31.07.2014

Ученые выяснили, как гравитация помогает удерживать природные арки

Геологи выяснили, какие силы позволяют устоять необычным природным конструкциям — аркам и колоннам. Эксперименты показали, что разрушает их выветривание, а укрепляет — гравитация.

Необыкновенной красоты геологические образования, такие как всевозможные арки, мосты, колонны и похожие на грибы пьедесталы, встречаются во всех частях света и неизменно вызывают восторг и удивление тех, кто сталкивается с этими творениями природы. Загадки их формирования волнуют и профессиональных геологов — считается, что образуются арки благодаря выветриванию, разрушительному воздействию со стороны ветра, воды, действию солей и перепадов температур.

Однако этого объяснения оказалось недостаточно для чешского геолога Иржи Брутанса из Карлова университета в Праге, который предположил, что за образованием замысловатых скульптур кроются не только эрозия и выветривание.

При помощи необычных экспериментов ученые объяснили, каким образом сила, приложенная к осадочным слоям сверху, способна упрочить эту породу. «Результаты стали шоком для меня, когда я понял, насколько просто природа вырезает все эти формы», – рассказал Брутанс.

Представьте себе, говорят ученые, куличик из песка, песчинки которого скреплены так слабо, что могут быть разрушены трением или, что более естественно, ветром. Однако если на песок имеется некое силовое воздействие сверху, сила передается на все песчинки и заставляет их смыкаться друг с другом. Это в свою очередь усложняет выемку нижележащих гранул из-под вышележащих: представьте, насколько труднее вынуть бильярдный шар, находящийся внизу груды шаров, чем шар, лежащий на ее поверхности.

В своих экспериментах геологи воздействовали потоком воды на пласты сухого песчаника. Они заметили, что по мере воздействия воды боковые части песчаника вымывались и вес оставшейся части распределялся на все меньшее число песчинок.

Эксперименты и численное моделирование показали, что при достижении критического давления со стороны оставшейся наверху части сдавливающая сила сближает нижележащие песчинки настолько сильно друг к другу, что они остаются не подверженными эрозии и вымыванию. Также ученые обратили внимание на то, что создание в образце песчаника таких искусственных неоднородностей, как выемки или трещины, приводит к образованию причудливых форм — уже знакомых нам арок, колонн и пьедесталов.

Таким образом, формирование арок происходит за счет самоорганизации — чем больше вымывается песчинок, тем более крепкой оказывается оставшаяся часть. И это происходит до тех пор, пока прочности породы хватает на поддержание вышележащих слоев и конструкция не обрушивается.

После просчета нескольких моделей и множества экспериментов геологи научились полностью контролировать процессы эрозии песчаника. «Это происходит, как если бы в песчанике жил дух, который волшебным образом контролировал эрозию, вырезая из бесформенного куска правильные, великолепные формы. На самом же деле причина кроется во взаимодействии миллиардов частиц, гравитации и эрозии — ничего более», — пояснил автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

Павел Котляр

Источники:

1. gazeta.ru