Tager en jordskredstemperatur for at afværge katastrofe

Ingeniører fra Duke University har udviklet en omfattende ny model af dybtliggende jordskred og demonstreret, at det nøjagtigt kan genskabe dynamikken i historiske og aktuelle jordskred, der sker under forskellige forhold.

Kigger forbi standardmålingerne af hastighed og vandstand, modellen peger på temperaturen i et relativt tyndt lerlag ved bunden af ​​jordskredet som kritisk for dets potentiale for pludselig katastrofal svigt. Fremgangsmåden bruges i øjeblikket til at overvåge et jordskred i udvikling i Andorra og foreslår metoder til at afbøde risikoen for dets eskalering såvel som andre fremtidige dybtliggende jordskred.

Resultaterne vises online den 15. juni i Journal of Geophysical Research — Earth Surface .

"Jeg udgav et papir for mere end et årti siden, der forklarede, hvad der skete ved Vajont -dæmningen, en af ​​de største menneskeskabte katastrofer nogensinde, "sagde Manolis Veveakis, adjunkt i civil- og miljøteknik ved Duke. "Men den model var ekstremt begrænset og begrænset til den specifikke begivenhed. Denne model er mere komplet. Den kan anvendes på andre jordskred, giver stabilitetskriterier og vejledning om, hvornår og hvordan de kan afværges. "

Katastrofen, Veveakis refererer til, fandt sted ved Vajont -dæmningen, en af ​​de højeste i verden på 860 fod, i det nordlige Italien i 1963. Efter flere års forsøg på at afbøde en langsom, trinvis jordskred på cirka en tomme om dagen i den tilstødende bjergside ved at sænke vandstanden i søen bag dæmningen, jordskredet accelererede pludselig uden varsel. Næsten 10 milliarder kubikmeter sten styrtede ned ad kløften og ned i søen med næsten 70 miles i timen. Det skabte en tsunami mere end 800 fod høj, der styrtede ned over dæmningen, helt udslette flere små byer herunder og dræbe næsten 2, 000 mennesker.

Inden katastrofen indtraf, forskere troede ikke på, at et eventuelt jordskred ville resultere i en tsunami, der var mere end 75 fod høj. De er stadig i tvivl om, hvordan dette jordskred havde bevæget sig så voldsomt og så pludseligt.

I 2007, Veveakis satte stykkerne sammen og udviklede en model, der passede til de videnskabelige observationer af katastrofen. Det viste, hvordan vand, der sivede ind i sten over et ustabilt lag af ler, forårsagede et krybende jordskred, som igen opvarmede og yderligere destabiliserede leret i en feedback loop, indtil det hurtigt mislykkedes.

"Ler er et meget termisk følsomt materiale, og det kan skabe et forskydningsbånd, der er meget modtageligt for friktion, "sagde Carolina Segui, en ph.d. kandidat i Veveakis 'laboratorium og første forfatter til det nye papir. "Det er det værste materiale at have på et så kritisk sted og er et mareridt for civilingeniører, der bygger noget som helst."

Denne tidlige model, imidlertid, brugte kun den sidste måned med data fra Vajont -dæmningen, når vandstanden var næsten konstant. Det ignorerede enhver form for grundvandsvariation, hovedsageligt under forudsætning af, at den eksterne belastning forblev konstant. Mens denne model arbejdede med at forklare den uventede fiasko i Vajont -jordskredet, modellens antagelser gjorde det umuligt at tilbyde realtidsvurderinger eller brug i andre scenarier.

I den nye undersøgelse, Veveakis, Segui og Hadrien Rattez, en postdoktor i Veveakis 'laboratorium, tilslut den gamle models huller og give mulighed for at inkorporere en kombination af tidsafhængig ekstern belastning og intern nedbrydning. Den resulterende model er i stand til at genskabe og forudsige observationer taget fra meget forskellige, dybtliggende jordskred.

"Traditionelle jordskredsmodeller har en statisk indre materialestyrke, og hvis du overskrider det, mislykkes jordskredet, "sagde Veveakis." Men i eksempler som disse, jordskredet bevæger sig allerede, fordi dets styrke allerede er overskredet, så de modeller virker ikke. Andre har forsøgt at bruge maskinlæring til at passe dataene, som nogle gange har virket, men det forklarer ikke den underliggende fysik. Vores model inkorporerer egenskaberne af bløde materialer, gør det muligt at anvende det på flere jordskred med forskellige belastningskarakteristika og give et operationelt stabilitetskriterium ved at overvåge dets basaltemperatur. "

Udover at bruge modellen til at genskabe bevægelserne i Vajont -diaset og forklare de mekanismer, der ligger til grund for dets bevægelse i mere end to år, Veveakis og Segui viser, at deres model præcist kan genskabe og forudsige bevægelser fra Shuping -jordskredet, endnu et langsomt jordskred ved Three Gorges Dam i Kina, den største dæmning i verden. Men mens dette jordskred også er et resultat af en menneskeskabt sø ved siden af ​​en dæmning, det er her lighederne ender.

Inden Vajont -dæmningen mislykkedes, der var et ret lineært forhold mellem søniveauet og hastigheden af ​​det krybende jordskred. Jo lavere søniveau, jo langsommere er jordskredet. The Shuping jordskred, imidlertid, opfører sig på den modsatte måde - jo lavere søniveau, jo hurtigere er jordskredet. Og mens forholdet mellem søniveau og hastighed var nogenlunde lineært ved Vajont -dæmningen, hastigheden af ​​Shuping-jordskredet er ikke-lineær, reagerer på yderligere vandkilder og belastning, såsom sæsonbestemte monsuner. Det er også sammensat af forskellige materialer.

På trods af disse forskelle, forskernes nye model er i stand til nøjagtigt at gengive Shuping -jordskredets bevægelser i løbet af det sidste årti.

I dette tilfælde, forskerne har ikke direkte adgang til målinger taget fra forskydningsbåndet, som er mindre end en meter brun brecciajord og siltet ler. De er nødt til at antage friktionsniveauer og de interne temperaturer for at få deres model til at fungere.

I bjergene i Andorra, imidlertid, det langsomme El Forn-jordskred truer sikkerheden i en nærliggende landsby ved navn Canillo og bliver overvåget nøje af regeringen. I modsætning til Kina eller Italien, der er ingen dæmning eller sø involveret - dette jordskred accelereres ved at smelte sne, der fodrer grundvandsniveauet i bjergene over byen.

Selvom forholdene er helt forskellige fra de to foregående jordskred, forskerne er sikre på, at deres model kan klare opgaven.

Takket være mange boringer, der er taget for at få en bedre forståelse af El Forn -jordskredet, Veveakis og Segui har været i stand til at indsætte termometre direkte i forskydningsbåndet på en lille lap, der glider hurtigere end resten. Med dette tilgængelige niveau af data, forskerne forventer at validere og forfine deres model endnu mere, og endda give råd om, hvordan man undgår en potentiel katastrofe, hvis man begynder at udvikle sig.

"Man kunne forestille sig at pumpe vand ud af jorden, eller cirkulere en anden kold væske gennem forskydningslaget for at afkøle det og bremse skredet, "sagde Segui." Eller i det mindste, hvis vi ikke kunne stoppe det, at give nok advarsel til at evakuere. Det er netop derfor, vi er der. "