Les dépôts de calcaire en couches donnent un aperçu unique des aqueducs romains

Les eaux riches en minéraux provenant des montagnes des Apennins en Italie ont traversé l’aqueduc Anio Novus de la Rome antique et ont laissé derrière elles un enregistrement rocheux détaillé des conditions hydrauliques passées, ont déclaré des chercheurs. Deux études caractérisant les dépôts de calcaire en couches – appelés travertin – dans l’Anio Novus sont les premières à documenter l’apparition d’ondulations de croissance anti-gravité et à établir que ces caractéristiques donnent des indices sur l’histoire des anciens systèmes de transport et de stockage de l’eau.

Ces études multidisciplinaires, dirigées par Bruce Fouke, professeur de géologie à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, et publiées dans les revues Rapports scientifiques et Documents spéciaux de la GSAappliquer des principes d’ingénierie avancés et une microscopie à haute résolution pour établir une nouvelle théorie controversée sur la formation du travertin ondulé, a déclaré Fouke.

Au fur et à mesure que l’eau – provenant de la rivière Anio et d’un lac souterrain près de Subiaco, en Italie – coulait, elle a laissé derrière elle des couches ondulées de travertin de carbonate de calcium qui se sont accumulées le long des sols, murs et plafonds intérieurs de l’aqueduc Anio Novus.

Sur le terrain, les chercheurs ont collecté des échantillons de travertin orientés en amont et en aval qui présentent deux caractéristiques remarquables : des motifs de stratification clairs et sombres à l’échelle millimétrique, et des formes d’ondulations ondulées à l’échelle centimétrique persistent dans ces couches.

Des études antérieures ont proposé, sans preuve, que les couches du travertin Anio Novus sont le résultat de changements de débit initiés par des changements saisonniers ou des méthodes d’ingénierie mises en place par les Romains, ont déclaré les chercheurs. Cependant, le travertin avec des formes de stratification similaires dans les anciens systèmes d’aqueduc se produit dans le monde entier, quel que soit le climat régional ou l’exploitation.

La spécialité de Fouke est d’interpréter comment les microbes qui se développent dans les eaux riches en minéraux influencent l’architecture cristalline du travertin et d’autres gisements minéraux similaires dans la nature. Son groupe a beaucoup travaillé pour révéler l’histoire géologique des formations minérales en couches – donnant des inférences à la vie sur Mars via Yellowstone aux récifs coralliens en Australie – et même à l’intérieur du corps humain.

« Les eaux de Subiaco sont chimiquement similaires aux eaux du parc national de Yellowstone, où les microbes d’origine hydrique forment des tapis et des biofilms qui jouent un rôle essentiel dans la forme et la structure des célèbres caractéristiques de travertin étagé de Mammoth Hot Springs », a déclaré Fouke. « Nous avons également identifié des microbes fossiles et des débris végétaux dans les couches sombres des gisements de travertin d’Anio Novus. Une fois que nous avons réalisé la similitude entre les eaux de Subiaco et de Yellowstone, nous savions que nous avions la base de connaissances et l’expérience nécessaires pour commencer à percer l’histoire et le mystère. du dernier débit de l’Anio Novus, le plus long et le plus important des anciens aqueducs romains. »

Fouke et Marcelo Garcia, professeur de génie civil et environnemental à l’U. of I. et co-auteur de l’étude, ont travaillé avec leurs équipes pour mesurer méticuleusement la géométrie des couches ondulées des travertins Anio Novus afin de faire une interprétation inhabituelle.

« Un géologue vous dira que la seule façon de former des ondulations est le cisaillement des fluides et le transport des sédiments dépendant de la gravité », a déclaré Fouke. « La théorie est que l’eau ou le vent peuvent déplacer les sédiments meubles en formes ondulatoires qui avancent lentement et sont influencés par la gravité pour former les formes d’ondulation asymétriques familières que nous voyons le long des berges, des dunes et dans les anciennes roches sédimentaires déposées dans ces environnements. »

Cependant, l’équipe de Fouke postule que les cristaux de travertin Anio Novus se sont précipités, ont grandi et se sont accumulés dans l’eau courante de l’aqueduc – indépendamment des forces de gravité et aidés par la forme et la composition biochimique des colonies microbiennes – pour former ce qu’ils appellent  » cristal de travertin des ondulations de croissance. »

Alors que les processus complexes contrôlant les ondulations de croissance des cristaux de travertin sont nettement différents de ceux qui contrôlent les ondulations de transport des sédiments, les chercheurs ont déclaré qu’ils sont visuellement similaires. Les géométries des ondulations le long des parois verticales de l’aqueduc sont identiques à celles le long des étages, preuve que les mécanismes qui forment les ondulations de croissance cristalline ne dépendent pas de la gravité.

Convaincus que les structures sont des marques d’ondulation qui reflètent l’écoulement, Garcia et son équipe ont mesuré les géométries d’ondulation pour reconstituer le volume et la vitesse de l’eau circulant dans l’aqueduc à l’époque romaine.

« Puisque peu de chercheurs avaient déjà reconnu ces structures comme des ondulations auparavant, personne n’avait utilisé la puissance de la forme d’une ondulation, ainsi que les principes de la mécanique des fluides, pour produire ce type de reconstruction », a déclaré Garcia.

En utilisant le travertin déposé en contact immédiat avec le mortier d’origine de l’aqueduc, les chercheurs concluent que lorsque les aqueducs ont été mis en marche pour la première fois, l’eau s’écoulait à un rythme d’environ un mètre par seconde – assez rapidement pour inonder un terrain de football en une heure – beaucoup plus rapide que prévu précédemment.

Le fait que du travertin ondulé existe le long des plafonds des canaux d’aqueduc indique qu’ils fonctionnaient à pleine capacité, ont déclaré les chercheurs. Cette observation suggère que les études précédentes étaient incorrectes en affirmant que les couches se formaient en raison du changement de débit saisonnier ou lorsque les Romains utilisaient des moyens d’ingénierie pour contrôler le débit.

« Ces aqueducs étaient bien plus robustes que jamais imaginés », a déclaré Fouke. « Le débit était plus important que prévu, et ce débit a été constamment maintenu. »

Les chercheurs extraient maintenant les anciens microbes fossilisés et leurs biomolécules piégées dans le travertin pour en savoir plus sur le type de microbes – et les agents pathogènes possibles – que les Romains buvaient.

« Les historiens et les archéologues sont vivement intéressés par ce qui a conduit à la chute de l’Empire romain », a déclaré Fouke. « Étant donné que les aqueducs ont joué un rôle majeur dans le succès des Romains, toute information glanée sur la disparition des aqueducs peut être utile dans cette entreprise. »