Когда начинается прибрежный прилив, он может показать красивую рябь на временно обнаженном песке. Те же волнообразные узоры можно увидеть и на древних окаменелых морских дне, которые были обнажены в различных частях мира и сохранялись в течение миллионов или даже миллиардов лет.
Геологи обращаются к древней песчаной ряби в поисках ключей к условиям окружающей среды, в которых они образовались. Например, расстояние между рябью пропорционально глубине воды и размеру волн, образовавших нижележащую рябь.
Но песчаная рябь не всегда идеально параллельна, является точной копией друг друга и может отображать различные изгибы и завихрения. Могут ли эти более тонкие, казалось бы, случайные отклонения или дефекты рассказать нам что-нибудь об условиях, в которых образовалось песчаное морское дно?
Ответ, по мнению исследователей из Массачусетского технологического института и других организаций, положительный. В статье, опубликованной в Интернете и появившейся в выпуске журнала Geology от 1 октября, команда сообщает, что некоторые общие дефекты, обнаруженные как в древнем, так и в современном морском дне, связаны с определенными волновыми условиями. В частности, их результаты показывают, что дефекты ряби, напоминающие песочные часы, зигзаги и камертоны, вероятно, формировались в периоды изменений окружающей среды, например, во время сильных штормов или значительных изменений приливных течений..
«Тип дефекта, который вы видите в ряби, может рассказать вам о том, насколько драматичными были изменения погодных условий в то время», - говорит Тейлор Перрон, доцент кафедры геологии и заместитель главы отдела Земли, атмосферы и метеорологии Массачусетского технологического института. Планетарные науки (EAPS).«Мы можем использовать эти дефекты как отпечатки пальцев, чтобы сказать не только о том, какими были средние условия в прошлом, но и о том, как все менялось».
По словам Перрона, дефекты ряби в древних песчаных пластах также могут влиять на то, как флюиды протекают через осадочные породы, включая подземные резервуары, содержащие воду, нефть и газ или даже углекислый газ.
Кроме того, говорит он, рябь на современном песке делает морское дно шероховатым, замедляя океанские течения у берега. Таким образом, знание того, как рябь меняется в ответ на движение волн и приливов, может помочь предсказать береговую эрозию и наводнения.
Соавторы Перрона указаны в статье: бывший аспирант Массачусетского технологического института Кимберли Хупперт '11, доктор философии '17, бывший студент и нынешний постдоктор Эбигейл Косс '12, Пол Майроу из Колорадского колледжа и бывший студент Эндрю Викерт '08 Миннесотского университета.
Морщины сохраняются
Команда начала изучать значение дефектов ряби несколько лет назад, когда Майроу, который в то время проводил свой творческий отпуск в Массачусетском технологическом институте, показал Перрону несколько сделанных им фотографий осадочных пород, покрытых рябью и канавками. На самом деле скалы представляли собой древние песчаные отложения, которым сотни миллионов лет.
Волнообразная рябь образуется, когда волны проходят по поверхности жидкого тела. Эти волны заставляют воду под поверхностью циркулировать вокруг и вокруг, создавая колеблющиеся потоки, которые подхватывают песчинки и опускают их вниз в процессе, который в конечном итоге создает впадины и канавки по всему песчаному дну.
Но как такие тонкие узоры могли сохраняться миллионы лет? Перрон говорит, что различные процессы могут по существу вызвать рябь. Например, если уровень воды внезапно понизится, он может оставить рябь песчаного ложа открытой для воздуха, высушив ее и до некоторой степени затвердев, так что она сохранит свой рисунок даже тогда, когда поверх нее медленно наслоится все больше осадка. миллиарды лет.
Аналогичным образом, если более мелкие отложения, такие как ил или ил, покрывают песчаное дно, например, после сильного шторма, эти отложения могут покрыть существующую рябь. Как объясняет Перрон, это, по сути, «защитит их, не давая волнам размывать рябь до того, как их засыпет большим количеством осадка». Со временем отложения превращаются в горные породы, поскольку они погребены глубоко под поверхностью Земли. Позже порода, покрывающая рябь, может естественным образом разрушаться, снова обнажая сохранившуюся рябь на поверхности.
Просматривая фотографии песчаной ряби, Перрон и Мироу заметили небольшие дефекты, напоминающие камертоны, зигзаги и песочные часы, как на древних, так и на современных песчаных днах.
"Люди замечали эти дефекты и раньше, но мы задались вопросом, случайны ли они или действительно содержат какую-то информацию?" Перрон говорит.
Плавание по волнам
Исследователи приступили к изучению различных волновых условий, которые генерируют определенные рябь и дефекты. Для этого они построили акриловый волновой резервуар шириной 60 сантиметров, глубиной 50 сантиметров и длиной 7 метров. К одному концу резервуара они прикрепили лопасть с приводом от двигателя, которая раскачивалась взад-вперед, создавая волны, проходящие через резервуар.
На другом конце резервуара соорудили искусственный наклонный «пляж», покрытый полимерной сеткой. Эта установка позволяла свести к минимуму любые отражения волн: когда волна ударялась о искусственный пляж, энергия рассеивалась внутри сетки, а не отбрасывалась назад и не влияла на набегающие волны.
Команда заполнила резервуар слоем мелкого песка толщиной 5 сантиметров и достаточным количеством воды, чтобы достичь глубины 40 сантиметров. Для каждого эксперимента они заставляли весло раскачиваться взад-вперед на постоянном расстоянии и регистрировали образование ряби на песчаном ложе. В какой-то момент они заметили, что рябь - и, в частности, расстояние между рябями - достигает стабильного, последовательного рисунка. Они записали это расстояние вместе со скоростью и амплитудой лопасти, а затем в течение 32 экспериментальных запусков либо увеличили, либо уменьшили движение лопасти, в результате чего рябь снова трансформировалась в более широкий или узкий интервал.
Интересно, что они обнаружили, что в процессе адаптации к новому шагу рябь образовывала промежуточные дефекты, напоминающие зигзаги, песочные часы и камертоны, в зависимости от волновых условий, заданных веслом танка.
По мере того, как исследователи укорачивали возвратно-поступательное движение лопасти, это привело к появлению более коротких волн, более узкой ряби и узоров, напоминающих песочные часы. Если движение лопасти укорачивалось еще больше, создавая более быстрые и короткие волны, преобладала картина «вторичных гребней», в которых существующая рябь образовывала временную «теневую» рябь с обеих сторон. Когда исследователи расширили движение весла, генерируя более длинные волны, рябь сформировала зигзагообразные узоры, когда они сместились на более широкий интервал.
Если вы видите такого рода дефекты в природе, мы утверждаем, что морское дно претерпевало какие-то изменения погодных условий, приливов или чего-то еще, что влияло на глубину воды или волны, вероятно, в течение нескольких часов или дней», - говорит Перрон.«Например, если вы видите много вторичных гребней, вы можете сказать, что в волнах произошло довольно большое изменение, а не меньшее изменение, которое вместо этого может дать вам песочные часы».
Исследователи заметили, что во всех сценариях появлялись узоры, напоминающие камертоны, даже после того, как рябь достигла нового стабильного интервала.
«Эти камертоны имеют тенденцию оставаться на месте в течение длительного времени», - говорит Перрон. «Если вы видите их в современных или древних породах, они предполагают, что морское дно претерпело изменения, но тогда условия оставались стабильными, и дну нужно было много времени, чтобы приспособиться».
Двигаясь вперед, Перрон говорит, что геологи могут использовать результаты команды в качестве плана, чтобы связать определенные дефекты ряби с водными условиями, которые могли их создать, как в современной среде, так и в древнем прошлом.
«Мы думаем, что эти небольшие дефекты могут рассказать вам гораздо больше о древней среде, чем просто средний размер волн и глубина воды», - говорит Перрон.«Они могли бы сказать вам, была ли среда с приливами, которые были достаточно большими, чтобы изменить рябь так сильно, или если место периодически переживало штормы, даже миллиарды лет назад. И если мы найдем древнюю рябь на Марсе, мы буду знать, как их читать."