Utahs buer fortsætter med at hviske deres hemmeligheder

To nye undersøgelser fra forskere fra University of Utah viser, hvad man kan lære af en kort seismisk undersøgelse af naturlige klippebuer, og hvordan erosion former nogle buer – som den ikoniske Delicate Arch – til former, der giver ekstra styrke.

En undersøgelse offentliggjort i Geophysical Research Letters begynder med grundige målinger af vibrationer ved en bue i Utah, og anvender disse målinger til at få indsigt fra 17 andre buer med minimalt nødvendigt videnskabeligt udstyr.

Den anden undersøgelse, udgivet i Geomorphology, sammenligner styrken af ​​bueformer, specifikt bjælkelignende former versus omvendte køreledningsformer (som Delicate Arch eller Rainbow Bridge).

Et seismologisk stetoskop

Geohazards Research Group ved University of Utah måler små vibrationer i klippestrukturer, som kommer fra jordskælv, vind og andre kilder både naturlige og menneskeskabte, at konstruere 3-D modeller af, hvordan strukturerne giver genlyd.

Find gruppens 3-D modeller her.

En del af årsagen til disse målinger er at vurdere klippeelementets strukturelle sundhed. Ved at studere 17 naturlige buer, ph.d.-kandidater Paul Geimer, Riley Finnegan og deres kolleger satte seismometre på buerne i et par timer til et par dage. Data fra disse målinger, kombineret med 3-D modellerne, gav vigtige oplysninger om tilstandene, eller større bevægelsesretninger, af buerne samt frekvenserne for disse vibrationsformer.

"Dette er alt muligt ved hjælp af ikke-invasive metoder, Geimer siger, "det udgør det første skridt i at forbedre vores evne til at opdage og identificere skader inden for buer og lignende funktioner." Den ikke-invasive karakter af testene - med seismometre siddende på buens overflade uden at beskadige klippen - er vigtig, da mange af Utahs klippebuer er kulturelt betydningsfulde.

Undersøgelserne af de 17 buer brugte kun et eller to seismometre hver, så med tilladelse fra National Park Service, forskerne tog til Musselman Arch i Canyonlands National Park for at verificere deres tidligere målinger. Buen er flad over toppen og let tilgængelig, så de prikkede det med 30 seismometre og lyttede.

"Denne tilføjede mængde information hjalp os med at bekræfte vores antagelser om, at bueresonanstilstande nøje følger simple forudsigende modeller, og omgivende grundfjeld fungerer som stiv støtte, Geimer siger. Så vidt jeg ved, det var den første måling af sin art for et naturligt spænd, efter årtiers lignende bestræbelser på menneskeskabte broer."

Alle de undersøgte buer udviste egenskaben ved lav dæmpning, Geimer siger, hvilket betyder, at de fortsatte med at vibrere længe efter et vindstød, for eksempel, eller en seismisk bølge fra et fjerntliggende jordskælv. Resultaterne hjælper også forskere med at udlede klippernes mekaniske egenskaber uden at skulle bore i klippen for at tage en prøve. For eksempel, Navajo-sandstenens stivhed, udbredt i det sydlige Utah, synes at være relateret til mængden af ​​jern i klippen.

Skulpteret for stabilitet

Naturlige buer kommer i en række former, herunder bjælkelignende spænd, der strækker sig mellem to klippemasser og klassiske fritstående eller delvist fritstående omvendte køreledningsbuer. En køreledning er den bue, der dannes af en hængende kæde eller et reb - så vend det på hovedet, og du har en omvendt køreledning.

"I sin ideelle form, den omvendte køreledning eliminerer alle trækspændinger, Geimer siger, skabe et stabilt buet spænd, der udelukkende understøttes af kompression, som værtssandstenen stærkest kan modstå. Ideen om, at omvendte køreledningsbuer skulptureres ved erosion til stærke former, er ikke ny. Men U-holdets tilgang til at analysere dem er. Vender tilbage til deres 3-D modeller af buer og analyse af deres vibrationstilstande, forskerne simulerede gravitationsspændingerne i detaljer på hver bue og beregnede et tal, kaldet det gennemsnitlige princip spændingsforhold, eller MSR, der klassificerer om buen er mere som en bjælke eller mere som en omvendt køreledning.

Strukturen af ​​klippen, som buen er hugget i, kan også påvirke dens form. Omvendte køreledningsbuer er mere tilbøjelige til at dannes i tykke massive klippeformationer. "Dette gør det muligt for gravitationsspændinger at være det dominerende skulpturmiddel, Geimer siger, "efterlader en glat bue af sten holdt i kompression." Bjælkelignende buer dannes typisk i klippeformationer med flere lag med varierende styrker. "Svagere lag fjernes hurtigere ved erosion, " tilføjer han, "efterlader et lag af stærkere materiale for tyndt til at danne en køreledningskurve."

Mens den omvendte køreledningsform kan give en bue stabilitet i sin nuværende form, Geimer og lektor Jeff Moore er hurtige til at påpege, at buen stadig er sårbar over for andre midler til eventuel kollaps. "Ved Delicate Arch, " siger Moore, "buen hviler på et meget tyndt let eroderet lerholdigt lag, som giver svag forbindelse til jorden, mens Rainbow Bridge forhindres i at vælte ved at være let forbundet med en tilstødende klippehøj."

Stadig, MSR-metrikken kan hjælpe forskere og offentlige jordforvaltere med at evaluere en bues stabilitet på grund af dens form. Geohazards Research Group fortsætter med at studere andre faktorer, der kan påvirke klippetræks stabilitet, herunder hvordan revner vokser i sten, og hvordan buer er kollapset tidligere.