Overvågning af skælven - og potentielle fald - af naturlige klippebuer

Forskere, der overvåger vibrationerne i naturlige klippebuer, har fundet ud af, at buernes resonansfrekvenser undergår dynamiske ændringer fra dag til dag, ifølge forskning præsenteret på SSA Årsmøde 2018.

University of Utah ph.d.-studerende Paul Geimer og kolleger analyserer disse frekvensændringer for at afgøre, om de kan bruges til at forudsige, hvornår en naturlig bro kan være klar til at kollapse.

Naturlige klippebuer, såsom Rainbow Bridge, en af ​​verdens største, eller de tusinder, der præger ørkenen i det sydlige Utah, vibrere som vind, jordskælv og menneskelige forstyrrelser ryster dem på små måder.

"En af de vigtigste drivkræfter bag forskningen var sammenbruddet af Wall Arch i 2008 i Arches National Park [i Utah], lige langs stien, " sagde Geimer. "Det skete midt i en rolig nat om sommeren uden tegn på, at noget var ved at ske."

Geimers rådgiver University of Utah geovidenskabsmand Jeff Moore havde også modtaget en anmodning fra National Park Service og indianske stammer bekymrede for fremtiden for Rainbow Bridge, hvor turismehelikoptere flyver over den nærliggende Lake Powell. "De ville se, om vi kunne fortælle dem mere om de potentielle farer fra helikoptere, og om de vibrationsniveauer, som broen muligvis oplever fra disse menneskeskabte kilder, " sagde Geimer.

"Vibrationsovervågning af menneskeskabte strukturer for at opdage og måle skader er en veletableret teknik inden for civilingeniør, og nu er vi i stand til at anvende mange af de samme metoder til naturlige strukturer, hvor vi ikke har det samme niveau af forudgående viden om strukturens stabilitet eller materialeegenskaber, " bemærkede han.

Et fokus i Geimers arbejde har været Aqueduct Arch i Utah, hvor forskerne har indsamlet et års kontinuerlige data om broens vibrationsfrekvenser, detekteret af bredbåndsseismiske stationer placeret i nærheden af ​​buen. Den usædvanligt lange rekord giver forskerne mulighed for at korrelere frekvensændringer med ændringer i miljøet og lave forudsigelige modeller for, hvordan miljøforhold ændrer spændingerne i klippen.

"Jeg er blevet overrasket over buens dynamiske natur og hvor meget frekvenser skifter, " sagde Geimer. "De elastiske daglige og årlige ændringer har været virkelig dramatiske."

Resonansfrekvenser topper både når temperaturen falder til under frysepunktet, og når omgivelsestemperaturerne er deres varmeste om sommeren. Geimer sagde, at disse forhold ændrer broens skal og får stenmassen til at stivne, ændre, hvordan buen vibrerer.

Selvom disse ændringer sandsynligvis virker for at svække buen over tid, forskerne har endnu ikke været i stand til at identificere en frekvensændring, der ville indikere et forestående kollaps af en bue. "Vi mener ikke, at vi har målt et websted med væsentlige nok ændringer til at indikere fejl - alle variationer målt til dette punkt er forårsaget af midlertidige, genoprettelige ændringer i klippen, sagde Geimer.

Ikke enhver bue er så dynamisk som akvædukt, bemærkede han. "Vi har målt mere end et dusin buer, og et udestående spørgsmål, som vi stadig arbejder på at besvare, er, hvorfor elastiske frekvensændringer ikke er almindelige på tværs af alle buer, og hvad mangel på forandring betyder for langsigtet stabilitet."

Årsmøde 2018, afholdt 14-17 maj i Miami, Florida, er en fælles konference mellem Seismological Society of America og Latin American and Caribbean Seismological Commission (LACSC).