The formation of the spectacular he

The formation of the spectacular hexagonal stone columns at Ireland's Giant's Causeway and similar structures around the world can be explained by two new models of how stone fractures. That is the claim of researchers in Germany who have created models to describe how the hexagonal columns emerge from an initial rectangular pattern of cracks in cooling lava. Beyond addressing a question that has intrigued geologists for centuries, the new models may also help in the study of cracking in other materials, such as cooling ceramics.
Located on the north coast of County Antrim, the Giant's Causeway is renowned for its hexagonal columns of basalt, formed from an extensive lava plateau that was erupted around 55 million years ago. While local legend says the spectacular feature was built by the giant Finn MacCool, geologists know that the interlocking columns are a result of the lava shrinking as it cools – with the surface of the solidifying rock contracting faster than the material beneath. This results in stresses, which are relieved by cracks that spread from the surface downwards.
Why hexagons emerge, however, is not well understood because the cracks first form a rectangular pattern. According to team member Martin Hofmann of the Technische Universität Dresden, the rectangular pattern occurs because the maximum amount of energy is released from the cooling material when cracks develop at 90° to each other.
Y-junctions emerge
As the lava cools, however, the initially rectangular columns gradually transform into more hexagonal shapes, with the T-junctions of the fledgling fracture patterns evolving into Y-junctions over time. This is also seen in laboratory experiments with solidifying starch, which undergoes a similar transition in fracture patterns.
In their new study, Hofmann and colleagues explore how these fracture patterns evolve using two 3D models based on the theory of linear elastic fracture mechanics. This approach describes how crack patterns evolve in a uniform lava layer while ensuring that the optimum amount of energy is released in the process. This new approach, Hofmann says, "sets itself apart by its proximity to the mechanics of the actual process of this pattern shift". The first of the two models takes a purely analytical approach, whereas the second is based on a 3D finite-element numerical simulation.
Both models trace the development of the joints from the initial cracking to the point at which the cracks extend all the way through the cooling lava body. The models suggest that the transition from T- to Y-junctions maximizes the energy released at each crack face. This, says the team, occurs when the growth of the fracture pattern goes from being dominated by the growth of individual cracks to a collective process of crack development throughout the material.
Completing the picture
"The necessary ingredients for the formation of basalt columns are fitting in place," says Eduardo Jagla, a researcher at the Centro Atómico Bariloche in Argentina, who was not involved in this study. While the favourable energetics of the switch between T- and Y-junctions was already clear, he says, the numerical demonstration that fracture mechanics does indeed predict this transition helps to complete our understanding of why the hexagonal patterns emerge.
György Hetényi – a geophysicist at the ETH Zürich – agrees, calling the new model a "step forward". Hetényi cautions, however, that there are other factors beyond pure fracture mechanics – including rock type, crystallization order and geological environment – that also need to be considered when studying column formation.
As well as helping to explain the fracturing process in solidifying lava, the researchers say that their new model could also be applied to the analysis of crack formation on drying lakebeds, as well as to help prevent or limit the cracking of ceramics as they cool.
The research is described in Physical Review Letters.
About the author
Ian Randall is a science writer based in New Zealand

Kết quả (Việt) 1:

Sự hình thành của các cột đá lục giác ngoạn mục tại Ai-Len của Giant's Causeway và các cấu trúc tương tự như trên toàn thế giới có thể được giải thích bởi hai mô hình mới của gãy xương đá như thế nào. Đó là yêu cầu bồi thường các nhà nghiên cứu ở Đức, người đã tạo ra các mô hình để mô tả làm thế nào các cột lục giác nổi lên từ một mẫu hình chữ nhật ban đầu của các vết nứt trong làm mát dung nham. Ngoài địa chỉ một câu hỏi mà có hấp dẫn nhà địa chất trong nhiều thế kỷ, các mô hình mới cũng có thể giúp trong nghiên cứu của nứt trong các tài liệu khác, chẳng hạn như làm mát gốm sứ.Nằm trên bờ biển phía bắc của Quận Antrim, Giant's Causeway là nổi tiếng cho các cột hình lục giác của bazan, được hình thành từ một cao nguyên rộng lớn dung nham nổ ra khoảng 55 triệu năm trước. Trong khi huyền thoại địa phương nói rằng các tính năng tuyệt đẹp được xây dựng bởi MacCool Finn khổng lồ, nhà địa chất biết rằng cột interlocking là kết quả của các dung nham co lại khi nó nguội đi-với các bề mặt đá solidifying ký kết hợp đồng nhanh hơn so với các vật liệu bên dưới. Điều này dẫn đến căng thẳng, được thay thế bởi vết nứt lây lan từ bề mặt xuống.Lý do tại sao các hình lục giác nổi lên, Tuy nhiên, chưa được hiểu rõ bởi vì các vết nứt đầu tiên tạo thành một mô hình hình chữ nhật. Theo nhóm các thành viên Martin Hofmann Technische Universität Dresden, các hoa văn hình chữ nhật xảy ra bởi vì số tiền tối đa năng lượng được giải phóng khỏi các vật liệu làm mát khi vết nứt phát triển ở 90 ° với nhau.Y-nút xuất hiệnKhi dung nham nguội đi, Tuy nhiên, các cột hình chữ nhật ban đầu dần dần biến thành hình dạng lục giác thêm, với T-junctions các mô hình gãy xương non trẻ phát triển thành Y-nút theo thời gian. Điều này cũng được nhìn thấy trong phòng thí nghiệm thử nghiệm với kiên cố hóa tinh bột, mà phải trải qua một quá trình chuyển đổi tương tự trong mô hình gãy xương.Trong học tập mới, Hofmann và đồng nghiệp khám phá làm thế nào những mô hình gãy xương phát triển bằng cách sử dụng hai mô hình 3D dựa trên lý thuyết của tuyến tính đàn hồi gãy cơ học. Cách tiếp cận này mô tả làm thế nào crack mô hình phát triển trong một lớp dung nham thống nhất đồng thời đảm bảo rằng số lượng tối ưu của năng lượng được giải phóng trong quá trình. Cách tiếp cận mới này, Hofmann nói, "bộ chính nó ngoài bởi sự gần gũi với cơ học của quá trình này thay đổi mô hình thực tế". Việc đầu tiên của các mô hình hai mất một cách tiếp cận hoàn toàn phân tích, trong khi thứ hai dựa trên mô phỏng số phần tử hữu hạn 3D.Cả hai mô hình theo dõi sự phát triển của các khớp từ nứt ban đầu đến điểm mà tại đó các vết nứt mở rộng lĩnh làm mát cơ thể dung nham. Các mô hình cho sự chuyển đổi từ T - để Y-liên kết tối đa hóa năng lượng phát hành mỗi face crack. Điều này, ông đội, xảy ra khi sự phát triển của các mô hình gãy đi từ bị chi phối bởi sự tăng trưởng của các vết nứt cá nhân với một quá trình tập thể crack phát triển trong suốt các tài liệu.Hoàn thành bức tranh"Các thành phần cần thiết cho sự hình thành của đá bazan cột lắp đặt tại chỗ," nói Eduardo Jagla, một nhà nghiên cứu tại Centro Atómico Bariloche ở Argentina, người đã không tham gia trong nghiên cứu này. Trong khi energetics thuận lợi của việc chuyển đổi giữa T - và Y-nút đã được rõ ràng, ông nói, các cuộc biểu tình số gãy xương cơ khí thực sự dự đoán chuyển đổi này giúp hoàn thành sự hiểu biết của chúng tôi về lý do tại sao các mô hình lục giác nổi lên.György Hetényi-nhà địa vật lý ở ETH Zürich-đồng ý, gọi các mô hình mới, một "bước về phía trước". Hetényi cautions, Tuy nhiên, rằng có những yếu tố khác ngoài tinh khiết gãy xương cơ khí-bao gồm cả loại đá, thứ tự kết tinh và môi trường địa chất-đó cũng cần phải được xem xét khi học hình thành cột.Cũng như giúp đỡ để giải thích quá trình fracturing ở kiên cố hóa dung nham, thị trấn này có các nhà nghiên cứu nói rằng mô hình mới của họ cũng có thể được áp dụng cho các phân tích của crack hình thành trên sấy lakebeds, cũng như để giúp ngăn chặn hoặc hạn chế nứt gốm sứ như họ mát.Các nghiên cứu được mô tả trong vật lý xem xét thư.Về tác giảIan Randall là một nhà văn khoa học, trụ sở tại Niu Di-lân

Kết quả (Việt) 2:

Sự hình thành của các cột đá hình lục giác ngoạn mục tại Giant Causeway của Ireland và các cấu trúc tương tự trên thế giới có thể được giải thích bởi hai mô hình mới của cách gãy xương đá. Đó là khẳng định của các nhà nghiên cứu ở Đức đã tạo ra các mô hình để mô tả cách các cột hình lục giác nổi lên từ một mô hình chữ nhật ban đầu của các vết nứt trong dung nham làm mát. Ngoài việc giải quyết một câu hỏi mà đã hấp dẫn các nhà địa chất trong nhiều thế kỷ, các model mới cũng có thể giúp đỡ trong việc nghiên cứu nứt trong các vật liệu khác, chẳng hạn như đồ gốm làm mát.
Nằm trên bờ biển phía bắc của County Antrim, Causeway của Giant là nổi tiếng cho các cột hình lục giác của mình bazan, được hình thành từ một cao nguyên nham thạch rộng lớn mà đã phun ra khoảng 55 triệu năm trước. Trong khi truyền thuyết địa phương cho biết các tính năng ngoạn mục được xây dựng bởi các Finn MacCool khổng lồ, các nhà địa chất biết rằng các cột lồng vào nhau là kết quả của dung nham co lại khi lạnh - với bề mặt của các hợp đồng kiên cố hóa đá nhanh hơn so với các vật liệu phía dưới. Điều này dẫn đến căng thẳng, được nhẹ nhõm bởi những vết nứt đó lan truyền từ bề mặt xuống.
Tại sao hình lục giác xuất hiện, tuy nhiên, chưa được hiểu đúng vì các vết nứt đầu tiên hình thành một mô hình chữ nhật. Thành viên của nhóm Martin Hofmann của Universität Technische Dresden, mô hình chữ nhật xảy ra vì số tiền tối đa năng lượng được giải phóng từ các vật liệu làm mát khi vết nứt phát triển ở 90 ° đến nhau.
Y-nút giao nổi lên
như dung nham nguội đi, tuy nhiên, cột ban đầu hình chữ nhật dần dần biến thành hình dạng lục giác hơn, với T-mối nối của các mô hình gãy xương còn non trẻ phát triển thành Y-nút giao thông theo thời gian. Điều này cũng được nhìn thấy trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với củng cố tinh bột, mà phải trải qua một quá trình chuyển đổi tương tự như trong mô hình gãy xương.
Trong nghiên cứu mới của họ, Hofmann và các đồng nghiệp khám phá cách các dạng gãy xương phát triển bằng cách sử dụng hai mô hình 3D dựa trên lý thuyết về tuyến tính gãy xương cơ đàn hồi. Cách tiếp cận này mô tả cách phá mẫu tiến hóa trong một lớp dung nham đồng phục khi đảm bảo rằng lượng tối ưu năng lượng được giải phóng trong quá trình này. Phương pháp mới này, Hofmann nói, "nổi trội lên gần với các cơ chế của quá trình thực tế của việc chuyển đổi mô hình này". Việc đầu tiên của hai mô hình một cách tiếp cận hoàn toàn phân tích, trong khi thứ hai được dựa trên một phần tử hữu hạn mô phỏng số 3D.
Cả hai mô hình theo dõi sự phát triển của các khớp từ nứt ban đầu đến điểm mà tại đó các vết nứt mở rộng tất cả các cách thức thông qua cơ thể dung nham làm mát. Các mô hình cho thấy sự chuyển đổi từ T đến Y-nút giao thông tối đa hóa năng lượng phát hành tại mỗi mặt vết nứt. Điều này, cho biết đội ngũ, xảy ra khi sự phát triển của mô hình gãy đi từ đang được thống trị bởi sự tăng trưởng của các vết nứt cá nhân cho một quá trình tập thể của phát triển vết nứt trên khắp vật liệu.
Hoàn thành bức tranh
"Các thành phần cần thiết cho sự hình thành của các cột bazan là phù hợp tại chỗ, "Eduardo Jagla, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Atómico Bariloche ở Argentina, người không tham gia vào nghiên cứu này cho biết. Trong khi năng lượng học thuận lợi của việc chuyển đổi giữa T và Y-nút giao là đã rõ, ông cho biết, các cuộc biểu tình số mà cơ gãy xương không thực sự dự đoán quá trình chuyển đổi này sẽ giúp để hoàn thành sự hiểu biết của chúng ta về lý do tại sao các mô hình lục giác nổi lên.
György Hetényi - một nhà địa vật lý tại ETH Zürich - đồng ý, kêu gọi các mô hình mới là một "bước tiến". Hetényi cảnh báo, tuy nhiên, có những yếu tố khác ngoài cơ gãy xương nguyên chất - bao gồm các loại đá, để kết tinh và môi trường địa chất -. Đó cũng cần phải được xem xét khi nghiên cứu sự hình thành cột
Như cũng như giúp giải thích quá trình tách chiết kiên cố hóa dung nham, các các nhà nghiên cứu nói rằng mô hình mới của họ cũng có thể được áp dụng để phân tích về sự hình thành vết nứt khô lakebeds, cũng như để giúp ngăn ngừa hoặc hạn chế các vết nứt của đồ gốm khi làm nguội.
Nghiên cứu này được mô tả trong Physical Review Letters.
Về tác giả
Ian Randall là một nhà văn khoa học có trụ sở tại New Zealand