14.07.2015 | Наука

Вулкан под Неаполем вдохновил римлян на создание первого бетона

Американские исследователи обнаружили, что римский бетон, одно из самых прочных соединений в мире, напоминает каменные породы, образовавшиеся в недрах потухшего супервулкана в Италии.

Фото Tiziana Vanorio

Это наблюдение даёт основание предполагать, что римляне подражали природе, создавая свой материал для наполнения полостей несущих стен.

Римский бетон был использован для строительства таких памятников архитектуры, как Пантеон и Колизей: то есть стены из него стоят уже два тысячелетия. Тот факт, что этот же строительный материал использовался и для строительства акведуков и искусственных гаваней по всему Средиземноморью, свидетельствует о том, что он успешно противостоит не только времени, но и влаге и волнам.

Профессор геофизики Тициана Ванорио (Tiziana Vanorio) из Стэнфордского университета выяснила, что не только люди, но и естественные геологические процессы создавали структуры, подобные римскому бетону, в недрах Флегрейских полей — большой вулканической области к северо-западу от Неаполя.

Каменные микроструктуры, найденные в этой местности, продемонстрировали исключительную прочность, способность выдержать огромные нагрузки без деформации.

Флегрейские поля лежат в центре большой кальдеры — котловины супервулкана, которая испещрена трещинами и кратерами, появившимися во времена прошлых извержений (последнее датируется 1538 годом).

В кальдере расположен портовый город Поццуоли, который был основан греками в 600 году до нашей эры. Большинство итальянцев знают его как родину кинозвезды Софи Лорен, однако во времена Римской империи он был одним из крупнейших торговых портов Средиземного моря и звался Путеолы.
С 1982 года земля под Поццуоли начала с угрожающей скоростью подниматься. В течение двух лет город поднялся чуть менее, чем на два метра — такие показатели не встречались ранее ни в одной точке мира. Подземная опухоль сопровождалась устойчивой сейсмической активностью, так что из Поццуоли было эвакуировано около 40 тысяч человек.

"Раньше подобные явления мы наблюдали в других кальдерах, таких, как Йеллоустоун или Лонг Вэлли в США, но они никогда не были настолько масштабными, – рассказывает Ванорио. – К тому же, чтобы вызвать землетрясение, обычно требуется гораздо меньше времени. На территории Флегрейских полей микроземлетрясения сдерживались несколько месяцев даже несмотря на то, что земля была сильно деформирована".

Учёные решили использовать это явление, чтобы ответить на давний вопрос о том, почему подземные кальдеры стойко переносят деформацию без немедленного освобождения запасённой энергии через образование разрывов и трещин. Ванорио и её коллеги проанализировали каменные пробы из скважин, пробуренных в кальдере перед поднятием Поццуоли. Результаты показали впечатляющее сходство со структурой римской бетона.

"Римский бетон создавался путём смешивания гашёной извести и пуццолана, вулканического пепла из Флегрейских полей, – объясняет профессор. – Подобно этой технике, естественный процесс во Флегрейских полях образует слой, залегающий на глубине 975-1980 метров и представляющий собой волокнистое вещество".

Образцы керна показали, что в кальдере природная известь образуется в результате разложения глубинных карбонатных пород под воздействием высокой температуры и минеральных жидкостей. Такой процесс называется декарбонизацией. После формирования известь транспортируется геотермальными жидкостями на меньшую глубину, где встречается с каменным слоем из пуццоланового пепла и вступает с ним в реакцию. Эта реакция и приводит к образованию волокнистых минералов, тоберморита и эттрингита, которые также были найдены в рукотворном бетоне, в том числе и в римском бетоне.

Пробы, взятые из блока римского бетона, некогда лежащего в гавани Порт Юлия (Portus Julius), а в настоящий момент находящегося в заливе Поццуоли, продемонстрировали такой же состав, что был найден в твёрдом каменном слое у поверхности кальдеры Флегрейских полей.

Ванорио подозревает, что древние римские строители пришли к своему значимому технологическому прорыву, проследив связь между вулканическим пеплом в Поццуоли и минеральной водой, сочащейся сквозь подземные породы.

Отчасти это подтверждают и исторические источники: так, римский философ Сенека, а до него и инженер и архитектор Витрувий, подмечали, что в поццуолийской золе было нечто особенное. "Пепел в Путеолах становится камнем, если его коснётся вода", – писал Сенека.

Вулканический пепел из Поццуоли, прозванный на латыни pulvis puteolanus, использовался в строительстве по всему миру, а технология изготовления римского бетона получила широкое распространение. Например, археологи обнаружили, что из пуццолана сделаны причалы в египетской Александрии, в Кесарии в Израиле и на Кипре.

По словам Ванорио, именно переплетающиеся волокна внутри структуры помогают создать камень с исключительными свойствами и высокой прочностью. Она уверена, что понимание физических и химических условий процессов, проходящих в кальдере, и последующее воспроизведение их в лаборатории могут вдохновить на создание экологически чистых высокопрочных композитных материалов, а также передовых методов для восстановления повреждённых зданий и памятников архитектуры и технологий защиты от утечки газа и загрязнения воды.

Научная статья группы Ванорио с описанием открытия была опубликована в издании Science.

По публикациям UkrNet