Laboratorium Jaskiń Kolumnarnej Basaltowej

Dlaczego zchłodzona skała się rozdziela: kontrakcja przeciwko ograniczeniu

Basaltowa lava wybuchuje przy temperaturach około 1,100 do 1,200 stopni Celsiusza jako niskowiscosa płyn, bogaty w minerale siarki magnezytowej i żelaza. Podczas utraty ciepła do powietrza, wody lub gruntu pod nią, najpierw zaschnie i stanie się spójnym masem skałecznego ciała, a dopiero potem zaczyna się prawdziwa historia rozdzielenia. Spojna basaltowa skała, jak większość materiałów, kontrakuje w objętości przy dalszej spadku temperatury. Jeśli małe blok basaltu mogłoby zchłodzić się w pełnej izolacji, skurczałoby się jednolitym sposobem i nic więcej by się nie stało. Ale rzeczywista strumień lava lub wtrącająca warstwa nie jest izolowana: nowo zaschnięta warstwa jest silnie przyległa do sąsiedniej skały, która nadal jest cieplejsza i jeszcze się nie skurczyła o taki sam stopień. Sąsiadujące materiały fizycznie uniemożliwiają nowo zaschniętej warstwie wolne skurczenie. Wynikiem jest budowa wewnętrznego napięcia rozciągającego, takiego samego rodzaju napięcia jakby czujesz się ciągnąc elastyk, tylko że tu generowane są wewnętrznie z powodu nieporozumienia między tym, ile skała chce skurczyć, a tym, ile jest ona mechanicznie dozwolone do skurczenia. Napięcia rozciągające to konkretny typ, który tutaj ma kluczowe znaczenie, ponieważ skała, jak większość materiałów zraniłych, jest druzgocąco słaba w porównaniu z naciśnięciem: wystarczy modestna siła ciągnięcia, aby ją rozbić poziomie, podczas gdy może wytrzymać znacznie większe siły nacisku przed porażeniem. Podczas dalszego zchłodnienia i akumulacji spadku temperatury, te napięcia rozciągające się wzrostują w sposób ciągły. Kiedy w końcu przekraczają lokalną siłę rysowania basaltu, na punkcie słabości lub koncentracji napięć, zaczyna się rozdzielenie. To jest czysto mechaniczne próg wydarzenia: nic misticznego, żadnego specjalnego spowodującego reakcję mineralnej, tylko zwyczajna fraktura druzgocąca Griffitha odpowiadająca akumulowanej energii deformacji. Ten sam podstawowy mechanizm, kontrakcja przeciwko ograniczeniu, jest tym, co powoduje rozdzielenie się suchego gliny, zchłodzonego glazurowania ceramicznego i nawet niektórych suchych staryków w sieci wielokątową; basaltowe kolumny są prosto najbardziej grubej, najbardziej wytrzymałościowej i najbardziej sławnego naturalnego wyrażeniem tego uniwersalnego fizyki skurczenia się i rozdzielenia, zapisanym w spójnej skałce przez miliony lat, a nie przewiewanym podczas kolejnych deszczów.

Dlaczego przerywki są pionowe w stosunku do przepływu ciepła

Kierunek każdej pojedynczej przerywki nie jest przypadkowy; jest on bezpośrednio determinowany przez geometrię pola temperaturowego w zgorzklającym się kamieniu. Ciepło zawsze przechodzi od cieplejszych regionów do mniej ciepłych, poruszając się po najskuteczniejszym gradientu temperatury, a w zgorzklajonym pływie lava to definiuje rodzinę powierzchni nazywanych izotermami, czyli powierzchniami równej temperatury, które są w przybliżeniu równoległe do granic zgorzklania na dany moment. Napięcie tensyjne spowodowane kontrakcją akumuluje się poziomie izoterm, w płaszczyźnie równoległej do frontu zgorzklania, ponieważ to jest płaszczyzna, w której każdy cienki warstwiczek jest opierany przez sąsiadujące warstwy na kontrakcję. Przerywka powstaje, aby najskuteczniej uległa napięciu, gdy otwiera się pionowo w stosunku do kierunku maksymalnej napięcia tensyjnego, co oznacza, że powierzchnia przerywki końcowo jest orientowana pionowo względem izoterm i zatem równolegle do kierunku przepływu ciepła. Przy dalszym zgorzklaniu i migracji frontu solidifikacji w stronę środka, od oryginalnej powierzchni zgorzklania, koniec każdej przerywki jest pociągany za tymi rosnącymi frontami, rozszerzając przerywkę o małą ilość w kierunku, w którym ciepło przechodzi obecnie na danej lokalizacji. Praktyczne konsekwencje to, że osi długiej kolumny basaltowej są podstawowym foszylizowanym wektorem przepływu ciepła: on zapisuje kierunek, w którym przechodziło ciepło przez kamień na każdym etapie solidifikacji. Gdy pływa lava chłodzi się jednolitą od płaskiej, poziomej powierzchni górnej do płaskiej podstawy, przepływ ciepła jest prostopadły wszędzie, izotermy są poziome, a wynikające kolumny stoją pionowo i równolegle, jak klasyczne pionowe palisady widoczne w wielu wyjściach z powodzi basaltowej. Ale gdzie powierzchnia chłodzenia jest nieprzerywana, na przykład blisko kanału rzeczownego, który chłodzi podstawę pływy niezwykle szybko, lub blisko kontaktu wtrączonego pionowego, lub gdy pływa zatrzymuje się przeciw polu topograficznemu, izotermy skręcają się, aby śledzić tę nieprzerywaną granicę, a kolumny skręcają się razem. To dokładnie dlaczego niektóre wyjścia z powodzi basaltowej wyskakują z dramatycznymi rozgałęzionymi, radiacyjnymi lub krzywymi układami kolumn: kolumny śledzą prostokąt przepływu ciepła, który sam skręcał się, ponieważ podstawowa geometria chłodzenia nie była prostopadła.

Dlaczego sześciokąty: samorganizacja w kierunku minimalnej energii

Jedyny izolowany rurek nie mówi nic o sześciokątach; sześciokątna wzorów tylko pojawia się, ponieważ wiele rurek zaczyna się na około tym samym czasie na rozproszonym powierzchniowym obszarze chłodzenia i rosną, konstantnie interagując ze sobą. Wyobraź sobie powierzchnię chłodzącą jako dwuwymiarową płaszczyznę pod niewielkim, równomiernie rozłożonym napięciu biaxejowego, które działa równocześnie w wszystkich kierunkach w tej płaszczyźnie. Ponieważ napięcie jest prawie takie samo wszędzie przy pojawieniu się rurek, rurek nie zaczyna się od jednego dominującego punktu i rozchodzi się wzdłuż siebie; zamiast tego wielu małych miejsc pojawia się rury w rozproszonej, półprawidłowej konfiguracji, każdy nukleuje samodzielnie tam, gdzie pierwszy raz przekracza próg łamania defekt lokalny lub skupienie napięcia. Gdy każda rura zaczyna rosnąć, lokalnie zwalnia ona napięcie tensji w jej okolicy, co zmienia pole napięcia doświadczone przez sąsiednie rury. Rozwijające się rury efektywnie konkurencje o otaczającą materię pod napięciem, każda próbując zabrać i zwolnić jak najwięcej lokalnej energii deformacji, a ta konkurencja jest to, co napędza sieć w kierunku określonej, przewidywalnej geometrycznej konsekwencji. Można wykazać, używając argumentów minimalizacji energii, które są podobne do tych stosowanych dla sieci folii mydłowej i tesselacji Voronoi, że sieć rurek dzieląca równomiernie napiętą płaszczyznę na komórki zwalnia najwięcej całkowitej energii deformacji, używając najmniejszej długości rurek, gdy komórki zbliżają się do regularnych sześciokątów przecinających się pod kątem 120 stopni. To jest to samo matematyczne rozwiązanie, które reguluje, dlaczego folia mydlana spotyka się w trójce pod kątemem 120 stopni i dlaczego wiele wzorów pakowania komórek biologicznych preferuje sześciokąty: to jest proste najbardziej efektywne sposób na podział płaszczyzny. Rzeczywiste kolumny basaltowe rzadko osiągają idealne regularne sześciokąty w każdym przypadku, ponieważ naturalna skała nigdy nie jest idealnie jednorodna i napięcia nigdy nie są idealnie równomiernie rozłożone, więc obserwowane kolumny często mają od czterech do siedmiu boków, z pięcioma, sześcioma i siedmioma bokami byliby najczęściej, ale statystyczna średnia na dużym obszarze wybrukowanej skały basaltowej skupia się silnie wokół sześciu boków, dokładnie tak jak teoria minimalizacji energii przewiduje, i dokładnie tak jak obserwowane jest w klasycznych próbach laboratoryjnych polygonów drzazg desiccacyjnych i eksperymentach z suszą szarpu starch-slurry jako analogie laboratorium dla tej samej fizyki.

Powolne, uniformne ochłodzenie i jakość kolumn

Nie każda strumien czerwonego wulkanicznego gazu tworzy standardowe kolumny. Różnice wynikają prawie wyłącznie z tego, jak powoli i jak równomiernie się ochłodziła skała. Powolne ochłodzenie daje skałce czas na zwalczanie napięć stopniowo, przez wiele małych, dobrze odstępowanych procesów rozwoju rurek, zamiast jednego nagle i chaotycznego wybuchu. Każdej kiedy rura postępuje krótki dystans, gdy front solidifikacji się cofa wewnątrz, napięcia lokalne są częściowo zwalczane, a system ma czas na ponowne osiągnięcie równowagi przed budowaniem kolejnego stopnia napięć; to zwykle pozostawia widoczny zapis tych pauz rozwojowych jako cienkie poziome brzegi nazywane chisel marks na powierzchniach kolumn, co stanowi prawie płytkoletkowy zapis postępu rury. Powolne ochłodzenie pozwala również procesowi samonagrupowania rurek opisanemu wyżej do pełnego rozgrywu, ponieważ konciki rywalizujące mają czas na interakcję i negociację w kierunku mechanicznie optymalnej szóstokątnej przestrzeni między rurek po całym obszarze, tworząc duże, szerokie, zaskakująco uniformne kolumny, jak te metrowe pilory na Giant's Causeway lub Devils Postpile w Kalifornii. Szybkość ochłodzenia bezpośrednio ustawia szerokość kolumn: szybsze utraty ciepła prowadzą do bardziej stromego gradientu termicznego i szybszego frontu solidifikacji, co zmusza do pojawienia się większej liczby punktów inicjalizacji rurek bliżej siebie, aby śladować szybsze akumulowanie napięć, co prowadzi do szerszych kolumn; natomiast powolne ochłodzenie pozwala na wystąpienie mniejszej liczby, szeroko odstępowanych rurek i odpowiednio grubych kolumn. To jest przyczyną, dlaczego wnętrze grubej strumienia czerwonego wulkanicznego, izolowane przez skałę powyżej i poniżej, ochłodzi się znacznie wolniej niż zamarznięte brzegi zewnętrznego strumienia i rozwija kolumny znacząco grubszie niż cienko podzielone, czasami prawie włókniście skonstruowane skały bezpośrednio przy kontaktach górnych i dolnych. Nieuniformne lub turbulentne ochłodzenie, np. gdzie woda podziemna przerzuca się na powierzchnię ochłodzenia, lub gdzie nagle zmienia się grubość strumienia, lub gdzie szybko zamarznięta brzegowa warstwa tworzy się przeciwko wodzie lub wilgotnej sedimencie, przestoju ordynarny negocjacje geometryczne między sąsiednimi rurek. Pola napięć stają się lokalnie chaotyczne zamiast gładko uniformne, inicjalizacja rurek stała się nieprawidłowa i asymetryczna, a wynikające kolumny kończą się prawaformiste, niezgrabne, niespodziewanie skrzywione lub prosto brakujących, zastępując je zamiast tego chaotyczny, blokowy wzór podziału, często nazywany entablature, w przeciwieństwie do eleganckiej, ordynarnego colonnade wytworzonej przez powolne i nieprzerwanie ochronione ochłodzenie.

Czytanie rzeczywistych wyrostków: Kolumnady, entablature i słynne miejsca

Geolodziści prowadzący badania nad grubym przepływem basaltu kolumnarnego często rozróżniają dwie warstwy strukturalne, które są jednymi z bezpośrednich konsekwencji opisanej powyżej fizyki chłodzenia. Niedolna warstwa, zwana kolumnadą, zwykle składa się z grubych, stosunkowo prostej i dobrze zformowanych kolumn, które chłodziły się wolno i regularnie od podstawy przepływu w górę, lub wewnątrz stabilnej, stosunkowo płaskiej powierzchni górnej, dając sporemu systemowi rysów rozpadu czasu na samoorganizację do formowania się geometryczności szesciokątnej. Siedzący nad nią entablature składa się z ciepłych, bardziej nieprzestrepnych kolumn, często krzywych lub rozwijających się w róg, reprezentujących szybsze, mniej jednorodne chłodzenie. Często to wiadomo jako skutki późnej dotarcia powierzchniowej wody, być może deszczu czy wody po przeciwne, które przeszła przez nadal gorące górne części przepływu i zimna go niejednorodnie i szybko z wielu rozproszonych punktów, a nie jednego gładkiego i naprzód poruszającego się frontu. Węglica Gigantów w Irlandii Północnej, około sześćdziesięciu milionów lat stara, wykazuje jasno tę dwukrotniczną strukturę, a jej dolna kolumnada zawiera szacowane czterdzieści tysięcy osobnych kolumn, większość z nich pięcio- lub sześciokątnej, utworzonych jako ciepły basalt lava pond chłodzi się wolno w szerokiej, łagodnie nachylonej doline. Wieże Diabola w Wyoming prezentują inny uogólniony obraz: zamiast przepływu powierzchniowego basaltu, jest ona szeroko interpretowana jako niewielka ciało podziemne lub solidaryfikowane kanał dostawczy systemu wulkanicznego, który nigdy nie wybuchnął pełno, chłodzi się wolno podziemnie w otoczonej warstwie sedimentarnych skał, co wyjaśnia jej niezwykle wysokie, odwrotne do góry kolumny, niektóre przekraczające osiemdziesiąt metrów bez przerwy, ponieważ kierunek przepływu ciepła tam był zawsze prostopadły do relativowo prostego i łagodnie krzywoliniowego granic chłodzenia przez długą i wolną historię chłodzenia. Węże Postpile w Kalifornii oraz basaltowe przepływy rzeki Kolumbii z Waszyngtonu i Oregonu oferują dodatkowe varia na ten sam temat, każdy kształtowany przez specyficzny grubość, geometrię chłodzenia i trwałość chłodzenia własnego przepływu. W każdym przypadku podstawowa zasada jest taka sama: pomiar geometryczności kolumn dostatecznie dokładnie, a efektem jest prawie czytanie fossilizowanego rekordu dokładnie tego, jak i jak szybko dany ciało mokrego, płynnego kamienia straciło swoją ciepło.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Columnar Basalt Jointing Lab i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.