«Натуральный бетон» вулкана Кампи Флегрей похож на римский бетон, легендарный состав, изобретенный римлянами и использованный для строительства Пантеона, Колизея и древних морских портов по всему Средиземноморью.«Это подразумевает существование естественного процесса в недрах Кампи Флегрей, аналогичного тому, который используется для производства бетона», — сказала Тициана Ванорио, экспериментальный геофизик из Стэнфордской школы Земли, Энергетика. Науки об окружающей среде.Кампи Флегрей находится в центре большой депрессии, или кальдеры, испещренной кратерами, образовавшимися во время прошлых извержений, последнее из которых произошло почти 500 лет назад.
В этой кальдере расположен красочный портовый город Поццуоли, основанный в 600 году до нашей эры. греки и римляне называли "Путеолами".Начиная с 1982 года, земля под Поццуоли начала подниматься с угрожающей скоростью. За два года подъем превысил шесть футов — беспрецедентную величину в мире. «Поднимающееся морское дно сделало залив Поццуоли слишком мелким для больших судов», — сказал Ванорио.
Что еще хуже, вздутие земли сопровождалось сериями микроземлетрясений. Многие толчки были слишком слабыми, чтобы их можно было почувствовать, но когда поццуоли сотрясло землетрясение силой 4 балла, официальные лица эвакуировали исторический центр города. Поццуоли в одночасье превратился в город-призрак.
В то время будучи подростком, Ванорио был среди примерно 40 000 жителей, вынужденных бежать из Поццуоли и поселиться в городах, разбросанных между Неаполем и Римом. Событие произвело впечатление на юную Ванорио и пробудило в ней интерес к наукам о Земле.
В настоящее время доцент Стэнфордского университета Ванорио решила применить свои знания о том, как горные породы в недрах Земли реагируют на механические и химические изменения, чтобы исследовать, как земля под Поццуоли смогла выдержать такое сильное деформирование, прежде чем треснуть и вызвать микроземлетрясения.«Набухание грунта происходит в других кальдерах, таких как Йеллоустон или Лонг-Вэлли в Соединенных Штатах, но никогда до такой степени, и обычно требуется гораздо меньшее поднятие, чтобы вызвать землетрясения в других местах», — сказал Ванорио. «В Кампи Флегрей микроземлетрясения задержались на несколько месяцев, несмотря на действительно большие деформации грунта».Чтобы понять, почему поверхность кальдеры смогла выдержать невероятное напряжение без внезапных трещин, Ванорио и научный сотрудник Варунторн Канитпаньячароен изучили керны горных пород в этом регионе. В начале 1980-х годов в рамках программы глубокого бурения была исследована активная геотермальная система Кампи-Флегрей до глубины около 2 миль.
Когда пара проанализировала образцы горных пород, они обнаружили, что покрывающий слой Кампи Флегрей — твердый слой породы, расположенный недалеко от поверхности кальдеры — богат пуццоланой или вулканическим пеплом из этого региона.Ученые также заметили, что кепрок содержал тоберморит и эттрингит-волокнистые минералы, которые также встречаются в бетоне, созданном руками человека. Эти минералы сделали бы капрон Кампи Флегреи более пластичным, и их присутствие объясняет, почему земля под Поццуоли могла выдерживать значительные изгибы перед разрушением и сдвигом. Но как тоберморит и эттрингит образовались в покрышке?
И снова керны стали решающей подсказкой. Образцы показали, что глубокий фундамент кальдеры — «стена» чашеобразной впадины — состоял из карбонатных пород, похожих на известняк, и что в карбонатных породах вкраплен игольчатый минерал, называемый актинолитом.«Актинолит был ключом к пониманию всех других химических реакций, которые должны были иметь место для образования природного цемента в Кампи Флегрей», — сказал Канитпаньячароен, который сейчас работает в университете Чулалонгкорн в Таиланде.
Из актинолита и графита ученые пришли к выводу, что под Кампи Флегреи происходит химическая реакция, называемая декарбонизацией. Они считают, что сочетание тепла и циркулирующих богатых минералами вод декарбонизирует глубокий фундамент, вызывая образование актинолита, а также углекислого газа. Когда CO2 смешивается с карбонатом кальция и водородом в породах фундамента, он запускает химический каскад, который производит несколько соединений, одним из которых является гидроксид кальция. Гидроксид кальция, также известный как портландит или гашеная известь, является одним из двух ключевых ингредиентов искусственного бетона, включая римский бетон.
Циркулирующие геотермальные жидкости переносят эту природную известь на более мелкие глубины, где она соединяется с пуццолановой золой в покрывающих породах, образуя непроницаемую бетоноподобную породу, способную выдерживать очень сильные нагрузки.«Это та же химическая реакция, которую древние римляне невольно использовали для создания своего знаменитого бетона, но в Кампи Флегрей это происходит естественным образом», — сказал Ванорио.Фактически, Ванорио подозревает, что вдохновение для римского бетона пришло из наблюдений за взаимодействием вулканического пепла в Поццуоли и морской водой в этом регионе. Римский философ Сенека, например, отмечал, что «пыль в Путеолах превращается в камень, если соприкасается с водой».
«Римляне были страстными наблюдателями мира природы и прекрасными эмпириками», — сказал Ванорио. «Сенека, а до него Витрувий, понимали, что есть что-то особенное в золе Поццуоли, и римляне использовали пуццолану для создания своего собственного бетона, хотя и с другим источником извести».Поццуоли был главным торговым и военным портом Римской империи, и судам было свойственно использовать пуццолану в качестве балласта при торговле зерном из восточного Средиземноморья. В результате этой практики вулканический пепел Кампи Флегрей и использование римского бетона распространились по древнему миру.
Археологи недавно обнаружили, что пирсы в Александрии, Кесарии и на Кипре сделаны из римского бетона и содержат пуццолан в качестве основного ингредиента.Интересно, что та же химическая реакция, которая отвечает за уникальные свойства капрока Кампи Флегрей, также может спровоцировать его гибель. Если происходит слишком сильное обезуглероживание, что может произойти, если в систему попадает большое количество соленой воды или рассола, образуется избыток углекислого газа, метана и пара. По мере того, как эти газы поднимаются к поверхности, они сталкиваются с естественным цементным слоем, деформируя верхнюю породу.
Это то, что помогло Поццуоли в 80-е годы. Когда напряжение от повышения давления превышало прочность покрывающей породы, порода раскалывалась и трескалась, вызывая множество микроземлетрясений. По мере того, как задерживаемые газы и жидкости выходят в атмосферу, набухание грунта спадало. Ванорио и Канитпаньячароен подозревают, что по мере того, как больше гидроксида кальция добывалось на глубине и переносилось на поверхность, поврежденный верхний порода медленно восстанавливался, его трещины «залечивались» по мере производства большего количества природного цемента.
Ванорио считает, что условия и процессы, ответственные за исключительные свойства горных пород Кампи Флегрей, могут присутствовать и в других кальдерах по всему миру. Лучшее понимание условий и процессов, которые сформировали капрок Кампи Флегрея, также может позволить ученым воссоздать его в лаборатории и, возможно, даже улучшить его, чтобы создавать более прочные и упругие бетоны, которые лучше выдерживают большие нагрузки и тряску, или исцеляются после повреждений.
«Существует потребность в экологически чистых материалах и бетонах, которые могут легче выдерживать нагрузки», — сказал Ванорио. «Например, добыча природного газа с помощью гидроразрыва пласта может вызвать быстрые изменения напряжения, которые вызывают разрушение бетонных обсадных труб и приводят к утечкам газа и загрязнению воды».Видео: https://www.youtube.com/watch?v=LrL5ARjmFSs