Gdy myślimy o rafach mamy zwykle przed oczyma wizję archipelagów wysp tropikalnych, czystego, błękitnego oceanu, bujnie wzrastających koralowców i ławic kolorowych ryb, między którymi przemknie gdzieniegdzie rekin. Klasyczne rafy budowane głównie przez koralowce i glony występują obecnie na Ziemi w strefie subtropikalnej i tropikalnej. Dla osoby nie zajmującej się geologią pewne zaskoczenie stanowi fakt, że przed około 150 milionami lat tworzyły się one także w rejonie Krakowa. Nie były to wprawdzie typowe rafy a raczej struktury rafopodobne, które od współczesnych różniły liczne szczegóły. Obecnie możemy je obserwować na terenie miasta w nieczynnych kamieniołomach, szczególnie licznych w rejonie Zakrzówka.

Czym właściwie jest rafa?

Pod tym terminem określa się porowatą strukturę pochodzenia biogenicznego o wyraźnym reliefie, utworzoną przez narastające organizmy kolonijne, zdolne do życia i rozwoju w warunkach wysokiej energii środowiska, a więc w zasięgu oddziaływania ruchu falowego. Rafa to rosnąca skała wapienna. Na poszukiwania raf można wybrać się w Krakowie w Skały Twardowskiego. Rejon ten jest wyjątkowo interesujący, bowiem na niewielkim obszarze napotyka się wyjątkowo dużą liczbę ciekawych zjawisk geologicznych. W ścianach Skał Twardowskiego odsłaniają się jasne, masywne lub uławicone skały. Są to powszechne w rejonie krakowskim wapienie jurajskie, które powstawały na szelfie rozległego morza, nazywanego oceanem Tetydy.

Diageneza: od osadu do skały

Patrząc na skałę osadową – a taką jest wapień, która utworzyła się wiele milionów lat temu, trzeba mieć świadomość, że jej struktura uległa zasadniczym zmianom od momentu osadzenia, czyli sedymentacji. Na obecny wygląd i właściwości wapienia złożył się szereg procesów fizykochemicznych przebiegających w różnych warunkach temperatury i ciśnienia, które spowodowały, że pierwotnie porowaty, niekiedy luźny osad uległ przekształceniu w zwięzłą, masywną skałę. Procesy te określane są w geologii terminem diageneza. Rekonstrukcja warunków przebiegu diagenezy jest istotna z wielu powodów. Szczególne znaczenie ma ona w geologii naftowej, gdzie pozwala prognozować szanse na znalezienie złóż ropy naftowej i gazu ziemnego.

Jaskinie na Zakrzówku

Naszą wycieczkę na jurajskie rafy rozpoczynamy obok wejścia do jaskini Jasnej. Jaskinia ta jest jedną z kilku znajdujących się na terenie Zakrzówka. Znacznie słynniejsza od niej jest znajdująca się nieopodal Grota Twardowskiego, gdzie w XVI wieku Mistrz Twardowski prowadzić miał pracownię alchemiczną. System jaskiń rozwinął się tutaj na skutek rozwoju procesów krasowych, czyli zjawisk rozpuszczania skał osadowych przez wody krążące w górotworze. Procesy te zachodziły wówczas, gdy obszar krakowski był lądem, głównie w trzeciorzędzie. Zachodzą one także obecnie.

Co widać w skale?

Otwór jaskini Jasnej znajduje się w wapieniach uławiconych. Gołym okiem zwykle niewiele widać na powierzchni skały. Niekiedy zaobserwować można skorupę małża lub ramienionoga, bądź fragment koralowca. Do rzadkości należą muszle amonitów, czyli wymarłych głowonogów. Dla geologów są one szczególnie cenne, służą bowiem do precyzyjnego określania wieku skały. Dość często w wapieniu widoczne są fragmenty gąbek krzemionkowych. Zasadniczą masę skały stanowi jednak nieme tło skalne, w którym brak jakichkolwiek struktur mogących stanowić wskazówkę o warunkach jej powstania. Współczesne badania zaawansowanymi metodami wykazały, że w wapieniach jurajskich tło skalne jest w znacznej części pochodzenia mikrobialnego. Za jego powstanie odpowiadają prymitywne organizmy – cyjanobakterie, które powszechnie rozwijały się na dnie późnojurajskiego szelfu. Właśnie wspomniane struktury mikrobialne i podrzędnie gąbki krzemionkowe tworzyły lokalnie na morskim dnie szkielety jurajskich „raf”. W porównaniu ze współczesnymi, „rafy” takie rozwijały się prawdopodobnie na nieco większej głębokości. Trudno jednak bezpośrednio porównywać środowiska mórz współczesnych i jurajskich, choćby dlatego, że cyjanobakterie mogły egzystować również w specyficznych, ubogich w tlen środowiskach.

Krzemienie

W uławiconych wapieniach w pobliżu otworu jaskini Jasnej występują lokalnie ciemne lub brunatne buły krzemieni. Ich geneza łączy się ze wspomnianymi gąbkami krzemionkowymi, których delikatne szkielety były pierwotnie zbudowane z opalu, czyli jednej z odmian krzemionki. Po obumarciu gąbki i przysypaniu osadem jej opalowy szkielet ulegał zwykle rozpuszczeniu i zastąpieniu przez dominujący w wapieniach minerał – kalcyt (CaCO3). W określonych warunkach fizykochemicznych krzemionka rozpuszczona w roztworach krążących szczelinami w górotworze wytrącała się ponownie tworząc dzisiejsze krzemienie. Proces powstawania krzemieni, czyli tzw. sylifikacji wapienia zachodził na etapie wczesnej diagenezy, tj. przed lityfikacją (czyli stwardnieniem) skały. Wapienie jurajskie ulegały sylifikacji także znacznie później. Ponad 100 mln lat po ich osadzeniu rejon Krakowa uległ potrzaskaniu na liczne bloki pod naciskiem fałdujących się Karpat. W epoce określanej przez geologów jako miocen utworzyły się uskoki, które poszatkowały obszar krakowski na zręby (czyli bloki wyniesione) i rowy tektoniczne. Jednym z takich zrębów jest właśnie Zrąb Zakrzówka, którego wschodnią krawędź tworzą Skały Twardowskiego. Położone od nich bezpośrednio na zachód koryto Wisły znajduje się już w obrębie rowu tektonicznego. Szczeliny uskokowe między poszczególnymi blokami były niekiedy wykorzystywane przez ciepłe, silnie zmineralizowane roztwory (tzw. roztwory hydrotermalne) pochodzące z głębszych partii skorupy ziemskiej (a może z pobliskiej, alchemicznej kuchni Mistrza Twardowskiego?). Oddziaływanie tych roztworów było przyczyną powstania drugiej generacji skupień krzemionki, tworzących nieregularne, ciemnoszare ciała lub płaskury w wapieniach jurajskich. Krzemionka pochodzenia hydrotermalnego jest wykształcona w postaci najtrwalszej odmiany, czyli kwarcu. Tego typu utwory krzemionkowe powstałe z roztworów hydrotermalnych obserwuje się również w pobliżu jaskini Jasnej. Tworzą one charakterystyczne, ciemne obwódki rozwinięte na bułach jurajskich krzemieni lub występują w postaci gniazd w skale.

Dolomity

Kilkaset metrów na północ od wspomnianej jaskini barwa wapienia ulega zmianie. Skała staje się jasnobrunatna z licznymi białymi plamami, w których rozpoznaje się fragmenty jurajskich gąbek, muszle małżów i skorupy ramienionogów. Zmiana barwy związana jest z procesem dolomityzacji wapienia polegającym na zastąpieniu kalcytu przez dolomit, czyli minerał zawierający magnez – CaMg(CO3)2. Geneza i wiek tego procesu nie są całkowicie jasne. Wydaje się, że dolomityzacja miała miejsce nieco później niż tworzenie się krzemieni. Jedna z najbardziej prawdopodobnych hipotez zakłada, że na porowate struktury rafowe intensywnie oddziaływały wzbogacone w magnez, przepływające roztwory o składzie zbliżonym do wody morskiej. Prawdopodobnie proces ten przebiegał następująco. Świeżo złożone, luźne muły węglanowe są zwykle przesycone wodą morską, która stopniowo pod ciężarem sukcesywnie powstających osadów jest z nich wyciskana. Zmniejsza się przy tym ich objętość i zarazem wzrasta gęstość. Taki proces zagęszczania osadu prowadzący do zmniejszenia jego objętości określa się terminem kompakcja. Kompakcja oddziaływuje głównie na osady luźne, natomiast w rafach i strukturach rafopodobnych posiadających wytrzymały, sztywny szkielet prawie nie występuje. W późnojurajskim oceanie Tetydy, na dnie morskim tworzyły się zarówno rafy, jak i luźne muły węglanowe. Muły węglanowe pod ciężarem sukcesywnie powstających osadów podlegały kompakcji, która powodowała wyciskanie roztworów porowych w kierunku porowatych raf powodując ich częściową dolomityzację.

Platformy abrazyjne

Geologiczną wycieczkę w Skały Twardowskiego kończymy na asfaltowej ścieżce biegnącej w kierunku północno-wschodnim. Tuż przy niej, w kilku miejscach widoczne są fragmenty tzw. platformy abrazyjnej, czyli płaskich fragmentów dna skalnego, lekko nachylonych w stronę morza, wygładzonych na skutek oddziaływania ruchu falowego. Platformy abrazyjne utworzyły się na wapieniach jurajskich w późnej kredzie, kiedy to po okresie panowania warunków lądowych obszar krakowski został ponownie kilkukrotnie zalany przez morze. Na płaskiej powierzchni znakomicie widoczne są okrągłe ślady drążeń kredowych jeżowców i ziarna kwarcu wciśnięte w wapień jurajski (tzw. wciski). Płaska powierzchnia platformy abrazyjnej pozwala na obserwowanie drobnych, przecinających ją uskoków. Zjawiska geologiczne występujące w Skałach Twardowskiego nawet dla geologów nie są do końca jasne. Stąd wiele przypuszczeń i domysłów, które w miarę rozwoju nauki ulegają stałej weryfikacji. Gdyby kamienie mogły mówić hipotezy naukowe stałyby się faktami. Geologia straciłaby jednak niepowtarzalny walor odkrywania zagadek odległej przeszłości i obcowania z kamiennym światem, który uchyla nam zaledwie rąbka swych tajemnic.

tekst: Jacek Matyszkiewicz