovlivňovaný. Rozklad měkkých tkání postihuje rychle bílkoviny, které se štěpí za účasti bakterií na aminokyseliny, sirovodík, uhlovodíky, aminové sloučeniny atd. Tento proces se označuje jako bitumenizace. Na základě bitumenizace vznikají v přírodě asfalt, ozokerit a ropa. Karbonizace (zuhelnatění) probíhá rovněž za nepřístupu vzduchu a postihuje především celulózu, která se štěpí na oxid uhličitý, vodu, metan a uhlík (C₆H₁₀O₅ -> CO₂ + 3H₂O + CH₄ + 4C). Produkty karbonizace jsou nápadné svým černým zbarvením (obr. 6). Tímto procesem vznikly z nahromaděné biomasy rostlin uhelné sloje (obr. 7).

a

b

Obr. 6. Zuhelnatělé pozůstatky organismů. a – kapradinové lístky rodu Neuropteris, karbon, Žacléř; b – zbytek permské ryby (foto P. Skupien).

Obr. 7. Sloj černého uhlí, svrchní karbon, Žacléř (foto P. Skupien).

Jsou-li schránky živočichů převážně uhličitanové a v okolním prostředí je dostatek CaCO₃ dochází k jejich provápnění - kalcifikaci. Kalcifikují především schránky bezobratlých (mlžů, břichonožců), které jsou již primárně tvořeny vysokým podílem uhličitanu vápenatého. Kostry nebo elementy schránek tvořených z SiO₂ podléhají podobnému procesu, který se nazývá silicifikace, tj. prokřemenění - např. jehlice silicispongií.

Změny vyvolané vnějšími vlivy vznikají v důsledku působení ve vodě rozpuštěných minerálních sloučenin, které cirkulují v pórech ještě nezpevněné horniny. Minerálními látkami, které se z roztoků vylučují je sediment zpevňován v kompaktní horninu. Uvedený proces se označuje jako proces diagenetický či diageneze. Minerální sloučeniny, které s vodou cirkulují v sedimentech se mohou vysrážet i v pórech či na povrchu organických zbytků. Takto vysrážené minerály se označují jako minerály fosilizační. Podle chemické povahy vysráženého fosilizačního materiálu se proces označuje jako kalcifikace, silicifikace, pyritizace.

Kalcifikace - proces vyvolávaný vysrážením CaCO₃. K vysrážení uhličitanu vápenatého dochází v prostředí s přebytkem hydrogenuhličitanu vápenatého Ca(HCO)₂ a to podle reakce Ca(HCO)₂ -> CaCO₃ + CO₂+ H₂O. Reakce je ovlivňována tlakem a teplotou okolního prostředí.

Silicifiikace - jedná se o vysrážení SiO₂ z kyseliny křemičité obsažené ve vodním roztoku. Fosilní zbytky mohou být SiO₂ materiálem nasyceny na povrchu (inkrustovány), nebo dojde k úplnému prosycení schránky či krunýře oxidem křemičitým a jev se označuje jako permineralizace (u rostlin pak jako intuskrustace). Silicifikace je poměrně rozšířeným fosilizačním procesem (obr. 8). Silicifikované fosilie jsou velmi dobře zachované (viz. např. silicifikované larvy trilobitů v kanadském siluru, silicifikované krunýře trilobitů ze siluru státu Maine, silicifikované kmeny stromů aj.). Jsou-li silicifikované zbytky nalézány v karbonatických horninách dají se snadno preparovat. Vápenec se rozpustí a získané izolované zkameněliny mohou být studovány do všech morfologických detailů.

Pyritizace - při tomto procesu fosilizace dochází ke vzniku bisulfidu železa - FeS₂. Pyritizace probíhá v bezkyslíkatém prostředí, obohaceném sirovodíkem (H₂S). Pyritizované fosilie proto pocházejí z hlubších anoxických facií (facie černých břidlic, např. graptolitových). Fosilie takto zachované se vyznačují nápadným žlutým zbarvením a dobře kontrastují s okolní hornimou (obr. 9).

a

b

Obr. 8. Silicifikované kmeny stromů, tzv. araukarity, podkrkonošského permokarbonu, Odolov. a – kmen ležící v poloze arkóz, b – průřez úlomkem kmene (foto P. Skupien).

a

b

Obr. 9. a - Pyritizovaná schránka hlavonožce, svrchní karbon, Karviná (foto P. Skupien). b- pyritizovaná schránka hlavonožce rodu Pleuroceras, jura, Německo (www.fossilmuseum.net).

Nejdůležitější fosilizační minerály

Fosilizačního procesu se účastní jen určité typy nerostů, které se označují jako fosilizační minerály. Nejdůležitějšími fosilizačními minerály jsou:

Kalcit [CaCO₃], méně často modifikace aragonit; vzácněji se z uhličitanů vyskytuje dolomit [CaMg(CO₃)₂], ankerit [CaFe(CO₃)₂], siderit [FeCO], breunerit [MgFe(CO₃)₂], malachit [Cu₂(CO₃) (OH)₂], azurit [Cu₃(CO)₂(OH)₂], stroncianit [SrCO₃].

Křemen [Si02], jako fosilizační minerál se objevuje v podobě krystalické nebo jako kryptokrystalický chalcedon či amorfní opál (SiO2 + H₂O); z ostantních oxidů se vyskytuje goethit [FeO(OH)], limonit (směs goethitu a oxy-hydroxidů Fe), hematit [Fe₂O₃].

Pyrit [FeS₂], vyskytuje se i další modifikace bisulfidu železa - markazit; z dalších sirníků se jako fosilizační minerály vzácněji vyskytuje chalkopyrit [CuFeS₂], vzácně pak galenit [PbS], sfalerit [ZnS], cinnabarit [HgS].

Apatit [Ca₅(PO₄)₃ (F,OH)]; častý je fosforit (amorfní fosforečnan vápenatý), méně hojný je vivianit [Fe₃(PO₄)₂*8H₂O].

Sádrovec [CaSO₄*2H₂O]; velmi vzácným fosilizačním minerálem ze skupiny síranů je baryt [BaSO₄], celestin [SrSO₄] a anglesit [PbSO₄].

Glaukonit [(K,Ca,Na) (A1,Fe,Mg)₂ (OH)₂ (Si,Al)₄O₁₀]; některé ostatní silikáty se vyskytují jen v podmínkách metamorfózy - sericit, chlorit, zcela výjimečně granát ahnandin Cu, Ag, S - měd', stříbro a síra se též uplatňují jako fosilizační elementy, ale za zcela specifických podmínek tafonomických.

Jako fosilizační látka se uplatňuje i fosilní pryskyřice eocenního stáří, známá pod označením jantar. Jantar pochází z jantaronosných stromů jako borovice, smrky, sekvoje, ale i duby, buky a magnólie.

V jantaru se vyskytují fosilie především členovců (více jak 50% tvoří Diptera), v menší míře jsou nalézáni zástupci pavouků, roztočů, brouků, chroustů, motýlů ap. Zbytky nebo celé fosilní organizmy jsou velice dobře zachované (obr. 10) i s množstvím morfologických detailů (oči, kusadla) a často jsou krásně zbarvené původními barvami (krovky brouků, křídla motýlů).

Obr. 10. Fosilie hmyzu uchované v jantaru, pliocén, Kolumbie. (www.fossilmuseum.net)

Dělení a typy fosilií

Fosilizační proces jako soubor složitých dílčích procesů vede k různému, kvalitativně odlišnému, uchování fosilních organizmů. Podle způsobu zachování rozdělujeme fosilie na dvě skupiny:

1. fosilie pravé - v jejich složení nedošlo k podstatným změnám v důsledku fosilizačních a diagenetických procesů. Uchovávají se bud' nezměněné schránky (např. schránky měkkýšů z neogénních téglů, obr. 11), zuby obratlovců (díky velice odolnému dentinu) nebo se dochovává i měkká tkáň živočichů vysušením v aridním prostředí nebo v dynamickém prostředí jeskyní (takto dochované zbytky se označují jako mumie).

Jako pseudomumie se označují živočichové zachovaní i s měkkou tkání působením extrémně nízkých teplot. Pseudomumie mohou vznikat i v prostředí bažin, ozokeritových akumulací, živičných látek, evaporitů.

a	b
Obr. 11. a - Schránky měkkýšů z neogénních téglů, b - hlavonožec Quendstedtoceras sp., jura. Lukow, Polsko (foto P. Skupien).

2. fosilie v širším slova smyslu - u takto zachovaných fosilií došlo k nahrazení jejich původních schránek nebo tkání jinou minerální látkou, a to dokonce i opakovaně (původně pyritické fosilie mohou v oxidačních podmínkách přejít na limonitizované atd.). 

Obr. 12. Některé možnosti fosilizace schránky mlže (Kumpera, Vašíček, 1988) 1 - pohřbení schránky a zaplnění dutiny sedimentem, 2 - kamenné jádro, 3 - vyloužení schránky a zaplnění uvolněného prostoru minerální látkou (výlitek), 4 - vnější jádro, 5 - pravá zkamenělina v užším slova smyslu, 6 - deformace, 7 - fyzikálně chemický rozklad, 8 - mechanická destrukce, 9 - rozevření schránky, 10 - oddělení misek, 11 - pohřbení a zachování izolované misky, 12 - pohřbení schránky bez zaplnění vyprázdněné dutiny sedimentem, 13 - rozpuštění původní schránky - po rozbití horniny obdržíme její otisk (negativ); a - nezpevněný sediment, b – hornina.

Mezi způsoby zachování v této skupině patří (obr. 12):

a) jádro - sediment vyplňuje vnitřní prostor schránky. Na vnějším povrchu jádra (také se označuje jako kamenné jádro, obr. 13a) se otiskují vnitřní struktury schránky (svalové vtisky, otisky pláště, vaskulární systém ap.). Sediment může vyplnit celý vnitřní prostor schránky, jádro se pak označuje jako jádro úplné, v opačném případě nedojde k vyplnění celé schránky (sedimentu stojí v cestě např. přepážky ve fragmokonu u hlavonožců) a vzniká jádro neúplné. Rozpouštěla-li se schránka v nezpevněném sedimentu a na povrchu jádra se otiskne skulptura povrchu schránky (sediment je v hydroplastickém stavu), pak tento způsob zachování se nazývá jádro skulpturní (obr. 13b). Někdy (u plochých krunýřů trilobitů) se na povrchu jejich jader prolínají struktury jádra vnitřního i struktury povrchu krunýře a vzniká jádro složené.

b) otisk - znázorňuje charakter vnějšího povrchu organizmu, např. zachovaného jako jádro (obr. 14). Jedná se tedy o protiotisk (útvar konkávní). Z čistě deskriptivního hlediska se otisk označuje jako negativ a jádro (či zachovaná schránka) jako pozitiv (má konvexní reliéf).

c) výlitek - jedná se o jádro v širším slova smyslu. Po vytvoření jádra (vnitřního) a po rozpuštění schránky vznikne mezi jádrem a protiotiskem dutina. Jestliže se vyplní sedimentem nebo fosilizačním minerálem vznikne výlitek.

d) odlitek - vznikne vyplněním dutiny po schránce i jejího vnitřního prostoru.  

a

b

Obr. 13. a - kamenné jádro mlže, b - skulpturní jádro trilobita (foto P. Skupien).

Obr. 14. Skulpturní jádro se zbytky schránky (vpravo) a otisk hlavonožce rodu Amaltheus, Německo (foto P. Skupien).

Mezi fosilie v širším slova smyslu se přiřazují též fosilní stopy po činnosti organizmů - ichnofosilie (dříve označované jako problematika, hieroglyfy a bioglyfy). Odvětví paleontologie, které se zabývá výzkumem fosilních stop se nazývá ichnologie (též palichnologie). Ichnofosilie jsou označovány rodovými a druhovými jmény (ichnorody, ichnodruhy = ichnotaxony). Nomenklatura fosilních stop se řídí pravidly zoologického názvosloví, stejně jako u všech ostatních paleozoologických objektů. Popis jednotlivých ichnotaxonů a ichnospolečenstev je záležitostí paleontologickou; biogenní sedimentární struktury v širším smyslu studují jak paleontologové, tak sedimentologové. Oba obory mohou podle účelu studia uplatňovat různá klasifikační hlediska a systémy.

Popisná klasifikace je do jisté míry genetická, nebot' předpokládá, že popisované struktury vznikly biogenním způsobem. Hodnota tohoto klasifikačního hlediska spočívá v tom, že přináší užitek i v případech, že je málo známo o původu zkoumaných struktur, nebo jestliže si přejeme zdůraznit morfologické rozdíly, stratigrafickou příslušnost stop nebo prostorové vztahy různých ichnofosilií a ichnospolečenstev.

Hlavní diagnostické hledisko je dáno tím, kde se struktury vyskytují. Pokud se nacházejí do značné míry nebo úplně ve vrstvách sedimentů, označují se jako intrastratální struktury. Struktury na povrchu vrstevních ploch se označují jako epistratální struktury. Další rozlišovací hlediska se zakládají na morfologii, velikostí nebo vzájemné konfiguraci těchto struktur.

Genetickou klasifikací je již samotná charakteristika původu stop, jako např. stopy po lezení, požerky, stopy po vrtání, doupata. Již tyto názvy mají svoji vypovídací hodnotu. Například označení stopa (nebo soubor stop) po lezení poukazuje na to, že se jedná o záznam orientovaného pohybu individua na povrchu sedimentu (obr. 15). Tyto stopy jsou obvykle vytvářeny živočichem přemísťujícím se po povrchu dna nebo pátrajícím po potravě, příp. bránícím se (pak mohou být přítomny i stopy útočníka). Doupata, příp. v pevných substrátech vrtby, mají v prvé řadě obytnou funkci, jsou však i záznamem dalších činností původce (přijímání potravy, pohybu, obr. 16). Genetickými kategoriemi druhého řádu jsou např. stopy po činnosti hlodajících nebo přisedlých organizmů, spadající do výše zmíněných širších kategorií. Konečně lze toto terminologické schéma rozšířit i pro další kategorie stop, jako jsou výkaly nebo pseudovýkaly. 

Obr. 15. Stopy po chůzi jurských dinosaurů. (www.fossilmuseum.net).

a

b

Obr. 16. Stopy po přijímání potravy; a – Chondrites, svrchní křída, Vsetín, b – Paleodictyon, svrchní křída, Štíty (foto P. Skupien).

Pseudofosilie

Tímto názvem označujeme veškeré výtvory anorganické přírody, které mohou být omylem považovány za zkameněliny. Patří sem především konkrece a dendrity.

Konkrece vznikají vyloučením anorganických látek během diagenetických pochodů, často kolem hnijících zbytků. Obvykle mají poněkud odlišné složení než ostatní hornina. Často mají nejrůznější tvary. Mohou připomínat např. hlavy živočichů, těla členovců, velké protažené kosti, květy rostlin, trsy korálů, různě velké koule nebo vejce. 

Obr. 17. Konkrece.

Dendrity jsou tmavé až černé větvené povlaky na vrstevních plochách nebo puklinách, jež mají mechovitý nebo keříčkovitý tvar. Bývají mylně považovány za otisky fosilních rostlin, zvláště mechů. Jsou však neústrojného původu, neboť jsou tvořeny oxidy nebo hydroxidy železa a manganu.

Artefakty. Pod tímto názvem rozumíme v přírodních vědách výrobek záměrně zhotovený člověkem. Zpravidla jsou to kameny opracované člověkem nebo různé nástroje z odolného materiálu jako pazourku, křemene, kosti atd.

ZPĚT NAHORU ZPĚT NA ÚVODNÍ STRANU