Mineralrika vatten med ursprung från Apenninerna i Italien strömmade genom antika Roms Anio Novus-akvedukt och lämnade efter sig en detaljerad stenbok över tidigare hydrauliska förhållanden, har forskare sagt. Två studier som kännetecknar skiktad kalksten – kallad travertin – avlagringar inom Anio Novus är de första som dokumenterar förekomsten av krusningar mot gravitation och fastställer att dessa egenskaper ger ledtrådar till historien om forntida vattentransport- och lagringssystem.

Dessa multidisciplinära studier, ledda av University of Illinois Urbana-Champaign geologiprofessor Bruce Fouke och publicerade i tidskrifterna Scientific Reports och GSA Special Papers , tillämpa avancerade tekniska principer och högupplöst mikroskopi för att etablera en kontroversiell ny teori om hur den krusade travertinen bildades, sa Fouke.

När vattnet – hämtat från floden Anio och en underjordisk sjö nära Subiaco, Italien – rann, lämnade det efter sig krusade lager av kalciumkarbonattravertin som samlades längs de inre golven, väggarna och taket i Anio Novus-akvedukten.

På fältet samlade forskarna uppströms-nedströms orienterade travertinprover som uppvisar två framstående egenskaper:ljusa och mörka lagermönster i millimeterskala, och vågiga krusningsformer i centimeterskala kvarstår i dessa lager.

Tidigare studier har föreslagit, utan bevis, att skikten i Anio Novus travertin är resultatet av förändringar i flödeshastigheten initierat av säsongsmässiga förändringar eller tekniska metoder som införts av romarna, sa forskarna. Men travertin med liknande skiktningsformer i gamla akveduktsystem förekommer över hela världen, oavsett regionalt klimat eller drift.

Foukes specialitet är att tolka hur mikrober som frodas i mineralrika vatten påverkar den kristallina arkitekturen hos travertin och andra liknande mineralfyndigheter i naturen. Hans grupp har arbetat mycket för att avslöja den geologiska historien om skiktade mineralformationer – vilket ger slutsatser om liv på Mars via Yellowstone till korallrev i Australien – och även inuti människokroppen.

"Subiaco-vattnet liknar kemiskt vattnet i Yellowstone National Park, där vattenburna mikrober bildar mattor och biofilmer som spelar en avgörande roll i formen och strukturen av de berömda stegvisa travertindragen i Mammoth Hot Springs," sa Fouke. "Vi har också identifierat fossila mikrober och växtskräp i de mörka lagren av Anio Novus travertinavlagringar. När vi insåg likheten mellan Subiacos och Yellowstones vatten visste vi att vi hade den kunskapsbas och erfarenhet som krävs för att börja reda ut historien och mysteriet av det sista flödet av Anio Novus, den längsta och mest betydelsefulla av de antika romerska akvedukterna."

Fouke och Marcelo Garcia – en professor i civil- och miljöteknik vid U. of I. och studiemedförfattare – arbetade med sina team för att noggrant mäta geometrin hos de krusade skikten av Anio Novus travertinerna för att göra en ovanlig tolkning.

"En geolog kommer att berätta för dig att det enda sättet att bilda krusningar är genom vätskeskjuvning och gravitationsberoende sedimenttransport," sa Fouke. "Teorin är att vatten eller vind kan flytta lösa sediment till vågliknande former som långsamt avancerar och påverkas av gravitationen för att bilda de välbekanta asymmetriska krusningsformer vi ser längs flodstränder, sanddyner och i de gamla sedimentära bergarterna avsatta i dessa miljöer."

Foukes team hävdar dock att Anio Novus travertinkristaller fälldes ut, växte och ackumulerades i det strömmande vattnet i akvedukten – oberoende av gravitationskrafterna och med hjälp av formen och biokemiska sammansättningen av mikrobiella kolonier – för att bilda vad de kallar "travertinkristaller" tillväxten krusar."

Medan de komplexa processerna som kontrollerar krusningar av travertinkristalltillväxt skiljer sig tydligt från de som kontrollerar krusningar för sedimenttransport, sa forskarna att de är visuellt lika. Geometrierna för krusningar längs akveduktens vertikala väggar är identiska med dem längs golven – ett bevis på att mekanismerna som bildar krusningar av kristalltillväxt inte är beroende av gravitationen.

Övertygad om att strukturerna är krusningsmärken som reflekterar flödet, mätte Garcia och hans team krusningsgeometrierna för att rekonstruera volymen och hastigheten på vattnet som strömmar genom akvedukten under antika romartiden.

"Eftersom få forskare någonsin hade erkänt dessa strukturer som krusningar tidigare, hade ingen använt kraften i formen av en krusning, tillsammans med vätskemekaniska principer, för att producera denna typ av rekonstruktion," sa Garcia.

Genom att använda travertin som avsatts i omedelbar kontakt med det ursprungliga akveduktbruket drar forskarna slutsatsen att när akvedukterna först slogs på strömmade vattnet igenom med en hastighet av cirka en meter per sekund – tillräckligt snabbt för att översvämma en fotbollsplan inom en timme – mycket snabbare än tidigare hypotes.

Det faktum att krusad travertin finns längs akveduktkanalernas tak indikerar att de fungerade med kapacitet, sa forskarna. Denna observation tyder på att tidigare studier var felaktiga när de hävdade att skikten bildades på grund av säsongsbetonade flödesförändringar eller när romarna använde tekniska medel för att kontrollera flödeshastigheten.

"Dessa akvedukter var mycket mer robusta än någonsin insett," sa Fouke. "Flödet var större än tänkt, och den flödeshastigheten upprätthölls konstant."

Forskarna utvinner nu de uråldriga fossiliserade mikroberna och deras biomolekyler fångade i travertinen för att lära sig mer om vilken typ av mikrober – och möjliga patogener – som romarna drack.

"Historiker och arkeologer är mycket intresserade av vad som ledde till det romerska imperiets fall", sa Fouke. "Med tanke på att akvedukterna spelade en stor roll i romarnas framgång, kan all information från akvedukternas bortgång vara användbar i denna strävan." + Utforska vidare

"Fettuccine" kan vara det tydligaste tecknet på liv på Mars, rapporterar forskare