Algunas de las hazañas estructurales más impresionantes no son construidas por arquitectos ni esculpidas por artistas. Desde Bryce Canyon hasta las montañas de arenisca del Elba de Europa central, los arcos de piedra arenisca, los nichos y los pilares de todo el mundo se parecen mucho a las mismas características de la arquitectura artificial. Entonces, ¿cómo lo hace la naturaleza?
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Un estudio publicado ayer en Nature Geosciences sugiere que un ciclo de retroalimentación de estrés y erosión podría estar detrás de estas maravillas naturales.
Según un equipo de investigadores de la República Checa, la erosión elimina gradualmente los granos de arena, colocando el peso de la roca sobre el resto de los granos y haciendo que se enclaven más firmemente. A medida que los granos se extraen de la roca, el peso cambia de manera desigual, y los granos en áreas que soportan más peso o estrés gravitacional son más difíciles de erosionar, dejando atrás los arcos, nichos y pilares para que los turistas humanos los admiren.
Los científicos comenzaron a describir y clasificar estas características arquitectónicas naturales hace más de 150 años, pero incluso las teorías de los científicos modernos sobre cómo se forman los arcos y pilares de arenisca difieren bastante. Por ejemplo, algunos geólogos atribuyen los arcos en la meseta de Colorado a socavar la base de la roca, mientras que otros piensan que las fracturas en la roca los produjeron.
Del mismo modo, algunos científicos argumentan que la erosión de la corriente esculpió los pilares de las cuevas en las cuevas venezolanas, mientras que otros señalan que la erosión arrastra todo menos los granos que se unieron después de ser empapados en dedos de fluido que se filtraron en las rocas blandas. La mayoría de las explicaciones se basan en observaciones de campo y estudios de muestras de rocas bajo el microscopio, y las teorías varían de un lugar a otro. Nadie había encontrado un mecanismo subyacente que generalmente se ajustara a cada escenario.
Delicado arco visto desde atrás al atardecer, el Parque Nacional Arches, Utah, Estados Unidos. (Foto: Michael Atman) 
Doble O Arch antes de una tormenta en Devil's Garden, Parque Nacional Arches, Utah, EE. UU. (Foto: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, un ejemplo icónico de arquitectura de piedra arenisca en el Parque Nacional Bohemio de Suiza, República Checa. (Foto: Vaclav Sojka) 
Delicate Arch, Parque Nacional Arches, Utah, EE. UU. (Foto: Jaroslav Soukup) 
Pilares de la cueva en la Cueva Colibri del sistema de cuevas Charles Brewer en Venezuela. (Foto: Libor Lanik) El equipo checo quería adoptar un enfoque diferente. Mientras realizaban trabajos de campo en la cantera Strelec en la cuenca del Cretácico de Bohemia, notaron que pequeños arcos y pilares, de solo 2 pies de altura como máximo, se formaron a partir de la piedra arenisca en solo unos meses o años, en lugar de las escalas de tiempo milenarias asociadas con la gran arquitectura geológica. .
"Estaba claro que los procesos responsables de ellos estaban operando actualmente en la cantera y, por lo tanto, los procesos pueden ser potencialmente aislados y explicados", dice Jiri Bruthans, geólogo de la Universidad Charles en Praga y coautor del estudio.
¿Por qué no tratar de hacer estos accidentes geográficos en el laboratorio? Bruthans y sus colegas comenzaron observando cómo se comporta la arenisca bajo estrés. Cortaron cubos de piedra arenisca de la cantera Strelec, los sumergieron en agua y aplicaron fuerza vertical en la parte superior del cubo para simular el estrés que sienten los granos de arena en la piedra de las rocas sobre ellos.
Sin tensión vertical, los cubos se desintegraron gradualmente en granos individuales. En contraste, bajo una tensión vertical cada vez mayor, el cubo se consumió progresivamente hasta convertirse en un pilar con forma de reloj de arena. Véalo usted mismo en el video creado por los autores para complementar su artículo:
Críticamente, la arenisca de Strelec no contiene minerales cementantes que ayudan a unir las partículas de arena. En cambio, los autores descubrieron que el estrés ejercido sobre la piedra arenisca hace que los minerales se entrelacen y mantengan la roca unida.
El equipo checo ideó un mecanismo para explicar la formación del pilar, y el modelo numérico confirmó sus sospechas. Básicamente, la carga dentro del bloque de arenisca se transporta de manera desigual, con algunos granos de arenisca que tienen más peso que otros. El agua puede filtrarse fácilmente en los poros de la roca, el espacio entre los granos, y erosionar los fragmentos de arena, pero los granos que transportan más carga son más difíciles de extraer.
Piense en ello como una pared de ladrillos secos. "Es fácil sacar el ladrillo de la parte superior de la pared, pero es difícil sacar el ladrillo de la parte inferior, ya que está cargado", dice Bruthans. A medida que el agua extrae los granos de arena, cada vez menos granos transportan más carga, y el estrés entre los granos aumenta, uniéndolos más firmemente y haciéndolos más resistentes a la erosión.
Sin embargo, algunas areniscas contienen agentes cementantes. Entonces, los investigadores tomaron muestras de arenisca cementada de la República Checa, Venezuela y los Estados Unidos. La exposición de estos cubos cementados a la intemperie de sal y escarcha también produjo pilares de reloj de arena cuando se pesaron, y los cubos descargados se desintegraron cuatro veces más rápido. Los materiales de cementación se disuelven con la erosión y, por lo tanto, los cubos cementados están sujetos a las mismas fuerzas de tensión en juego en cubos no cementados.
Obviamente, la erosión también puede presentarse en diferentes formas. Entonces, los investigadores simularon la lluvia y el flujo de agua en el laboratorio para ver si podría tener un efecto diferente. En todos los casos, los cubos cargados fueron más resistentes a la erosión que los cubos descargados, lo que demuestra que el estrés fue el factor clave.
Los investigadores crearon una "ventana de roca en forma de arco", uniendo la piedra arenisca con un cilindro de plástico y cortando "fracturas" artificiales en la roca. La inmersión en agua causó una forma rápida en una forma de anillo relativamente estable. (Fotos: Michal Filppi) Más allá de los pilares, los investigadores también intentaron hacer arcos y huecos en el laboratorio. Descubrieron que la forma que forma la roca depende de la geometría del trozo de arenisca expuesto inicialmente. Los cubos con pequeñas grietas horizontales centrales produjeron arcos. Los cortes horizontales parciales en los cubos produjeron nichos. Y las grietas verticales parecen ayudar a hacer columnas o pilares verticales. Además, diferentes procesos de erosión pueden producir la misma forma, si comienzan con rocas similares.
Se creó un arco independiente en el laboratorio por inmersión parcial del bloque cargado de piedra arenisca con una pequeña abertura cerca de la base. Con el tiempo, la abertura se ensanchó y penetró el bloque de arenisca, creando un arco. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz) Ante esto, los autores piden una explicación más matizada de cómo se forman los arcos y pilares en la piedra arenisca. “No deberíamos decir que la erosión o la intemperie esculpieron las formas, ya que fue el campo de tensión el que dio forma a las formas. Los procesos de erosión son meras herramientas controladas por el estrés ”, explica Bruthans.
Que un mecanismo tan simple pueda crear estructuras tan bellas contrasta nuestra visión humana de lo que entra en el arte o la arquitectura que es estéticamente agradable. "Para crear formas perfectas no se necesita inteligencia ni planificación", dice Bruthans. De hecho, “lo contrario es cierto para la naturaleza. La mayoría de las cosas perfectas están hechas por mecanismos simples ".
