Kámen z písku - pískovec

Co je vlastně pískovec a jak vznikal? Proč se nalézá prakticky na celém světě a skládá se často z křemene? Proč se některý druh dá uplatnit ve stavebnictví a jiný ne? (délka blogu 8 min.)

Jeho jméno je vlastně všeříkající. Pískovec je materiál, který vznikl kdysi… z písku. A má za sebou skutečně pestrou minulost. 

Samotný písek je sypký materiál, který vzniká zvětráváním hornin. Chemické nebo fyzikální vlivy atmosféry musely tedy nejprve povrchovou vrstvu hornin rozložit na drobná zrnka (podle definice má písek velikost zrn mezi 0,063 a 0,2 mm), než se z nich mohl stát nový druh materiálu - pískovec. 

Je zajímavé, že na rozdíl od většiny ostatních hornin není pískovec definován nějakým přesným minerálním nebo chemickým složením. Za hlavní minerál je považován křemen - ale jednotlivá zrnka písku se mohou skládat i z jiných minerálů nebo úlomků hornin. 

A tak se například jako křemenný pískovec někdy nazývá materiál, který obsahuje více než 90 % křemenných zrn, nebo také materiál, jehož zrna jsou navzájem spojena pevným křemenným tmelem. 

Křemenný pískovec tvoří většinu pískovců. Křemen je totiž poměrně stabilní minerál, který je značně odolný vůči povětrnostním vlivům. V povrchové vodě se klasický SiO2 prakticky nerozpouští. Je ovšem komponentou mnoha hornin, takže se během jejich zvětrávání uvolňuje a pak se může během transportu hromadit a vytvářet podmínky pro vznik pískovce.  

Vznik pískovce - diageneze

Z principu věci se písek hromadí a ukládá v nízko položených oblastech. Vlastnosti pískovce se pak budou lišit podle toho, jaké podmínky panovaly na místech, kde se kdysi hromadil. Mohl vznikat jak na pevnině tak v mělkém moři - mohl se nahromadit díky naplavení řekou nebo za přispění větru v pouštích, kde řeky nejsou. 

Poté docházelo k tzv. diagenezi - zhutňování, vyytlačování přebytečné vody a vysrážení cementačních látek z roztoků cirkulujících v písku (tomuto procesu se říká cementace), během které se ze sypkého písku stává pevný materiál - pískovec. Diageneze probíhá (v závislosti na místních podmínkách) různou rychlostí a může trvat někdy jen pár desetiletí, jindy několik miliónů roků. 

Po naplavení nebo navátí větrem tvoří zrna písku sypký sediment. Mezi jednotlivými zrny zůstává volný prostor, který může být z větší části vyplněný vodou - póry. Pórovitost může u sypkých písků dosahovat 30 - 50 objemových %. 

...

Mimochodem - mokrý písek váží víc, než suchý. Není to ale kvůli hmotnosti vody, která vyplňuje póry. Ty jsou totiž tak mikroskopické, že se tu začíná uplatňovat fyzika - přesněji kapilární síly. Ty pak doslova slisují jednotlivá zrnka písku k sobě tak, že celkový objem je menší a hustota materiálu vyšší. Proto se písek před transportem z lomu na místo určení namáčí vodou - zabírá pak menší objem, takže se ho na korbu nákladního auta vejde větší množství než písku suchého. 

Základním procesem diageneze je tedy tzv. cementace. Při ní se jednotlivé  částice vzájemně spojují pojidlem. Jedná se o chemický proces, při kterém se rozpuštěné minerály vysrážejí z vody. Pojidlo může být uhličitanové, jílovité, křemenné (křemičité) nebo se může jednat o různé kombinace těchto tří variant.

Při pozdějším vysychání sedimentu se celá vrstva vytvrzuje. Může ale probíhat spousta složitějších fází diageneze, včetně změn ve složení vrstev sedimentů, spojených s průsakem vody nesoucí rozpuštěné minerály. Mohou se tak tvořit nové minerály a někdy dokonce dochází k tomu, že se určité minerály nebo sloučeniny ze sedimentu vyluhují, načež jsou nahrazeny jinými minerály nebo sloučeninami. 

Pojivo má logicky značný vliv na pevnost a další technické vlastnosti pískovce. Pokud je ho jen málo, hornina je křehká a drolí se. Velké množství pojiva zajišťuje nejen pevné držení zrnek písku pohromadě, ale přispívá také ke zmenšení objemu pórů. Tím se také snižuje schopnost pískovce absorbovat vodu, což je důležité třeba pro stavební materiály. 

Nejpevnější pískovec obsahuje křemičité pojivo. Uhličitanový pískovec je naopak obzvláště náchylný k chemickému zvětrávání.

Pokud je pojivem jíl, vytvářejí jílové minerály kolem zrnek písku tenkou slupku, která se stará o soudržnost materiálu. Jílové pískovce jsou tedy často vysoce porézní, mají tendenci k bobtnání a mají nižší pevnost a tím i nižší odolnost proti povětrnostním vlivům. 

Dalším druhem pojiva mohou být oxidy železa. Vzniká tak železitý pískovec. 

Zvláštním případem jsou pískovce bez cementů, kde je za slepení jednotlivých zrn zodpovědný silný tlak, panující hluboko pod zemí v místě, kde pískovec vznikl. 

Zkameněliny v pískovci

Protože se jedná o sediment, dají se samozřejmě v pískovci nalézt také zkameněliny. Bývají to části rostlin, nebo volně žijících živočichů. Většinou ale nemají dobrou kvalitu. 

Často se dají pozorovat na lomu pískovcových vrstev také krásně vyvedené tmavé “kresby”. Připomínají pradávné rostliny, jsou ale svým způsobem napodobeninou. Jedná se o tmavší minerály, které se kdysi ukládaly v jednotlivých vrstvách a získaly svůj tvar působením vody. 

Vlastnosti pískovce

Pískovec má vlastnosti, typické pro sedimentární horniny. Na rozdíl od vyvřelých hornin existují díky jeho vrstvení odlišnosti v mechanických vlastnostech. Ty se mění v závislosti na směru, kterým na něj působí vnější síla. Pevnost v tlaku a ohybu je například obecně větší, když síla působí kolmo na rovinu ukládání vrstev. Je to vlastně logické - podobně se chová například stoh papíru. Pokud na něj síla působí z boku, není soudržnost moc velká. 

Barva pískovce

Pískovec z čistého křemičitého písku je celkově světle šedý až bílý v závislosti na barvě křemenných zrn. 

Zbarvení pískovců většinou způsobují jeho minerální nebo (a to méně často) organické příměsi. Zejména železité minerály způsobují poměrně intenzivní zbarvení. 

Červené zbarvení je způsobeno železným minerálem hematitem, který obaluje zrnka křemenného písku jako tenká slupka.  U takových červených pískovců se někdy objevují nápadné skvrnité vybělené zóny, které jsou způsobeny organickými složkami. Rozkladem organických částic totiž vzniká v jejich okolí oblast s redukčními vlastnostmi, která neodovolí oxidům železa zůstat ve své původní podobě. V redukčních zónách je trojmocné železo převedeno do své ve vodě rozpustné dvojmocné formy, načež bývá vyplaveno vodou. Logicky pak nemůže pískovec zabarvit a vzniká světlejší skvrna. 

Vybělené zóny mohou být velké několik milimetrů, ale i několik centimetrů. 

Silikátové minerály, které obsahují dvojmocné a na rozdíl od výše zmiňovaného případu už vázané železo, jako je chlorit nebo glaukonit, dodávají hornině nazelenalý odstín.

Žlutohnědá až hnědá barva je způsobena přítomností limonitu. 

V průběhu let se původní barva pískovce mění - kámen tmavne. Původně světlá, žlutá, světle hnědá až béžová hornina pak získává například tmavě šedou až černou barvu. 

Může to být způsobeno minerálním složením samotného materiálu. Pokud obsahuje železo a mangan, mohou tyto komponenty oxidovat a obarvit pískovec červenohnědě, tmavě hnědě až černě.

Rozhodující jsou také živičné sloučeniny v hornině, které jsou zodpovědné za modročerné tmavnutí .

Kromě toho tmavne pískovec působením okolní atmosféry. Spalováním uhlí a ropy se do ní uvolňují saze. Změny barvy způsobují také sloučeniny dusíku a síry ve vzduchu. Povrchové znečištění se pozná podle toho, že se dá (na rozdíl od ostatních změn) poměrně lehce odstranit.