Utahs røde klippe-metronom:Seismiske aflæsninger afslører Castleton Towers usete vibrationer

Med omtrent samme hastighed, som dit hjerte slår, en klippeformation i Utah kaldet Castleton Tower vibrerer blidt, holde tid og holde vagt over sandstensørkenen. Svingende som en skyskraber, det røde klippetårn griber ind i de dybe vibrationer i jorden – vind, bølger og fjerntliggende jordskælv.

Ny forskning fra University of Utah geologer beskriver tårnets naturlige vibration, målt ved hjælp af to dygtige klatrere. Forstå hvordan denne og andre naturlige klippeformer vibrerer, de siger, hjælper os med at holde øje (eller øre) med deres strukturelle sundhed og hjælper os med at forstå, hvordan menneskeskabte vibrationer påvirker tilsyneladende ubevægelige klipper. Resultaterne er offentliggjort i Bulletin fra Seismological Society of America .

"Vi ser ofte så store og fremtrædende landskabsformer som permanente træk ved vores landskab, når i virkeligheden, de bevæger sig og udvikler sig konstant, " siger Riley Finnegan, en kandidatstuderende og medforfatter på papiret.

"En stoisk magt"

Castleton Tower er et spir af Wingate Sandstone næsten 400 fod (120 m) højt, der står over Utahs Castle Valley. Første gang bestig i 1961, Castleton Tower blev en meget kendt klassisk destination efter at have optrådt som en af ​​to Utah-stigninger i bogen "Fifty Classic Climbs of North America" ​​fra 1979. Det er et af de største fritstående klippetårne.

"De fleste mennesker er i ærefrygt for dens statiske stabilitet, i sin dramatiske fritstående natur beliggende for enden af ​​en højderyg med udsigt over Castle Valley, " siger geolog Jeff Moore, der ledede undersøgelsen. "Den har en slags stoisk kraft i sit udseende."

Moore og hans kolleger studerer vibrationerne i klippestrukturer, inklusive buer og broer, at forstå hvilke naturkræfter, der virker på disse strukturer. De måler også klippernes resonans, eller måden strukturerne forstærker den energi, der passerer gennem dem. Kilder til denne energi kan være så lokale som vindstød eller trafik på en nærliggende vej eller så fjernt som jordskælv og endda havbølger. "Fordi intet er virkelig statisk, der er altid energi, der forplanter sig over hele jorden, som fungerer som en konstant vibrationskilde for klippen, " siger Finnegan.

Moore, Finnegan og kandidatstuderende Paul Geimer har udviklet og forfinet deres metoder til at måle klippestrukturer, mens de har undersøgt buer, broer og hoodoos, som er små spirlignende formationer - tårne ​​i mindre målestok. De bruger seismometre til at måle selv den mindste bevægelse i tre dimensioner. For nogle af deres mål, de har fremskyndet lavfrekvente seismiske data til hørbar lyd – så du kan lytte til en stens stemme.

Hør Castleton Tower her.

Som en del af forskningen Geimer har ledet et forsøg på at indsamle 3-D-billeder af klippestrukturerne for præcist at måle klippernes dimensioner – hvilket hjælper forskerne med at lære endnu mere om, hvad der får disse klipper til at rumle.

"For blot et par år siden var der næsten ingen målinger af den slags, der eksisterede, " siger Moore, "så hver funktion, vi måler, er noget nyt."

"Noget vi ikke bare kunne gå op til"

At placere et seismometer i toppen af ​​Castleton Tower, imidlertid, krævede, at nogen steg op til toppen for at installere og hente udstyret. Heldigvis, to professionelle klatrere på en sæsonbestemt pause fra deres arbejde tilbød deres færdigheder og udstyr. "De var alle med." siger Moore. Forskerholdet slog til.

For at få de nødvendige data, klatrerne trak til bunden af ​​tårnet og placerede et seismometer for at tjene som reference. Geimer siger, at på dagen for eksperimentet, i marts 2018, vejret var godt, og klatreruten op i det populære tårn var fyldt med en jævn strøm af klatrere. "Jeg kan forestille mig, at både angst- og spændingsniveauet steg, da holdet gik væk fra referencen og begyndte opstigningen til toppen, Geimer siger, "at vide, at det ville tage timer, før du vender sikkert tilbage til basen og bekræfter en vellykket måling."

Klatrerne bar endnu et tungt seismometer til toppen og kørte målinger i tre timer, før de returnerede begge instrumenter til forskerholdet. "Deres færdigheder gav os en mulighed for at måle noget, vi ikke bare kunne gå op til, " siger Finnegan.

Lige som forudsagt

Fra deres tidligere arbejde, holdet var i stand til at forudsige nogle af tårnets egenskaber. Finnegan siger, at større strukturer som Castleton Tower vibrerer ved lavere frekvenser end mindre strukturer. "Tænk på det som en guitarstreng, " siger hun. "De tykke har lavere stigninger, og de tynde har højere tonehøjder."

Geimer tilføjer, at tårnets geometri er relativt enkel, gør den velegnet til grundlæggende modeller, der karakteriserer, hvordan den kan reagere på vibrationer, herunder seismiske hændelser.

Analyserer data, forskerne fandt ud af, at tårnets to primære resonanstilstande var ved frekvenser på 0,8 og 1,0 hertz, henholdsvis. En hertz er lig med en cyklus i sekundet, så disse resultater betyder, at tårnet naturligt svajer rundt en gang i sekundet. Og det lille svaj er konstant, siger Geimer. "De fjerne kilder, der ophidser Castleton Towers unikke resonans, er altid aktive og overfører energi til klippemassen."

Et geologisk tjek

Castleton Tower er den største klippestruktur, som Moore, Finnegan og Geimer har studeret. Indtil nu, holdet indsamler basislinjemålinger om klippernes bevægelser. Geimer vil bruge dataene til at se, om gentagne målinger kan vurdere skader på strukturerne, mens Finnegan studerer, hvordan vibrationsenergi, både fra naturlige og menneskelige kilder, kan påvirke den strukturelle integritet af strukturer som Castleton Tower. "Mens nogle kræfter mennesker skaber kan virke mindre, " siger Moore, "vores forskning adresserer de langsigtede virkninger af disse kræfter på hastigheden af ​​erosion og strukturel nedbrydning over tid." Indtil nu, holdet kan fortælle, at Castleton Towers vibrationstilstande sidder i en stille del af frekvensspektret, relativt upåvirket af trafik eller endda små jordskælv.

"Jeg håber, at klatrere og enhver, der er så heldig at stå i skyggen af ​​denne stengigant, vil se den i et nyt lys, der bevæger sig fremad, " siger Geimer. "Som med ørkenlandskabet, hvori det bor, Castleton Tower er dynamisk og energisk, reagerer subtilt på ændringer i det omgivende miljø."