最も驚くべき構造上の偉業のいくつかは、建築家によって建てられたり、アーティストによって彫刻されたりしていません。 ブライスキャニオンから中央ヨーロッパのエルベ砂岩山脈まで、世界中の砂岩のアーチ、アルコーブ、柱は、人工建築の同じ特徴と驚くほど似ています。 それで、自然はどうやってそれをしますか？
関連性のあるコンテンツ
- 土地があなたの足の下で消えることができるすべての方法は何ですか？
Nature Geosciencesで昨日公開された研究は、ストレスと侵食のフィードバックサイクルがこれらの自然の驚異の背後にあるかもしれないことを示唆しています。
チェコ共和国の研究者チームによると、侵食は徐々に砂粒を取り除き、残りの粒に岩の重さを乗せて、それらをより緊密に連結させます。 穀物が岩から引き落とされると、重量が不均等に移動し、重量や重力のストレスがかかる地域の穀物は侵食されにくくなり、人間の観光客が賞賛するアーチ、アルコーブ、柱の後ろに残ります。
科学者は、150年以上前にこれらの自然な建築的特徴の説明と分類を始めましたが、砂岩のアーチと柱がどのように形成されるかについての現代の科学者の理論でさえ、かなり異なります。 たとえば、コロラド高原のアーチは岩の基部をアンダーカットしていると考える地質学者もいれば、岩の割れ目がそれらを生み出したと考える人もいます。
同様に、一部の科学者はベネズエラの洞窟に石柱が彫られたと主張しますが、他の科学者は浸食を指摘し、柔らかい岩に染み込んだ液体の指に浸された後に結合した穀物以外のすべてを洗い流します。 ほとんどの説明は、現場での観察と顕微鏡下での岩石サンプルの研究に基づいており、理論は地域によって異なります。 各シナリオに一般的に適合する基本的なメカニズムを思い付く人はいませんでした。
日没、アーチーズ国立公園、ユタ州、米国で後ろから見た繊細なアーチ。 （写真：マイケル・アトマン） 
アメリカ、ユタ州アーチーズ国立公園の悪魔の庭の嵐の前のダブルオーアーチ。 （写真：マイケル・アトマン） 
Pravcicka Brana Arch、チェコ共和国のボヘミアのスイス国立公園にある砂岩建築の象徴的な例。 （写真：Vaclav Sojka） 
ユタ州アーチーズ国立公園の繊細なアーチ。 （写真：Jaroslav Soukup） 
ベネズエラのチャールズブリューワー洞窟システムのクエバコリブリの洞窟の柱。 （写真：Libor Lanik） チェコのチームは別のアプローチを取りたいと考えていました。 ボヘミアン白亜紀盆地のストレック採石場でフィールドワークを行っていると、彼らは、大きな地質建築に関連付けられた千年単位の時間スケールではなく、わずか数ヶ月または数年で砂岩から小さなアーチと柱が高さ約2フィートだけであることに気付きました。
「それらに責任のあるプロセスが採石場で現在動作していることは明らかであり、プロセスは潜在的に分離され、説明される可能性があります」と、プラハのチャールズ大学の地質学者で研究の共著者であるJiri Bruthansは言います。
これらの地形をラボで作ってみませんか？ Bruthansと彼の同僚は、砂岩がストレス下でどのように振る舞うかを観察することから始めました。 彼らは、Strelec採石場から砂岩の立方体を切り取り、水に浸し、立方体の上部に垂直方向の力を加えて、石の砂粒がその上の岩から感じるストレスをシミュレートしました。
垂直方向の応力がないと、立方体は徐々に個々の粒に崩壊しました。 対照的に、垂直応力が増加すると、立方体は徐々に砂時計型の柱に浪費されます。 著者が論文を補足するために作成したビデオをご覧ください。
重大なことに、Strelecの砂岩には、砂の粒子を結合するのに役立つセメント鉱物が含まれていません。 代わりに、著者は砂岩にかかるストレスが鉱物を連結し、岩を一緒に保持することを発見しました。
チェコのチームは、柱の形成を説明するメカニズムを考え出し、数値モデリングが彼らの疑念を裏付けました。 基本的に、砂岩ブロック内の荷重は不均等に運ばれ、一部の砂岩粒は他の砂岩粒よりも重量が大きくなります。 水は岩の細孔（穀物の間の空間）に簡単に浸透し、砂の小片を侵食しますが、より多くの負荷を運ぶ穀物は引き離しにくくなります。
乾いたレンガの壁のように考えてください。 「壁の上部からレンガを引き出すのは簡単ですが、積み込まれているため、下部からレンガを引き出すのは難しいです」と、ブルタンズは言います。 水が砂粒を引き離すと、ますます少ない粒がより多くの負荷を運び、粒間の応力が増加し、粒同士がより緊密に結合し、侵食に対する耐性が高まります。
ただし、一部の砂岩にはセメント剤が含まれています。 そのため、研究者はチェコ共和国、ベネズエラ、米国からセメント砂岩をサンプリングしました。 これらのセメントキューブを塩と霜の風化にさらすと、加重すると砂時計の柱ができ、無負荷のキューブは4倍速く崩壊しました。 セメント材料は侵食で溶解するため、セメントで固められた立方体は、セメントで固められていない立方体と同じ応力が作用します。
明らかに、侵食はさまざまな形でも起こります。 そのため、研究者はラボの降雨と流水をシミュレートして、異なる効果があるかどうかを確認しました。 すべての場合において、ロードされたキューブは、ロードされていないキューブよりも侵食に対して耐性があり、ストレスが重要な要因であることを示しました。
研究者たちは、砂岩をプラスチックの円筒に結合し、人工の「割れ目」を岩に切り込むことにより、「アーチのような岩の窓」を作成しました。 水に浸漬すると、比較的安定したリング形状に素早く成形されました。 （写真：Michal Filppi） 柱を超えて、研究者は研究室でアーチと床を作ることも試みました。 彼らは、岩が形成する形状は、砂岩の最初の露出した塊の形状に依存することを発見しました。 小さな中央の水平方向の亀裂があるキューブはアーチを作りました。 立方体への部分的な水平カットにより、アルコーブが生成されました。 そして、垂直亀裂は垂直の柱や柱を作るのに役立つようです。 また、異なる侵食プロセスは、類似の岩で始まる場合、同じ形状を生成できます。
自立したアーチは、ベースの近くに小さな開口部を持つ砂岩のロードブロックを部分的に浸漬することにより、実験室で作成されました。 時間が経つにつれて、開口部は広くなり、砂岩のブロックを貫通し、アーチを作成しました。 （写真：MarekJanáč、Vesmir.cz） このことから、著者は、砂岩でアーチと柱がどのように形成されるかについて、より微妙な説明を求めています。 「フォームに形を与えるのは応力場だったので、侵食や風化がフォームを彫ったと言ってはいけません。 侵食プロセスは、ストレスによって制御される単なるツールです」とBruthans氏は説明します。
そのような単純なメカニズムがそのような美しい構造を作成できるということは、美的に楽しいアートや建築に入ろうとしているものに対する人間の見方と対照的です。 「完璧な形状を作成するには、知性や計画は必要ありません」とBruthans氏は言います。 実際、「自然はその逆です。 最も完璧なものは、単純なメカニズムによって作られています。」
