Почему пещеры формируются так быстро

Царица наук математика приняла деятельное участие в решении едва ли не вечной загадки, почему тоненькая струйка воды, проникающая внутрь скалы, быстро образует пещеру. Ключевое слово здесь — «быстро».

О том, как вода формирует полости в недрах, стало известно более сотни лет назад. Механизм таков. Вода через трещину на поверхности проникает внутрь горной породы. Содержащийся там диоксид углерода превращает воду в слабую кислоту, которая буквально вгрызается, к примеру, в известняк (или другую сравнительно легко растворимую породу) — и получается карстовая пещера.

Однако этот механизм не объясняет, почему образование крупных пещер может происходить за короткие сроки.

Ответ на этот вопрос дали физик Пётр Шимчак (Piotr Szymczak) из Университета Варшавы (Польша) и инженер-химик Энтони Лэдд (Anthony Ladd) из Университета Флориды в Гейнсвилле (США) в своей совместной работе, опубликованной в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Потоки «прокладывают дорогу» сквозь толщу породы, чтобы образовать в итоге пещеру. Сначала (вверху) канальцы получаются почти одинаковыми, но с течением времени (внизу), когда вода «находит» в породе изъяны, отдельные каналы увеличиваются в размерах.

Ученые основывались на математическим принципе, согласно которому не существует абсолютно цельных материалов — всегда есть определённый уровень отклонения от условного идеала. Применительно к горным породам это означает наличие в них трещин, выемок и других изъянов, которые и «использует» вода для более глубокого и быстрого просачивания. Математический анализ помогает вычислить скорость «строительства» такой пещеры.

Сталактиты Мамонтовой пещеры в Кентукки, США

Исследование пригодится для расчёта прочности дамб, водохранилищ и других сооружений, в которых предполагается взаимодействие воды и камня. В частности, может быть найдено объяснение того, почему пустоты под дамбами иногда появляются раньше, чем ожидали проектировщики. И самое, наверное, главное: будут внесены поправки в проект возведения хранилища жидких ядерных отходов в Юкка-Маунтин (штат Невада). Теперь ученые намерены выяснить, получится ли, «впрыснув» углекислоту глубоко под землю, удержать её от выхода на поверхность.