Twee nieuwe onderzoeken van onderzoekers van de Universiteit van Utah laten zien wat er kan worden geleerd van een korte seismische controle van natuurlijke rotsbogen en hoe erosie sommige bogen - zoals de iconische Delicate Arch - in vormen beeldhouwt die extra kracht verlenen.

Een studie gepubliceerd in Geophysical Research Letters begint met grondige metingen van trillingen bij een boog in Utah, en past die metingen toe om inzichten te verkrijgen van 17 andere bogen met minimale wetenschappelijke apparatuur die nodig is.

De tweede studie, gepubliceerd in Geomorfologie, vergelijkt de sterkte van boogvormen, specifiek balkachtige vormen versus omgekeerde kettinglijnen (zoals Delicate Arch of Rainbow Bridge).

Een seismologische stethoscoop

De Geohazards Research Group van de Universiteit van Utah meet kleine trillingen in rotsstructuren, die afkomstig zijn van aardbevingen, wind en andere bronnen, zowel natuurlijke als kunstmatige, om 3D-modellen te construeren van hoe de structuren resoneren.

Vind hier de 3D-modellen van de groep.

Een deel van de reden voor deze metingen is om de structurele gezondheid van het gesteente te beoordelen. Bij het bestuderen van 17 natuurlijke bogen, promovendi Paul Geimer, Riley Finnegan en hun collega's hebben een paar uur tot een paar dagen seismometers op de bogen gezet. De gegevens van die metingen, gekoppeld aan de 3D-modellen, gaf belangrijke informatie over de modi, of grote bewegingsrichtingen, van de bogen evenals de frequenties voor die trillingsmodi.

"Dit is allemaal mogelijk met behulp van niet-invasieve methoden, "Geimer zegt, "die de eerste stap vormen in het verbeteren van ons vermogen om schade binnen bogen en soortgelijke functies te detecteren en te identificeren." Het niet-invasieve karakter van de tests - waarbij de seismometers op het oppervlak van de boog zitten zonder de rots te beschadigen - is belangrijk, omdat veel van de rotsbogen van Utah cultureel belangrijk zijn.

De studies van de 17 bogen gebruikten elk slechts één of twee seismometers, dus met toestemming van de National Park Service, de onderzoekers gingen naar Musselman Arch in Canyonlands National Park om hun eerdere metingen te verifiëren. De boog is plat over de bovenkant en gemakkelijk toegankelijk, dus stippelden ze het met 30 seismometers en luisterden.

"Deze toegevoegde schat aan informatie hielp ons om onze aannames te bevestigen dat aartsresonantiemodi nauw aansluiten bij eenvoudige voorspellende modellen, en het omliggende gesteente fungeert als stijve ondersteuning, " zegt Geimer. "Voor zover ik weet, het was de eerste meting in zijn soort voor een natuurlijke overspanning, na tientallen jaren van soortgelijke inspanningen bij door mensen gemaakte bruggen."

Alle bestudeerde bogen vertoonden de eigenschap van lage demping, Geimer zegt, wat betekent dat ze lang na een windvlaag bleven trillen, bijvoorbeeld, of een seismische golf van een verre aardbeving. De resultaten helpen onderzoekers ook om de mechanische eigenschappen van rotsen af ​​te leiden zonder in de rots te hoeven boren om een ​​monster te nemen. Bijvoorbeeld, de stijfheid van het Navajo-zandsteen, wijdverbreid in Zuid-Utah, lijkt verband te houden met de hoeveelheid ijzer in het gesteente.

Gebeeldhouwd voor stabiliteit

Natuurlijke bogen zijn er in verschillende vormen, inclusief balkachtige overspanningen die zich uitstrekken tussen twee rotsmassa's en klassieke vrijstaande of gedeeltelijk vrijstaande omgekeerde bovenleidingbogen. Een bovenleiding is de boog gevormd door een hangende ketting of touw - dus draai hem ondersteboven en je hebt een omgekeerde bovenleiding.

"In zijn ideale vorm, de omgekeerde bovenleiding elimineert alle trekspanningen, "Geimer zegt, het creëren van een stabiele gebogen overspanning die uitsluitend wordt ondersteund door compressie, waartegen de gastzandsteen het sterkst bestand is. Het idee dat omgekeerde bovenleidingbogen door erosie tot sterke vormen worden gebeeldhouwd is niet nieuw. Maar de benadering van het U-team om ze te analyseren is. Terugkerend naar hun 3D-modellen van bogen en analyse van hun vibratiemodi, de onderzoekers simuleerden de zwaartekrachten in detail op elke boog en berekenden een aantal, genaamd de gemiddelde principe stress ratio, of MSR, die classificeert of de boog meer op een balk of meer op een omgekeerde bovenleiding lijkt.

De structuur van de rots waarin de boog is uitgehouwen, kan ook de vorm ervan beïnvloeden. Omgekeerde kettingbogen vormen zich vaker in dikke massieve rotsformaties. "Hierdoor kunnen zwaartekrachten de dominante vormgever zijn, "Geimer zegt, "een vloeiende boog van rots achterlatend die in compressie wordt gehouden." Balkachtige bogen vormen zich meestal in rotsformaties met meerdere lagen met verschillende sterktes. "Zwakkere lagen worden door erosie sneller verwijderd, " hij voegt toe, "een laag sterker materiaal achterlatend die te dun is om een ​​kettinglijn te vormen."

Terwijl de omgekeerde kettinglijnvorm een ​​boogstabiliteit kan geven in zijn huidige vorm, Geimer en universitair hoofddocent Jeff Moore wijzen er snel op dat de boog nog steeds kwetsbaar is voor andere vormen van uiteindelijke instorting. "Bij Delicate Arch, "Moor zegt, "de boog rust op een zeer dunne, gemakkelijk geërodeerde kleilaag, die zorgt voor een zwakke verbinding met de grond, terwijl Rainbow Bridge wordt tegengehouden om om te vallen door enigszins verbonden te zijn met een aangrenzende rotsheuvel."

Nog altijd, de MSR-metriek kan onderzoekers en beheerders van openbare gronden helpen de stabiliteit van een boog te evalueren vanwege zijn vorm. De Geohazards Research Group blijft andere factoren bestuderen die de stabiliteit van gesteente kunnen beïnvloeden, inclusief hoe scheuren in rots groeien en hoe bogen in het verleden zijn ingestort.