Πως το υπερηφαίστειο Campi Flegrei παράγει φυσικό σκυρόδεμα;

Φυσικές διαδικασίες από το υπερηφαίστειο Campi Flegrei.

Το Geowarn ήταν ένα Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο είχε σαν μοναδικό στόχο να εξερευνήσει τις πιο επικίνδυνες περιοχές στην Ευρώπη. Το υπερηφαίστειο της Κω, όπου έγινε η μεγαλύτερη ηφαιστειακή έκρηξη στην Ανατολική Μεσόγειο- 161.000 χρόνια πριν και την ηφαιστειακή περιοχή της Καμπανίας -Ιταλίας, που περιλαμβάνει το υπερηφαίστειο Campi Flegrei και τον Βεζούβιο, μια ζώνη ιδιαίτερα πυκνοκατοικημένη από περίπου 3,5 εκατομμύρια άτομα. Μία νέα μελέτη μας δείχνει πως το υπερηφαίστειο Campi Flegrei παράγει φυσικό μπετόν;

Το "φυσικό σκυρόδεμα'' στο ηφαίστειο Campi Flegrei είναι παρόμοιο με το ρωμαϊκό σκυρόδεμα, μία θρυλική ένωση που εφευρέθηκε από τους Ρωμαίους (πιο σωστά από τους αρχαίους Ελληνες) και χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή του Πάνθεον, του Κολοσσιαίου, και των αρχαίων λιμανιών σε ολόκληρη τη Μεσόγειο.

"Αυτό προϋποθέτει την ύπαρξη μιας φυσικής διαδικασίας κάτω από την επιφάνεια του Campi Flegrei η οποία είναι παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή σκυροδέματος'', δήλωσε η Tiziana Vanorio, μία γεωφυσικός στο σχολείο της Γης, Ενέργειας & Περιβαλλοντικών Επιστημών του Στάνφορντ.

Το Campi Flegrei βρίσκεται στο κέντρο μιας μεγάλης κατάθλιψης, ή καλντέρα, που αποτελείται από κρατήρες που σχηματίστηκαν από αρχαίες εκρήξεις, η τελευταία εκ των οποίων συνέβη περίπου 500 χρόνια πριν. Μέσα σε αυτή τη καλντέρα είναι το πολύχρωμο λιμάνι της πόλης το Pozzuoli, το οποίο ιδρύθηκε το 600 π.Χ. από τους Έλληνες και ονομάζεται "Puteoli" από τους Ρωμαίους.

Ξεκινώντας το 1982, το έδαφος κάτω από Pozzuoli άρχισε να αυξάνεται με ανησυχητικό ρυθμό. Μέσα σε ένα διάστημα δύο ετών, η ανύψωση υπερέβαινε τα 2 μέτρα-ένα μέγεθος χωρίς προηγούμενο οπουδήποτε στον κόσμο. ''Η αύξηση του βυθού της θάλασσας έκανε τον κόλπο του Pozzuoli πάρα πολύ ρηχό για ένα μεγάλο σκάφος'' είπε η Vanorio.

Κάνοντας τα πράγματα χειρότερα,η διόγκωση του εδάφους συνοδεύτηκε από σμήνη μικρο-σεισμών. Πολλές από τις δονήσεις ήταν πολύ μικρές για να γίνουν αισθητές, αλλά όταν ένας σεισμός μεγέθους 4R ταρακούνησε το Pozzuoli, οι υπάλληλοι εκκένωσαν το ιστορικό κέντρο της πόλης Pozzuoli με αποτέλεσμα να γίνει μια πόλη-φάντασμα κατά την διάρκεια της νύχτας.

Έφηβη εκείνη την εποχή, η Vanorio ήταν μεταξύ των περίπου 40.000 κατοίκων που αναγκάστηκαν να εγκαταλείψουν το Pozzuoli και να εγκατασταθούν στις πόλεις ανάμεσα στη Νάπολη και τη Ρώμη. Το γεγονός έκανε εντύπωση στη νεαρή Vanorio, και την έκανε να στραφεί προς τις γεωεπιστήμες. Τώρα, βοηθός καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, η Vanorio αποφάσισε να εφαρμόσει τις γνώσεις της σχετικά με το πώς τα βράχια στο βάθος της Γης μπορούν να ανταποκριθούν στις μηχανικές και χημικές αλλαγές για να διερευνήσει τον τρόπο με τον οποίο το έδαφος κάτω από Pozzuoli ήταν σε θέση να αντέξει τόσο πολύ την παραμόρφωση και την ανύψωση πριν ραγίσει από τους μικρο-σεισμούς.

''Διόγκωση του εδάφους παρουσιάζεται σε άλλες καλντέρες, όπως το Yellowstone ή την Long Valley στις ΗΠΑ, αλλά ποτέ σε αυτόν τον βαθμό, και συνήθως απαιτεί πολύ λιγότερη ανύψωση για να προκαλέσει σεισμούς σε άλλους χώρους'', δήλωσε η Vanorio. "Στο Campi Flegrei, οι μικρο-σεισμοί είχαν καθυστέρηση μηνών, παρά το πολύ μεγάλο έδαφος παραμόρφωσης."

Για να καταλάβουμε γιατί η επιφάνεια της καλντέρας ήταν σε θέση να φιλοξενήσει απίστευτη ένταση, χωρίς ξαφνικές ρωγμές, η Vanorio και οι συνεργάτες της ερεύνησαν την περιοχή. Στις αρχές του 1980, ένα βαθύ πρόγραμμα γεωτρήσεων διεξήχθη στο ενεργό γεωθερμικό σύστημα του Campi Flegrei σε βάθος περίπου 2 μίλια. Όταν οι επιστήμονες ανέλυσαν τα δείγματα πετρωμάτων, ανακάλυψαν ότι τα υπερκείμενα πετρώματα-ένα σκληρό στρώμα βράχου στο Campi Flegrei που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της καλντέρας ήταν πλούσια σε ποζολάνη, ή ηφαιστειακή τέφρα από την περιοχή.

Οι επιστήμονες παρατήρησαν επίσης ότι τα υπερκείμενα πετρώματα περιείχαν τομπερμορίτη και εττρινγίτη, ινώδη ορυκτά που βρίσκονται επίσης σε ανθρωπογενές σκυρόδεμα. Αυτές οι ουσίες έκαναν τα υπερκείμενα πετρώματα του Campi Flegrei πιο όλκιμα, και η παρουσία τους εξηγεί γιατί το έδαφος κάτω από Pozzuoli ήταν σε θέση να αντέξει την σημαντική κάμψη/παραμόρφωση πριν από το σπάσιμο. Αλλά τι έκανε τον τομπερμορίτη και τον εττρινγίτη να σχηματιστούν στα υπερκείμενα πετρώματα;

Για άλλη μια φορά, οι πυρήνες από την γεώτρηση έδωσαν την κρίσιμη ένδειξη. Τα δείγματα έδειξαν ότι το βαθύ υπόγειο της καλντέρας, το "τείχος" της λεκάνης, όπως η κατάθλιψη, αποτελείται από ανθρακικό που φέρουν πετρώματα παρόμοια με ασβεστόλιθο, και ότι διάσπαρτα μέσα στα ανθρακικά πετρώματα ήταν ένα μεταλλικό ορυκτό που ονομάζεται ακτινολίτης.

''Ο ακτινολίτης ήταν το κλειδί για την κατανόηση όλων των άλλων χημικών αντιδράσεων που έπρεπε να πραγματοποιηθούν για να σχηματίσουν το φυσικό τσιμέντο στο υπερηφαίστειο Campi Flegrei," δήλωσαν οι ερευνητές,

Από τον ακτινολίτη και τον γραφίτη, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι μια χημική αντίδραση που ονομάζεται απανθράκωση συνέβαινε κάτω από το Campi Flegrei. Πιστεύουν ότι ο συνδυασμός της θερμότητας και της κυκλοφορίας ανόργανου νερού βοήθησαν στο σχηματισμό ακτινολίτη καθώς και του διοξειδίου του άνθρακα. Καθώς τα μίγματα CO2 με ασβέστιο και ανθρακικό υδρογόνο στους υπόγειους βράχους, ενεργοποιούν μια χημική αντίδραση που παράγει διάφορες ενώσεις, μία εκ των οποίων είναι το υδροξείδιο του ασβεστίου. Υδροξείδιο του ασβεστίου, επίσης γνωστό ως πορτλαντίτης ή ενυδατωμένη άσβεστος, είναι ένα από τα δύο βασικά συστατικά σε ανθρωπογενές σκυρόδεμα, συμπεριλαμβανομένου του ρωμαϊκού σκυροδέματος. Η κυκλοφορία γεωθερμικών ρευστών μεταφέρει φυσικό ασβέστη έως μικρότερα βάθη, όπου ενώνεται με την τέφρα ποζολάνης στα υπερκείμενα πετρώματα για να σχηματίσουν ένα αδιαπέραστο υλικό, που έμοιαζε με τσιμέντο που μπορεί να αντέξει σε πολύ ισχυρές δυνάμεις.

"Αυτή είναι η ίδια χημική αντίδραση, που οι αρχαίοι Ρωμαίοι ασυναίσθητα αξιοποίησαν για τη δημιουργία του διάσημου σκυροδέματος τους, αλλά στο Κάμπι Flegrei συμβαίνει φυσιολογικά," είπε η Vanorio.

Στην πραγματικότητα, η Vanorio υποψιάζεται ότι η έμπνευση για το ρωμαϊκό σκυρόδεμα προήλθε από την παρατήρηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της ηφαιστειακής τέφρας στο Pozzuoli και το θαλασσινό νερό στην περιοχή. Ο Ρωμαίος φιλόσοφος Σενέκας, για παράδειγμα, σημειώνει ότι η ''σκόνη στο Puteoli γίνεται πέτρα όταν αγγίζει το νερό."

''Οι Ρωμαίοι ήταν τρομεροί παρατηρητές του φυσικού κόσμου και εμπειριστές'', δήλωσε η Vanorio. "Ο Σενέκας πριν από τον Βιτρούβιο, έκανε κατανοητό ότι δεν υπήρχε κάτι το ιδιαίτερο στην τέφρα του Pozzuoli, και οι Ρωμαίοι χρησιμοποίησαν την ποζολάνη για να δημιουργήσουν το δικό τους σκυρόδεμα αν και με διαφορετική πηγή ασβέστου."

Το Pozzuoli ήταν το κύριο εμπορικό και στρατιωτικό λιμάνι της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας, και τα πλοία χρησιμοποιούσαν την ποζολάνη ως έρμα, κατά την εμπορία σιτηρών από την ανατολική Μεσόγειο. Ως αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής, η ηφαιστειακή τέφρα από Campi Flegrei, και η χρήση του ρωμαϊκού σκυροδέματος να εξαπλωθεί σε όλο τον αρχαίο κόσμο. Οι αρχαιολόγοι έχουν ανακαλύψει πρόσφατα ότι οι προβλήτες στην Αλεξάνδρεια, την Καισάρεια, και την Κύπρο είναι όλες κατασκευασμένες από ρωμαϊκό ασβεστοκονίαμα και έχουν ποζολάνη ως κύριο συστατικό.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ίδια χημική αντίδραση που είναι υπεύθυνη για τις μοναδικές ιδιότητες των υπερκείμενων πετρωμάτων του Campi Flegrei μπορεί επίσης να προκαλέσει την πτώση της. Από την πάρα πολύ απανθράκωση από μεγάλη ποσότητα του αλμυρού νερού, ή άλμη, εγχέεται στο σύστημα μία περίσσεια διοξειδίου του άνθρακα&μεθάνιο και παράγεται ατμός. Καθώς αυτά τα αέρια αυξάνονται προς την επιφάνεια, χτυπούν επάνω ενάντια στο φυσικό στρώμα τσιμέντου, στρεβλώνουν τα υπερκείμενα πετρώματα. Αυτό είναι που συνέβη στο Pozzuoli στη δεκαετία του 1980. Όταν το στέλεχος από τη συσσώρευση πίεσης υπερέβη τη δύναμη των υπερκείμενων πετρωμάτων, ο βράχος ράγισε, ξεκινώντας τα σμήνη των μικρο-σεισμών .Όπως τα αέρια και τα υγρά διέρρεαν στην ατμόσφαιρα, η παραμόρφωση στο έδαφος είχε υποχωρήσει. Οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι περισσότερο υδροξείδιο του ασβεστίου που παρήχθη σε βάθος και μεταφέρθηκε προς την επιφάνεια, το κατεστραμμένο υπερκείμενο πέτρωμα είχε βραδέως επιδιορθωθεί, οι ρωγμές του είχαν ''επουλωθεί'' καθώς παραγόταν το φυσικό τσιμέντο.

Η Vanorio πιστεύει ότι οι όροι και οι διαδικασίες υπεύθυνες για τις εξαιρετικές του βραχώδεις ιδιότητες στο Campi Flegrei θα μπορούσαν να υπάρχουν σε άλλες καλδέρες ανά τον κόσμο. Η καλύτερη κατανόηση των συνθηκών και των διαδικασιών που σχηματίζονται στα υπερκείμενα πετρώματα του Campi Flegrei θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει στους επιστήμονες να αναδημιουργήσουν στο εργαστήριο, και ίσως ακόμη να τα βελτιώσουν και να κατασκευάσουν πιο ανθεκτικά και ελαστικά σκυροδέματα που είναι σε καλύτερη θέση να αντέξουν σε μεγάλες καταπονήσεις και τρέμουλο, ή να θεραπεύσουν τον εαυτό τους μετά από βλάβη.

''Υπάρχει ανάγκη για φιλικά προς το περιβάλλον υλικά και σκυροδέματα'', είπε η Vanorio. ''Για παράδειγμα, η εξαγωγή του φυσικού αερίου από την υδραυλική ρωγμάτωση μπορεί να προκαλέσει ραγδαίες αλλαγές του στρες και να οδηγήσει σε διαρροή φυσικού αερίου και της μόλυνσης του νερού."

Γεωδίφης

Πηγή-heritagedaily.com

Η παρουσία του ορυκτού ακτινολίτη στα υπερκείμενα πετρώματα του Campi Flegrei είναι καθοριστική στην διαμόρφωση του φυσικού μπετόν. Φωτογραφία-Tiziana Vanorio.