Колонновидна базальтова сплющена лабораторія

Чому охолодження порід утворює тріщини: скорочення при обмеженні

Базальтова лава вивергається при температурах близько 1100-1200 градусів Цельсія як в’язкий розплав, багатий на мінерали заліза та магнезієвої силіки. Охолоджуючись повітрям, водою або підземним шаром, вона спочатку затвердіває у цілісну масу порід, і тільки після цього починається справжня історія їх з’єднання. Затверділа базальтова порода, як і майже будь-яка тверда речовина, скорочується в об'ємі при зниженні температури. Якби невеликий шматок базальту охолонув у повній ізоляції, він би просто злився, і нічого більше не сталося б. Але справжній потік лави або інтрузивний лист не є ізольованим: нещодавно затверділий шар міцно закріплений до сусідніх порід, які все ще тепліші та ще не охололи так само. Ця сусідня речовина фізично перешкоджає охолодженню шару, щоб він вільно стиснувся. В результаті виникає напруження у вигляді внутрішньої розтяжки, таке ж, як і те, що відчуваєш, коли тягнеш еластичний бинт, тільки тут воно генерується всередині через невідповідність того, як хоче стиснутися порода, і того, наскільки механічно дозволено їй стискатися. Розтягуюче напруження – це саме той тип, який має значення тут, оскільки порода, як і більшість крихких матеріалів, значно слабша в розтягуванні, ніж у стисненні: для того, щоб її зламати, потрібно лише невелике тяглове зусилля, тоді як вона може витримати набагато більші стисливі сили перед тим, як зруйнуватися. Продовжуючи охолоджуватися та накопичуючи температуру, ця розтягуюча напруга постійно зростає. Коли вона нарешті перевищує місцеву межу міцності на розрив базальту, в певному місці слабкості або концентрації напруги ініціюється тріщина. Це чисто механічний поріг події: нічого містичного, без особливого мінерального тригера, просто звичайне відірвання за принципом Гріффітса у відповідь на накопичену енергію деформації. Той самий базовий механізм – скорочення при обмеженні – є тим, що викликає тріщини в сушеному бруді, охолоджуваному керамічному глазурі та навіть деяких сухих крохмалах; базальтові стовпи - це просто найгрубіші, найбільш міцні та найвідоміші природні прояви цієї універсальної фізики скорочення і розтріскування, збережені в камені протягом мільйонів років, а не змиті дощем наступного разу.

Чому тріщини проходять перпендикулярно до потоку тепла

Орієнтація будь-якої окремої тріщини не випадкова; вона безпосередньо визначається геометрією температурного поля всередині охолоджуюшогося гірського каменю. Тепло завжди циркулює від гарячих регіонів до холодних, слідуючи найкрутішому температурному градієнту, і у застигаючому шарі лави це визначає сім'ю поверхонь, які називаються ізотермами – поверхнями з однаковою температурою, приблизно паралельних до охолоджуючої межі в будь-який момент часу. Напруження від стиснення накопичується вздовж ізотерм у площині, паралельній передньому краю охолодження, оскільки це та площа, де кожен тонкий шар обмежується скороченням сусідніми шарами в тому ж самому шарі. Тріщина утворюється для найбільш ефективного зняття напруги, коли вона відкривається перпендикулярно до напрямку максимального натягу, що означає, що поверхня тріщини сама по собі закінчується перпендикулярно до ізотерм і, отже, паралельно до потоку тепла. Продовжуючи охолодження та віддаляючись від початкової охолоджуючої поверхні, кожна точка кінця тріщини тягнеться за собою разом з цим віддаленим фронтом, поступово збільшуючи тріщину в напрямку, в якому зараз рухається тепло в цьому місці. Практичний наслідок полягає в тому, що вісь довгого базальтового стовпця по суті є застиглим вектором потоку тепла: він записує напрямок руху тепла через гірську породу на кожному етапі затвердіння. Коли лавовий потік рівномірно охолоджується від плоского горизонтального верху вниз до плоскої основи, потік тепла просто вертикальний скрізь, ізотерми горизонтальні, і стовпці стоять прямо та паралельно, як класичні вертикальні палісади, які можна побачити на багатьох вивільняннях базальтових потоків. Але де охолоджуюча поверхня нерівномірна, наприклад, біля струмка, який незвично швидко охолоджує основу потоку, або біля вертикального контакту з інтрузією, або там, де потік накопичується проти нерівної топографії, ізотерми викривляються, щоб слідувати за цим нерівномірному рубежу, і стовпці згинаються разом із ними. Саме тому деякі базальтові витікання показують драматичні розмазані, радіальні або вигнуті утворення стовпців: стовпці просто відстежують напрямок потоку тепла, який сам по собі був викривлений через те, що основна геометрія охолодження не була просто площиною.

Чому шестикутники: самоорганізація до мінімальної енергії

Одиновий ізольований тріщина нічого не розповість про шестикутники; шестигранний малюнок з'являється лише тоді, коли багато тріщин одночасно ініціюються приблизно в одній точці на поширеній поверхні охолодження та потім ростуть, постійно взаємодіючи одна з одною. Уявіть собі цю поверхню як двовимірний лист під приблизно рівномірною біаксиальним напруженням, яке тягне в усіх напрямках всередині цього простору. Оскільки напруження практично однакове у момент ініціації тріщин, тріщини не починаються з однієї домінуючої точки та не розповсюджуються; замість цього виникає безліч невеликих точок ініціювання тріщин у розсіяному, майже випадковому розташуванні, кожна незалежно нікуди не формується, де локальна несправність або концентрація напруження спочатку перетинає поріг тріщини. Коли кожна тріщина починає рости, вона локально зменшує напруження в її безпосередній близькості, що змінює поле напружень, яке відчувають її сусіди. Ростуть тріщини ефективно конкурують за навколишній напружений матеріал, кожна намагається захопити та відвести якомога більше енергії локального напруження, і саме ця конкуренція змушує мережу сходитися до певного передбачуваного геометричного результату. Можна показати, використовуючи аргументи мінімізації енергії, подібні до тих, що використовуються для мереж з воску та вірогідностей Вороної, що мережа тріщин, яка ділить рівномірно напружений площину на комірки, вивільняє найбільшу загальну енергію напруження, використовуючи найменший загальний простір тріщин, коли комірки наближаються до регулярних шестикутників з кутами в 120 градусів. Це ідентичний математичний результат, який керує тим, як збираються воскові бульбашки в трійках під кутом 120 градусів і чому багато біологічних закономірностей упаковки клітин віддають перевагу шестикутникам: це найефективніший спосіб поділити площину. Реальні базальтові стовпи рідко досягають ідеального регулярного шестикутника в кожному випадку, оскільки природний камінь ніколи не є абсолютно однорідним, а напруження ніколи не є абсолютно рівномірним, тому спостережувані стовпи зазвичай варіюються від чотирьох до семи сторін, п'ять, шість і сім найчастіше зустрічаються, але статистична середня по великій колонаристській базальтовій виїздці сильно схиляється до шести сторін, точно так само, як передбачує теорія мінімізації енергії, і точно так само, як спостерігається в класичних полігонах тріщин з глинистих відкладень та експериментах з суміші крохмалю, які використовуються як лабораторні аналоги для цієї однієї й тієї ж фізики.

Повільне, Рівномірне Охолодження та Якість Стовпців

Не кожен базальтовий потік лави утворює ідеальні стовпці, і різниця в цьому майже повністю залежить від того, наскільки повільно та рівномірно охолоджується гірка. Повільне охолодження дає гірці час поступово зняти напругу через багато невеликих, добре розбитих тріщин, а не через один раптовий, хаотичний розлом. Коли кожна тріщина просувається на короткий шлях, коли рухоме ущільнення проникає всередину, локальна напруга частково знімається, і система має час переналаштуватися перед тим, як накопичуватись наступний рівень напруги; це зазвичай залишає видимим слід від цих зупинок росту як тонкі горизонтальні смуги, які називаються «розрізаними» позначками на поверхні стовпців, по суті, запис про прогрес росту тріщин. Повільне охолодження також дозволяє процесу самоорганізації простору між тріщинами, описаному вище, повністю розгорнутися, оскільки конкуруючі кінці тріщин мають час взаємодіяти та домовлятися щодо механічно оптимального гексагонального віддалення на великій площі, створюючи великі, широкі, дивовижно рівномірні стовпці, як-от стовпці завбільшки з метр у Giant's Causeway або Devils Postpile в Каліфорнії. Швидкість охолодження також безпосередньо визначає ширину стовпця: швидше відведення тепла призводить до крутішого теплового градієнту та швидшого рухомого ущільнення, що змушує з’являтися більше місць початку тріщин ближче один до одного, щоб встигати за більш швидким накопиченням напруги, що дає вужчі стовпці, а повільне охолодження дозволяє менше, більш розсіяних тріщин і відповідно товстіші стовпці. Саме тому внутрішня частина густої лавової маси, ізольована гірками зверху та знизу, охолоджується значно повільніше, ніж охолоджені зовнішні краї потоку, і розвиває помітно ширші стовпці, ніж тонко в’язана, іноді майже волокниста, гірка безпосередньо на верхніх та нижніх контактах. Неоднорідне або турбулентне охолодження, навпаки, наприклад, коли підземні води періодично затоплюють охолоджуючу поверхню, або коли товщина потоку різко змінюється, або коли утворюється швидке застиглий скляний край проти води чи вологого осаду, порушує впорядковану геометричну угоду між сусідніми тріщинами. Поле напруги стає локально хаотичним замість плавно рівномірного, а утворення тріщин стає нерегулярним і асиметричним, і результативні стовпці закінчуються неправильними, погано сформованими, непередбачувано звиті або просто відсутні, замість цього утворюється безладно-блоковий, нестовповий з’єднувальний малюнок, який часто називають ентаблементом, на противагу акуратному, впорядкованому колонаді, що виникає при повільному, незримій охолодженні.

Читання Реальних Виходів: Колонна, Підис і Відомі Місця

Геологи-полеви, що вивчають потужний стовпчастий базальтовий потік, зазвичай розрізняють дві структурні зони, які розташовані одна над одною, і обидві з них є прямими та зрозумілими наслідками фізики охолодження, описаної вище. Нижня зона, яка називається колонною, зазвичай складається з товстих, відносно прямих, добре сформованих стовпів, які повільно і стабільно охолоджувалися від основи потоку догори або всередину від відносно рівної плоской верхньої поверхні, що дало мережі тріщин достатньо часу для самоорганізації в чисту гексагональну геометрію. Розташована над нею, підис складається з тонших, більш нерегулярних, часто вигнутих або радіальних стовпів, що відображає швидке, менш рівномірне охолодження, часто приписуване пізньому прибуттю поверхневої води, можливо, дощу чи потопу, яка проникла в ще гарячий верхній потік і нерівномірно та швидко охолодила його з численних розсіяних точок, а не з однієї гладкої, просуваюсячої передньої частини. Giant's Causeway на Північній Ірландії, приблизно шістдесят мільйонів років старої, чітко демонструє цю двошарову структуру, і її нижня колонна містить приблизно сорок тисяч окремих стовпів, більшість з яких мають п’ять або шість граней, утворених товстим базальтовим лавовим озером, яке повільно охолоджувалося в широкій, плавно нахиленій долини. Devils Tower у Вайомінгу представляє інший контекст: замість поверхневого лавового потоку він широко інтерпретується як або як неглибокий проникливий тіло, або як затверділий канал постачання тепла вулканічної системи, яка ніколи повністю не вивергалася, охолоджуючись повільно під землею в межах оточеної осадовими породами породи, що пояснює його надзвичайно високі, вражаюче вертикальні стовпи, деякі з яких перевищують вісімдесят метрів безперервною довжиною, оскільки напрямок потоку тепла там був послідовно перпендикулярним до відносно простої, плавно вигнутої межі охолодження протягом тривалого, повільного періоду охолодження. Devils Postpile в Каліфорнії та базальтові флюги річки Колумбія у Вашингтоні та Орегоні пропонують додаткові варіації на ту ж тему, кожен з яких був сформований за допомогою товщини, геометрії охолодження та тривалості охолодження власного лавового тіла. У кожному випадку основна правило однакове: якщо ви достатньо точно вимірюєте геометрію стовпів, ви фактично читаєте викопний запис про те, як і наскільки швидко це конкретне тіло розплавленого каменю втратило тепло.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Columnar Basalt Jointing Lab і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.