Význam kryogenních jevů pro paleoklimatické a paleoekologické rekonstrukce kvartéru Jaromír Demek Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví, v.v.i. Průhonice Čtvrtohory (kvartér)  V roce 1833 zavedl anglický geolog Charles Lyell pojem kvartér a jeho podrozdělení na pleistocén a holocén. V roce 1984 se badatelé usnesli, že začátek pleistocénu se kryje s koncem magnetického období Olduvai před 1,8 Ma B.P. Dlouho to nevydrželo, protože se zjistilo, že první ledové doby začaly již kolem 2,6 Ma B.P.  V roce 2007 byl proto počátek kvartéru stanoven na bázi izotopového stadia 103, které je datováno na 2,6 Ma B.P. Neklidný kvartér  Již dlouho je známé, že kvartér je velmi neklidné období v dějinách Země  Dochází k inverzím magnetického pole Země  Dochází k velkým globálním změnám způsobeným výraznými a častými výkyvy podnebí se střídáním chladných a teplejších období (dob ledových a meziledových)  Značné části severní polokoule jsou opakovaně pokryté pevninskými a horskými ledovci  Vznikl a vyvinul se člověk a stal se globálním geologickým činitelem na Zemi Inverze geomagnetického pole  Proces inverze geomagnetického pole trvá řádově tisíce až desetitisíce let. Intervaly mezi inverzemi jsou nepravidelné, nejčastěji trvají statisíce až milióny let.  Olduvai events jsou dva krátkodobé úseky s normální polaritou geomagnetického pole nacházející se uvnitř epochy Matuyama záporné polarity. Inverze Matuyama/Brunhes proběhla kolem 780 ka B.P. Inverze magne- tického pole Země Izotopová stadia  V chladnějších výkyvech podnebí (např. v dobách ledových) se mění izotopové složení oceánské vody (O16/O18). Voda s lehčím kyslíkem O16 je totiž přednostně vázána do ledovců. Izotopový signál v oceánské vodě se promítá do vápnitých schránek mikroorganismů. Pokud analyzujeme izotopy uhlíku a kyslíku z biogenních karbonátů získáme křivku podobnou sinusoidě, jejíž jednotlivé cykly označujeme jako izotopová stadia.Údaje za posledních 2,5 Ma ukazují zhruba 50 klimatických změn. Doby ledové a meziledové: Albrecht Penck a Eduard Brückner Doby ledové a meziledové ve svrchním pleistocénu (450 ka) Doby ledové a meziledové (klasické členění) Pořadí dob ledových Alpy Severní Amerika Severní Evropa Velká Británie Interglaciá/ glaciál Stráří ka MIS Epocha Flandrian Interglaciál Současnost- 12 1 Holocén 1 Wúrm Wisconsi n Vistulian/Vi selský Devensian Glaciál 12 - 110 2-4 a 5a-d Pleistocén Riss/ Würm Sangamo nian Eem Ipswichian Interglaciál 110 - 130 5e (7,9?) Pleistocén 2 Riss Illinoian Sálský Wolstonia n nebo Gipping Glaciál 130 - 200 6,7,8 Pleistocén Mindel/ Riss Yarmout- hian Holstein Hoxnian Interglaciál 200 – 300 (380) 11 Pleistocén 3 (a,b) Mindel Kansan Elsterský/ Halštrovský Anglian Glaciál 300 (380) – 455 12 Pleistocén m Günz/ Mindel Aftonian Cromerský (komplex) Cromerský Interglaciál 455 - 620 13 - 25 Pleistocén Pořadí dob ledových Alpy Severní Amerika Severní Evropa/ Nizozemsko Velká Británie Interglciál/ Glaciál Stáří ka MIS Epocha 4 Gunz Nebraskan Menapian /Bavel (komplex) Beestonian/ Glaciál 620 - 680 15 Pleistocén Donau/ Günz Pastonian Integlaciál 680 - 740 16 Pleistocén 5 Donau /Danubian Mernapian Pre- Pastonian Glaciál 740 - 800 19 Pleistocén Waal Bramertoni an Interglaciál 800 – 1,000 Pleistocén 6 Eburonian Baventianm Glaciál 1,000 – 1,800 23 Pleistocén Tiglian Antian Interglaciál 1,800 Pleistocén 7 Thurnian Glaciál 1,900 Pleistocén Ludhamian Interglaciál 2,000 Pleistocén 8 Pre- Ludhamian Glaciál 2,300 Pleistocén Kolísání podnebí za posledních 450 Ka V chladném podnebí sníh ani v létě neroztaje, sněžníky se postupně mění v ledovce Antarktida – nejstarší ledovcový štít Pleistocenní zalednění severní polokoule Hranice pleistocenních zalednění ve Střední Evropě Zaled- nění Severní Ameriky v pleisto- cénu Periglaciální zóna  Periglaciální zóna je část naší planety s chladným podnebím, v které mrazové pochody dominují nad ostatními geologickými a geomorfologickými pochody. Dvě základní diagnostická kriteria pro periglaciální zónu jsou:  zmrzání a tání hornin spojené s podpovrchovou vodou  přítomnost dlouhodobě zmrzlé půdy - permafrostu  Typickým rysem periglaciální zóny jsou kryogenní jevy Kryogenní jevy  Kryogenní jevy jsou struktury, textury a formy vytvořené mrazovými pochody v horninách a zeminách v chladném podnebí. Specifické pochody při kryogenezi zahrnují zejména migraci vody při zmrzání, zamrzání a tání hornin a zemin, mrazové vzdouvání a výměnu tepla a hmoty při kongeliflukci. Permafrost a talik  Typickým rysem periglaciální zóny je výskyt dlouhodobě zmrzlé půdy (permafrostu). Permafrost jsou horniny a zeminy (včetně podzemního ledu a organického materiálu) jejichž teplota je po více než 2 roky trvale pod bodem mrazu.  Rozlišujeme souvislý, nesouvislý a ostrovní permafrost  Talikem nazýváme horniny a zeminy s teplotou nad bodem mrazu (0 stupňů Celsia) Rozloha periglaciální zóny  Schematicky lze periglaciální zónu definovat jako území v nichž průměrná roční teplota přízemní vrstvy vzduchu (MAAT) je nižší než 3 0C. Údaje o rozloze periglaciální zóny se pohybují mezi 25 až 40% rozlohy souše. V chladných obdobích pleistocénu byl rozsah periglaciální zóny větší než dnes Rozloha periglaciální zóny v Evropě v pleistocénu Současná periglaciální zóna  Současná periglaciální zóna zahrnuje  polární pustiny a tundry v Arktidě a malé nezaledněné oázy v Antarktidě  nezaledněné vnitrozemské oblasti Sibiře a Kanady ve vysokých zeměpisných šířkách  nezaledněné horské a velehorské oblasti. Jádro periglaciální zóny tvoří území s permafrostem Rozloha současné periglaciální zóny Periglaciální zóna v Asii Periglaciální zóna v Kanadě Hlavní ekosystémy periglaciální zóny Mrazová poušť Devon Is. Kanada Tundra- Kolymskoje nagorje,Rusko Sibiřská tajga Mrazová step s permafrostem - Mongolsko Velehorská periglaciální oblast - Ťanšan Kryogenní jevy a podnebí  Jednotlivé kryogenní jevy vznikají za určitých klimatických podmínek, zejména jsou závislé na průměrné roční teplotě vzduchu (MAAT) a na teplotě půdy.  Problémy při řešení vztahu k podnebí:  správná identifikace kryogenního jevu  datování  typ materiálu  místní a regionální proměnné Problémy při srovnávání  Podmínky v současných periglaciálních oblastech nemusí plně odpovídat pleistocenní periglaciální zóně, zejména pokud se týče sluneční radiace  Pleistocenní periglaciální oblasti měly více cyklů kolísání kolem bodu mrazu než současné  V pleistocenní periglaciální zóně mírných šířek nebyly tak nízké teploty jako dnes v nitru světadílů jako např. na Sibiři nebo v Kanadě  Prostorová diferenciace periglaciální zóny je více závislá na místních a regionálních podmínkách než na převládajícím makroklimatu Prostorová diferenciace periglaciální zóny Prostorová diferenciace periglaciální zóny v Asii Periglaciální pochody  Zonální pochody specifické pro periglaciální klimatomorfogenetickou zónu, např. vznik a vývoj permafrostu,vznik ledových klínů a polygonů ledových klínů, pinga a palsy, apod.  Zonální pochody,které nejsou specifické, ale působí v periglaciální zóně s větší frekvencí a intenzitou než v jiných zónách např. mrazové zvětrávání, mrazové vzdouvání, kongeliflukce  Azonální pochody, které působí s větší frekvencí a intenzitou mimo periglaciální zónu, např. fluviální pochody Vlastnosti dlouhodobě zmrzlé půda (permafrostu)  Permafrost může obsahovat různé typy podzemního ledu (texturní led, masívní led, led ledových klínů, jeskynní led, pohřbený led)  Texturní led je primární a vzniká zmrznutím vody obsažené v zeminách a horninách při zamrzání nebo natažené do nich z okolí při zamrzání  Led ledových klínů je druhotný.  V suchém permafrostu není obsažen podzemní led a je definován čistě na základě teploty Texturní podzemní led v recentním permafrostu, Jakutsko, Rusko Masívní podzemní led v terasových usazeninách řeky Leny, Jakutsko Podzemní led ledových klínů, Jakutsko, Rusko Postkryogenní textury po roztátí texturního ledu  Po roztátí texturního ledu v zeminách zůstávají patrné postkryogenní textury, a to  železité a manganové náteky v místech, kde byly polohy nebo čočky texturního ledu  lístkovitá odlučnost zemin  Postkryogenní textury jsou důležité pro identifikaci přítomnosti permafrostu v minulosti Teplotní režim permafrostu  Souvislý permafrost MAAT od -5 do -6 0C, stálá teplota permafrostu až -13 0C  Nesouvislý permafrost s četnými taliky MAAT od -3 do -4 0C  Ostrovní permafrost, kde v krajině jsou ostrůvky permafrostu MAAT od 0 do -1 0C, teplota permafrostu kolem –1 0C.  Ve většině území s permafrostem se letní teploty vzduchu alespoň po dobu několika týdnů pohybují na 0 0C. Proto se nad permafrostem vyskytuje sezónně roztávající a znovu zmrzající činná vrstva. Kryogenní jevy spojené s permafrostem  Chování vody a podzemního ledu v permafrostu vede ke vzniku a vývoji typických kryogenních jevů. S permafrostem jsou spojené zejména ledové klíny, polygony ledových klínů, velké tříděné polygonální půdy, injekční led (pinga), palsy, skalní ledovce a kryogenní textury Ledové klíny  Ledové klíny jsou tvořené podzemním ledem a vznikají při mrazovém pukání jako výsledek termální kontrakce hornina zemin při nízkých teplotách a opakovaného zaplňování mrazových trhlin podzemním ledem v permafrostu. Opakované mrazové pukání a zaplňování trhlin se projevuje lineací v ledovém klínu. Teplota na horní hranici permafrostu musí být -150C až - 200C, v oblastech s MAAT mírně nad -6 0C mohou ledové klíny vznikat v mrazových kotlinách. Ledové klíny vznikají především v souvislém permafrostu  Indikátor podnebí: MAAT -6 až -8 0C a nižší Mrazová trhlina, Devon Island, Kanada Vývoj ledových klínů Teploty při vzniku ledových klínů  Měření v Kanadě (Allard, Kasper, 1998) ukázala, že otevřené trhliny v permafrostu umožňující vznik ledových klínů vznikaly v oblasti s průměrnou roční teplotou vzduchu (MAAT) -8 0C, když teplota na horní hranici permafrostu (permafrost table) byla -15 0C a teplota vzduchu náhle klesla z -20 0C na – 32 0C a méně. Mocnost sněhové pokrývky musí být menší než 1,4 m (Péwe, 1974). Aktivní syngenetický ledový klín v recentních sedimentech nivy řeky Leny,Rusko Ledový klín a činná vrstva Jakutsko, Rusko Fosilní epigenetický ledový klín v terasových sedimentech řeky Aldan,Rusko Polygony ledových klínů, Kanada Polygony ledových klínůYukon, Kanada Polygony ledových klínů, Aljaška Velké tříděné strukturní půdy  Za velké tříděné strukturní půdy označujeme tvary, které mají průměr větší než 1 m. Lem z ostrohranných úlomků lemuje jádro z jemnějších materiálů. Na svazích se pak vyskytují velké tříděné brázděné půdy. Aktivní polygonální tvary mající v průměru více než 2 m nebo brázděné půdy s periodicitou více než 2 m se vyskytují pouze na permafrostu.  Indikátor podnebí: MAAT -4 až -6 0C Velké kamenné polygony,Kanada Velké kamenné polygony, Kanada Velké brázděné půdy, Island Pinga  Pinga jsou pahorky s ledovým jádrem, které mají výšku od 3 do 70 m a v průměru dosahují 30 až 600 m. Ledové jádro tvoří buď masívní injekční led vzniklý injekcí a zmrznutím tlakové vody při promrznutí taliku nebo čočky podzemního ledu (segregační led).  Indikátor podnebí: MAAT – 2 0C Malé pingo, Jakutsko, Rusko Pingo v alasu, Jakutsko Pingo, Aljaška, USA Injekční led v pingu, Kanada Taryn (icing)  Taryn je ledové těleso na povrchu, které vznikne při promrzání taliku, když voda pod tlakem prorazí až na povrch terénu. Taryn, Jakutsko,Rusko Palsy  Palsy jsou malé pahorky složené z rašeliny a žil podzemního ledu permafrostu. Výška 1 až 10 m, průměr 10 až 30 m. Většinou tvoří jen ostrůvky permafrostu.  Indikátor podnebí: MAAT 0 až – 3 0C Palsa, Rusko Palsa Skalní ledovce  Skalní ledovce jsou buď tvary podobné ledovcovým splazům a nebo představují akumulace ostrohranných úlomků skalních hornin v závěrech karů nebo nivačních sníženin s příkrými stěnami. Pro aktivní skalní ledovce jsou příznačná příkrá čela, brázdy, hřbety. Obsahují dlouhodobý podzemní led.  Indikátor podnebí: MAAT 0 až – 5 0C Skalní ledovec, USA Skalní ledovec, USA Procesy a tvary spojené s degradací permafrostu  Degradací permafrostu nazýváme zvýšení teploty hornin a zemin  Zmenšení mocnosti permafrostu  Degradace permafrostu může být regionální (např. oteplením podnebí) nebo lokální (např.narušením vegetace a vytvořením taliku) Jakutsko v zimě Jakutsko v létě Degradace permafrostu Vytávání ledových klínů a vznik pseudomorfóz Termokrasové sníženiny  Termokrasové sníženiny vznikají v zeminách táním podzemního ledu při degradaci permafrostu.  Termokrasové sníženiny vznikají dvěma základními způsoby, a to buď degradací permafrostu shora nebo boční degradací při které vznikají termokary  Indikátor podnebí: periglaciální podnebí, globální nebo místní narušení Degradace permafrostu shora Termokrasové sníženiny  Táním permafrostu vzniká nerovný povrch tvořený jednak polygonálními sníženinami po vytátých ledových klínech a jednak nepravidelnými sníženinami po vytátém segregačním ledu, v kterých se hromadí voda Bajdžarachy, Jakutsko, Rusko Degradace permafrostu – bajdžarachy Jakutsko Ďujoďa, Jakutsko, Rusko Alas s alasovým jezerem, Jakutsko Alas s travnatým dnem,Jakutsko Alasové údolí v Jakutské nížině Degradace permafrostu z boku Termokar u řeky Aldan Termokar u řeky Aldan Termokrasová sníženina (očko) v ledovcové nížině - Německo Struktura permafrostu,kryogenní a postkryogenní textury  Permafrost v závislosti na způsobu svého vzniku a vývoje obvykle obsahuje různé druhy podzemního ledu. Krystaly texturního ledu o velikosti od několika mm do několika cm vytvářejí při zmrzání typickou kryogenní texturu. Typ kryogenní textury závisí na genezi permafrostu a na environmentálních podmínkách, v nichž se permafrost vyvíjí  Indikátor podnebí: MAAT 3 až -10 0C Kryogenní textura permafrostu Typy kryogenní textury Kryogenní jevy pravděpodobně vázané na permafrost  U některých kryogenních jevů se názory badatelů liší – někteří je považují za jevy vázané na permafrost, jiní soudí, že mohou vznikat v periglaciální zóně i bez přítomnosti permafrostu. Jsou to zejména  kryoplanační terasy, kryopedimenty, perikryopedimenty a kongeliflukce (periglaciální soliflukce, geliflukce) a s ní související sedimenty Kryoplanační terasy a plošiny  Odnosové tvary vyskytující se v chladném podnebí. Svahové nebo vrcholové stupně tvořené jednak mrazovými sruby nebo srázy a jednak plošinami. Šířka od 10 m do 2 – 3 km, největší délka přesahuje 10 km. Vznikají působením nivace kombinované s kongeliflukcí, plošným splachem a mrazovým vzdouváním.  Indikátor podnebí:Péwe,Reger MAAT -12 stupňů nebo chladnější Mrazový srub a kryoplanační terasa Aldanskoje nagorje, Jakutsko,Rusko Nivace při úpatí aktivního mrazového srubu, Jakutsko Aktivní mrazový srub a kryoplanační terasa, Devon Is. Kanada Povrch aktivní kryoplanační terasy, v pozadí nivace při úpatí mrazového srubu. Devon Is., Kanada Fosilní vrcholová kryoplanační plošina s tumpem, Sýkoř,Česko Tor, Aldanskoje nagorje, Rusko Kryopedimenty  Kryopedimenty jsou mírně ukloněné odnosové povrchy při úpatí příkřejších svahů vznikající v chladném podnebí  Mají rozměry od malých (rozměry několik set m2) až po regionální (několik km2). Jsou to erozní a transportní povrchy při jejichž vývoj hraje hlavní úlohu nivace, plošný splach a kongeliflukce. V příčném profilu jsou kryopedimenty konkávně prohnuté.  Indikátor podnebí: MAAT 3 až –6 0C Aktivní kryopedimenty na Sibiři, Rusko Pleistocenní kryopediment u Pouzdřan, Česko Profil krypedimentem –Nová Ves ‚Česko Perikryopedimenty  Perikryopedimenty jsou pedimenty pokryté kongeliflukčními a splachovými sedimenty, které mají mocnost větší než 1,5 m. Fosilní peripediment Dobrá studně, Česko Kongeliflukce (synonyma periglaciální soliflukce, geliflukce)  Kongeliflukce je pomalý pohyb roztátého materiálu ve směru sklonu svahu po zmrzlém podloží v chladném podnebí. Kongeliflukce je typ soliflukce předpokládající přítomnost buď sezónně zmrzlé půdy nebo permafrostu. Terminologické odlišení je potřebné, protože poněvadž soliflukce není vázána na chladná podnebí. Kongeliflukční tvary  Existuje celá řada kongeliflukčních tvarů a sedimentů včetně kongeliflukčních plášťů se stupňovitými čely, kongeliflukční jazyky, kamenná moře, kamenné proudy a haldy. Kongeliflukční sedimenty obvykle obsahují ostrohranný materiál a jsou netříděné a většinou nevrstevnaté.  Indikátor podnebí: periglaciální podnebí Kongeliflukční svah v tundře, Kolymskoje nagorje, Rusko Kongeliflukční svah s kongeliflukčními jazyky, Ťan-šan, Kazachstán Kamenné moře Králický Sněžník, Česko Současný permafrost v České republice  V balvanových mořích v Českém středohoří byly zjištěny trvalé celoroční teploty pod bodem mrazu. Tedy i současném podnebí se u nás vyskytuje permafrost.Je to způsobeno cirkulací vzduchu v prostorech mezi jednotlivými úlomky hornin. Podmrzlé kamenné moře, Plešivec, Česko Kamenná halda, Jeseníky, Ztracené kameny, Česko Úpady (dellen)  Ploché a mělké protáhlé sníženiny. V půdorysu většinou přímočaré.Jsou bez vodních toků. Ploché dno pozvolna přechází v mírné svahy. Vznikají dvěma způsoby:  v zeminách vytáváním ledových klínů a sesedáním jejich okolí  ve skalních horninách korazí materiálu pohybovaného kongeliflukcí Úpady (dellen)  V holocénu se v pleistocenních úpadech jednak hromadí materiál urychlené eroze půdy a jednak místy v osách úpadů vznikají strže.  Indikátor podnebí: úpady vzniklé v propustných zeminách (např. píscích) jsou dokladem přítomnosti permafrostu, který v době jejich vzniku tvořil nepropustnou vrstvu pro vodu. Úpad ve flyši, Česko Úpad v krystaliniku Českomoravské vrchoviny Úpad – schéma Doklady přítomnosti pleistocenního permafrostu na území ČR  K nejdůležitějším přímým dokladům výskytu pleistocenního permafrostu na území ČR náleží  1) epigenetické a syngenetické postkryogenní textury v hloubce větší než bylo sezonní tání a zamrzání ( tj. mocnost činné vrstvy);  2) pseudomorfózy po ledových klínech, mrazové klíny s primární výplní eolickým pískem, relikty složených mrazových klínů  3) mrazové (kryogenní) rozvolnění skalních hornin podél puklin až do hloubky několika desítek metrů pod povrch terénu;  4) kry sedimentů dopravované pevninskými ledovci ve zmrzlém stavu;  5) deformace původního uložení vrstev (včetně vzniku pals) v hloubce větší, než byla mocnost činné vrstvy  6) kamenné ledovce. Pleistocenní permafrost na území ČR  S přítomností permafrostu na území ČR mohou souviset  kryoplanační terasy a náhorní kryoplanační plošiny  kryopedimenty  nivační sníženiny  svahové deformace (kerné sesuvy, odsedání svahů)  úpady a suchá údolí  strukturní půdy  kryogenní eluvium  spraše, sprašové hlíny, niveoeolické sedimenty a rytmicky zvrstvené usazeniny s „open work“ strukturou  kongeliflukční (geliflukční) sedimenty. Pseudomorfóza po ledovém klínu zvaná mrazový klín v neogenním písku, Brodek Česko Pseudomorfózy po ledových klínech – Brno Profil a půdorys sítí pseudomorfóz po ledových klínech Síť pseudomorfóz po ledových klínech - Brno Paleoklimatologický význam sítě pseudomorfóz  Nález sítí pseudomorfóz po ledových klínech ve stratigrafických posicích v jednom profilu je dokladem, že v pleistocénu v naší krajině i v nižších polohách opakovaně vznikal a degradoval permafrost.Průměrná roční teplota vzduchu (MAAT) se v době vzniku ledových klínů pohybovala v rozmezí cca -6 až -8 stupňů C. Fosilní kryopediplén v Česku Děkuji za pozornost!