Obsidián a jeho druhy: Co způsobuje jejich barvy?

Obsidián je černý kámen, který má mnoho různých podob. Přestože jde v zásadě o stejné sopečné sklo, některé obsidiány se třpytí jako zlato, jiné hrají všemi barvami a v dalších najdeme obrazce připomínající sněhové vločky. Mohlo by se zdát, že za takovou rozmanitostí musí stát složité chemické složení. Za jejich vzhledem se však skrývají fascinující fyzikální a geologické procesy. Někdy rozhodují mikroskopické dutinky, jindy drobné krystaly nebo způsob, jakým se světlo odráží uvnitř skla. Vědci dokázali mnohá z těchto tajemství rozluštit. Podívejme se, co o různých variantách obsidiánu prozradily moderní analytické metody.

Co je obsidián?

Představte si žhavou lávu, která se dostane na zemský povrch a začne rychle chladnout. Je bohatá na oxid křemičitý, velmi viskózní a její atomy mají málo času na to, aby se uspořádaly do pravidelných krystalových struktur. Místo běžné krystalické horniny tak vznikne přírodní sklo obsidián. 

Z mineralogického hlediska je to docela zajímavý materiál. Obsidián totiž není minerál v pravém slova smyslu. Minerály mají zpravidla pravidelně uspořádanou krystalovou strukturu, zatímco obsidián je převážně amorfní, tedy bez dlouhodobého periodického uspořádání atomů. Chemicky bývá bohatý na SiO₂, často obsahuje přibližně 70–77 hmotnostních procent oxidu křemičitého. Zbytek tvoří především oxidy hliníku, alkalických prvků, železa a dalších složek. Právě drobné rozdíly ve složení, přítomnost mikroskopických dutinek, krystalických částic a způsob proudění lávy mohou zásadně změnit jeho vzhled. A tím se dostáváme k variabilitě barevných druhů obsidiánů.

1. Černý obsidián: Proč je sopečné sklo černé?

Černý obsidián je asi nejznámější podobou sopečného skla. Ale proč je vlastně černý? Za tmavým zbarvením obsidiánu stojí především železo a způsob, jakým pohlcuje světlo. Železo se ve vulkanickém skle vyskytuje zejména ve dvou oxidačních stavech, jako Fe²⁺ a Fe³⁺. Tyto ionty mohou pohlcovat různé části světelného spektra. Významný může být také přenos elektronu mezi sousedními ionty železa, který vede k další absorpci světla. A právě kombinace těchto procesů může způsobit, že obsidián pohltí většinu viditelného světla a našemu oku se jeví jako černý.

Je černý obsidián opravdu černý?

Možná vás překvapí, že ne vždy. Pokud vezmete tenký úlomek černého obsidiánu a podržíte ho proti silnému světlu, můžete zjistit, že je ve skutečnosti průsvitný a má hnědavý, šedý nebo nazelenalý odstín. Je to podobné jako s velmi tmavým sklem. Čím delší dráhu musí světlo materiálem urazit, tím více se ho pohltí. Silnější kus proto může působit úplně neprůhledně, zatímco tenká hrana propouští světlo. Záleží samozřejmě také na složení obsidiánu a přítomnosti drobných minerálních částic či dalších mikroskopických struktur. 

A ještě jedna zajímavost na závěr. Černý obsidián byl pro člověka důležitý dávno předtím, než jsme dokázali vysvětlit jeho barvu. Díky typickému lasturnatému lomu z něj bylo možné vyrábět mimořádně ostré čepele, hroty šípů a další nástroje. V některých oblastech světa se proto stal cennou surovinou, se kterou se obchodovalo na velké vzdálenosti. Takže až příště uvidíte obyčejný černý obsidián, vzpomeňte si, že jeho černá barva není tak samozřejmá, jak se zdá. A že pod lesklým povrchem se skrývá zajímavá kombinace chemie, fyziky a geologie.

2. Zlatý obsidián: Není všechno zlato, co se třpytí

Zlatý obsidián je při určitém osvětlení téměř černý, ale stačí ho trochu pootočit a najednou se jeho povrch rozzáří zlatavým leskem. Člověka by skoro napadlo, že uvnitř skla musí být nějaké drobounké částečky. Tento efekt je ale způsoben mikroskopickými strukturami uvnitř obsidiánu, které ovlivňují chování světla.

Když láva proudí, mohou se v ní drobné plynové bublinky protahovat, zplošťovat a orientovat jedním směrem. Představte si bublinky v hustém medu, který pomalu teče. Původně kulaté bublinky se prouděním deformují. A něco podobného se děje i v lávě. Po jejím ztuhnutí zůstávají uvnitř skla mikroskopické dutinky, které mohou odrážet a rozptylovat dopadající světlo.

Italští vědci Donato a kolektiv tento jev zkoumali. V roce 2022 vyšla v časopise Minerals studie obsidiánů z mexické oblasti Sierra de las Navajas. Výzkumníci použili elektronovou mikrosondu, rastrovací elektronový mikroskop a rentgenovou mikrotomografii, díky které mohli zkoumat rozmístění dutinek dokonce ve třech rozměrech. Zjistili, že zlatavý lesk výrazně souvisí s množstvím, velikostí a orientací plynových dutinek. Některé vzorky se leskly téměř rovnoměrně, zatímco u jiných se intenzita lesku měnila podle úhlu dopadajícího světla.

3. Stříbrný obsidián: Stejná láva, jiný odlesk

Stříbrný obsidián funguje na podobném principu jako zlatý. Tady je příběh ještě o něco zajímavější. V roce 2001 publikovali Chi Ma a jeho kolegové v časopise The Canadian Mineralogist výzkum mexických obsidiánů s duhovými a kovovými optickými efekty. Použili elektronovou mikrosondu, rastrovací a transmisní elektronovou mikroskopii a optickou spektroskopii. Ukázalo se, že některé útvary, které se v obsidiánu považovaly za prázdné plynové dutinky, byly ve skutečnosti vyplněny jiným vulkanickým sklem, jehož chemické složení se mírně lišilo od okolní hmoty. Dva druhy skla měly odlišný index lomu, tedy schopnost ovlivňovat průchod světla. Na jejich rozhraní tak mohly vznikat optické efekty, které přispívaly k charakteristickému lesku obsidiánu. To je důležité zjištění. Zlatý a stříbrný obsidián totiž nemusí být jednoduše výsledkem jednoho univerzálního mechanismu. U různých nalezišť mohou podobný vzhled vytvářet různé mikroskopické struktury.

A co rozhoduje o tom, zda bude lesk zlatý, nebo stříbrný? To není pro všechny obsidiány dosud jednoznačně vysvětleno. Záleží na konkrétní mikrostruktuře a jejích optických vlastnostech. Jinými slovy: dva kameny mohou vypadat podobně, ale cesta k jejich kráse nemusí být úplně stejná.

4. Platinový obsidián: Když obchodní název zní vznešeněji než geologie

Zlato už máme, stříbro také. Tak proč nepřidat ještě platinu? 😃 Pod označením platinový obsidián se prodávají kameny s šedostříbrným až kovovým leskem. Název zní tak nějak luxusně, ale z mineralogického hlediska je potřeba trochu opatrnosti. Platinový obsidián není samostatný minerální druh ani vědecky jednoznačně definovaná odrůda obsidiánu. A rozhodně z jeho názvu nevyplývá, že obsahuje platinu.

U některých exemplářů může jít o variantu obsidiánu s kovovým leskem, jehož vznik souvisí s orientovanými mikroskopickými strukturami, podobně jako u stříbrného obsidiánu. Problém je v tom, že pod stejným obchodním označením se mohou prodávat materiály s různými vlastnostmi. Vědecké studie optických efektů obsidiánů nám umožňují vysvětlit možné mechanismy takového lesku, ale bez analýzy konkrétního vzorku nemůžeme s jistotou říct, který z nich se uplatnil. Platinový obsidián je tedy dobrým příkladem toho, že obchodní názvy kamenů a mineralogická klasifikace nejsou totéž. A s podobnými názvy se ve světě minerálů setkáváme častěji, než by se mohlo zdát. Ale to už je jiný příběh.

5. Duhový obsidián: Když se černé sklo rozhodne hrát všemi barvami

A teď přichází můj favorit. 😍 Duhový obsidián dokáže na první pohled působit jako obyčejný černý kámen. Jenže když ho správně natočíte proti světlu, objeví se zelené, fialové, modré, zlaté nebo načervenalé pruhy. Někdy tvoří soustředné obrazce, jindy nepravidelné barevné plochy. Jak je možné, že černé vulkanické sklo vytváří takové barvy? Odpověď souvisí s jedním z nejkrásnějších optických jevů v přírodě: interferencí světla.

Když se podíváte na barevnou olejovou skvrnu na mokré silnici nebo na mýdlovou bublinu, můžete pozorovat podobně pestré odstíny. Přitom ani olej, ani mýdlová voda nemusí obsahovat barevné pigmenty odpovídající všem těmto odstínům. Barvy vznikají tím, že se světelné vlny odrážejí na různých rozhraních tenkých vrstev. Některé vlnové délky se při skládání světla zesílí, jiné zeslabí. A naše oko vidí výslednou barvu. U duhového obsidiánu mohou podobný efekt vyvolávat velmi jemné vnitřní struktury a rozhraní s odlišnými optickými vlastnostmi.

Co odhalil elektronový mikroskop? Hedenbergit a plagioklas!

V roce 2001 se Chi Ma a jeho kolegové rozhodli zjistit, co vlastně způsobuje nádherné duhové barvy mexických obsidiánů. Vzorky zkoumali elektronovou mikrosondou, rastrovacím a transmisním elektronovým mikroskopem i optickou spektroskopií. A objevili něco pozoruhodného. Duhové obsidiány nemají vždy stejnou vnitřní stavbu. Vědci rozlišili dva typy, které obsahovaly odlišné mikroskopické krystaly. V prvním případě objevili množství drobných, protáhlých krystalů hedenbergitu, minerálu ze skupiny klinopyroxenů. Některé dosahovaly délky 10–20 mikrometrů a byly uspořádány přibližně rovnoběžně ve vrstvách. Ve druhém typu obsidiánu našli místo hedenbergitu drobné krystaly plagioklasu, tedy minerálu ze skupiny živců. Také ty byly protáhlé a přednostně orientované. A právě jejich uspořádání je důležité. Když světlo prochází sklem a setkává se s drobnými krystaly, které mají jiné optické vlastnosti než okolní sklo, může docházet k jeho rozptylu a dalším optickým jevům. Pravidelně uspořádané vrstvy mohou za vhodných podmínek vytvářet interferenční barvy.

Autoři zvažovali několik možných mechanismů vzniku duhového efektu a jejich výsledky nejlépe podporovaly interferenci světla na tenkých vrstvách. Duhový obsidián tedy není barevný proto, že by obsahoval zelené, modré nebo fialové pigmenty. Jeho barvy souvisejí s tím, jak světlo reaguje na jemnou vnitřní strukturu skla. A co je možná ještě zajímavější: dva na pohled podobné duhové obsidiány mohou obsahovat úplně jiné minerální inkluze. A právě to je na vědě krásné. Nestačí, že něco vypadá podobně. Musíme také zjistit, jestli za tím stojí stejný mechanismus.

Proč jsou duhové obsidiány tak krásné právě po vyleštění?

Leštěním získáme hladký povrch, na kterém se světlo odráží předvídatelněji než na nepravidelném přírodním lomu. Zároveň je velmi důležitá orientace vnitřních struktur vůči povrchu. Proto může být jeden směr řezu naprosto úchvatný, zatímco jiný téměř černý. A právě proto je každý duhový obsidián trochu překvapením. Dokud se kámen neopracuje a správně neosvětlí, nemusí být vůbec zřejmé, jaký barevný obraz se v něm ukrývá.

6. Obsidián sněhová vločka: Když se sklo začne měnit v krystaly

Zatímco u předchozích obsidiánů jsme si hráli především se světlem, tady se děje něco úplně jiného. Obsidián sněhová vločka je posetý bělavými až šedými obrazci, které připomínají sněhové vločky, květy nebo drobné hvězdičky. Co jsou vlastně zač? Odpověď je překvapivá: jsou to krystalické agregáty, které vznikly uvnitř původně sklovité hmoty. Říkáme jim sférolity.

Sklo, které nezůstalo sklem

Vzpomínáte si, jak jsme si na začátku vysvětlovali, že obsidián vzniká rychlým ochlazením lávy, při kterém se nestihnou vytvořit krystaly?  To ovšem neznamená, že se v něm krystaly nemohou vytvořit později. Za určitých podmínek může sklo postupně krystalizovat. Tento proces nazýváme devitrifikace. V obsidiánu se mohou začít tvořit drobné krystaly, které rostou z určitých center do okolí. Pokud růst probíhá přibližně radiálně, vznikají kulovité agregáty s paprsčitou vnitřní stavbou. A právě ty vytvářejí charakteristické sněhové vločky. Jejich světlý vzhled souvisí s odlišnými optickými vlastnostmi a rozptylem světla na drobných krystalech a jejich rozhraních.

Co se skrývá uvnitř sněhových vloček?

V roce 2022 publikovali Bahattin Güllü a Kıymet Deniz studii sférolitů z obsidiánů v turecké oblasti Kappadokie. Pomocí Ramanovy spektroskopie identifikovali ve sférolitech minerály ze skupiny živců a cristobalit, což je jedna z krystalických modifikací křemene SiO₂. Studie ukázala, že sférolity mohou začít krystalizovat při vysokých teplotách a jejich růst může pokračovat i při dalším ochlazování. A právě proto je obsidián sněhová vločka tak zajímavý: je to kámen, na kterém můžeme pozorovat, jak se původně amorfní sklo postupně mění v krystalický materiál.

7. Mahagonový obsidián: Když černou přebarví železo

Mahagonový obsidián je snadno rozpoznatelný podle červenohnědých, rezavých nebo mahagonově zbarvených partií, které se střídají s černým sklem. Na rozdíl od duhového obsidiánu se jeho barva při pootočení kamene dramaticky nemění. Tady totiž nehrají hlavní roli interferenční efekty, ale železo. Železo se ve vulkanickém skle může vyskytovat v různých oxidačních stavech, především jako Fe²⁺ a Fe³⁺. A právě oxidační stav a způsob, jakým je železo v materiálu přítomné, mohou zásadně ovlivňovat jeho barvu. V některých obsidiánech se navíc železo koncentruje do velmi drobných samostatných fází.

Co prozradily karpatské obsidiány?

V roce 2018 se Zsolt Kasztovszky a jeho kolegové zabývali vzácným mahagonovým obsidiánem z oblasti Tolcsva v Maďarsku. Výzkumníci použili několik analytických metod, včetně Mössbauerovy spektroskopie a transmisní elektronové mikroskopie. Zajímalo je především to, proč jsou některé obsidiány černé, zatímco jiné z téhož širšího geologického prostředí mají červenohnědé zbarvení. Zjistili, že železo se v černých a mahagonových obsidiánech nachází v odlišných formách a že významnou roli hrají rozdíly v jeho oxidačním stavu. Je to pěkná ukázka toho, že k výrazné změně barvy nemusíme nutně přidávat velké množství jiného chemického prvku. Někdy stačí, aby se tentýž prvek nacházel v jiné podobě. A železo je v tomto ohledu skutečný mistr převleků.

8. Apačské slzy: Černé kapky, které prozradí světlo

Apačské slzy mají ze všech našich obsidiánů asi nejpoetičtější název. Podle známé legendy vznikly ze slz apačských žen, které oplakávaly své padlé muže. Jde o příběh tradovaný v souvislosti s těmito kameny, nikoliv samozřejmě o jejich geologický původ. Ve skutečnosti jsou apačské slzy drobné, často zaoblené útvary přírodního obsidiánového skla. Na první pohled mohou být téměř neprůhledně černé. Jenže když vezmete menší kousek a podržíte ho proti silnému světlu, často se objeví překvapení. Kámen začne prosvítat hnědou až kouřovou barvou.

Proč vypadají černé, když jsou vlastně průsvitné?

Představte si velmi tmavé sklo. Pokud je tenké, část světla jím projde. Pokud je ale dostatečně silné, světlo se při průchodu postupně pohltí a sklo se nám může jevit jako úplně černé. Stejný princip platí pro obsidián. O množství procházejícího světla rozhoduje nejen jeho chemické složení, ale také tloušťka, obsah drobných částic a další vnitřní struktury. Apačské slzy tedy nejsou zvláštní chemickou odrůdou obsidiánu. Jejich charakteristický vzhled souvisí především s podobou jednotlivých útvarů a optickými vlastnostmi tmavého vulkanického skla. Podobné vlastnosti průsvitných obsidiánů byly předmětem spektroskopických výzkumů, například studie arménských obsidiánů z oblasti Arteni, ve které vědci zkoumali vliv železa na absorpci světla. A pokud máte doma apačskou slzu, zkuste jednoduchý pokus s baterkou. Možná zjistíte, že váš černý kámen je ve skutečnosti krásně hnědý.

9. Pavoučí obsidián: Kdo nakreslil pavučinu do sopečného skla?

Pavoučí obsidián je obchodní označení pro kameny s jemnou síťovitou kresbou připomínající pavučinu. A právě u něj je potřeba trochu geologické detektivní práce. Podobné vzory totiž mohou vznikat různými procesy. Někdy jde o síť drobných trhlin, jindy o struktury spojené se změnami vulkanického skla nebo o sekundární minerální výplně.  Jedním z možných vysvětlení jsou takzvané perlitické trhliny.

Když se sklo napije vody

Vulkanické sklo nemusí zůstat po svém vzniku navždy beze změny. Postupně může přijímat vodu z okolního prostředí. Tento proces nazýváme hydratace. Hydratace mění vlastnosti skla a může přispívat ke vzniku charakteristických zakřivených trhlin. Ty se často větví a vytvářejí soustředné nebo síťovité obrazce. Takové struktury jsou známé především z perlitu, který vzniká přeměnou vulkanického skla. V roce 2012 se vědci zabývali hydratací a vznikem perlitických trhlin v ryolitových lávách islandské oblasti Torfajökull. Zkoumali přitom také obsidiány a vztah mezi obsahem vody a vývojem trhlin. 

Znamená to, že každá pavučina na obsidiánu vznikla hydratací? Ne nutně. A právě zde je důležité oddělit obchodní označení od skutečné petrografické struktury. Bez mikroskopického výzkumu konkrétního vzorku nemůžeme spolehlivě rozhodnout, co jeho síťovitou kresbu vytvořilo. 

10. Kouřový obsidián: Černá, která není úplně černá

A nakonec se vrátíme k něčemu, co na první pohled vypadá docela obyčejně. Kouřový obsidián bývá tmavě šedý, hnědošedý nebo téměř černý, ale v tenčích částech může propouštět světlo. Jak už víme od apačských slz, průsvitnost obsidiánu závisí na jeho tloušťce a schopnosti pohlcovat světlo. Jenže proč obsidián světlo vlastně pohlcuje?

Železo opět na scéně

V roce 2021 publikovali arménští vědci studii průsvitného tmavě šedého obsidiánu z naleziště Arteni. Pomocí optické absorpční spektroskopie a elektronové paramagnetické rezonance zkoumali formy železa přítomné ve vulkanickém skle. Prokázali přítomnost Fe²⁺ i Fe³⁺ a studovali jejich souvislost s absorpčními vlastnostmi materiálu. Železo může ovlivňovat, které části viditelného spektra sklo pohlcuje a které jím mohou procházet. Výsledkem může být šedý, hnědavý nebo velmi tmavý vzhled. Nesmíme ale zapomínat ani na případné mikroskopické inkluze a další struktury, které mohou průchod světla ovlivňovat. A ještě jedna zajímavost: kouřový obsidián není totéž co záhněda, tedy kouřově zbarvená odrůda křemene. Záhněda je krystalický SiO₂ a její zbarvení má jiný fyzikální původ. Obsidián je naproti tomu přírodní vulkanické sklo. Dva podobné odstíny, ale úplně jiný geologický příběh.

Deset obsidiánů, deset různých příběhů

Když se teď podíváme na všechny naše obsidiány vedle sebe, možná už nebudou působit tak záhadně.  Přírodní sopečná skla, která vznikla rychlým ochlazením lávy, ale jejich další příběh se mohl ubírat velmi rozdílnými cestami. A právě to mě na mineralogii baví nejvíc. Kámen nemusí být drahý ani vzácný, aby byl zajímavý. Někdy stačí obyčejné černé sklo, které pod mikroskopem odhalí svět mnohem složitější, než bychom čekali. Protože každý kámen má svůj příběh. Jen musíme vědět, na co se ho zeptat.

Použitá vědecká literatura

Pro čtenáře, kteří chtějí vědět víc, přikládám původní odborné publikace. U každé je odkaz na studii nebo její záznam.

1. Ma, C. et al. (2001). Micro-analytical study of the optical properties of rainbow and sheen obsidians. The Canadian Mineralogist, 39, 57–71. DOI: 10.2113/gscanmin.39.1.57

2. Ma, C., Rossman, G. R. & Miller, J. A. (2007). The origin of color in “fire” obsidian. The Canadian Mineralogist, 45, 551–557. DOI: 10.2113/gscanmin.45.3.551

3. Donato, P. et al. (2022). Influence of Chemical Composition and Microvesiculation on the Chromatic Features of the Obsidian of Sierra de las Navajas (Hidalgo, Mexico). Minerals, 12, 177. Plný text studie

4. Güllü, B. & Deniz, K. (2022). Nature and crystallization stages of spherulites within the obsidian: Acıgöl (Cappadocia–Nevşehir, Turkey). Turkish Journal of Earth Sciences, 31, 545–562. DOI: 10.55730/1300-0985.1819

5. Kasztovszky, Z. et al. (2018). A novel approach in the mineralogy of Carpathian mahogany obsidian using complementary methods. Quaternary International, 467, 332–341. DOI: 10.1016/j.quaint.2017.12.028

6. Aghamalyan, N. R. et al. (2021). Spectroscopic Properties of Iron in Translucent Obsidian from the Artheni Deposit (Armenia). Journal of Contemporary Physics, 56, 13–21. DOI: 10.3103/S1068337221010023

7. Variations in hydration within perlitised rhyolitic lavas—evidence from Torfajökull, Iceland (2012). Journal of Volcanology and Geothermal Research, 223–224, 64–73. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2012.02.005

8. Galoisy, L. & Calas, G. (2021). The unique speciation of iron in calc-alkaline obsidians. Chemical Geology, 559, 119925. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2020.119925