Ingenieurs van Duke University hebben een uitgebreid nieuw model van diepgewortelde aardverschuivingen ontwikkeld en aangetoond dat het nauwkeurig de dynamiek kan nabootsen van historische en huidige aardverschuivingen die plaatsvinden onder verschillende omstandigheden.

Kijkend langs de standaardmetingen van snelheid en waterstanden, het model wijst op de temperatuur van een relatief dunne laag klei aan de basis van de aardverschuiving als cruciaal voor het potentieel voor plotselinge catastrofale mislukking. De aanpak wordt momenteel gebruikt om een ​​evoluerende aardverschuiving in Andorra te volgen en stelt methoden voor om het risico van escalatie en andere toekomstige diepgewortelde aardverschuivingen te verminderen.

De resultaten verschijnen op 15 juni online in de Journal of Geophysical Research—Aardoppervlak .

"Ik heb meer dan tien jaar geleden een paper gepubliceerd waarin werd uitgelegd wat er gebeurde bij de Vajont Dam, een van de grootste door de mens veroorzaakte rampen aller tijden, " zei Manolis Veveakis, assistent-professor civiele en milieutechniek aan Duke. "Maar dat model was extreem beperkt en beperkt tot die specifieke gebeurtenis. Dit model is completer. Het kan worden toegepast op andere aardverschuivingen, het verstrekken van stabiliteitscriteria en begeleiding over wanneer en hoe ze kunnen worden voorkomen."

De ramp waar Veveakis naar verwijst, vond plaats bij de Vajontdam, een van de hoogste ter wereld op 860 voet, in Noord-Italië in 1963. Na jaren van pogingen om een ​​langzame, incrementele aardverschuiving van ongeveer 2,5 cm per dag in de aangrenzende berghelling door het waterpeil van het meer achter de dam te verlagen, de aardverschuiving versnelde plotseling zonder waarschuwing. Bijna 10 miljard kubieke voet rots stortte met bijna 70 mijl per uur door de kloof en in het meer. Dat creëerde een tsunami van meer dan 800 voet hoog die over de dam stortte, het volledig wegvagen van verschillende kleine steden hieronder en het doden van bijna 2, 000 mensen.

Voordat de ramp plaatsvond, wetenschappers geloofden niet dat een mogelijke aardverschuiving zou resulteren in een tsunami van meer dan 75 voet lang. Ze blijven verbaasd over hoe deze aardverschuiving zo gewelddadig en zo plotseling was bewogen.

In 2007, Veveakis legde de puzzelstukjes in elkaar en ontwikkelde een model dat paste bij de wetenschappelijke observaties van de ramp. Het liet zien hoe water dat in de rotsen sijpelde boven een onstabiele kleilaag een kruipende aardverschuiving veroorzaakte, die op zijn beurt de klei opwarmde en verder destabiliseerde in een feedbacklus totdat deze snel faalde.

"Klei is een zeer thermisch gevoelig materiaal en het kan een afschuifband creëren die zeer gevoelig is voor wrijving, " zei Carolina Segui, een doctoraat kandidaat in het laboratorium van Veveakis en eerste auteur van het nieuwe artikel. "Het is het slechtste materiaal om op zo'n kritieke plek te hebben en het is een nachtmerrie voor civiel ingenieurs die overal iets bouwen."

Dit vroege model, echter, alleen de laatste maand gegevens van de Vajont Dam gebruikt, toen het waterpeil bijna constant was. Het negeerde elke vorm van grondwatervariatie, in wezen aangenomen dat de externe belasting constant bleef. Terwijl dat model werkte om het onverwachte falen van de Vajont aardverschuiving te verklaren, de aannames van het model maakten het onmogelijk om realtime beoordelingen aan te bieden of in andere scenario's te gebruiken.

In de nieuwe studie Veveaki's, Segui en Hadrien Rattez, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Veveakis, sluit de gaten van het oude model en bied de mogelijkheid om een ​​combinatie van tijdafhankelijke externe belasting en interne degradatie op te nemen. Het resulterende model is in staat om waarnemingen van zeer verschillende, diepgewortelde aardverschuivingen.

"Traditionele aardverschuivingsmodellen hebben een statische interne materiaalsterkte, en als je het overschrijdt, mislukt de aardverschuiving, " zei Veveakis. "Maar in voorbeelden als deze, de aardverschuiving is al in beweging omdat zijn kracht al is overschreden, dus die modellen werken niet. Anderen hebben geprobeerd machine learning te gebruiken om de gegevens aan te passen, dat heeft soms gewerkt, maar het verklaart niet de onderliggende fysica. Ons model bevat de eigenschappen van zachte materialen, waardoor het kan worden toegepast op meer aardverschuivingen met verschillende belastingskenmerken en een operationeel stabiliteitscriterium biedt door de basale temperatuur te bewaken."

Naast het gebruik van het model om de bewegingen van de Vajont-glijbaan na te bootsen en de mechanismen uit te leggen die aan de beweging ten grondslag liggen gedurende meer dan twee jaar, Veveakis en Segui laten zien dat hun model de bewegingen van de Shuping-aardverschuiving nauwkeurig kan nabootsen en voorspellen, weer een langzaam bewegende aardverschuiving bij de Drieklovendam in China, de grootste dam ter wereld. Maar hoewel die aardverschuiving ook het gevolg is van een door mensen gemaakt meer naast een dam, dat is waar de overeenkomsten eindigen.

Voordat de Vajontdam faalde, er was een vrij lineaire relatie tussen het niveau van het meer en de snelheid van de kruipende aardverschuiving. Hoe lager het niveau van het meer, hoe langzamer de aardverschuiving. De Shuping aardverschuiving, echter, gedraagt ​​zich op de tegenovergestelde manier - hoe lager het meerniveau, hoe sneller de aardverschuiving. En hoewel de relatie tussen het niveau van het meer en de snelheid ongeveer lineair was bij de Vajont Dam, de snelheid van de Shuping aardverschuiving is niet-lineair, reageren op extra bronnen van water en laden, zoals seizoensgebonden moessons. Het is ook samengesteld uit verschillende materialen.

Ondanks deze verschillen, het nieuwe model van de onderzoekers is in staat om de bewegingen van de Shuping-aardverschuiving in het afgelopen decennium nauwkeurig te reproduceren.

In dit geval, de onderzoekers hebben geen directe toegang tot metingen van de shear band, dat is minder dan een meter bruine breccia-grond en slibrijke klei. Ze moeten aannames doen over de wrijvingsniveaus en de interne temperaturen om hun model te laten werken.

In de bergen van Andorra, echter, de langzame aardverschuiving El Forn bedreigt de veiligheid van een nabijgelegen dorp genaamd Canillo en wordt nauwlettend in de gaten gehouden door de overheid. In tegenstelling tot China of Italië, er is geen dam of meer bij betrokken - deze aardverschuiving wordt versneld door smeltende sneeuw die de grondwaterstanden in de bergen boven de stad voedt.

Ook al zijn de omstandigheden totaal anders dan bij de vorige twee aardverschuivingen, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat hun model de taak aankan.

Dankzij talrijke boorgaten die zijn genomen om een ​​beter inzicht te krijgen in de aardverschuiving van El Forn, Veveakis en Segui hebben thermometers rechtstreeks in de afschuifband kunnen steken van een kleine lob die sneller schuift dan de rest. Met dit beschikbare gegevensniveau de onderzoekers verwachten hun model nog meer te valideren en te verfijnen, en zelfs advies geven over hoe een mogelijke catastrofe kan worden vermeden als er zich een begint te ontwikkelen.

"Je kunt je voorstellen dat je water uit de grond pompt, of een andere koude vloeistof door de schuiflaag laten circuleren om deze af te koelen en de aardverschuiving te vertragen, "zei Segui. "Of op zijn minst, als we het niet konden stoppen, voldoende waarschuwing te geven om te evacueren. Dat is precies waarom we er zijn."