Математики объяснили происхождение загадочного рельефа на скалах — от Дальнего Востока до Марса

❋ 4.5

Скалы, инженерные сооружения и памятники иногда покрываются похожими на соты углублениями с тонкими перегородками — геологи называют это ячеистым выветриванием. Обычно такого рода сотовые структуры наблюдаются на песчанике и граните во влажных средах с высоким содержанием соли, например вблизи моря, но также и в пустынях, и даже на Марсе. В природных объектах каменные соты выглядят как занятный орнамент, но для памятников это явление вредно. Соты в скалах активно изучаются уже около ста лет, но исчерпывающего ответа на вопрос, почему они формируются, до сих пор нет. Зато теперь есть компьютерная модель, которая симулирует выветривание породы при испарении соленой воды и воспроизводит загадочный рельеф, указывая, какие условия способствуют его появлению.

Сколтех

# дальний Восток

# марс

# рельеф

# скалы

# соты

Сотовые структуры на скалах в заповеднике Чешский рай (слева) и в Уссурийском заливе (справа). Источник: Александр Сафонов и другие / © Geosciences / Автор: Godefridus Victorinus

Исследование опубликовано двумя учеными из Сколтеха в журнале Geosciences. «Сотовые структуры на скалах изучаются последние сто лет, но четкого понимания, как они появляются, до сих пор нет, — прокомментировал исследование его первый автор, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов. — 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, — продолжил ученый. — С точки зрения сохранения памятников полученные нами результаты могут помочь определять, какие участки поверхности того или иного сооружения, статуи 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».

Известно, что горная порода может постепенно разрушаться под воздействием эрозии разной природы, но до настоящего момента ни эксперименты, ни математические модели не воспроизводили характерной испещрённой множеством ячеек поверхности в результате воздействия того или иного фактора выветривания. Исследователям из Сколтеха удалось создать симуляцию, в которой постепенное изменение поверхности приводит к формированию сотовых структур. Более того, из симуляции становится ясно, почему ниже «пояса сот» на скале часто наблюдается гладкий, «отшлифованный» участок, а выше — 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 ее сердцевине влажность принимается постоянной для данной высоты над землей. Интуитивно это можно понять так: допустим, почва под скалой такая влажная, что ее сердцевина все время подпитывается водой до некоторого уровня, который постоянен для данной высоты над землей. Если подняться выше, то это базовое значение снижается. Так вот, в некотором диапазоне высот достигается оптимальная влажность и вода, которая мигрирует от центра скалы к ее поверхности, улетучивается и оставляет за собой соляные кристаллы, вызывает сотовую эрозию. Процесс запускает одна случайная выбоина на скале. Ниже попробуем разобраться, почему это происходит лишь при определённом уровне влажности.

Сотовые структуры на скалах Аполена в заповеднике Чешский рай. Числовые значения на белом фоне обозначают количество влаги, которую будет содержать горная порода на той или иной высоте над землей. В математической симуляции ученых из Сколтеха соты тоже формируются в умеренно влажных областях (0,090 … 0,110), где скала не слишком сухая, но и не чересчур влажная © / Александр Сафонов и другие / Geosciences

Вода выходит из наиболее влажных (показаны красным) внутренних слоёв скалы к максимально сухой (синий цвет) поверхности. Если испарение происходит не глубоко внутри, а немного не доходя до поверхности, то остающиеся под поверхностным слоем кристаллы соли отщепляют частицы камня. Такого рода выветривание ведёт к появлению характерных перегородок (справа), если поверхности была произвольная выбоина на старте (слева) и базовый уровень влажности (красный) имеет оптимальное значение — последнее условие будет выполняться на определённой высоте над уровнем моря.

«Ключ к пониманию: вода не обязательно испаряется на поверхности, — объясняет соавтор исследования, аспирант Сколтеха Кирилл Минченков. — 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, остается 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».

© Александр Сафонов и другие / Geosciences

Чтобы понять, откуда берутся стенки сот, которые в плоской 2D-модели выглядят как отростки на поверхности скалы, рассмотрим сочетание третьего и первого сценариев: оптимальная для эрозии и недостаточная влажность. Допустим, на интересующей нас высоте скала имеет оптимальную влажность внутри, а значит, её поверхность в целом будет подвержена эрозии. Оказывается, что если на ней изначально присутствовали выступы (поэтому симуляция начинается с появления случайной выбоины), именно эти выступы будут меньше подвержены эрозии, поскольку они слишком сухие и там испарение произойдёт на слишком большой глубине. В результате поверхность в целом постепенно съедается эрозией, но «привилегированное» положение выступов защищает их от разрушения.

Аналогичным образом можно объяснить гладко отшлифованную поверхность, которая часто наблюдается ниже уровня образования сот. Там порода в среднем более влажная и возможна ситуация, что выветривание, наоборот, происходит только на выступах.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.