När en kustvatten rullar ut, det kan avslöja vackra krusningar i den tillfälligt utsatta sanden. Samma böljande mönster kan också ses i forntida, förstenade havsbottnar som har exponerats i olika delar av världen och bevarats i miljoner eller till och med miljarder år.

Geologer letar efter gamla sandvågor för att få ledtrådar till de miljöförhållanden som de bildade. Till exempel, avståndet mellan krusningar är proportionellt mot vattendjupet och storleken på vågorna som formade de underliggande krusningarna.

Men sandkrusningar är inte alltid helt parallella, kol-kopior av varandra, och kan visa olika knäck och virvlar. Kan dessa vara mer subtila, till synes slumpmässiga avvikelser eller defekter berättar något om de förhållanden under vilka en sandig havsbotten bildades?

Svaret, enligt forskare från MIT och på andra håll, är ja. I ett papper publicerat online och som visas i 1 oktober -numret av Geologi , laget rapporterar att vissa vanliga defekter som finns i både gamla och moderna havsbottnar är förknippade med vissa vågförhållanden. Särskilt, deras resultat tyder på att krusningsdefekter som liknar timglas, sicksack, och stämgafflar formades sannolikt under perioder av miljöflöde - till exempel under starka stormar, eller betydande förändringar i tidvattenflöden.

"Den typ av defekt du ser i krusningar kan berätta om hur dramatiska förändringarna i väderförhållandena var vid den tiden, säger Taylor Perron, docent i geologi och biträdande chef för MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS). "Vi kan använda dessa defekter som fingeravtryck för att inte bara berätta vad de genomsnittliga förhållandena var tidigare, men hur saker och ting förändrades. "

Krusningsdefekter i gamla sandbäddar kan också påverka hur vätskor strömmar genom sedimentära bergarter, inklusive underjordiska behållare som håller vatten, olja och gas, eller till och med lagrad koldioxid, enligt Perron.

Dessutom, han säger, krusningsmönster i modern sand verkar för att grova havsbotten, sakta ner havsströmmar nära stranden. Att veta hur krusningar förändras som svar på skiftande vågor och tidvatten kan därför hjälpa till att förutsäga kusterosion och översvämningar.

Perrons medförfattare finns på tidningen är den tidigare MIT-doktoranden Kimberly Huppert '11, Ph.D. '17, tidigare doktorand och nuvarande postdoc Abigail Koss '12, Paul Myrow från Colorado College, och tidigare grundläggande Andrew Wickert '08 från University of Minnesota.

Rynkor bevarade

Teamet började undersöka betydelsen av krusningsdefekter för flera år sedan, när Myrow, som vid den tiden tillbringade sin sabbat på MIT, visade Perron några foton som han hade tagit av sedimentära stenar etsade med krusningar och spår. Stenarna var, faktiskt, gamla sandbäddar som var hundratals miljoner år gamla.

Vågformade krusningar bildas när vågor färdas över ytan av en vätskekropp. Dessa vågor får vatten under ytan att cirkla runt och runt, generera oscillerande flöden som tar upp sandkorn och sätter ner dem i en process som så småningom hugger ut tråg och spår i hela sandbädden.

Men hur kunde sådana känsliga mönster bevaras i miljontals år? Perron säger att olika processer i huvudsak kan sätta krusningar på plats. Till exempel, om vattennivån plötsligt sjönk, det kan lämna en sandbädds krusningar utsatta för luften, torka ut dem och härda dem till viss del, så att de behöll sina mönster även om mer sediment långsamt lagrade sig ovanpå dem under miljarder år.

Liknande, om ett finare sediment som lera eller silt täcker en sandbädd, som efter en stor storm, dessa sediment kan täcka de befintliga krusningarna. Som Perron förklarar, detta skulle i huvudsak "rusta dem, hålla vågorna från att urholka krusningarna innan mer sediment begraver dem. "Med tiden, sedimenten förvandlas till sten när de ligger begravda djupt under jordens yta. Senare, berget som ligger över krusningarna kan naturligtvis urholka, avslöja de bevarade krusningarna vid ytan igen.

Genom att titta igenom bilder av sandkrusningar, Perron och Myrow märkte små defekter som liknade stämgafflar, sicksack, och timglasögon, över både gamla och moderna sandbäddar.

"Folk har märkt dessa defekter tidigare, men vi undrade, är de bara slumpmässiga, eller innehåller de faktiskt lite information? ”säger Perron.

Paddla genom vågor

Forskarna gav sig ut för att studera de olika vågförhållandena som genererar vissa krusningsmönster och defekter. Att göra detta, de byggde en akrylvågstank som mäter 60 centimeter bred, 50 centimeter djupt, och 7 meter lång. I tankens ena ände, de fäst en motordriven paddel, som svängde fram och tillbaka för att generera vågor som färdades över tanken.

I andra änden av tanken, de reste en konstgjord sluttande "strand" täckt av ett polymernät. Denna inställning tjänade till att minimera alla vågreflektioner:När en våg kraschade på den konstgjorda stranden, energin försvann i nätet istället för att plaska tillbaka och påverka mötande vågor.

Teamet fyllde tanken med en 5 centimeter tjock säng av fin sand och tillräckligt med vatten för att nå 40 centimeter på djupet. För varje experiment, de ställde in paddeln för att swisha fram och tillbaka på ett konstant avstånd, och registrerade sandbädden som krusningar bildade. Vid en viss tidpunkt, de observerade att krusningarna - och i synnerhet avståndet mellan krusningarna - når ett stabilt, konsekvent mönster. De registrerade detta avstånd, tillsammans med hastigheten och amplituden hos paddeln, och då, över 32 experimentella körningar, antingen ökat eller minskat paddelns rörelse, vilket får krusningarna att morpha igen till antingen ett bredare eller smalare avstånd.

Intressant, de fann att i färd med att anpassa sig till ett nytt avstånd, krusningar bildade mellanliggande defekter som liknar sicksack, timglasögon, och stämgafflar, beroende på vågförhållandena som ställs in av tankens paddel.

När forskarna förkortade paddelns rörelse fram och tillbaka, detta skapade kortare vågor, smalare krusningar, och mönster som liknade timglas. Om paddelns rörelse förkortades ytterligare - vilket skapar snabbare, kortare vågor - ett mönster av "sekundära toppar, "där befintliga krusningar tycktes bilda tillfälliga" skuggor "på båda sidor, tog över. När forskarna vidgade paddelns rörelse, genererar längre vågor, krusningarna bildade sicksackmönster när de skiftade till ett större avstånd.

"Om du ser dessa typer av defekter i naturen, vi hävdar att havsbotten genomgick någon form av förändring i väderförhållandena, tidvatten, eller något annat som påverkade vattendjup eller vågor, förmodligen under timmar eller dagar, "Säger Perron." Till exempel, om du ser massor av sekundära toppar, du kan se att det var en ganska stor förändring i vågorna i motsats till en mindre förändring, som kan ge dig timglas istället. "

Forskarna observerade att i alla scenarier, mönster som liknar tuninggafflar dök upp, även efter att krusningarna hade nått en ny, stabilt avstånd.

"Dessa stämgafflar tenderar att hålla sig kvar länge, "Perron säger." Om du ser dessa i modern eller gammal sten, de föreslår att en havsbotten upplevt en förändring, men då förblev förhållandena stabila, och sängen hade en lång tid att justera. "

Går framåt, Perron säger att geologer kan använda teamets resultat som en plan för att koppla ihop vissa krusningsdefekter med de vattenförhållanden som kan ha skapat dem, både i den moderna miljön och i det gamla förflutna.

"Vi tror att dessa små defekter kan berätta mycket mer om en gammal miljö än vad den genomsnittliga storleken på vågorna och vattendjupet var, "Perron säger." De kunde berätta om det var en miljö som hade tidvatten som var tillräckligt stora för att förändra krusningar så mycket, eller om en plats upplevde periodiska stormar, även för miljarder år sedan. Och om vi hittar gamla vågor på Mars, vi vet hur vi läser dem. "