Rodzaje, występowanie i geneza krzemieni. Zarys Problematyki by Paweł Król

Paweł Król, Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t Ä&#x2122; p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . zarys problematyki

Paweł Król – Muzeum Narodowe w Kielcach Prof. dr hab. Zdzisław M. Migaszewski – Zakład Geochemii i Ochrony Środowiska Instytut Chemii Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

owstanie i warunki tworzenia się krzemieni należą do największych zagadek współczesnej geologii. Ich geneza budzi liczne kontrowersje, mimo prowadzonych od dziesięcioleci prac badawczych na całym świecie. Krzemienie spotyka się bardzo często w profilach geologicznych, choć geolodzy rzadko poświęcają im większą uwagę. Brak dokładnej klasyfikacji petrograficznej krzemieni stanowi również problem dla archeologów. Pierwszą próbę takiej klasyfikacji podjął Stefan Krukowski w 1920 roku, obejmując nią wszystkie znane ze źródeł archeologicznych odmiany krzemieni. Aby jednak ta klasyfikacja mogła zadowolić specjalistów z różnych dziedzin, musi ona być logiczną kontynuacją zasad podziału całej grupy skał krzemionkowych. Nie bez znaczenia jest też fakt, że istnieje znaczna rozbieżność w nazewnictwie poszczególnych odmian krzemieni. Jednym z przykładów są dwa terminy: krzemień i czert. Pod pojęciem krzemień rozumie się konkrecje krzemionkowe o ostrych granicach ze skałami otaczającymi (np. wapieniami), natomiast pod pojęciem czert – skupienia krzemionki o nieostrych granicach ze skałami otaczającymi. W krajach anglosaskich geolodzy używają terminu czert (chert) w odniesieniu do wszystkich skał krzemionkowych o zatartej strukturze organicznej, w tym również krzemieni sensu stricto, natomiast termin krzemień (flint) jest używany prawie wyłącznie przez archeologów. Największe złoża krzemieni w Polsce występują w województwach: świętokrzyskim, mazowieckim, lubelskim, górnośląskim i małopolskim. Przeważają krzemienie jasnoszare, czekoladowe i pasiaste wieku jurajskiego oraz krzemienie i czerty kredowe (w tym odmiany krzemieni: świeciechowski, gościeradowski i ożarowski) (ryc. 1). Dla archeologów ważne są też krzemienie, które nie wystę-

krzemień bałtycki krzemień z Jury Polskiej krzemień czekoladowy krzemień pasiasty krzemień ożarowski krzemień świeciechowski i gościeradowski kopalnie krzemienia Ryc. 1. Położenie głównych złóż i miejsc eksploatacji krzemieni w Polsce, wg Balcer (1983); rycina uproszczona i zmodyfikowana

pują in situ, czyli takie, które zostały przeniesione (redeponowane) przez lodowce lub rzeki z miejsc ich pierwotnego występowania (fot. 1). Były one cennym surowcem do wytwarzania różnego rodzaju narzędzi w paleolicie i neolicie. Przykładem krzemieni redeponowanych jest krzemień narzutowy bałtycki wieku kredowego, znajdowany w osadach polodowcowych prawie na całym obszarze kraju. W Górach Świętokrzyskich, Sudetach oraz na Wyżynie ŚląskoKrakowskiej znane są również krzemienie dewońskie i karbońskie (Lech, 1980; Migaszewski in., 1999; Manecki, Muszyński, 2008). 15

H i s to r i a krzemienia

Fot. 1. Krzemienie redeponowane. Karsy koło Włoszczowic, pow. jędrzejowski

TERMINOLOGIA

Krzemień odpowiada angielskiemu określeniu chert (flint), francuskiemu silex, niemieckiemu Feuerstein. Termin ten pojawił się po raz pierwszy w literaturze polskiej w zielniku Marcina Siennika wydanym w Krakowie w 1568 roku. Informacje o krzemieniu pod hasłami skałka i krzesak znajdują się w herbarzu Stefana Falimierza z 1534 roku i Hieronima Spyczyńskiego z 1542 roku. Słowo krzemień zadomowiło się szybko w języku potocznym. W opracowaniach naukowych trafnie opisywano krzemień, np. w podręczniku mineralogii Feliksa Drzewińskiego z 1816 r., znakomitego propagatora i popularyzatora nauki w Polsce w XIX wieku, krzemienie zaliczano do familji kwarcu (vide Michniak, 1989). Na temat występowania krzemienia możemy przeczytać: Znayduie się w massach niewielkich, maiących różne postaci naśladownicze: nerkowate, guzowate, okrągławe, kuliste, owalne, poczwarowate …powierzchnia ich zawsze pokryta iest wapienną skorupą mniey więcey grubą (vide Michniak, 1989). W obecnym brzmieniu i znaczeniu nazwa krzemień występuje w opracowaniach geologicznych Stanisława Staszica (1805, 1815). 16

W polskiej literaturze geologicznej i archeologicznej krzemienie dzieli się na krzemienie właściwe i czerty. Krzemienie właściwe odznaczają się zawsze zwartym kształtem, o dobrze zarysowanych konturach w stosunku do wapieni, w których najczęściej występują, natomiast czerty to krzemienne buły bez kory o bardzo nieregularnych kształtach i niewyraźnych konturach, charakteryzujące się stopniowym przejściem w skałę otaczającą (Ryka, Maliszewska, 1991). Lucien Cayeux (1929) w fundamentalnej monografii poświęconej skałom krzemionkowym zdefiniował termin krzemień, wprowadzając jednocześnie nazwy różnych jego odmian. Obserwacje tego badacza wykazały, że krzemienie występują w wapieniach i marglach pozbawionych większej ilości krzemionki organicznej, natomiast czerty w skałach zasobnych w tę krzemionkę (vide Lech, 1980). Prawidłowość ta może świadczyć o tym, że czerty powstały w skale in situ, natomiast konkrecje krzemieni tworzyły się na dnie morza, lub że wchodząca w ich skład krzemionka pochodziła ze skał otaczających. Lucien Cayeux zwrócił też uwagę na odmienny wygląd krzemieni jurajskich, kredowych i karbońskich. Niestety w sposób niezręczny zapożyczył z języka angielskiego wyraz chert,

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

podając inne jego znaczenie, co zrodziło rozbieżność w rozumieniu tego pojęcia przez badaczy angielskich (czert – skała krzemionkowa o zatartej strukturze organicznej) i francuskich (czert – jasna, bezkształtna buła krzemionkowa bez wyraźnych konturów). Do Polski termin czert dotarł we francuskim znaczeniu tego słowa za sprawą Zbigniewa Sujkowskiego, który nazwał tak kredowe krzemienie występujące w opokach Wyżyny Lubelskiej (Michniak, 1989).

MINERALOGIA

Skały krzemionkowe należą do skał osadowych pochodzenia chemicznego, biochemicznego i organogenicznego zawierające powyżej 50% krzemionki (SiO2), na którą składają się różne odmiany opalu, chalcedonu (włóknistej formy niskotemperaturowego kwarcu krypto/mikrokrystalicznego) i kwarcu. Zawierają często domieszki minerałów ilastych, kwarcu klastycznego i piroklastycznego (pochodzenia wulkanicznego), uwodnionych tlenków i wodorotlenków żelaza, węglanów, fosforanów, pirytu i substancji organicznej. Mogą powstać w wyniki działania różnych procesów geologicznych obejmujących (Bolewski, Parachoniak, 1988; Migaszewski, Gałuszka, 2007; Manecki, Muszyński, 2008): 1. Gromadzenie (depozycję) krzemionkowych fragmentów organicznych. 2. Wytrącanie (precypitację) krzemionki z roztworu wodnego, w tym również z gorących roztworów hydrotermalnych w środowiskach morskich i lądowych. 3. Przemieszczanie i gromadzenie krzemionki w wyniku przeobrażeń diagenetycznych i epigenetycznych pierwotnych skał krzemionkowych lub innych skał osadowych zawierających krzemionkę. Do tych procesów należy też zaliczyć impregnację krzemionką (sylifikację) szczątków organicznych, zwłaszcza fragmentów drzew. W tym ostatnim przypadku źródłem krzemionki mogą być materiały wulkanogeniczne (głównie szkliwa) lub roztwory hydrotermalne. 4. Wietrzenie fizyczne i chemiczne glinokrzemianów w warunkach lądowych (hydroliza) lub morskich (halmyroliza). Przykładem są procesy illityzacji, kaolinityzacji i lateryzacji ortoklazu będące źródłem SiO2. Większość skał krzemionkowych powstaje na drodze sedymentacji w środowiskach morskich. W warunkach lądowych tworzą się jedynie limnokwarcyty i martwice krzemionkowe. Skały krze-

mionkowe nie mają ujednoliconej międzynarodowej terminologii i klasyfikacji. Pod względem składu mineralnego dzieli się je na dwie podstawowe grupy: (1) zbudowane z opalu i (2) zbudowane z kwarcu. W polskiej literaturze geologicznej wyróżnia się na ogół 5 grup skał krzemionkowych (Ryka, Maliszewska, 1991; Manecki, Muszyński, 2008): 1. Skały krzemionkowe organogeniczne powstałe w wyniku nagromadzenia elementów szkieletowych okrzemek, gąbek krzemionkowych lub radiolarii (promienic). W grupie tej wyróżnia się następujące odmiany skał krzemionkowych: • ziemia okrzemkowa (odmiana zwięzła – diatomit), • spongiolity (złożone z krzemionkowych igieł gąbek), • radiolaryty (złożone z krzemionkowych pancerzyków radiolarii). 2. Skały krzemionkowe chemiczne powstałe na ogół w wyniku bezpośredniego wytrącenia krzemionki z roztworu rzeczywistego lub z zolu (koloidu): • martwice krzemionkowe (odmiany zwięzłe – gejzeryty) tworzą się w pobliżu wypływów gorących źródeł, • limnokwarcyty (kwarcyty słodkowodne) powstają w wyniku wytrącania się krzemionki w jeziorach wulkanicznych, • silkrety (martwice powierzchniowe lub podpowierzchniowe) są naskorupieniami krzemionkowymi tworzącymi się w strefie wietrzenia w warunkach pustynnych. 3. Skały krzemionkowe chemiczne często o nieznanej genezie, powstałe przeważnie w wyniku procesów diagenetycznych i diagenetyczno-epigenetycznych, zachodzących w osadach zbiornika wodnego oraz po ich wynurzeniu. W grupie tej wydziela się: • krzemienie tworzące konkrecje z przewagą kwarcu krypto (skryto)- i mikrokrystalicznego, a w młodszych krzemieniach z opalu i chalcedonu, o ostrych granicach ze skałą otaczającą, • czerty tworzące skupienia kwarcu krypto- i mikrokrystalicznego lub opalu i chalcedonu o nieostrych granicach ze skałą otaczającą, • rogowce – pod tym pojęciem rozumie się w Polsce wszystkie skały krzemionkowe krypto- i mikrokrystaliczne, zwięzłe, zbite, o różnym zabarwieniu, tworzące w przeciwieństwie do większości krzemieni i czertów warstwy wśród skał osadowych, • lidyty występujące w postaci konkrecji lub warstw z przewagą kwarcu krypto- i mikrokrystalicznego z domieszką rozproszo-

H i s to r i a krzemienia

Miocen Kreda Jura górna (kimeryd) Jura górna (oksford górny) Jura górna (oksford dolny i środkowy) Jura dolna i środkowa Uskoki stwierdzone i domniemane Wychodnie krzemieni pasiastych z zaznaczonymi punktami l pradziejowych pól górniczych, naturalnych odsłonięć oraz współczesnych kamieniołomów 1. Krzemionki (pow. ostrowiecki), 2-5. Ruda Kościelna (pow. ostrowiecki), 6. Łysowody (pow. ostrowiecki), 7. „Korycizna” – Wojciechówka (pow. opatowski), 8. Śródborze (pow. opatowski), 9. Wojciechówka (pow. opatowski), 10. Zawichost, 11. Wiktoryn (pow. ostrowiecki), 12. Skarbka Dolna (pow. ostrowiecki), 13. Wólka Bałtowska (pow. ostrowiecki), 14. Eugeniów (pow. lipski), 15. Stary Olechów (pow. lipski), 16. Karolów (pow. lipski), 17. Nowy Olechów (pow. lipski), 18. Wodąca (pow. lipski), 19. Błaziny (pow. radomski) Ryc. 2. Występowanie krzemienia pasiastego na tle podczwartorzędowych osadów północno-wschodniego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, wg Budziszewski i Michniak (1984)

nej substancji organicznej (węglistej i/lub bitumicznej) i minerałów ilastych, często poprzecinane białymi żyłkami kwarcu; mają one charakterystyczną barwę czarną lub ciemnoszarą, • jaspisy tworzące warstwy zbudowane z kwarcu krypto- i mikrokrystalicznego z domieszką rozproszonych tlenków i/lub wodorotlenków żelaza; mają barwę czerwoną, brunatną, żółtą, zieloną lub niebieską; niektóre z odmian jaspisów zalicza się do skał metamorficznych (przeobrażonych) kontaktowych oraz zsylifikowanych (skrzemionkowanych) tufów, • chalcedonity – terminem tym określa się w Polsce skały krzemionkowe, których głównym składnikiem jest chalcedon. 4. Skały krzemionkowe przejściowe obejmują: 18

• opoki zbudowane z opalowego rzadziej chalcedonowego szkieletu gąbkowego z domieszką kalcytu, • gezy tworzące również szkielet gąbkowy, zawierający do 20% kwarcu klastycznego z domieszką minerałów ilastych, glaukonitu i fosforanów; odmianę zawierającą kalcyt określa się terminem opoka wapienna, • iły, iłowce, muły, mułowce i łupki krzemionkowe zawierające poniżej 50% różnych odmian krzemionki (przeważnie kwarcu krypto- i mikrokrystalicznego). 5. Skały krzemionkowe wietrzeniowe obejmują opoki lekkie (odwapnione), powstałe w wyniku rozpuszczenia i usunięcia kalcytu (CaCO3) z opok.

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Fot. 2. Drewno skrzemieniałe. Włoszczowice, pow. pińczowski

Na uwagę zasługują, nie ujęte w tej klasyfikacji, skrzemieniałe (zsylifikowane) fragmenty drzew występujące na obszarze kraju w osadach paleogenu, neogenu i czwartorzędu, głównie w strefie ciągnącej się od południowo-zachodniej części Gór Świętokrzyskich przez Roztocze do granicy z Ukrainą. Ujawniają one charakterystyczną strukturę różnych części drzew. Tylko nieliczne fragmenty oznaczają się znaczną twardością, porównywalną z krzemieniami. W wykopaliskach archeologicznych nie znaleziono dotąd narzędzi z drewna skrzemieniałego (fot. 2).

RODZAJE KRZEMIENI WYSTĘPUJĄCYCH W POLSCE Krzemień pasiasty

Krzemień pasiasty wyróżnia się pięknymi i niepowtarzalnymi deseniami w porównaniu z ich odpowiednikami w kraju i poza jego granicami, wysoką twardością i zwięzłością, co w połączeniu z możliwością uzyskania lustrzanego poleru czyni go cennym i poszukiwanym surowcem na rynku jubilerskim. Krzemień pasiasty jest ważny nie tylko dla geologów i jubilerów, lecz również dla archeologów, gdyż odegrał ogromną rolę w kulturze materialnej człowieka w okresie paleolitu i neolitu na ziemiach Polski i krajów ościennych. Krzemień pasiasty występuje w osadach górnojurajskich Gór Świętokrzyskich. Najważniejsze wychodnie i miejsca eksploatacji znaj-

dują się w ich północno-wschodnim obrzeżeniu permo-mezozoicznym, w pasie ciągnącym się od Iłży do Zawichostu (ryc. 2). Występuje również w zachodniej i południowej części regionu – w kamieniołomach Bukowej, Maćkowej Góry, Małogoszczy, Głuchowca, Morawicy, Woli Morawickiej. Redeponowany krzemień pasiasty (przeniesiony przez lodowiec) spotyka się też lokalnie w wielu miejscach omawianego obszaru, m.in. na polach w okolicach Włoszczowic, Tokarni i Bocheńca.

Historia badań Pierwsze wzmianki o występowaniu krzemienia pasiastego w wapieniach jury górnej z okolic Iłży i Prędocina pochodzą z prac badawczych Jana Samsonowicza i Stefana Krukowskiego (Krukowski, 1922; Samsonowicz, 1923). 19 lipca 1922 roku Jan Samsonowicz odkrył ogromne pole górnicze krzemienia pasiastego w Krzemionkach koło Ostrowca Świętokrzyskiego (fot. 3, 4). W latach 30. XX wieku badania geologiczne i archeologiczne były prowadzone głównie w tym rejonie. W 1930 roku Stefan Krukowski dokonał pierwszej archeologicznej charakterystyki kopalni krzemienia pasiastego w Krzemionkach. Kolejna publikacja tego autora poświęcona temu obszarowi pochodzi z 1939 roku. W 1968 roku prace badawcze na tym obszarze prowadził Janusz Kuczyński a w 1971 roku – Zdzisław Rajewski. Od lat 70. XX wieku problematyką stanowiska w Krzemionkach zajmował się Jerzy Bąbel (1975, 2003). Sławiomir Sałaciński i Marek Zalewski (1987) dokonali obszernego opisu kopalni w Krzemionkach a Andrzej Boguszewski (1984) – narzędzi krzemiennych. Z kolei Ryszard Michniak (1989, 1992) oraz Janusz Budziszewski i Ryszard Michniak (1983) zajmowali się 19

H i s to r i a krzemienia

Począwszy od lat 90. XX wieku kompleksowe badania petrograficzne, mineralogiczne, izotopowe, mikropaleontologiczne i sedymentologiczne nad genezą krzemieni oksfordzko-dolnokimeryjskich Gór Świętokrzyskich prowadził też zespół międzynarodowy pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego. Większość wyników tych badań została opublikowana w czasopismach angielskojęzycznych (Durakiewicz, Migaszewski i in., 1999; Durakiewicz i in., 2000a,b, 2001; Migaszewski, Olszewska, 2002; Sharp i in., 2002; Migaszewski, 2003; Migaszewski i in., 2006).

Fot. 3. Kopalnia w Krzemionkach koło Ostrowca Świętokrzyskiego – w ścianie chodnika widoczne ławice krzemieni

Fot. 4. Krzemień pasiasty. Krzemionki koło Ostrowca Świętokrzyskiego

zagadnieniami dotyczącymi terminologii i występowania krzemieni oraz geologii rezerwatu Krzemionki koło Ostrowca Świętokrzyskiego. Własną oryginalną koncepcję genezy krzemieni pasiastych w Krzemionkach przedstawili na podstawie badań geologicznych Grzegorz Pieńkowski i Jacek Gutowski (2004).

Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna Krzemienie występują zazwyczaj w postaci konkrecji lub równoległych warstw w skałach węglanowych. Konkrecje powstają w wyniku pierwotnej lub wtórnej akumulacji krzemionki wokół centrów krystalizacji, natomiast warstwy krzemieni tworzą się w basenie sedymentacyjnym wraz ze skałami węglanowymi. Krzemienie górnojurajskie na obszarze Gór Świętokrzyskich występują na ogół w postaci konkrecji ułożonych równolegle do biegu ławic wapieni. Dolne części konkrecji krzemieni są bardziej wypukłe niż ich odpowiedniki górne (fot. 5-7). Wyjątek stanowią krzemienie występujące w osuwiskach podmorskich rejonu Małogoszcza (Kutek, 1962; Migaszewski, Olszewska, 2002), (fot. 8). Średnica badanych konkrecji krzemieni jest zróżnicowana, choć dość stała w obrębie poszczególnych poziomów stratygraficznych. Największe konkrecje (do 2 m) występują w okolicach Ożarowa (Śródborza) i Krzemionek. W zbiorach Muzeum Geologicznego Oddziału Świętokrzyskiego Państwowego Instytutu Geologicznego w Kielcach znajduje się buła krzemienia pasiastego o średnicy około 0,7 m wydobyta przez Andrzeja Migaszewskiego i Jana Chałupczaka w kamieniołomie Śródborze (fot. 5). Mniejsze konkrecje spotyka się w Bukowej Górze (koło Małogoszcza) i Iłży, natomiast najmniejsze, o średnicy od kilku do kilkunastu centymetrów, np. w Małogoszczy, Morawicy i Wojciechówce (koło Ożarowa). Najpiękniejsze i najbardziej dekoracyjne pochodzą ze Śródborza (fot. 9), Iłży (fot. 10) i Bukowej Góry (fot. 11). Krzemienie o dużych rozmiarach charakteryzują się na ogół teksturą policentryczną (z kilkoma jądrami krystalizacji), natomiast o mniejszych rozmiarach – teksturą prostą (z centralnie położonym jądrem). Jądra krystalizacji stanowią intraklasty (okruchy osadu wapiennego) lub bioklasty (na ogół pokruszone fragmenty fauny). (fot. 12).

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Fot. 5. (A) Kamieniołom w Śródborzu, (B) Konkrecja krzemienia pasiastego w wapieniu kredowatym (mikrytowym) oksfordu górnego

Fot. 6. (A) Kamieniołom w Wojciechówce, (B, C) Konkrecje krzemienia pasiastego w wapieniu kredowatym (mikrytowym) oksfordu górnego

A B

Fot. 7. (A) Kamieniołom w Bukowej Górze, (B, C) Konkrecje krzemienia pasiastego w wapieniu oksfordu górnego

H i s to r i a krzemienia

Fot. 8. (A) Kamieniołom w Głuchowcu, (B, C) Toczeńce wapieni kredowanych, „uzbrojone” w poskręcane konkrecje krzemienia pasiastego kimerydu dolnego, (D) Fragment poskręcanej i pokruszonej konkrecji krzemienia pasiastego

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Fot. 9. Krzemień pasiasty. Śródborze koło Ożarowa, pow. opatowski

Fot. 10. Krzemień pasiasty. Iłża, pow. radomski

Fot. 11. Krzemień pasiasty. Bukowa Góra koło Małogoszczy, pow. włoszczowski

Fot. 12. Intraklasty (pozostałości osadu oraz fauny) w krzemieniu. Małogoszcz

Krzemienie pasiaste charakteryzują się obecnością przeważnie jasnoszarych, szarych i ciemnoszarych nieregularnych i naprzemianległych pasm, przypominających cebulę (z ang. onion-skin), (Sharp i in., 2002). Janusz Budziszewski i Ryszard Michniak (1984) wyróżnili w nich 4 strefy kolorystyczne oraz różne ich kombinacje (ryc. 3): 1. Przypowierzchniowa biała otoczka. 2. Peryferyczna strefa ciemna. 3. Centralna strefa jasna. 4. Jednorodny niepasiasty trzon. Na powierzchni konkrecji występuje biała, porowata, krzemionkowo-wapienna kora. Autorzy Ci stwierdzili też, że pasiastość krzemieni jest cechą wyłącznie makroskopową. Nie ujawnia się ona w obrazach mikroskopu optycznego i elektronowego. Nie występuje też niepasiasty trzon, zazwyczaj wyraźnie odcinający się od reszty konkrecji. Buły krzemienia składają się z jednolitej mineralnie, strukturalnie i teksturalnie masy skalnej, bez uprzywilejowanych

partii czy zarysowanych kierunków krystalizacji. Nie powodują też pasiastości submikroskopowe wtrącenia pigmentów mineralnych. Analizując zawartość wody i śledząc przedziały temperaturowe jej ubytku, Janusz Budziszewski i Ryszard Michniak (1984) stwierdzili, że zmniejszenie ilości wody następuje zawsze w określonym kierunku, od jednorodnego niepasiastego trzonu do białych przypowierzchniowych otoczek. Od tej właściwości uzależniają występowanie pasiastości i smużystości w krzemieniach. Najnowsze badania petrograficzne krzemieni z Gór Świętokrzyskich przy użyciu uniwersalnego mikroskopu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego z analizatorem rentgenowskim, wykonane przez zespół pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego, wykazały, że tekstura pasowa jest związana z różnym stopniem impregnacji (cementacji) porów przez wtórną krzemionkę i związanym z tym zróżnicowanym odbiciem światła. Pasy zawierające niewielką ilość mikroporów są ciemnoszare lub brunatne, 23

H i s to r i a krzemienia

a przy znacznej ich zawartości jasnoszare lub białe. Nie stwierdzono przy tym żadnego związku między barwą krzemieni a zawartością substancji organicznej, minerałów ilastych i uwodnionych tlenków i wodorotlenków żelaza (Migaszewski i in., 2006). Zewnętrzną warstewkę krzemieni pasiastych stanowi biała, porowata, dość miękka kora, o grubości od dziesiątych części milimetra do kilku centymetrów. Pod mikroskopem kora wykazuje obecność licznych porów wypełnionych kalcytem (CaCO3) i uwodnionymi tlenkami i wodorotlenkami żelaza. Pory tworzą kanaliki, ułożone prostopadle do powierzchni zewnętrznej każdej konkrecji i są skierowane promieniście do jej centrum. Ilość i wielkość porów maleje do środka konkrecji (fot. 13). Sposób ułożenia kanalików i ich zróżnicowana impregnacja (wypełnienie) krzemionką świadczą o cyklicznym jej dopływie, wytrawianiu powierzchni pasów w okresie przerw w narastaniu konkrecji (w warunkach wyższego pH) oraz zabliźnianiu kanalików w wyniku kolejnych dopływów krzemionki (przy spadku pH). Znaczna porowatość kory wynika z braku dalszego zasilania konkrecji krzemionką (Migaszewski,

2003; Migaszewski i in., 2006). Warstewki krzemieni ujawniają niekiedy mikroteksturę falistą, co świadczy o spływaniu i zgniataniu zgęstniałego żelu krzemionkowego. Niekiedy obserwuje się mikrobrekcje, złożone z okruchów pierwotnej krzemionki scementowanych wtórną krzemionką. Sporadycznie obserwuje się mikrostruktury syneryzyjne, związane z penetracją otwierających się w osadzie krzemionkowym porów i szczelin przez roztwory wzbogacone w SiO2. Niekiedy impregnacje wtórnej krzemionki przypominają geody agatowe (Migaszewski i in., 2006). W obrazie mikroskopowym krzemienie ujawniają strukturę krypto- i mikrokrystaliczną oraz teksturę mozaikowo-pseudogranularną (tzw. „sól i pieprz” z ang. salt-and-pepper), miejscami (szczególnie w zewnętrznych partiach konkrecji) teksturę włóknisto-wachlarzową lub sferolityczną (od reliktów igieł gąbek). Tło skalne stanowią kryształy kwarcu na ogół o średnicy poniżej 1 µm, w obrębie których występują gniazdowe, niekiedy druzowe skupienia złożone z kryształów kwarcu o średnicy od kilku do kilkunastu mikrometrów. W przeciwieństwie do tła skalnego, kryształy kwarcu w druzach są

1. Przypowierzchniowa biała otoczka 2. Peryferyczna strefa ciemna 3. Centralna strefa jasna 4. Jednorodny niepasiasty trzon

Ryc. 3. Strefy kolorystyczne krzemienia pasiastego, wg Budziszewski i Michniak (1984)

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

0,1 mm Fot. 13. Mikrofotografie kolejnych warstewek konkrecji krzemienia pasiastego ze Śródborza w sekwencji: (A) porowata kora (brzeg), (B) warstewka zwarta, (C) warstewka porowata, (D) warstewka zwarta (centrum). Pory tworzą kanaliki ułożone prostopadle do powierzchni zewnętrznej konkrecji i skierowane promieniście do jej centrum. Ilość i wielkość porów maleje do środka konkrecji. Strefa centralna konkrecji zawiera igły gąbek otoczone mikrosporami; widoczne także reliktowe kanalikowe pory i pseudomorfozy krzemionkowe po węglanach. Światło odbite

Fot. 14. Zdjęcia w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) konkrecji krzemienia pasiastego. Tło skalne stanowi krypto- i mikrokrystaliczny kwarc o średnicy <1 µm, w obrębie którego występują gniazdowe skupienia i druzy kryształów kwarcu o średnicy do 10 µm: (A) Śródborze, (B, C) Krzemionki, (D) Maćkowa Góra

na ogół dobrze wykształcone (fot. 14). Analizy rentgenostrukturalne wykazały, że niskotemperaturowy kwarc (α-kwarc) jest dominującym minerałem z grupy krzemionki, stanowiąc masę podstawową (matriks) krzemieni pasiastych. Morfologia krystalitów wskazuje, że kwarc ten nie jest produktem konwersji opalu i chalcedonu, lecz wytrącił się bezpośrednio z wody morskiej(!). Analizy rentgenostrukturalne ujawniły również wzrost stopnia (indeksu) krystaliczności (z ang. crystallinity index) w miarę posuwania się od powierzchni do środka konkrecji (Migaszewski i in., 2006). W pojedynczych igłach gąbek pojawia się niekiedy chalcedon-LF (SiO2) o charakterystycznej teksturze włóknisto-wachlarzowej lub sferolitycznej. Stanowi on produkt rekrystalizacji opalu (SiO2⋅nH2O). Krzemionka stanowi ponad 95% objętości badanych konkrecji. W podrzędnych ilościach występują minerały ilaste oraz uwodnione tlenki i wodorotlenki żelaza. Często spotkać można relikty igieł gąbek oraz innych skamieniałości,

w tym impregnowane krzemionką fragmenty małży, ślimaków itp. W obrębie krzemionkowego tła skalnego pojawiają się też śladowe ilości innych minerałów: kalcytu, skaleni, kwarcu, łyszczyków, glaukonitu, apatytu oraz minerałów ciężkich – cyrkonu, turmalinu i rutylu (Migaszewski i in., 2006). Należy podkreślić, że w niektórych konkrecjach krzemieni stwierdzono obecność niskotemperaturowego kaolinitu hydrotermalnego oraz pojedynczych jasnobrunatnych wyściółek organicznych otwornic (Migaszewski i in., 2006). Barwa wyściółek odpowiada około 4–5°C w dziesięciostopniowej skali FCI (Foraminiferal Colouration Index), (McNeil i in., 1996), co może świadczyć o ich termicznym podgrzaniu do temperatury ok. 80-85°C. Należy podkreślić, że w towarzyszących krzemieniom wapieniach, skorupki otwornic wykazują zabarwienie szare, bez przeobrażeń termalnych (Migaszewski, Olszewska, 2002).

5 mm

H i s to r i a krzemienia

A B

Fot. 15. Kopalnia margla w Wierzbicy, pow. radomski (A). Konkrecje krzemieni czekoladowych w południowej ścianie kamieniołomu (B)

Krzemień czekoladowy

Krzemienie czekoladowe zostały wyróżnione przez archeologa Stefana Krukowskiego (1920) w oparciu o artefakty ze stanowisk archeologicznych. Są to krzemienie o barwie woskowo-czekoladowej, ciemnobrązowej do prawie czarnej. Nie są one tak atrakcyjne pod względem jubilerskim jak krzemienie pasiaste, ale odegrały doniosłą rolę w pradziejach człowieka. Występują one również w osadach górnojurajskich Gór Świętokrzyskich na obszarze północnowschodniego obrzeżenia permo-mezozoicznego, w pasie ciągnącym się od okolic Orońska do Zawichostu, częściowo pokrywając się przestrzennie z występowaniem krzemieni pasiastych (ryc. 4). Tworzą one poziom korelacyjny powyżej krzemieni pasiastych (Pożaryski, 1948). Największe wychodnie i miejsca dawnej eksploatacji znajdują się w okolicach Orońska, Tomaszowa, Iłży, Wierzbicy (fot. 15) i Glinian koło Ożarowa. Krzemień czekoladowy jest pospolity i tworzy liczne nagromadzenia w osadach zlodowacenia środkowopolskiego oraz 26

w osadach rzecznych rozcinających zarówno złoża krzemieni in situ jak i redeponowane. Największy znany obecnie obszar krzemieni redeponowanych ma 17 km długości i obejmuje tereny między Wierzbicą a Skarżyskiem-Kam. (Budziszewski, 2008).

Historia badań Pierwszej charakterystyki krzemieni czekoladowych w oparciu o artefakty dokonał Stefan Krukowski w 1920 roku. Zainteresował on tym Jana Samsonowicza, który rozpoczął badania geologiczne utworów jurajskich z północno-wschodniego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich. Wspomniani naukowcy przeprowadzili w 1921 roku pierwsze wspólne powierzchniowe rozpoznanie w widłach Wisły i Kamiennej, odkrywając wtórne nagromadzenia krzemieni czekoladowych. W 1922 roku rozpoznali pierwsze złoża in situ w kamieniołomach rejonu Iłży, Seredzicach i Kolonii Polany oraz w strefach wietrzenia wapieni zawierających fragmenty krzemieni w okolicach

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Miocen Kreda Jura górna (portland) Jura górna (kimeryd) Jura górna (oksford górny) Jura górna (oksford dolny i środkowy) Jura dolna i środkowa Uskoki stwierdzone i domniemane Wychodnie krzemieni czekoladowych z zaznaczonymi punktami: pradziejowych pól górniczych, naturalnych odsłonięć lub kamieniołomów, powierzchniowych skupisk gruzu krzemiennego. 1. Zawichost, 2. Śródborze (pow. opatowski), 3. Łysowody (pow. ostrowiecki), 4-6. Gliniany (pow. opatowski), 7. Duranów (pow. opatowski), 8. Karolów (pow. lipski), 9-10. Prędocin (pow. radomski), 11-13. Iłża (pow. radomski), 14-15. Seredzice (pow. radomski), 16. Pakosław (pow. radomski), 17-18 Polany (pow. radomski), 19-23. Kolonia Polany (pow. radomski), 24-29. Wierzbica (pow. radomski), 30. Rzeczków (pow. radomski), 31. Tomaszów (pow. szydłowiecki), 32. Orońsko (pow. szydłowiecki), 33. Orońsko i Guzów (pow. szydłowiecki), 34-35. Guzów (pow. szydłowiecki), 36-37. Chronów Kolonia (pow. szydłowiecki) Ryc. 4. Występowanie krzemienia czekoladowego na tle podczwartorzędowych osadów północno-wschodniego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, wg Budziszewski (2008); uproszczona

Iłży, Wierzbicy i Orońska. W następnym roku zbadali obszar od Iłży do Zawichostu, lokalizując kolejne miejsca wychodni krzemieni w Karolowie i na „Wzgórzu Kruk” w Glinianach (fot. 16). Badania kontynuowano w 1939 roku a ich wynikiem było odkrycie wychodni w Duranowie i Zawichoście. W 1939 roku północno-zachodnią część tej wychodni badał również Stefan Zbigniew Różycki (vide Budziszewski, 2008). Z innych badań należy wymienić szczegó-

łowe prace kartograficzne na obszarze między Iłżą i Bałtowem wykonane przez Władysława Pożaryskiego (opublikowane w 1948 roku). Ze względu na swoje zaangażowanie w pracach w kopalni krzemienia pasiastego w Krzemionkach, Stefan Krukowski powrócił do badań nad krzemieniem czekoladowym w rejonie Orońska, Tomaszowa i Wierzbicy dopiero w latach 1934-1948. Po II wojnie światowej szeroko zakrojone badania osadów jury górnej z oko-

H i s to r i a krzemienia

Fot. 16. Krzemień czekoladowy. Gliniany koło Ożarowa, pow. opatowski

Fot. 17. Krzemienie czekoladowe. Kamieniołom cementowni „Wierzbica”, pow. radomski

lic Iłży wykonała Zofia Dąbrowska (1983). Badania krzemienia czekoladowego w części wymienionego pasa wychodni od doliny Kamiennej po Nowe Miasto nad Pilicą podjął po dłuższej przerwie w 1971 roku Romuald Schild. Prace naukowe w znanych już wychodniach i w miejscach dawnej eksploatacji krzemieni były kontynuowane przez archeologów w latach 90. XX wieku. Obecnie dalszych badań zaniechano. Jedynie Jerzy Libera i Anna Zakościelna kontynuują wykopaliska w pracowniach krzemieniarskich na terenie Pawłowa. Historię badań krzemienia czekoladowego opisał szczegółowo w swoim opracowaniu Janusz Budziszewski (2008), na które powołali się autorzy niniejszego opracowania.

Krzemienie czekoladowe mają korę, której grubość rośnie (w różnym stopniu) wzdłuż wychodni w kierunku południowowschodnim. Barwa krzemieni zmienia się niezależnie od formy buł. Wydaje się, że wiąże się ona ze stopniem odsłonięcia osadów zawierających krzemienie. W głębszych partiach profilu, np. w kamieniołomie cementowni „Przyjaźń” w Wierzbicy, krzemienie czekoladowe są prawie czarne (fot. 17). Z kolei krzemienie występujące na powierzchni lub w partiach przypowierzchniowych mają barwę jaśniejszą. W osadach redeponowanych (polodowcowych) okolic Tomaszowa i Orońska są jaśniejsze – ciemnożółtobrązowe. Jeżeli w przyszłości potwierdzą to badania fizykochemiczne, to barwa krzemieni może być cechą wtórną, zależną od procesów wietrzenia osadów jurajskich w paleogenie, neogenie lub plejstocenie (Budziszewski, 2008). Krzemienie czekoladowe charakteryzują się niską mikrotwardością, wyraźnie niższą niż krzemieni jurajskich podkrakowskich, a podobną do krzemieni kredowych (turońskich) z Kars i Janikowa, wyróżniając się jednocześnie dość dużą porowatością (Stawin, 1970). Wykazują natomiast dobrą łupliwość, zaledwie dwukrotnie niższą od obsydianów uznawanych za najlepsze w obróbce. Krzemienie czekoladowe przewyższają pod tym względem krzemienie pasiaste i świeciechowskie. Należy podkreślić, że pomimo tak niskich parametrów technicznych i małej przydatności do wyrobu narzędzi, odpornych na duże obciążenia, jak np. siekier, cioseł lub grac, „czekolada” cieszyła się niezwykłą popularnością w pradziejach. Dzięki dobrej łupliwości z krzemieni tych wytwarzano drobne narzędzia odłupkowe i wiórowe (Budziszewski, 2008).

Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna Pierwsi badacze krzemienia czekoladowego (Krukowski, 1920; Samsonowicz, 1923) stwierdzili, że przybierają one różną formę. Występują w postaci płaskur (niesłusznie nazywane warstwami) o grubości do kilku, niekiedy kilkunastu centymetrów i długości do kilku metrów. Towarzyszą im zazwyczaj niewielkie buły o formach plackowatych lub stożkowatych. Dość często spotyka się poziomy składające się z gęsto upakowanych niewielkich buł o bardziej nieregularnych „kończystych” kształtach, przypominające poziomy turońskich krzemieni z Janikowa koło Ożarowa (Michniak, 1980). W rozkładzie przestrzennym różnych odmian nie można doszukać się żadnej prawidłowości. W większości przypadków różnice w formie skupień wynikają zapewne z różnej ich genezy. Można więc sądzić, że skały określane przez archeologów mianem „krzemieni czekoladowych” powstawały w wyniku różnych procesów zachodzących w basenie morskim o zróżnicowanych warunkach sedymentacji. 28

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Krzemienie kredowe (turońskie) prawobrzeża środkowej Wisły (krzemienie świeciechowski i gościeradowski)

Krzemienie nakrapiane, barwy szarej (fot. 18), występują w opokach kredowych wieku turońskiego na obszarze antykliny rachowskiej i gościeradowskiej, między Annopolem, Świeciechowem Poduchownym (dawniej Świeciechów-Lasek), Wymysłowem i Wólką Gościeradowską Najliczniejsze odsłonięcia tych krzemieni występują w Świeciechowie Poduchownym na skraju wzgórza, zbudowanego z opok zawierających czerty płytowe i ławice dwóch rodzajów krzemienia – szarego jasnonakrapianego i czarnego (Balcer, 1971). Chociaż Świeciechów leży na obszarze zaliczanym do krawędzi Wyżyny Lubelskiej, to jego podłoże należy do obrzeżenia permo-mezozoicznego Gór Świętokrzyskich. Tak jak cechą rozpoznawczą krzemieni pasiastych są piękne desenie, tak charakterystycznym walorem krzemieni świeciechowskich i gościeradowskich są jasne kropki i plamki nierównomiernie rozproszone w szarej masie krzemionki (ryc. 5).

Historia badań Krzemienie turońskie tego obszaru zostały odkryte w 1923 roku przez geologa Jana Samsonowicza, który dokonał ich wstępnej analizy makroskopowej oraz złożowej. Naukowiec opisał rejon Świeciechowa, jako główne miejsce eksploatacji prahistorycznej

Fot. 18. Krzemień swieciechowski. Świeciechów Poduchowny, pow. kraśnicki

krzemienia. Wkrótce po tym odkryciu, Stefan Krukowski wykonał wstępne badania w rejonie kopalni. W 1963 roku Zygmunt Krzak prowadził w Świeciechowie badania powierzchniowe, które w owym czasie stanowiły najobszerniejszą analizę kopalni (Krzak, 1965; Balcer, 1971). W latach 1963-1967 i w 1970 roku w związku z badaniami osadnictwa neolitycznego Wyżyny Sandomierskiej, kopalnia stała się miejscem zainteresowania naukowców z Państwowego Muzeum Archeologicznego w Warszawie. Szczegółowe badania prowadzili Bogdan Balcer, Jan Gruba i Jan Kowalczyk. Prace archeologiczne są kontynuowane przez badaczy z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, m.in. przez Jerzego Liberę, Marka Florka, Annę Zakościelną i Barbarę Bargieł.

Paleogen

Jura górna

Kreda górna - kampan

Jura środkowa

Kreda górna - santon

Jura dolna

Kreda górna - koniak

Uskoki stwierdzone i domniemane

Kreda górna - turon

Kopalnie krzemienia

Ryc. 5. Występowanie krzemienia świeciechowskiego i gościeradowskiego na tle podczwartorzędowych osadów północno-wschodniego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich, wg Libera i Zakościelna (2002)

H i s to r i a krzemienia

Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna W złożu pierwotnym, czyli w opokach kredowych (turońskich), krzemień występuje w postaci spłaszczonych bulastych konkrecji o średnicy do 50 cm. Na ogół nie mają one kory a ich ścianki tworzą gładkie i lekko chropowate warstewki opoki lub czertu, niekiedy do 4 cm grubości. Większość spotykanych na powierzchni złoża krzemieni (tzw. surowiaki) powstało w wyniku wietrzenia i rozpadu konkrecji. Są one ostrokrawędziste o nieregularnych kształtach (Libera, Zakościelna, 2002). W paleogenie i neogenie doszło do odwapnienia warstwy opoki o miąższości około 30 m. Powstały rumosz skalny zawierał najbardziej odporne na wietrzenie krzemienie. Przetrwały one w znacznej ilości, tworząc bardzo bogate, wtórnie wzbogacone złoże w stosunku do złoża pierwotnego (Balcer, 1971). Występowanie tych krzemieni w płytkich partiach zwietrzeliny miało decydujący wpływ na stosowaną metodę eksploatacji, która sprowadzała się do głębienia szybików lub rowów. Krzemienie świeciechowskie i gościeradowskie wyróżniają się barwą – dominują konkrecje szare jasnonakrapiane, plamiste. Dość duże zróżnicowanie tekstury i odcieni występujących w tym rejonie krzemieni, stało się podstawą do wyróżnienia kilku ich odmian: • krzemień szary, jasnokropkowany, zwany świeciechowskim, a dawniej rachowskim od starej nazwy Annopola, • krzemień szary plamisty, zwany gościeradowskim, • krzemień szary, bez kropkowania i plamistości, • krzemień czarny (czarniawy). Barwa krzemieni zmienia się często od jasnoszarej, poprzez różne jej odcienie do brązowawej i niebieskawej. Występujące białe lub jasnoszare kropki i plamki mają na ogół średnicę około 1 mm. Przełam krzemieni jest muszlowy i gładki. Charakteryzują się dobrą łupliwością, ale mniejszą odpornością na ścieranie. Badania mikroskopowe wykazały, że krzemienie świeciechowski i gościeradowski mają strukturę kryptokrystaliczną, miejscami sferolityczną oraz plamistą i reliktowo organogeniczną. Budują je mikrokrystaliczne agregaty niskodwójłomnego chalcedonu i drobne skupienia opalu. Oprócz krzemionki stwierdzono również występowanie kalcytu, który nadaje nakrapianą, plamistą strukturę, jak również kwarcu i pirytu. Dodatkowo występuje kolofan (koloidalny fosforan wapnia), substancja bitumiczno-ilasta oraz uwodnione tlenki i wodorotlenki żelaza. Obie odmiany: świeciechowska i gościeradowska są do siebie podobne, różnią się tylko ilościowym składem mineralnym (Libera, Zakościelna, 2002).

Odmienne właściwości wykazuje krzemień czarny, występujący na terenie złóż krzemienia świeciechowskiego. Przyjmuje on formę płytkowych konkrecji o jednolitej ciemnoszarej, wręcz czarnej barwie, bez wyraźnego kropkowania i plamistości. Krzemień łatwo się kruszy, ujawniając przełam sześcienny, nierówny, rzadko połyskliwy. Jest mało znany i rzadko używany do produkcji narzędzi. Krzemień świeciechowski jest skałą syngenetyczną utworzoną w basenie sedymentacyjnym, natomiast krzemień czarny jest skałą epigenetyczną powstałą po lityfikacji (stwardnieniu) osadu.

Krzemienie kredowe (turońskie) okolic Ożarowa (krzemień ożarowski)

Prawdopodobnie małe rozmiary i bliskość dużych kopalń krzemienia w Krzemionkach koło Ostrowca Świętokrzyskiego i w Świeciechowie spowodowały, że przez dłuższy czas kopalnia w Ożarowie była zapomniana przez archeologów. Wstępną jej charakterystykę przedstawił w 1970 roku Zygmunt Krzak na podstawie badań wykonanych w 1960, 1967 i 1968 roku (Krzak, 1970). Jak pisze sam autor, informację o kopalni uzyskał od Stefana Krukowskiego; o jej istnieniu nadmieniał również Kazimierz Salewicz w artykule z 1937 roku. Kopalnia należy do grupy podobnych obiektów zlokalizowanych w osadach kredowych wieku turońskiego, które tworzą izolowane zgrupowania między dolnym biegiem Kamiennej a Wisłą. W rejonie Ożarowa zajmują one powierzchnię kilku kilometrów kwadratowych. W osadach tych występują konkrecje lub warstwy krzemienia. Krzemień szary plamisty (ożarowski), (fot. 19) jest barwy szarej z odcieniem brunatnym, miejscami jasny z rozmytymi ciemnymi cętkami lub pasemkami. Nie zawiera kory, lecz cienkie warstewki wapienia. Średnica konkrecji waha się od 10 do 20 cm. Ich powierzchnia jest nierówna z drobnymi wyrostkami. Inną eksploatowaną odmianą był krzemień ciemnoszary o dość jednolitej barwie z licznymi wewnętrznymi spękaniami. Podobny krzemień występuje w Karsach, na północ od Ożarowa (fot. 20). Pod względem przydatności do produkcji narzędzi przewyższa krzemień szary plamisty. Krzemień ożarowski nie był najlepszym materiałem do produkcji narzędzi, ustępował pod tym względem krzemieniom pasiastym, czekoladowym i świeciechowskim. Jego wyroby mają niewielki i tylko lokalny zasięg (Krzak, 1970). Na uwagę zasługują też krzemienie z kopalni wapienia w Janikowie (na południowy-wschód od Ożarowa), (fot. 21, 22),

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d Z a j e , w y s t ę P o wa n i e i g e n e Z a K R Z e M i e n i . Z a R y s P R o b l e M at y K i

Fot. 19. (A) Wychodnia krzemienia. Ożarów, pow. opatowski

Fot. 19. (B) Krzemień ożarowski

gdzie występują w rytmicznie pojawiających się warstwach w postaci buł, powstałych w wyniku rozerwania pierwotnie ciągłych przeławiceń krzemionkowych (Michniak, 1989). Były one przedmiotem eksploatacji w neolicie. Pierwsze informacje o ich eksploatacji w pradziejach pochodzą z 1952 roku, kiedy to przypadkowo natrafiono na puste przestrzenie w ścianach kamieniołomu, określone przez odkrywców jako jaskinie, a w rzeczywistości będące wyrobiskami górniczymi. W połowie lipca 2008 roku Janików odwiedziła grupa badaczy z Instytutu Archeologii i Etnologii Polskiej Akademii Nauk (prof. Romuald Schild, Halina Królik), dr Piotr Włodarczak z krakowskiego oddziału tego Instytutu i dr hab. Jerzy Libera z Instytutu Archeologii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie. Archeolodzy odkryli w litej skale szyb zasypany gruzem skalnym. Ma on głębokość 9,5 m, co stanowi o jego wyjątkowości, ponieważ najgłębsze szyby odkryte w Krzemionkach

Fot. 19. (C) Krzemień ożarowski

osiągają głębokość 9 m. Szyb przecina zwarte warstwy skalne i na dole rozszerza się w komorę. W najbliższej przyszłości rozpoczną się specjalistyczne badania na tym stanowisku (Olszewska, 2008, PAP).

Krzemień jurajski-podkrakowski

Najpospolitszą skałą krzemionkową w południowej części Jury Polskiej (Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej) i na obszarach przyległych są krzemienie. Najczęściej spotykane krzemienie pochodzą z jury górnej (oksfordu), (ryc. 6 ), (fot. 23, 24). Występują w wapieniach oraz w złożu wtórnym w strefie ich wietrzenia oraz w glinach eluwialnych, zlepieńcach i żwirach. We wschodniej części Wyżyny Krakowskiej występują też geologicznie młodsze krzemienie (jak również czerty) w marglach górnokredowych (kampanu) oraz w marglach jeziornych neogeńskich (tortońskich) z doliny rzeki Naramki. Krzemienie mają barwę od żółtawych przez szare do brązowych i czarnych.

H i s to r i a krzemienia

Fot. 20. Kamieniołom wapienia w Karsach, gm. Ożarów pow. opatowski

Fot. 21. Kamieniołom detrytycznych wapieni mszywiołowych w Janikowie koło Ożarowa, pow. opatowski. Widoczne równoległe ławice krzemieni

Fot. 22. Kamieniołom detrytycznych wapieni mszywiołowych w Janikowie – krzemienie

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Miocen Kreda Jura Utwory starsze od jury Kopalnie krzemienia

N Ryc. 6. Mapa geologiczna odkryta południowej części Jury Polskiej i terenów sąsiednich z lokalizacją prahistorycznych kopalń krzemienia, wg Lech (1980)

Historia badań Krzemienie z okolic Krakowa opisywano na ogół przy okazji badań skał węglanowych. Pierwsze obserwacje i wypływające z nich refleksje naukowe związane są z pracami Stanisława Staszica. W rozprawie z 1805 roku, charakteryzując jaskinie Ojcowa, napisał: W warstwach górniejszych widać wielkie mnóstwo krzemieni. Te są rozmaitego kształtu, sadzą się jak sęki w opoce, zawsze stosownie z ławicy pochyłej. W 1815 roku Stanisław Staszic rozszerzył swoje wstępne obserwacje: Te mają dziwaczne kształty, niby to zlane, różnie się kręcące; czasem podobieństwo ukazują do rogów; w wielu miejscach w opoce wapiennej leżą w największym porządku, równoległymi do siebie rzędami w pewnej odległości; czasem w samej opoce wapiennej, jakby gwoździe nabite, stoją szeregiem, czasem między warstwami wapienników leżą jakby kliny, albo sęki. Pierwszą charakterystykę krzemieni podał Jerzy Bogumił Pusch

w 1830 roku. Omówił zróżnicowanie ich kształtu, barwy, obecność kory oraz występowanie próżni wypełnionych kryształami kwarcu (fot. 23), które słusznie uważał za epigenetyczne (późniejsze) w stosunku do konkrecji krzemiennej. W kolejnym opracowaniu z 1836 roku przedstawił wstępny podział krzemieni jurajskich. Pusch uważał, że są one pochodzenia syngenetycznego z wapieniami, podobnie jak Ludwig Zejszner (1841). Po większym zainteresowaniu krzemieniami okolic Krakowa w I. poł. XIX wieku nastąpił 25-letni okres stagnacji w badaniach tych zagadkowych skał. Dopiero w opracowaniu Geologie von Oberschlesien Ferdynanda Roemera z 1870 roku (vide Lech 1980) dotyczącym wapieni Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej opisano krzemienie i czerty. Kolejne prace przedstawili, m.in. Józef Siemiradzki (1903, 1909) i Jan Lewiński (1913). Do problemu występowania i podziału krzemieni powrócił w 1920 roku Stefan Krukowski, który wydzielił dwa rodzaje jurajskich skał krzemionkowych, podając jako podstawowe kryterium podziału, takie cechy jak: przejrzystość, przełam, barwa i rodzaj kory. Pierwszy to tzw. petrosilex, prawie zupełnie nieprzeświecający o przełamie szorstkim, lekko zadziorowatym, brunatnobiały i siny. Drugi mniej lub bardziej przeświecający z rzadkimi białymi wtrąceniami w formie kropek, przełamie na ogół gładkim i matowym oraz o barwie bardzo zróżnicowanej od brunatnoczarnej do białej. Pierwszą pracę prezentującą wyniki badań petrograficznych i chemicznych przedstawił w okresie międzywojennym Antoni Gaweł (1925). Kolejne większe opracowania geologiczne, w których opisywano również krzemienie były autorstwa Stanisława Dżułyńskiego (1952), Stefana Alexandrowicza (1955), Ryszarda Gradzińskiego (1962), (vide Lech, 1980). Studia nad krzemieniem prowadzili Małgorzata Kaczanowska i Janusz K. Kozłowski (1976). Wyczerpującą syntezę dotyczącą warunków geologicznych występowania krzemieni w tym rejonie oraz bardzo szczegółową historię badań przedstawił Jacek Lech (1980), na którą powołali się autorzy niniejszego opracowania.

Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna Krzemień jurajski-podkrakowski występuje w postaci bulastych konkrecji o średnicy do 50 cm (zwykle 10-30 cm). Ma on różny kształt, przeważnie nieregularny, kulisty, owalny z różnokształtnymi wyrostkami. Na jego powierzchni zawsze występuje twarda otoczka chalcedonowo-wapienna, tzw. kora, o grubości do 10 mm (na ogół 1-3 mm), barwy białej niekiedy z nalotami żelazistymi i manganowymi (Lech, 1980). Barwa masy krze33

H i s to R i a KRZeMienia

Fot. 23. Krzemień jurajski-podkrakowski. Łazy koło Jerzmanowic, pow. krakowski

Fot. 24. Geoda z kryształami kwarcu w krzemieniu. Łazy koło Jerzmanowic, pow. krakowski

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

miennej jest zróżnicowana – od żółtawej przez jasnoszarą, niebieskawą, niebieskoszarą, szarą, popielatą, brązową, brunatną do prawie czarnej. Dominuje barwa brązowa w różnych odcieniach, podobna do krzemieni czekoladowych z północno-wschodniego obrzeżenia Gór Świętokrzyskich. Podobieństwo to było często przyczyną niewłaściwego określania pochodzenia niektórych wyrobów krzemiennych jurajskich-podkrakowskich i czekoladowych (Schild, 1971). Niektóre z krzemieni zmieniają barwę w wyniku procesów wietrzenia. Zmiany te zaczynają się od powierzchni konkrecji i przechodzą do jej wnętrza w zależności od takich czynników jak: zawartość substancji bitumicznych lub stopień porowatości krzemienia. W cienkich odłupkach możemy obserwować przezroczystość i zmętnienia, które są charakterystyczne dla większości krzemieni jurajskich-podkrakowskich. Na ich powierzchni pojawiają się też różnokształtne plamki. Przełam jest muszlowy, gładki, miejscami nierówny. W niektórych złożach konkrecje krzemieni często zawierają próżnie wypełnione epigenetyczną (wtórną) bezpostaciową krzemionką lub krystalicznym kwarcem. Struktura krzemieni jest krypto- lub mikrokrystaliczna, niekiedy plamista, sferolityczna reliktowo-organogeniczna (ze szczątkami fauny). Głównym składnikiem skały jest chalcedon. Minerały akcesoryczne są reprezentowane przez kwarc, opal, kalcyt, leukoksen, piryt, markasyt, uwodnione tlenki i wodorotlenki żelaza i substancję bitumiczną. Szczątki fauny stanowią najczęściej igły (spikule) gąbek, rzadziej wyściółki otwornic i pancerzyki radiolarii (Lech, 1980). Krzemienie jurajskie-podkrakowskie charakteryzują się wysoką twardością (Stawin, 1970).

Krzemień bałtycki

Brak jest danych mineralogicznych o krzemieniach bałtyckich. Ich obecność odnotowują archeolodzy w wyrobach krzemiennych. Nie prowadzono dotąd szczegółowych badań wyjaśniających pochodzenie krzemieni bałtyckich. Istnieją rozbieżności dotyczące klasyfikacji tego krzemienia. Bogdan Balcer (1983) wyróżnił następujące odmiany krzemienia bałtyckiego: • krzemień kredowy północno-zachodni, tzw. rugijski (nazwa pochodzi od wyspy Rugia w Niemczech, gdzie znajdują się jego naturalne wychodnie), • krzemień kredowy północno-wschodni, występujący na północ od Wyżyny Lubelskiej i na wschód od Wisły, w krach kredowych (będących fragmentami ławic skał węglanowych oderwanych od podłoża i przetransportowanych przez lodowiec),

• krzemień bałtycki odmiany A w postaci dużych okruchów, często o niebieskoszarym zabarwieniu, • krzemień bałtycki odmiany B (krzemień pomorski) z Pomorza Środkowego i Wschodniego w postaci drobnych otoczaków, tzw. „jaskółczych chlebków” (fot. 25), • krzemień śląsko-morawski i nadwarciański, występujący w morenach południowo-zachodniej i północno-zachodniej Polski, • pospolity krzemień narzutowy bałtycki występujący na całym Niżu Polski w postaci drobnych okruchów. Lokalizację krzemieni bałtyckich przedstawiono na ryc. 1. Wstępną geologiczną klasyfikację krzemieni występujących na Pomorzu przedstawił Leszek Jurys (2006). Autor krytycznie odniósł się do podziału Bogdana Balcera, kwestionując, m.in. brak różnic między krzemieniem narzutowym bałtyckim i krzemieniem bałtyckim odmiany B oraz nieprecyzyjnym określeniem odmiany A zarówno pod względem cech petrograficznych jak i lokalizacyjnych. Krzemienie bałtyckie nie były surowcem najwyższej jakości ze względu na ich podatność na procesy wietrzenia od czasu zlodowaceń.

Krzemienie dewońskie i karbońskie

Najbardziej znane są krzemienie mezozoiczne (jurajskie i kredowe) ze względu na wykorzystanie ich do produkcji narzędzi w pradziejach. Geologom znane są jednak krzemienie występujące w osadach innych okresów geologicznych, m.in. w dewonie, karbonie, triasie, paleogenie i neogenie. Dość dobrze rozpoznano krzemienie w osadach dewońskich i karbońskich, m.in. z Gór Świętokrzyskich oraz z południowo-zachodniej części Wyżyny Krakowskiej i sąsiadującej z nią Wyżyny Śląskiej (Lech, 1980; Migaszewski i in., 1999). W dewonie środkowym i górnym Gór Świętokrzyskich występują dwie odmiany litologiczne skał krzemionkowych. Szare i brunatne, nieregularne gruzły i płaskury oraz warstewki o grubości kilkudziesięciu centymetrów, m.in. z Zagnańska, Góry Zamkowej w Chęcinach i Kostomłotów. Występują one w postaci szarych i brunatnoszarych, nieregularnych impregnacji szkieletów stromatopor i koralowców oraz bioklastów (fragmentów ramienionogów, liliowców, gąbek) oraz niewielkich skupień przechodzących w skałę otaczającą (czerty). Z wymienionych dwóch odmianach dominują jednak krzemienie. Skały krzemionkowe karbonu dolnego są reprezentowane głównie przez łupki krzemionkowe, radiolaryty i lidyty (Migaszewski i in., 1999). 35

H i s to R i a KRZeMienia

Fot. 25. Krzemień bałtycki, tzw. „jaskółczy chlebek”, nazywany również krzemieniem pomorskim. Władysławowo (przylądek Rozewie), pow. pucki

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

GENEZA KRZEMIENI

Krzemienie należą do jednych z najbardziej zagadkowych skał osadowych. Mimo wieloletnich szeroko zakrojonych badań, kilka kwestii pozostało dotąd nierozwiązanych, a w szczególności dotyczących źródła krzemionki oraz temperatury i tempa jej krystalizacji. Należy przypuszczać, że krzemienie tworzą się w szerokim przedziale warunków fizykochemicznych i dlatego też nie można stosować dla nich jednego uniwersalnego modelu genetycznego. Przy odtwarzaniu warunków powstawania krzemieni należy uwzględnić też fakt, że krzemienie i ich macierzyste skały węglanowe reprezentują dwa odmienne środowiska geochemiczne. Kolejnym paradoksem jest występowanie krzemieni w odległych od brzegu strefach mórz i oceanów, mimo że krzem należy w wodzie morskiej do pierwiastków śladowych (6 µg/g). Odpowiedzi na te pytania nie uzyskamy na podstawie analizy wewnętrznej budowy konkrecji przy użyciu tradycyjnych metod badawczych. Wynika to z faktu, że utwory konkrecyjne, jako ciała stale narastające, mogą powstać na drodze krystalizacji materii od środka na zewnątrz lub vice versa. Kontrowersje budzą też poglądy dotyczące relacji czasowych i przestrzennych między krzemieniami a ich osadami macierzystymi, czy konkrecje tworzyły się na etapie: (1) sedymentacyjno-wczesnodiagenetycznym (w trakcie sedymentacji), (2) diagenetycznym (pod przykryciem osadami w zbiorniku morskim) lub (3) epigenetycznym (po wypełnieniu zbiornika osadami i ich wydźwignięciu). W 1917 roku William A. Tarr (vide Bolewski, Turnau-Morawska, 1963) przedstawił teorię o rzeczno-morskim pochodzeniu krzemieni. Zdaniem wymienionego autora, krzemienie powstały na drodze transportu krzemionki przez wody rzeczne, a następnie chemicznego wytrącania w głębszych partiach zbiornika morskiego. Teoria ta została potwierdzona w latach 50. XX wieku przez Williama H. Twenhofela w 1951 roku (vide Bolewski, Turnau-Morawska, 1963). Według obydwu autorów rola organizmów krzemionkowych w tworzeniu się krzemieni była podrzędna. Szczątki organizmów miały zatapiać się w wytrąconej krzemionce pod wpływem procesów chemicznych. W 1989 roku Ryszard Michniak podjął próbę usystematyzowania i uporządkowania dotychczasowych poglądów i teorii dotyczących powstawania krypto- i mikrokrystalicznych form krzemionki. W ówczesnych klasyfikacjach genetycznych wyróżniano krzemienie wczesno- i późnodiagenetyczne. Różni autorzy odmiennie przedstawiali też procesy inicjujące diagenezę oraz nie-

właściwie określali genezę wszystkich krzemieni na drodze konkrecyjnej. Wymieniony autor opisał trzy możliwości powstawania konkrecji krzemieni: 1. Krzemienie śródwarstwowe tworzące się w osadzie lub w zwięzłej skale w wyniku aktywności jąder (ośrodków) krystalizacji, rozrastających się dzięki dyfuzyjnemu wyrównywaniu stężeń roztworów porowych. 2. Krzemienie będące konkrecjami dennymi, tworzącymi się na granicy różnych środowisk geochemicznych (krzemionka ulegała wytrąceniu z roztworów pochodzenia morskiego i lądowego). 3. Krzemienie stanowiące nagromadzenie warstwowo ułożonego żelu krzemionki, wtórnie porozrywanego na izolowane fragmenty w wyniku procesów rekrystalizacji i odwodnienia (zmniejszenia objętości) pod wpływem nacisku skał nadległych. Ryszard Michniak stwierdził również, że wszystkie utwory konkrecyjne mają budowę strefowo-koncentryczną. Struktura ta może być pochodzenia pierwotnego (wzrostowa) lub wtórnego (diagenetyczna). Często strefy te przenikają się wzajemnie w obrębie tej samej konkrecji. Takiej struktury nie wykazują krzemienie sedymentacyjne o genezie niekonkrecyjnej. Ich części wewnętrzne są jednorodne, a ewentualne przeobrażenia diagenetyczne zaznaczają się jednokierunkowo – zgodnie z pierwotnym ułożeniem warstwy żelu krzemionkowego. Więcej danych o genezie krzemieni dostarcza analiza strefy kontaktowej konkrecji krzemieni i ich skał macierzystych. Konkrecje śródwarstwowe mają zawsze białą korę, złożoną z trudniej wypieranych składników skał węglanowych i rozszerzającej swój zasięg krzemionki. Należy podkreślić, że kora ta nie ma nic wspólnego z opisaną białą korą konkrecji krzemieni stanowiącą ich integralną część. Z kolei konkrecje denne pozbawione białej kory wykazują podobieństwo genetyczne do konkrecji manganowych. Część górna wzrasta wolniej w wyniku powolnego obmywana prądami wodnymi, natomiast część dolna zanurzona w osadzie wzrasta szybciej, co prowadzi do powstania konkrecji asymetryczno-dyskoidalnych lub bochenkowatych. Na odsłoniętej powierzchni i wewnątrz buł oraz w partiach przykrytych występują wianki „mikrokonkrecji”. Powstały one w wyniku redepozycji (przemieszczania) buł oraz ich toczenia lub wleczenia po dnie morskim. Formy grzybiaste, grzybopodobne lub nieregularne z różnokierunkowymi odrostami są najbardziej rozpowszechnione wśród krzemieni sedymentacyj-

H i s to r i a krzemienia

Fot. 26. Promienice (Radiolaria) – zwierzęta planktoniczne. Nieliczne gatunki są nagie, pozostałe mają szkielet zbudowany z krzemionkowych igiełek lub płytek w różnym kształcie. Wielkość około 0,2 mm

nych. Występowanie i ukształtowanie białej kory wśród krzemieni sedymentacyjnych zależy od charakteru osadu podściełającego i przykrywającego oraz od stopnia plastyczności krzemionki w momencie jej rozrywania. Według Ryszarda Michniaka (1989) kolejnym wskaźnikiem pochodzenia krzemieni może być kształt buł. Konkrecje śródwarstwowe tworzą zwarte skupienia elipsoidalne, kuliste i nieregularne. Zachowują one kształt pierwotny i nie ulegają spłaszczeniu. Na uwagę zasługuje też fakt, że konkrecje kredowe (występujące przeważnie w opokach) mają mniej zwarte kształty niż konkrecje jurajskie (spotykane najczęściej w wapieniach). Stanisław Kwiatkowski (vide Michniak, 1989) uzależniał kształt konkrecji krzemieni od gęstości i stopnia jednorodności macierzystych osadów. Jego zdaniem, krzemienie o kształtach regularnych i elipsoidalnych powstawały w osadach jednorodnych, o wyrównanej gęstości i równomiernym rozproszeniu materii organicznej.

Grzegorz Pieńkowski i Jacek Gutowski (2004) upatrują źródło krzemionki w procesie rozkładu minerałów ilastych na etapie wczesnej diagenezy. Produktem tego procesu byłby kwas ortokrzemowy (H4SiO4) i krzemionka koloidalna. Roztwór zawierający te dwa podstawowe składniki przenikał w głąb osadu, gdzie w miejscach rozkładu materii organicznej (spadku pH) dochodziło do zmniejszenia rozpuszczalności kwasu ortokrzemowego i wytrącenia żelu krzemionkowego, który z czasem uległ odwodnieniu i przekształceniu w krzemień. Centrami krystalizacji krzemionki miały być nory wytworzone w osadach przez organizmy żywe (głównie skorupiaki). Zdaniem wymienionych autorów, wytrącanie krzemionki zachodziło w obrębie materii organicznej (nagromadzonej wokół nor), która w czasie rozkładu powodowała lokalny spadek pH (ryc. 7). Istnieje jednak wiele innych poglądów na temat źródeł krzemionki warunkującej powstanie konkrecji krzemieni. Na szczególną uwagę zasługują w tym względzie następujące teorie (Durakiewicz i in., 2001; Migaszewski i in., 2006; Migaszewski, Migaszewski, 2008 i literatura tam cytowana):

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

Fot. 27. Spikule (igły) gąbek krzemionkowych. Rozróżnia się mikrosklery, które są luźnymi igłami, rozrzuconymi między elementami głównego szkieletu o wymiarach 0,01-0,1 mm oraz megasklery będące zasadniczym elementem szkieletu i osiągające 0,1-1 mm

Fot. 28. Fragment szkieletu krzemionkowego gąbki z rodzaju Euplactella sp. o długości 10 cm

H i s to r i a krzemienia Kwas ortokrzemowy rozpuszczony w wodzie

a) Żel krzemionkowy wytrącany jest na dnie zbiornika b) Gwałtowne wytrącanie żelu krzemionkowego w norach skorupiaków, w związku ze spadkiem pH (powstałym w wyniku rozkładu materii organicznej w systemach nor i kanałów)

a) Przesycenie roztworu przy spadku pH - nadmiar przechodzi w stan koloidalny (zol) b) Przenikanie wody z kwasem krzemowych w głąb osadu

Odwodniony żel przekształca się w kwarc oraz jego skrytokrystaliczną odmianę – chalcedon, które stanowią mineralne tworzywo krzemieni a) Na dnie zbiornika b) W norach i kanałach

Nory skorupiaków znajdujące się w stropie chodnika kopalni w Krzemionkach, zachowane w formie konkrecji krzemionkowych (krzemieni) Ryc. 7. Opracowano na podstawie: (a) Michniak (1989), (b) Pieńkowski i Gutowski (2004)

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

1. Teoria „upwellingu” – rozwoju organizmów krzemionkowych w strefach wznoszenia się prądów morskich z głębszych do płytszych partii zbiornika morskiego. 2. Teoria transportu krzemionki koloidalnej przez prądy denne z delt i estuariów do głębszych partii zbiorników morskich. 3. Teoria rozpuszczania krzemionki zawartej w okrzemkach, radiolariach i/lub gąbkach, a następnie jej przemieszczania i powtórnego wytrącania się w obrębie wyżej położonych serii skalnych na etapie diagenezy lub epigenezy (fot. 26-29) 4. Teoria mieszania się wód morskich i słodkich oraz krążenia w basenie zhybrydyzowanych wód zawierających krzemionkę. 5. Teoria hydrotermalna, czyli powstawanie konkrecji krzemieni w wyniku działalności podmorskich źródeł hydrotermalnych, zasilających zbiornik w roztwory wzbogacone w krzemionkę. Wymienione teorie odnoszą się do różnych miejsc występowania krzemieni na świecie. W przypadku krzemieni świętokrzyskich występujących w osadach jury górnej obydwie teorie (1) „upwellingu” i (2) transportu krzemionki przez prądy denne są trudne do udowodnienia ze względu na brak odpowiednich przesłanek batymetrycznych (głębokości i reliefu dna morskiego) lub rozkładu przestrzennego paleoprądów w późnojurajskim zbiorniku morskim na obszarze Gór Świętokrzyskich. Podobnie, na podstawie badań sedymentologicznych, zespół pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego odrzucił teorię rozpuszczania krzemionki zawartej w licznie występujących gąbkach oraz jej przemieszczania i powtórnego wytrącania. Forma kwarcu krypto/mikrokrystalicznego tworzącego matriks (tło skalne) konkrecji wskazuje na bezpośrednią krystalizację z wody morskiej (Migaszewski i in., 2006). Badania izotopowe, wykonane przez wymieniony zespół, wykluczyły również teorię mieszania się wód morskich i wadycznych (infiltracyjnych). Gdyby była ona prawdziwa, to konkrecje musiałyby wykazywać dodatnią korelację między wartościami delt wodorowych (δD) i tlenowych (δ18O), czyli między stosunkami izotopów 2H/1H i 18O/16O. Wyniki analiz izotopowych wykonanych przez Tomasza Durakiewicza i Zaharego D. Sharpa (Durakiewicz i in., 2001, 2000; Sharp i in., 2002) wskazały na wyraźną antykorelacyjną sinusoidalną cykliczność rozkładu wartości δD i δ18O wzdłuż osi prowadzącej od środka na zewnątrz konkrecji. Wyniki wykonanych badań świadczą o sedymentacyjnowczesnodiagenetycznej genezie krzemieni górnojurajskich z Gór Świętokrzyskich. Wskazują na to następujące przesłanki:

1. Występowanie silnie zdeformowanych i poskręcanych konkrecji krzemieni w brekcjach sedymentacyjnych (osuwiskach podmorskich), świadczących o transporcie półpłynnego żelu krzemionkowego wraz z pokruszonymi fragmentami wapieni. W profilu kamieniołomu Głuchowiec koło Małogoszcza występują toczeńce wapieni „uzbrojone” w konkrecje krzemieni. 2. Charakterystyczny układ buł krzemieni w niezaburzonych warstwach skalnych. Ich dłuższe osie są przeważnie ułożone równoległe do uwarstwienia. 3. Obecność struktur spływowych żelu krzemionkowego na powierzchniach konkrecji oraz struktur mikrobrekcyjnych w konkrecjach policentrycznych (przemieszczonych pierwotnych fragmentów krzemionki scementowanych wtórną krzemionką). 4. Obecność białej kory oraz brak przykładów stopniowego przenikania krzemionki do osadu wapiennego. Nie stwierdzono również występowania kanałów doprowadzających krzemionkę do konkrecji (ryc. 8). Kompleksowe badania wykonane przez zespół pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego (Migaszewski, Olszewska, 2002; Migaszewski, 2003; Migaszewski i in., 2006) dały też pewne przesłanki popierające teorię hydrotermalną, wykazując jednocześnie brak innego potencjalnego źródła krzemionki, jakim mogłyby być skały piroklastyczne (wulkaniczne). Wśród nich należy wymienić obecność w niektórych konkrecjach krzemieni niskotemperaturowego kaolinitu oraz pojedynczych jasnobrunatnych wyściółek organicznych otwornic, które mogą świadczyć o termicznym podgrzaniu do temperatury około 80-85°c. Zdaniem Z. Migaszewskiego i współautorów (2006), wadą poprzednich teorii jest brak odpowiedzi na dwa podstawowe pytania: (1) Jakie jest źródło krzemionki w węglanowym środowisku morskim charakteryzującym się wyraźnym deficytem krzemu? oraz (2) Dlaczego konkrecje krzemieni nie są równomiernie rozproszone w całym badanym profilu węglanowym o grubości ponad 1000 m, lecz tworzą tylko kilka izolowanych od siebie poziomów? W proponowanym modelu hydrotermalnym dochodziło do krystalizacji krzemionki w warunkach równowagi izotopowej z wodą morską, której temperatura zmieniała się cyklicznie w miarę dostarczania kolejnych porcji SiO2 z podmorskich źródeł hydrotermalnych. Model ten najlepiej tłumaczy nieoczekiwane pojawienie się żelu krzemionkowego w mniej lub bardziej odległych partiach platformy węglanowej. Dopóki jednak nie znajdzie się oczywistego dowodu

H i s to r i a krzemienia

Fot. 29. Okrzemki – jednokomórkowe glony, które wytwarzają charakterystyczne krzemionkowe skorupki o skomplikowanej budowie, składające się z wieczka i denka. Wielkość: w większości osiągają średnicę 0,02-0,2 mm, a niektóre gatunki nawet 2 mm

geologicznego, jakim jest forma strukturalna źródła podmorskiego, to ta dość prawdopodobna koncepcja pozostanie jedynie w sferze przypuszczeń.

ZAKOŃCZENIE

Krzemień to dla geologów wciąż zagadkowa skała, dla archeologów unikatowy surowiec mineralny będący kamieniem węgielnym w cywilizacyjnym pochodzie rodzaju ludzkiego, na42

tomiast dla artystów fascynujący i tajemniczy kamień jubilerski dający ogromne możliwości twórczej inspiracji. Historia krzemienia zatoczyła swoistą pętlę czasu. Ta zapomniana po neolicie, przez ponad trzy tysiące lat skała odzyskała swoją pozycję i blask tym razem w biżuterii srebrnej. Krzemień fascynuje w wyrobach jubilerskich swoim niepowtarzalnym deseniem, odzwierciedlającym jego długą i burzliwą historię geologiczną, nie do końca wyjaśnioną, mimo ogromnego zaangażowania potencjału naukowego. W dalszym ciągu nie potrafimy odpowiedzieć na pytanie: dlaczego w środowiskach o zasadowym odczynie osadziły się „kwaśne” krzemienie, tkwiące w nich jak obce ciała?

Paweł Król,

Zdzisław M. Migaszewski

R o d z a j e , w y s t ę p o wa n i e i g e n e z a krz e m i e n i . z a r y s pr o b l e m at y k i

W omawianym przypadku trudności interpretacyjne sprawia też fakt, że różne procesy geologiczne mogą dać podobny produkt końcowy. Jednak tak długo jak nie będziemy w stanie udowod-

nić źródła pochodzenia krzemionki, wszelkie teorie lub hipotezy dotyczące genezy tej zagadkowej skały pozostaną nie do końca dopowiedzianą historią.

a) Wody hydrotermalne wypływające z głębi Ziemi zawierają rozpuszczoną krzemionkę (m.in. kwas ortokrzemowy) b) W warunkach niskiego pH, rozpuszczona w wodzie krzemionka, wytrąca się w postaci kwarcu krypto/mikrokrystalicznego Ryc. 8. Proces powstawania krzemieni, wg. Migaszewski i in. (2006)

H i s to r i a krzemienia LITERATURA

Libera J., Zakościelna A., Złoża krzemieni turońskich w przełomowym odcinku Wisły, w: Krzemień świeciechowski w pradziejach, Warszawa 2002, s. 93-109.

Balcer B., Kopalnia krzemienia w Świeciechowie-Lasku pow. Kraśnik w świetle badań 1967 r., w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1971, nr 36 (1), s. 71-132.

Manecki A., Muszyński M. (red.), Przewodnik do petrografii. AGH Uczelniane Wydawnitwa Naukowo-Dydaktyczne. Kraków 2008.

Balcer B., Wytwórczość narzędzi krzemiennych w neolicie ziem Polski. Wrocław 1983.

McNeil D.H., Issler D.R., Snowdon I.R., Colour alteration, thermal maturity, and burial diagenesis in fossil foraminifers, w: „Geological Survey of Canada Bulletin”, 1996, 499, 1-27.

Bąbel J., Zniszczenie, badania i ochrona rezerwatu w Krzemionkach pow. Opatów, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1975, nr 40, s. 149-177. Bąbel J., Krzemionki. Prahistoryczne kopalnie krzemienia pasiastego. Muzeum Historyczno-Archeologiczne, Ostrowiec Świętokrzyski 2003. Boguszewski A., Narzędzia rogowe z neolitycznej i wczesno-brązowej kopalni krzemienia pasiastego w Krzemionkach, województwo kieleckie, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1984, nr 49, s. 220-232. Bolewski A., Parachoniak W., Petrografia, Warszawa 1988.

Michniak R., Nazewnictwo, geneza i występowanie krzemieni, w: „Przegląd Geologiczny”, Warszawa 1989, nr 37, s. 452-458. Michniak R., Petrografia i geneza ciemnych krzemieni z dolnoturońkich osadów okolic Ożarowa nad środkową Wisłą, w: „Archiwum Mineralogiczne”, Warszawa 1980, nr 36, s. 83-106. Michniak R., Krzemienne złoże i geologia rezerwatu Krzemionki, w: „Przegląd Geologiczny”, Warszawa 1992, nr 40, s. 173-180.

Bolewski A., Turnau-Morawska M., Petrografia, Warszawa 1963.

Migaszewski Z. M. (red.), Geneza krzemieni górnojurajskich z Gór Świętokrzyskich. Archiwum Zakładu Geochemii i Ochrony Środowiska, Instytut Chemii, Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy Jana Kochanowskiego w Kielcach 2003.

Budziszewski J., Stan badań nad występowaniem i pradziejową eksploatacją krzemieni czekoladowych, w: Krzemień czekoladowy w pradziejach. Materiały z konferencji w Orońsku, 08-10.10. 2003, Warszawa-Lublin 2008, s. 33-106.

Migaszewski Z. M., Gałuszka A., Podstawy Geochemii Środowiska, Warszawa 2007.

Budziszewski J., Michniak R., Z badań nad występowaniem, petrograficzną naturą oraz prehistoryczną eksploatacją krzemieni pasiastych w południowym skrzydle niecki Magoń-Folwarczysko, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1984, nr 49 (2), s. 151-189. Cayeux L. Les roches sedimentaires de France. Roches siliceuses 1929.

Migaszewski Z. M., Gałuszka A., Durakiewicz T., Starnawska E., Middle Oxfordian – Lower Kimmeridgian chert nodules in the Holy Cross Mountains, south-central Poland, w: „Sedimentary Geology”, 2006, 187, 11-28. Migaszewski Z. M., Migaszewski A., Geologiczna zagadka krzemienia pasiastego, w: 35 lat krzemienia pasiastego w biżuterii. Muzeum Okręgowe w Sandomierzu, 2008.

Dąbrowska Z., Jura okolic Iłży, w: Paleontologia i stratygrafia jury i kredy okolic Iłży, w: „Materiały VII Krajowej Konferencji Paleontologów 7-9.10. 1983”, Iłża 1983, s. 14-24.

Migaszewski Z. M., Olszewska B., Brekcja sedymentacyjna w kamieniołomie „Głuchowiec” w Małogoszczy – przyczynek do genezy krzemieni górnojurajskich w Górach Świętokrzyskich, w: „Przegląd Geologiczny”, Warszawa 2002, nr 50 (12), s. 1145-1148.

Durakiewicz T., Migaszewski Z.M., Oxygen isotopic composition of flints from the northeastern margin of the Holy Cross Mts, Poland. Institute of Physics UMCS. Annual Reports, Lublin 1999.

Migaszewski Z. M., Salwa S., Durakiewicz T., Skały krzemionkowe dewonu i karbonu Gór Świętokrzyskich – nowa koncepcja genezy, w: „Przegląd Geologiczny”, Warszawa 1999, nr 47, s. 818-824.

Durakiewicz T., Migaszewski Z.M., Sharp Z.D., Atudorei V.N., Anti-phase radial periodicity in oxygen and hydrogen isotope ratios of chert nodules from the Holy Cross Mts, SE Poland. Geological Society of America Annual Meeting, Reno, Nevada, Nov. 13-16, 2000, w: „Geochimica et Cosmochimica Acta”. Abstracts with Programs, 2000a, 32 (7).

Olszewska K., Co kryje zasypany szyb górniczy sprzed tysięcy lat? w: http://www.naukawpolsce.pap.pl/, 2008.

Durakiewicz T., Migaszewski Z.M., Sharp Z.D., Empirical calibration of isotope thermometer Dchert- Dwater. Isotope workshop. Book of Abstracts, 1-6 July, 2000b, Cracow, Poland,. Durakiewicz T., Migaszewski Z.M., Sharp Z.D., Atudorei V.N., Znaczenie krzemieni górnojurajskich z Gór Świętokrzyskich w badaniach nad genezą skał krzemionkowych, w: „Przegląd Geologiczny”, Warszawa 2001, nr 49 (3), s. 225-228. Gaweł A., Beitrage zur Kenninis der Feuersteine und Hornsteine aus dem südpolnischen Gebiete, w: „Bulletin International de l’Academie Polonaise des Sciences et des Lettres. Classe de Sciences Mathematiques et Naturelles. Serie A: Sciences Mathematique, V-VIA”, 1925, 231-242. Jurys L., Geologiczne możliwości pozyskiwania krzemieni na Pomorzu. Referat wygłoszony na „XVI Sesji Pomorzoznawczej” w Muzeum Archeologicznym w Gdańsku, 2006. Kaczanowska M., Kozłowski K. J., Studia nad surowcami krzemiennymi południowo-wschodniej części Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej, w: „Acta Archaeologica Carpathica”, Kraków 1976, nr 26, s. 201-215. Krukowski S., Pierwociny krzemieniarskie górnictwa, transportu i handlu w holocenie Polski, cz. 1, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1920, nr 5, s. 185-206. Krukowski S., Pierwociny krzemieniarskie górnictwa, transportu i handlu w holocenie Polski, cz. 2, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1922, nr 7, s. 1-34. Krukowski S., Pierwsza charakterystyka stanowiska kopalnianego Krzemionki. Muzeum Techniki i Przemysłu, Warszawa 1930. Krukowski S., Krzemionki Opatowskie. Muzeum Techniki i Przemysłu. Warszawa 1939. Krzak Z., Tymczasowa charakterystyka kopalni krzemienia w Świeciechowie, w: „Archeologia Polski”, Warszawa 1965, nr 10, s. 217-233. Krzak Z., Wstępna charakterystyka kopalni krzemienia w Ożarowie Opatowskim, w: „Archeologia Polski”, Warszawa 1970, nr 15 (2), s. 291-303. Kuczyński J., Krzemionki Opatowskie, Kraków 1968. Kutek J., Osuwiska podmorskie i krzemienie w dolnokimerydzkich wapieniach okolic Małogoszcza, w: „Acta Geologica Polonica”, Warszawa 1962, nr 12 (3), s. 377-391.

Pieńkowski G., Gutowski J., Geneza krzemieni górnego oksfordu w Krzemionkach Opatowskich, w: „Tomy Jurajskie”, Warszawa 2004, T. 2., s. 29-36. Pożaryski, W., Jura i kreda między Radomiem, Zawichostem i Kraśnikiem, w: „Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego”, Warszawa 1948, nr 27, s. 5-141. Pusch J.B., Krótki rys geognostyczny Polski i Karpat, czyli opisanie zewnętrznego ukształtowania i wewnętrznego składu ziemi tego kraju, Warszawa 1830. Pusch J. B., Geognostische Beschreibung von Polen, so wie der übringen Nordkarpathen-Länder, Stuttgart-Tübingen 1836. Rajewski Z., Kopalnia krzemienia w Krzemionkach i jej problemy archeologiczno-muzealne, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1971, nr 36/1, s. 19-38. Ryka W., Maliszewska A., Słownik petrograficzny, Warszawa 1991. Sałaciński S., Zalewski M., Krzemionki, Warszawa 1987. Samsonowicz J., O złożach krzemieni w utworach jurajskich północno-wschodniego zbocza Gór Świętokrzyskich, w: „Wiadomości Archeologiczne”, Warszawa 1923, nr 8, s. 17-24. Schild R., Królik H., Marczak M., Kopalnia krzemienia czekoladowego w Tomaszowie, Wrocław-Warszawa-KrakówGdańsk-Łódź 1985. Sharp Z.D., Durakiewicz T., Migaszewski Z.M., Atudorei V.N., Antiphase hydrogen and oxygen isotope periodicity in chert nodules; Implications for thermal instabilities in sedimentary basins w: „Geochimica et Cosmochimica Acta”, 2002, 66 (16), 2865-2873. Siemiradzki J., Geologia ziem polskich. T. 1: Formacje starsze do jurajskich włącznie. Muzeum im. Dzieduszyckich, Lwów, 1903, VIII. Siemiradzki J., Geologia ziem polskich. T. 2: Formacje młodsze (Kreda-Dyluwium), Muzeum im. Dzieduszyckich, Lwów 1909, XIII. Staszic S., O ziemiorództwie gór dawnej Sarmacji, a później Polski. Pierwsza rozprawa o równinach tej krainy, o paśmie Łysogór; o części Beskidów i Bielaw. Czytana na posiedzeniu publicznym Towarzystwo Warszawskie Przyjaciół Nauk, dnia 13 grudnia 1805 przez …, Warszawa 1805. Staszic S., O ziemiorództwie Karpatów i innych gór i równin Polski, Warszawa 1815.

Lech J., Geologia krzemienia jurajskiego-podkrakowskiego na tle innych skał krzemionkowych. Wprowadzenie do badań z perspektywy archeologicznej, w: „Acta Archaeologica Carpathica”, Kraków 1980, nr 20, s. 163-225.

Stawin J., Własności techniczne krajowych krzemieni, w: „Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego”, Warszawa 1970, nr 244, s. 105-152.

Lewiński J., Utwory lodowcowe okolic Ojcowa. Sprawozdanie z posiedzeń Towarzystwa Naukowego Warszawskiego. Wydział III, Warszawa 1913, nr VI, s. 815-849.

Zejszner L., O formacji jury nad brzegami Wisły, jako przyczynek do topografii Krakowa, w: „Rocznik Wydziału Lekarskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego”, Kraków 1841, t. IV (1840/41), Oddz. II, s. 3-36.

TYPES, OCCURRENCE AND ORIGIN OF FLINTS – AN OUTLINE OF THE PROBLEM The origin and formation of flints (cherts in English geologic terminology) is one of the greatest puzzles of contemporary geology. This issue arouses many controversial views, despite decades of geologic studies conducted throughout the world. The flint concretions have often been found in numerous stratigraphic sections, although geologists seldom pay attention to their occurrence. The lack of detailed petrographic classification of flints makes also a problem to archeologists. The first attempt in this respect was made by Stefan Krukowski in 1920 who classified all flint types derived from archeological excavations. The largest flint deposits occur in the southern regions of Poland, including the Holy Cross Mountains, Mazovian Lowlands, Lublin Uplands, Upper Silesia and Małopolska Uplands. The light gray, dark brown and striped Upper Jurassic flints and Cretaceous flints and cherts (including Świeciechów, Gościeradów and Ożarów varieties) are prevalent in many sections of carbonate rocks. It is interesting to note that flint and chert nodules have also been found in Devonian and Carboniferous sediments. Besides, redeposited flint concretions are commonly scattered within Quaternary deposits throughout Poland. This article presents the outline of terminology, mineralogy, history of geologic and archeological studies, and petrographic and mineralogical characteristics of the Upper Jurassic and Cretaceous flints and cherts, respectively. In addition, different models of the origin of these siliceous rocks are discussed. However, the special attention is paid to the complex sedimentological, micropaleontologic, lithologic, petrographic, mineralogical and isotopic study of the Upper Jurassic flints from the Holy Cross Mountains conducted under the guidance of Zdzisław M. Migaszewski. The field and petrographic studies provided evidence for the synsedimentary – early diagenetic origin of the flint nodules. The results also indicated that the “onion-skin” nodules were formed as a result of cyclic (periodical) influx of silica that directly recrystallized into crypto- and microcrystalline quartz, dissolution (etching), and partial reprecipitation (cementation) of pores. In contrast, individual sponge spicules underwent recrystallisation (conversion) of opal-A into opal-CT and α-quartz. Different coloring of individual bands was linked to an increased or decreased number and size of pores that brought about different light reflection: the fewer and smaller the pores, the darker the band. This periodicity combined with antiphase, sinusoidal variation in oxygen and hydrogen stable isotope values from the core to the rind of each nodule, as well as the presence of light brown foraminifer tests and low-temperature kaolinite derived from thermal decomposition of layered silicates in the nodules may suggest the hydrothermal origin of the Upper Jurassic flints from the Holy Cross Mountains. This model differs from those derived from other studies throughout the world, for example: (i) growth of siliceous organisms in “upwelling” zones of sedimentary basin, (ii) mixing of marine- and fresh waters, (iii) dissolving of siliceous microfossils or decomposition of clay minerals as a potential source of silica, or (iv) transport of colloidal silica from deltas and estuaries by bottom currents. The flint is a mysterious rock for geologists, a unique Stone Age raw material for archeologists, and for artists – a fascinating and enigmatic jewelry stone with many possibilities of creative inspiration. The flint history has come full circle. After nearly three thousand years this forgotten Neolithic rock regained its position and splendor, this time in silver jewelry. The polished striped flint fascinates everybody in jewelry pieces due to its unique pattern that reflects a long and tumultuous geologic history. We still cannot answer the question: why these “acidic” flint nodules occur in „alkaline” limestones. If we are not able to find a source of silica, all these theories or hypotheses concerning the origin of this mysterious rock remain the unsaid history.