Учёные объяснили происхождение загадочного рельефа на скалах от Дальнего Востока до Марса. Инженерные сооружения и памятники иногда покрываются похожими на соты углублениями с тонкими перегородками. По словам геологов, это называется ячеистым выветриванием. Такие сотовые структуры наблюдаются на песчанике и граните во влажных средах с высоким содержанием соли, например вблизи моря, в пустынях и даже на Марсе. В природных объектах каменные соты выглядят как занятный орнамент, но для памятников это вредно. Соты в скалах активно изучаются уже 100 лет, но точного ответа на вопрос, почему они формируются, пока нет. Инженеры «Сколтеха» создали компьютерную модель, симулирующую выветривание породы при испарении солёной воды и воспроизводящую загадочный рельеф, показывая условия, способствующие его появлению. Исследование уже опубликовано в журнале Geosciences. Об этом рассказали информационной службе Хабра в пресс-службе «Сколтеха».
Александр Сафонов
Первый автор исследования, доцент Центра технологий материалов «Сколтеха»
«Сотовые структуры на скалах изучаются последние сто лет, но чёткого понимания, как они появляются, до сих пор нет. Выдвигались разные гипотезы: водная и ветровая эрозия, разрушительное воздействие кристаллов льда или соли, резкие перепады температур, лишайники и так далее. В этой работе мы следуем гипотезе выветривания вследствие испарения солёной воды, создаём математическую симуляцию и определяем интервал влажности, в котором происходит сотообразование. С точки зрения сохранения памятников полученные нами результаты могут помочь определять, какие участки поверхности того или иного сооружения, статуи и т. д. наиболее подвержены этому виду эрозии. Также можно пытаться прогнозировать срок службы здания при том или ином расположении и определять более благоприятные площадки для строительства или переноса памятников».
Горная порода может постепенно разрушаться под воздействием эрозии разной природы, до настоящего момента ни эксперименты, ни математические модели не воспроизводили характерной испещрённой множеством ячеек поверхности в результате воздействия того или иного фактора выветривания.
Исследователи смогли создать симуляцию с постепенным изменением поверхности, приводящим к формированию сотовых структур. Из этой симуляции становится ясно, почему ниже «пояса сот» на скале часто наблюдается гладкий, «отшлифованный» участок, а выше формируется не затронутая эрозией зона.
Симуляция выполнена в двух измерениях для стандартных условий испарения, взятых в литературе. В модели сделано допущение: сколько бы воды ни испарялось с поверхности скалы, в её сердцевине влажность принимается постоянной для данной высоты над землёй. Например, почва под скалой влажная, и её сердцевина всё время подпитывается водой до некоторого уровня, он постоянен для данных условий. Если подняться выше, то это базовое значение снижается. В некотором диапазоне высот достигается оптимальная влажность, а вода мигрирует от центра скалы к её поверхности и улетучивается, оставляя за собой соляные кристаллы, вызывает сотовую эрозию. Процесс запускает одна случайная выбоина на скале.
Кирилл Минченков
Соавтор исследования, аспирант «Сколтеха»
«Ключ к пониманию: вода необязательно испаряется на поверхности. Вообще, возможны три сценария. Высоко над землёй скала такая сухая, что вода начинает постепенно испаряться задолго до выхода на поверхность. Внутри остаются соляные кристаллы в небольшом количестве, но никакого существенного разрушения нет. Если же, наоборот, спуститься очень близко к земле, или уровню моря, то влажность очень высока и вода испаряется непосредственно с поверхности скалы. Да, остаётся много соли, но этот неглубокий процесс затрагивает лишь самый наружный слой породы. Так вот, помимо этих двух сценариев есть промежуточный случай, когда вода испаряется внутри, но на незначительной глубине, оставляя под приповерхностным слоем породы соляные кристаллы, которые распирают её и со временем отщепляют частицы камня».
Для понимания, откуда берутся стенки сот, выглядящие в 2D-модели как отростки на поверхности скалы, учёные рассмотрели оптимальную для эрозии и недостаточную влажность. Исследователи допустили, что на интересующей их высоте скала имеет оптимальную влажность внутри, и её поверхность будет подвержена эрозии. Оказывается, что если на поверхности изначально присутствовали выступы (поэтому симуляция начинается с появления случайной выбоины), именно они будут меньше подвержены эрозии, поскольку они слишком сухие, а испарение произойдёт на большей глубине. В результате поверхность в целом постепенно съедается эрозией, но «привилегированное» положение выступов защищает их от разрушения. Этим объясняется гладко отшлифованная поверхность, часто наблюдаемая ниже уровня образования сот.
