Geschichtete Kalksteinablagerungen geben einzigartige Einblicke in römische Aquädukte

Mineralreiches Wasser, das aus den Apenninen in Italien stammt, floss durch das Aquädukt Anio Novus im alten Rom und hinterließ eine detaillierte Felsaufzeichnung vergangener hydraulischer Bedingungen, sagten Forscher. Zwei Studien, die geschichtete Kalksteinablagerungen – Travertin genannt – im Anio Novus charakterisieren, sind die ersten, die das Auftreten von Wachstumswellen gegen die Schwerkraft dokumentieren und nachweisen, dass diese Merkmale Hinweise auf die Geschichte der alten Wassertransport- und Speichersysteme geben.

Diese multidisziplinären Studien wurden von Bruce Fouke, Professor für Geologie an der University of Illinois Urbana-Champaign, geleitet und in Fachzeitschriften veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte und GSA-Sonderpapierewenden fortschrittliche technische Prinzipien und hochauflösende Mikroskopie an, um eine umstrittene neue Theorie darüber aufzustellen, wie sich der geriffelte Travertin gebildet hat, sagte Fouke.

Als das Wasser, das aus dem Fluss Anio und einem unterirdischen See in der Nähe von Subiaco, Italien, stammte, hinterließ es gekräuselte Schichten aus Kalziumkarbonat-Travertin, die sich entlang der Innenböden, Wände und Decken des Aquädukts Anio Novus ansammelten.

Auf dem Feld sammelten die Forscher stromaufwärts-stromabwärts orientierte Travertinproben, die zwei herausragende Merkmale aufweisen: helle und dunkle Schichtmuster im Millimetermaßstab und wellenförmige Wellenformen im Zentimetermaßstab, die in diesen Schichten bestehen bleiben.

Frühere Studien haben ohne Beweise vorgeschlagen, dass die Schichten im Travertin von Anio Novus das Ergebnis von Änderungen der Durchflussrate sind, die durch jahreszeitliche Veränderungen oder von den Römern eingeführte technische Methoden ausgelöst wurden, sagten die Forscher. Travertin mit ähnlichen Schichtungsformen in alten Aquäduktsystemen kommt jedoch weltweit vor, unabhängig vom regionalen Klima oder Betrieb.

Foukes Spezialität ist die Interpretation, wie Mikroben, die in mineralreichen Gewässern gedeihen, die kristalline Architektur von Travertin und anderen ähnlichen Mineralvorkommen in der Natur beeinflussen. Seine Gruppe hat intensiv daran gearbeitet, die geologische Geschichte geschichteter Mineralformationen aufzudecken – was Rückschlüsse auf das Leben auf dem Mars über Yellowstone bis hin zu Korallenriffen in Australien zulässt – und sogar im menschlichen Körper.

„Das Wasser von Subiaco ist dem Wasser des Yellowstone-Nationalparks chemisch ähnlich, wo Mikroben im Wasser Matten und Biofilme bilden, die eine entscheidende Rolle bei der Form und Struktur der berühmten abgestuften Travertin-Merkmale von Mammoth Hot Springs spielen“, sagte Fouke. „Wir haben auch fossile Mikroben und Pflanzenreste in den dunklen Schichten der Travertinablagerungen von Anio Novus identifiziert. Als wir die Ähnlichkeit zwischen den Gewässern von Subiaco und Yellowstone erkannten, wussten wir, dass wir über die Wissensbasis und Erfahrung verfügten, die erforderlich waren, um die Geschichte und das Geheimnis zu lüften des letzten Flusses des Anio Novus, des längsten und bedeutendsten der antiken römischen Aquädukte.“

Fouke und Marcelo Garcia – ein Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of I. und Co-Autor der Studie – arbeiteten mit ihren Teams zusammen, um die Geometrie der geriffelten Schichten der Travertine von Anio Novus akribisch zu vermessen, um eine ungewöhnliche Interpretation vorzunehmen.

„Ein Geologe wird Ihnen sagen, dass der einzige Weg, Wellen zu bilden, durch Flüssigkeitsscherung und schwerkraftabhängigen Sedimenttransport ist“, sagte Fouke. „Die Theorie besagt, dass Wasser oder Wind lose Sedimente in wellenförmige Formen bewegen können, die langsam vorrücken und von der Schwerkraft beeinflusst werden, um die bekannten asymmetrischen Wellenformen zu bilden, die wir entlang von Flussufern, Dünen und in den alten Sedimentgesteinen sehen, die sich in diesen Umgebungen abgelagert haben.“

Foukes Team geht jedoch davon aus, dass die Travertinkristalle von Anio Novus im fließenden Wasser des Aquädukts ausfielen, wuchsen und sich ansammelten – unabhängig von der Schwerkraft und unterstützt durch die Form und biochemische Zusammensetzung mikrobieller Kolonien – um das zu bilden, was sie „Travertinkristall“ nennen Wachstumswellen.“

Während sich die komplexen Prozesse, die die Wellen des Travertinkristallwachstums steuern, deutlich von denen unterscheiden, die die Wellen des Sedimenttransports steuern, sagten die Forscher, dass sie visuell ähnlich sind. Die Geometrien der Wellen entlang der vertikalen Wände des Aquädukts sind identisch mit denen entlang der Böden – ein Beweis dafür, dass die Mechanismen, die Kristallwachstumswellen bilden, nicht von der Schwerkraft abhängen.

Garcia und sein Team waren überzeugt, dass es sich bei den Strukturen um Wellenspuren handelt, die den Fluss widerspiegeln, und maßen die Wellengeometrien, um das Volumen und die Geschwindigkeit des Wassers zu rekonstruieren, das während der alten Römerzeit durch das Aquädukt floss.

„Da nur wenige Forscher diese Strukturen zuvor als Wellen erkannt hatten, hatte niemand die Kraft der Form einer Welle zusammen mit den Prinzipien der Strömungsmechanik genutzt, um diese Art von Rekonstruktion zu erzeugen“, sagte Garcia.

Unter Verwendung des Travertins, der in unmittelbarem Kontakt mit dem ursprünglichen Mörtel des Aquädukts abgelagert wurde, schließen die Forscher, dass das Wasser beim ersten Einschalten der Aquädukte mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde durchfloss – schnell genug, um ein Fußballfeld innerhalb einer Stunde zu überfluten schneller als bisher vermutet.

Die Tatsache, dass entlang der Decken der Aquäduktkanäle geriffelter Travertin vorhanden ist, deutet darauf hin, dass sie voll ausgelastet waren, sagten die Forscher. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass frühere Studien falsch waren, als sie behaupteten, dass sich die Schichten aufgrund saisonaler Strömungsänderungen bildeten oder als die Römer technische Mittel zur Steuerung der Strömungsrate verwendeten.

„Diese Aquädukte waren weitaus robuster als jemals zuvor angenommen“, sagte Fouke. „Der Durchfluss war größer als geplant, und diese Durchflussrate wurde ständig aufrechterhalten.“

Die Forscher extrahieren jetzt die alten versteinerten Mikroben und ihre Biomoleküle, die im Travertin eingeschlossen sind, um mehr darüber zu erfahren, welche Art von Mikroben – und mögliche Krankheitserreger – die Römer tranken.

„Historiker und Archäologen sind sehr daran interessiert, was zum Untergang des Römischen Reiches geführt hat“, sagte Fouke. „Angesichts der Tatsache, dass die Aquädukte eine wichtige Rolle beim Erfolg der Römer spielten, können alle Informationen, die aus dem Untergang der Aquädukte gewonnen werden, bei diesem Unterfangen nützlich sein.“