Вулкан под Неаполем вдохновил римлян на создание первого бетона

Образцы слоя, богатого пуццоланом, преобразованные в бетон

(фото Tiziana Vanorio).

Электронная микроскопия образцов с Флегрейских полей, к северо-западу от Неаполя, позволила выявить структуры из тоберморита и эттрингита

(фото Tiziana Vanorio).

Демонстрация наличия минерального актинолита

(фото Tiziana Vanorio).

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

Электронная микроскопия образцов с Флегрейских полей, к северо-западу от Неаполя, позволила выявить структуры из тоберморита и эттрингита
(фото Tiziana Vanorio).

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 римского 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 лежавшего 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.