Co skrývá černé sopečné sklo? Věda odhaluje tajemství obsidiánů

S rozmanitým vzhledem přichází i pestrá nabídka názvů. Některé vycházejí ze skutečných geologických vlastností, jiné vznikly především pro potřeby obchodníků. A právě tady začíná být svět minerálů poněkud nepřehledný. Vzpomeňme třeba na takzvané andary, jejichž působivá obchodní prezentace může mít s mineralogickou realitou pramálo společného. Co tedy jednotlivé názvy obsidiánů skutečně znamenají? Pojďme se spolu podívat, co se za těmito názvy a neobvyklými barvami skutečně skrývá a co o nich zjistili vědci.

Představte si, že před vás někdo položí tři kameny. První je černý jako noc, druhý se při dopadu světla rozzáří zlatým leskem a třetí začne při pomalém otáčení před očima měnit barvy od zelené přes fialovou až po zlatavou. Kdybyste nevěděli, co držíte v ruce, možná by vás ani nenapadlo, že všechny tři kameny mají společný původ. Jsou to obsidiány. Přírodní sopečná skla, která vznikla rychlým ochlazením lávy. Jak je tedy možné, že vypadají tak odlišně?

Obsahuje zlatý obsidián zlato? Jsou v duhovém obsidiánu nějaké ionty, které ovlivňují barevnost? A co se skrývá v těch zvláštních bílých obrazcích, které připomínají sněhové vločky? Na některé z těchto otázek dokázali vědci odpovědět až s pomocí elektronových mikroskopů a spektroskopických metod. A ukázalo se, že skutečnost je často zajímavější než naše první představa.

Obsidián vzniká především z lávy bohaté na oxid křemičitý. Taková láva bývá velmi viskózní a při dostatečně rychlém ochlazení může ztuhnout dříve, než se její atomy stihnou uspořádat do rozsáhlých pravidelných krystalových struktur. Výsledkem je přírodní sklo. Z mineralogického hlediska má obsidián jednu zvláštnost, není to minerál v pravém slova smyslu. Minerály mají uspořádanou krystalovou strukturu, zatímco obsidián je převážně amorfní.

Jeho chemické složení přitom není nijak exotické. Často obsahuje přibližně 65 až 80 hmotnostních procent SiO₂ a menší množství oxidů hliníku, sodíku, draslíku, železa a dalších prvků. A přesto může mít nesmírně rozmanitý vzhled. Rozhodující totiž není jen to, z čeho se sklo skládá, ale také jak jsou jeho jednotlivé složky uspořádány a co se s ním dělo během chladnutí a po ztuhnutí.

Začneme tím nejběžnějším typem. Černý obsidián připomíná dokonale tmavé sklo. Jeho lesklý povrch a typický lasturnatý lom byly ostatně jedním z důvodů, proč ho lidé už v pravěku používali k výrobě mimořádně ostrých nástrojů. Černý obsidián měl v některých starověkých kulturách také významnou rituální úlohu. Například mezoamerické kultury z něj vyráběly nejen ostré nástroje a zbraně, ale také předměty používané při náboženských obřadech. Ale proč je černý?

Jeho hlavní složkou je oxid křemičitý, který známe také jako křemen. Rozdíl spočívá především v dalších složkách skla a jejich vlivu na průchod světla. Významnou roli hraje železo, které se může vyskytovat v různých oxidačních stavech, především jako Fe²⁺ a Fe³⁺. V roce 2021 byla v časopise Chemical Geology publikována studie, ve které tým vědců zjistil, že tmavé zbarvení obsidiánů souvisí nejen s přítomností železa, ale také s jeho lokálním uspořádáním. Důležitou roli mohou hrát oblasti obohacené železem, ve kterých dochází k elektronovým interakcím mezi různými oxidačními stavy. Takové procesy mohou způsobovat intenzivní absorpci viditelného světla.

Jinými slovy, obsidián se nám jeví jako černý, protože velkou část dopadajícího světla pohltí. A přesto nemusí být úplně neprůhledný. Pokud vezmete tenký úlomek černého obsidiánu a podržíte ho proti silnému světlu, můžete zjistit, že má ve skutečnosti hnědavý nebo šedavý odstín. Je to podobné jako s velmi tmavým sklem. Tenká vrstva část světla propustí, zatímco v silnějším kusu se ho pohltí tolik, že vypadá zcela černě. Tohle je důležité i pro pochopení původu barev u dalších obsidiánů.

Zlatý obsidián je na první pohled téměř černý. Stačí ho ale trochu pootočit proti světlu a jeho povrch se rozzáří zlatavým leskem. Za charakteristickým leskem stojí mikroskopické struktury uvnitř skla, především velmi drobné dutinky, které mohou být orientované jedním směrem.

Představte si bublinky v hustém medu. Když med začne téci, bublinky se mohou protahovat a deformovat ve směru proudění. Něco podobného se pravděpodobně odehrávalo také v silně viskózní lávě. Plynové bublinky se během jejího pohybu protahovaly a po ztuhnutí zanechaly ve skle dutinky, které ovlivňují odraz a rozptyl světla.

Tímto jevem se zabývali Patrizia Donato a kol., ve své studii zkoumali obsidiány z mexické oblasti Sierra de las Navajas pomocí elektronové mikrosondy, rastrovací elektronové mikroskopie a rentgenové mikrotomografie. Právě poslední metoda jim umožnila nahlédnout do prostorového uspořádání dutinek uvnitř skla. Ukázalo se, že zlatavý lesk souvisí s jejich množstvím, tvarem a orientací. A tak vzniká něco, co připomíná drahý kov, přestože za tím stojí obyčejné plynové dutinky.

Stříbrný obsidián se zlatému velmi podobá. Namísto teplého zlatavého odlesku však vytváří lesk stříbřitý až šedý. Také zde hrají významnou roli mikroskopické struktury, které ovlivňují chování světla. Jenže vědecké výzkumy ukazují, že podobné optické efekty nemusí mít vždy stejný původ. Vědci z kalifornského institutu při výzkumu mexických obsidiánů zjistili, že některé protáhlé útvary, které by mohly na první pohled připomínat dutinky, byly ve skutečnosti vyplněné sklem mírně odlišného chemického složení. Takové rozhraní může ovlivňovat průchod a odraz světla, protože jednotlivé oblasti mají rozdílné optické vlastnosti.

A co platinový obsidián? Tady už vstupujeme do světa obchodních názvů. Platinový obsidián není samostatný minerální druh ani jednoznačně definovaná mineralogická odrůda. Pod tímto označením se prodávají kameny s kovově šedým až stříbřitým leskem. Podobně jako u stříbrného obsidiánu může jejich vzhled souviset s jemnými strukturami uvnitř skla, ale bez analýzy konkrétního vzorku nelze mechanismus spolehlivě určit. A právě tady se ukazuje rozdíl mezi mineralogií a obchodním označováním kamenů. Název může výborně vystihovat vzhled, aniž by nám cokoliv říkal o skutečném chemickém složení.

A teď přichází jeden z nejzajímavějších obsidiánů vůbec. Na první pohled může vypadat jako obyčejný černý kámen. Stačí ho ale správně natočit proti světlu a objeví se zelené, fialové, modré nebo zlatavé pruhy. Někdy vytvářejí soustředné obrazce, jindy nepravidelné barevné plochy. Jak může být černé sklo takhle barevné? Odpověď souvisí s interferencí světla.

Pokud jste někdy pozorovali barevnou olejovou skvrnu na mokré silnici nebo mýdlovou bublinu, viděli jste podobný optický jev. Světlo se odráží na různých rozhraních velmi tenkých vrstev. Jednotlivé světelné vlny se pak skládají tak, že některé barvy zesílí a jiné zeslabí. A výsledkem může být nádherná hra barev, přestože samotný materiál žádné odpovídající barevné pigmenty neobsahuje.

Hedenbergit a plagioklas: Co prozradil elektronový mikroskop?

V již zmíněné studii z roku 2001 se Chi Ma a jeho kolegové zaměřili i na mexické duhové obsidiány. A objevili něco pozoruhodného. Dva zkoumané typy duhového obsidiánu obsahovaly odlišné minerální inkluze. V prvním případě našli drobné protáhlé krystaly hedenbergitu, minerálu ze skupiny klinopyroxenů. Některé měřily pouhých několik mikrometrů, jiné dosahovaly délky až 20 mikrometrů. Pro představu, jeden mikrometr je tisícina milimetru. Ve druhém typu obsidiánu objevili plagioklas, minerál ze skupiny živců.

A co měly oba typy společného? Krystaly nebyly rozmístěné úplně náhodně. Byly přednostně orientované, tedy uspořádané přibližně stejným směrem, což souvisí s prouděním původní lávy. Autoři zvažovali několik mechanismů, které by mohly duhové zbarvení vysvětlovat. Jejich výsledky nejlépe podporovaly interferenci světla na tenkých vrstvách. To ovšem neznamená, že samotné krystaly hedenbergitu nebo plagioklasu fungují jako barevné pigmenty. Důležitá je především jejich orientace a optická struktura okolního skla.

A pak vědci našli magnetit

Tím příběh nejzáhadnějšího obsidánu nekončí. V roce 2007 publikovali Chi Ma, George Rossman a James Miller další práci, tentokrát o zvláštním obsidiánu z oblasti Glass Buttes v Oregonu. Materiál se označuje jako fire obsidian a vytváří výrazné barevné odlesky připomínající plameny. Výzkumníci chtěli zjistit, co tyto barvy způsobuje. Pomocí elektronové mikroskopie odhalili uvnitř skla vrstvy obsahující nanometrické krystaly magnetitu Fe₃O₄. Tyto vrstvy byly silné přibližně 300–700 nanometrů a vytvářely interferenční barvy díky rozdílným optickým vlastnostem vůči okolnímu sklu. Ukazuje se tedy, že za podobnými barevnými efekty se mohou skrývat různé mikroskopické struktury a odlišné mechanismy jejich vzniku. Stejný výsledek tak nemusí mít vždy stejnou příčinu.

Proč duhový obsidián potřebuje správné osvětlení?

Pokud jste někdy drželi v ruce leštěný duhový obsidián, možná jste si všimli, že při určitém natočení téměř všechny barvy zmizí. To souvisí s orientací jeho vnitřních struktur. Světlo musí dopadat a odrážet se pod vhodným úhlem, aby se barevný efekt výrazně projevil. Také proto záleží na způsobu broušení a leštění. Jeden směr řezu může odhalit nádherné barevné pruhy, zatímco jiný ponechá kámen téměř černý. Někdy se tedy ta největší krása obsidiánu objeví až ve chvíli, kdy člověk zjistí, jak ho správně natočit.

U předchozích obsidiánů jsme se zabývali především světlem. Teď se ale podíváme na úplně jiný proces. Obsidián sněhová vločka je černé vulkanické sklo poseté bělavými až šedými obrazci, které připomínají sněhové vločky, drobné květy nebo hvězdičky. Co jsou vlastně zač? Jsou to krystalické agregáty, kterým říkáme sférolity. A jejich vznik je krásnou ukázkou toho, že ani sopečné sklo nemusí zůstat navždy sklem.

Jak se ze skla stávají krystaly?

Obsidián vzniká rychlým ochlazením lávy. To ale neznamená, že v něm už nikdy nemohou vznikat krystaly. Při vhodných podmínkách může docházet k postupné krystalizaci sklovité hmoty. Tento proces se nazývá devitrifikace. Krystaly začínají růst z určitých center a mohou vytvářet paprsčité, přibližně kulovité agregáty. Právě ty pak v řezu vypadají jako bílé sněhové vločky.

Turečtí vědci ve své studii ve sférolitech identifikovali pomocí Ramanovy spektroskopie mimo jiné cristobalit a minerály ze skupiny živců. Cristobalit je jednou z krystalických modifikací oxidu křemičitého, SiO₂. A důležitá je ještě jedna věc, sférolity nemusí vznikat výhradně dlouho po ztuhnutí obsidiánu. Jejich krystalizace může začínat už během chladnutí lávy. Bílé vločky tedy nejsou materiál, který by se do skla dostal zvenčí, ale jsou výsledkem krystalizace samotné vulkanické hmoty.

Mahagonový obsidián je typický červenohnědými až rezavými partiemi, které se střídají s černým sklem. Na rozdíl od duhového obsidiánu se jeho barva při otáčení kamene výrazně nemění. Tady totiž nejde především o interferenci světla, ale o železo a jeho chemickou podobu. Železo se ve vulkanickém skle může nacházet ve dvou různých oxidačních stavech a také v drobných samostatných minerálních fázích. A právě to může zásadně ovlivnit výslednou barvu.

V roce 2018 publikoval Zsolt Kasztovszky a kol. studii o  červenohnědých obsidiánech z maďarské oblasti Tolcsva. Pomocí Mössbauerovy spektroskopie, transmisní elektronové mikroskopie a dalších metod porovnávali černé a mahagonové obsidiány. Zjistili rozdíly v podobách železa, jeho oxidačních stavech i v mikrostruktuřejednotlivých vzorků. Tyto rozdíly pomáhají vysvětlit, proč může mít obsidián ze stejné širší geologické oblasti tak odlišné zbarvení.

A to je pěkná ukázka toho, že k výrazné změně barvy někdy nemusíme přidat nový chemický prvek. Stačí, aby se ten původní nacházel v jiné podobě.

Apačské slzy patří mezi nejpoetičtěji pojmenované obsidiány. Podle tradované legendy představují slzy apačských žen, které oplakávaly muže padlé v boji. Z geologického hlediska jde o drobné, často zaoblené útvary obsidiánového skla, které se mohou vyskytovat například v ryolitových vulkanických uloženinách.

Přestože apačské slzy vypadají na první pohled černě, při pohledu proti světlu často odhalí průsvitné hnědavé až kouřové zbarvení. Záleží totiž i na tloušťce skla. Zatímco tenkým úlomkem může světlo částečně procházet, silnější kus ho pohltí natolik, že se jeví jako zcela neprůhledný. Podobné optické vlastnosti jsou typické také pro některé obsidiány označované jako kouřové. V roce 2021 se N. R. Aghamalyan a kol. zabývali průsvitným obsidiánem z arménského naleziště Arteni. Zkoumali pomocí spektroskopických metod formy železa a jejich vliv na absorpci světla. Prokázali přítomnost Fe²⁺ a Fe³⁺ a zabývali se jejich optickými vlastnostmi. Právě absorpce světla spojená s železem může přispívat k tmavému, hnědavému nebo šedému vzhledu vulkanického skla.

Některé obsidiány mají jemnou síťovitou kresbu, která připomíná pavučinu. Pod obchodním označením pavoučí obsidián se ale mohou skrývat různé materiály, jejichž struktura nemusí mít totožný původ. Jedním z možných vysvětlení jsou trhliny související s hydratací vulkanického skla. Obsidián totiž může postupně přijímat vodu z okolního prostředí. Voda ovlivňuje jeho strukturu a vlastnosti a za určitých podmínek může docházet ke vzniku charakteristických trhlin. Takové struktury známe například z perlitu, což je hydratované vulkanické sklo s typickými zakřivenými, často soustřednými trhlinami.

Těmito procesy se zabývala studie publikovaná v roce 2012. Výzkumníci zkoumali hydrataci ryolitových láv a její souvislost s vývojem perlitických struktur. Znamená to, že každá pavučina v obsidiánu vznikla právě takto? Ne nutně. Síťovitou kresbu mohou vytvářet také jiné trhliny nebo jejich sekundární minerální výplně. Bez podrobného výzkumu konkrétního vzorku nelze určit, který proces za ní stojí. A právě proto je dobré vždy rozlišovat mezi obchodním názvem kamene a skutečným geologickým vysvětlením jeho vzhledu.

Když se podíváme na všechny tyto obsidiány vedle sebe, zjistíme, že jejich rozmanitost není jen otázkou barvy. Je to především příběh různých procesů, které mohou probíhat v jednom geologickém materiálu. Někde rozhoduje železo a jeho oxidační stav. Jinde mikroskopické dutinky, orientované krystaly nebo interference světla. Další obsidiány zase ukazují, jak může vulkanické sklo krystalizovat nebo reagovat s vodou.

Když tedy příště vezmete do ruky obsidián, zkuste se na něj podívat trochu jinak. Nejen jako na černý, zlatý nebo duhový kámen, ale jako na materiál, který v sobě uchovává informace o vzniku a vývoji sopečné horniny. Protože někdy stačí jediný kámen, abychom si uvědomili, jak neuvěřitelně složitá a krásná dokáže být geologie.