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Como a natureza esculpe pilares e arcos de arenito?

Alguns dos feitos estruturais mais impressionantes não são construídos por arquitetos ou esculpidos por artistas. Do Bryce Canyon às Montanhas de Arenito do Elba, na Europa Central, arcos de arenito, alcovas e pilares em todo o mundo parecem muito semelhantes às mesmas características da arquitetura artificial. Então, como a natureza faz isso?

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Um estudo publicado ontem na Nature Geosciences sugere que um ciclo de feedback de estresse e erosão pode estar por trás dessas maravilhas naturais.

De acordo com uma equipe de pesquisadores da República Tcheca, a erosão remove gradualmente os grãos de areia, colocando o peso da rocha no resto dos grãos e fazendo com que eles se entrelaçam mais firmemente. Quando os grãos são retirados da rocha, o peso muda de forma irregular, e os grãos em áreas que suportam mais peso ou estresse gravitacional são mais difíceis de erodir - deixando para trás os arcos, alcovas e pilares para os turistas humanos admirarem.

Os cientistas começaram a descrever e classificar essas características arquitetônicas naturais há mais de 150 anos, mas até mesmo as teorias dos cientistas modernos sobre como os arcos de arenito e os pilares se formam diferem bastante. Por exemplo, alguns geólogos atribuem arcos no planalto do Colorado a minar a base da rocha, enquanto outros acham que as fraturas na rocha os produziram.

Da mesma forma, alguns cientistas argumentam que a erosão do córrego esculpiu pilares de cavernas em cavernas venezuelanas, enquanto outros apontam para a erosão lavando tudo, mas os grãos que cimentaram juntos depois de ficarem encharcados com dedos de fluido que se infiltraram nas rochas macias. A maioria das explicações é baseada em observações de campo e estudos de amostras de rochas sob o microscópio, e as teorias variam de um local para outro. Ninguém inventou um mecanismo subjacente que geralmente se encaixasse em cada cenário.

Arco delicado visto de trás no por do sol, arcos parque nacional, Utá, EUA. (Foto: Michael Atman) O arco dobro de O antes de uma tempestade no jardim do diabo, arqueia o parque nacional, Utá, EUA. (Foto: Michael Atman) Pravcicka Brana Arch, um exemplo icônico da arquitetura do arenito no parque nacional de Switzerland boêmio, república checa. (Foto: Vaclav Sojka) Delicate Arch, Arches National Park, em Utah, EUA. (Foto: Jaroslav Soukup) Pilares da caverna na Cueva Colibri do sistema de cavernas Charles Brewer na Venezuela. (Foto: Libor Lanik)

A equipe checa queria ter uma abordagem diferente. Enquanto faziam o trabalho de campo na pedreira Strelec na Bacia Cretácica da Boêmia, eles notaram que pequenos arcos e pilares - no máximo dois metros de altura - se formaram no arenito por meros meses ou anos, em vez de escalas de tempo milenares associadas a grandes arquiteturas geológicas .

"Ficou claro que os processos responsáveis ​​por eles estavam operando atualmente na pedreira e, portanto, os processos podem ser potencialmente isolados e explicados", diz Jiri Bruthans, geólogo da Universidade Charles, em Praga, e co-autor do estudo.

Por que não tentar fazer essas formas de terra no laboratório? Bruthans e seus colegas começaram observando como o arenito se comporta sob estresse. Eles cortaram cubos de arenito da pedreira de Strelec, submergiram-nos na água e aplicaram força vertical ao topo do cubo para simular a tensão que os grãos de areia na pedra sentem nas rochas acima deles.

Sem estresse vertical, os cubos gradualmente se desintegraram em grãos individuais. Em contraste, sob crescente tensão vertical, o cubo foi progressivamente gasto em um pilar em forma de ampulheta. Veja você mesmo no vídeo criado pelos autores para complementar seu trabalho:

Criticamente, o arenito de Strelec não contém minerais cimentantes que ajudam a unir as partículas de areia. Em vez disso, os autores descobriram que o estresse colocado no arenito faz com que os minerais se entrelaçam e mantenham a rocha unida.

A equipe tcheca criou um mecanismo para explicar a formação do pilar, e a modelagem numérica confirmou suas suspeitas. Basicamente, a carga dentro do bloco de arenito é realizada de forma desigual, com alguns grãos de arenito carregando mais peso do que outros. A água pode facilmente infiltrar-se nos poros da rocha - o espaço entre os grãos - e corroer pedaços de areia, mas os grãos que carregam mais da carga são mais difíceis de serem removidos.

Pense nisso como uma parede de tijolos secos. “É fácil retirar tijolos do topo da parede, mas é difícil puxar tijolos do fundo, já que está carregado”, diz Bruthans. À medida que a água retira grãos de areia, cada vez menos grãos carregam mais a carga, e a tensão entre os grãos aumenta, ligando-os mais firmemente e tornando-os mais resistentes à erosão.

Alguns arenitos contêm agentes cimentadores. Assim, os pesquisadores colheram amostras de arenito cimentado da República Tcheca, Venezuela e Estados Unidos. A exposição desses cubos cimentados ao sal e à geada também produzia pilares de ampulheta quando os cubos pesados ​​e descarregados se desintegravam quatro vezes mais rápido. Os materiais de cimentação dissolvem-se com a erosão e, assim, os cubos cimentados estão sujeitos às mesmas forças de tensão em jogo nos cubos não cimentados.

Obviamente, a erosão pode vir de formas diferentes também. Assim, os pesquisadores simularam chuvas e água corrente no laboratório para ver se ele poderia ter um efeito diferente. Em todos os casos, os cubos carregados eram mais resistentes à erosão do que os cubos sem carga, mostrando que o estresse era o fator chave.

Janela de rock experimental Os pesquisadores criaram uma "janela de rocha em forma de arco", ligando o arenito com um cilindro de plástico e cortando "fraturas" artificiais na rocha. A imersão na água causou uma formação rápida em uma forma de anel relativamente estável. (Fotos: Michal Filppi)

Além dos pilares, os pesquisadores também tentaram fazer arcos e alcovas no laboratório. Eles descobriram que a forma da rocha depende da geometria do pedaço inicial de arenito exposto. Cubos com pequenas rachaduras horizontais centrais produziam arcos. Cortes horizontais parciais nos cubos produziam nichos. E rachaduras verticais parecem ajudar a fazer colunas verticais ou pilares. Além disso, diferentes processos de erosão podem produzir a mesma forma, se eles começarem com rochas semelhantes.

Um arco independente foi criado no laboratório pela imersão parcial do bloco carregado de arenito com uma pequena abertura perto da base. Com o tempo, a abertura se alargou e penetrou no bloco de arenito, criando um arco. Um arco independente foi criado no laboratório pela imersão parcial do bloco carregado de arenito com uma pequena abertura perto da base. Com o tempo, a abertura se alargou e penetrou no bloco de arenito, criando um arco. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz)

Diante disso, os autores pedem uma explicação mais detalhada sobre como os arcos e pilares se formam no arenito. “Não devemos dizer que a erosão ou o intemperismo gravaram as formas, pois foi o campo de tensão que deu forma às formas. Os processos de erosão são meras ferramentas controladas pelo estresse ”, explica Bruthans.

O fato de um mecanismo tão simples poder criar estruturas tão bonitas contrasta nossa visão humana sobre o que acontece na arte ou na arquitetura que é esteticamente agradável. “Para criar formas perfeitas, você não precisa de inteligência ou planejamento”, diz Bruthans. De fato, “o oposto é verdadeiro para a natureza. As coisas mais perfeitas são feitas por mecanismos simples ”.

Como a natureza esculpe pilares e arcos de arenito?