Seismometeraflæsninger kan give en tidlig advarsel om debrisflow

Først kom ilden, så regnen - og endelig det ødelæggende mudder.

I kølvandet på den største naturbrand i Californiens historie, Thomas Fire i december 2017, en kraftig storm dumpede omkring fem centimeter regn på de blottede bjergskråninger i Ventura County, udløser affaldsstrømme den 9. januar, der dræbte 21 mennesker og ødelagde hundredvis af hjem i områderne Montecito og San Ysidro Creek.

Seismologer hos Caltech bemærkede, at mudderskredets rumlen og brøl blev opdaget af et seismometer omkring 1,5 kilometer væk fra den værste skade. Væsentligt, de fandt ud af, at seismogrammet, der blev genereret af hændelsen, afslører information om affaldsstrømningshastighed, bredden af ​​strømmen og størrelsen af ​​kampesten, den bar, og placeringen af ​​hændelsen - resultater, der tyder på, at den nuværende generation af seismometre i feltet kunne bruges til at give en tidlig advarsel om en indkommende affaldsstrøm til beboere i mudderskred-udsatte områder.

Deres studie, som blev offentliggjort online den 30. maj af Geofysiske forskningsbreve , viser, at seismometeraflæsninger potentielt kunne have givet nogle af beboerne i Montecito mellem 5 og 10 minutters advarsel den 9. januar.

Forskningen blev ledet af Victor Tsai (BS '04), tilsvarende forfatter til papiret og professor i geofysik.

Tsai har længe været interesseret i at undersøge, hvilke oplysninger der kan indsamles fra seismometre ud over de sædvanlige jordskælvsignaler, de var designet til at detektere. "Bevægelsen af ​​jorden kan indikere en masse ting, fra sprænghovedets detonation til en gletsjers bevægelse. Tricket er at bestemme, hvad signalet betyder, " siger han. Som sådan, han var allerede begyndt at arbejde på en model, der forudsagde, hvordan et mudderskred skulle se ud på et seismometer, baseret på eksisterende modeller for sediment transporteret med vand.

Samarbejde med Tsai, kandidatstuderende Voon Hui Lai indsamlede data fra de tre seismometre placeret inden for et par kilometer fra mudderskredet for at søge efter signalet forudsagt af Tsai's model. På grund af nærhed og tekniske problemer, to af seismometrene registrerede ikke skredet robust. Den tredje, imidlertid, gjorde. "Det var ikke umiddelbart indlysende, men efter et stykke tid, vi fandt det, " siger Lai.

Signalet, en rumlen, der varer i næsten 20 minutter, dukkede op i 5-10 hertz frekvensbåndet, som er ved den nedre tærskel for menneskelig hørelse. Holdet var i stand til at fastslå, at signalet faktisk var mudderskredet baseret på dets timing og ved at udelukke andre potentielle kilder. Det matchede næsten perfekt de forudsigelser, der blev fremstillet af Tsais model.

Analyserer det resulterende seismogram, Tsai og Lai var yderligere i stand til at vise, hvordan signalet kunne bruges til at estimere nøgleelementer i en affaldsstrøm (størrelse, hastighed, og intensitet) baseret på, hvordan de påvirker rystelsen af ​​jorden. Signalet indikerede, at affaldsstrømmen "tryne" (hvor de største kampesten er) dækkede omkring et 50 meter gange 50 meter område; at de kampesten, der blev båret af strømmen, nåede op til omkring 1,3 meter i diameter; og at flowhastigheden var omkring 2,4 meter i sekundet.

Nu hvor de ved, hvad de skal kigge efter og har en model for, hvad seismogrammet indikerer, videnskabsmænd kan bruge dette til at udvikle et tidligt varslingssystem baseret på eksisterende seismometre, siger Tsai. "Affaldsstrømme bevæger sig meget langsommere end jordskælv, så vi potentielt kunne udvikle et tidligt varslingssystem, der ville tilbyde vigtige advarsler til beboere og førstehjælpere, " han siger.

"Som jordskælv, affaldsstrømme forekommer sjældent og er farlige at observere direkte, " tilføjer medforfatter Michael Lamb, professor i geologi. "Ved at måle jordrysten i en sikker afstand, vores undersøgelse viser, at seismologi har et stort potentiale til at forbedre vores forståelse af, hvornår, hvor, og hvorfor der sker affaldsstrømme."

Forskerne planlægger at blive ved med at teste og finjustere modellen ved hjælp af kontrollerede eksperimenter, der giver mere præcise målinger.

Undersøgelsen har titlen "The Seismic Signature of Debris Flows:Flow Mechanics and Early Warnings at Montecito, Californien." Medforfattere inkluderer Thomas Ulizio, laboratorieleder og forskningsassistent hos Caltech, og Alexander Beer, postdoc i geologi. Denne forskning blev støttet af National Science Foundation og Swiss National Science Foundation.