De dreiging van aardverschuivingen is opnieuw in het nieuws, aangezien hevige winterstormen in Californië de door brand geteisterde heuvels dreigen te ondermijnen en dodelijke puinstromen in huizen en overstromingswegen veroorzaken.

Maar er zijn geen bosbranden nodig om het aardverschuivingsgevaar te onthullen, Universiteit van Californië, Berkeley, zeggen onderzoekers. Luchtonderzoek met behulp van laserkartering in de lucht - LiDAR (lichtdetectie en -bereik) - kan zeer gedetailleerde informatie opleveren over de topografie en vegetatie waarmee wetenschappers kunnen identificeren welke gebieden die gevoelig zijn voor aardverschuivingen zouden kunnen wijken tijdens een verwachte regenbui. Dit is vooral belangrijk om te voorspellen waar ondiepe aardverschuivingen - die waarbij alleen de bodemmantel betrokken is - kunnen mobiliseren en transformeren terwijl ze naar beneden gaan in destructieve puinstromen.

De vangst, ze zeggen, is dat dergelijke informatie nog niet kan helpen voorspellen hoe groot en potentieel gevaarlijk de aardverschuivingen zullen zijn, wat betekent dat evacuaties zich op veel meer mensen kunnen richten dan werkelijk bedreigd worden door grote glijbanen en puinstromen.

In een nieuw artikel dat deze week in het tijdschrift verschijnt Proceedings van de National Academy of Sciences, de wetenschappers, UC Berkeley-geoloog William Dietrich en projectwetenschapper Dino Bellugi rapporteren hun laatste poging om gebieden die vatbaar zijn voor aardverschuivingen te labelen op basis van hun waarschijnlijke grootte en gevaarpotentieel, in de hoop op nauwkeurigere voorspellingen. Hun model houdt rekening met de fysieke aspecten van hellingen:steilheid, wortelstructuren die de helling op zijn plaats en de bodemsamenstelling houden - en de paden die water volgt als het naar beneden en in de grond loopt.

Nog, terwijl het model beter is in het identificeren van gebieden die vatbaar zijn voor grotere en potentieel gevaarlijkere aardverschuivingen, de onderzoekers ontdekten factoren die de grootte van de aardverschuiving beïnvloeden die niet gemakkelijk kunnen worden bepaald uit luchtgegevens en die vanaf de grond moeten worden beoordeeld - een ontmoedigende taak, als men zich zorgen maakt over de hele staat Californië.

De belangrijkste onbekenden zijn hoe de ondergrond en het onderliggende gesteente eruit zien en de invloed van aardverschuivingen in het verleden op de bodemgesteldheid.

"Onze studies benadrukken het probleem van overvoorspelling:we hebben modellen die met succes de locatie voorspellen van dia's die zich hebben voorgedaan, maar ze voorspellen uiteindelijk veel plaatsen die niet zijn voorgekomen vanwege onze onwetendheid over de ondergrond, " zei Dietrich, UC Berkeley hoogleraar aard- en planetaire wetenschap. "Onze nieuwe bevindingen wijzen er specifiek op dat de ruimtelijke structuur van het materiaal van de helling - bodemdiepte, wortel kracht, permeabiliteit en variabiliteit over de helling spelen een rol in de grootte en distributie en, daarom, het gevaar zelf. We lopen tegen een muur aan - als we verder willen komen met voorspelling van aardverschuivingen die probeert te specificeren waar, wanneer en hoe groot een aardverschuiving zal zijn, we moeten kennis hebben die heel moeilijk te verkrijgen is, maar telt."

Modellen sleutel tot gerichte evacuaties

Decennia van studies door Dietrich en anderen hebben geleid tot voorspellende modellen van waar en onder welke regenomstandigheden hellingen zullen falen, en dergelijke modellen worden wereldwijd gebruikt in combinatie met weersvoorspellingsmodellen om gebieden te lokaliseren die bij een naderende storm kunnen glijden en om bewoners te waarschuwen. Maar deze modellen veroorzaakt door zogenaamde "empirische drempels voor regenval, " zijn conservatief, en overheidsinstanties geven vaak evacuatiewaarschuwingen af ​​voor grote gebieden om levens en eigendommen te beschermen.

Dietrich, die het Eel River Critical Zone Observatory leidt - een tien jaar durend project om te analyseren hoe water zich helemaal van het bladerdak door de bodem en het gesteente en in beken beweegt - probeert de voorspellingsmodellen voor aardverschuivingen te verbeteren op basis van de fysica van hellingen. Laserbeeldvorming in de lucht met behulp van LiDAR kan details op submeterschaal bieden, niet alleen van vegetatie, maar ook van de grond onder de vegetatie, waardoor nauwkeurige metingen van hellingen en een goede schatting van de soorten vegetatie op de hellingen mogelijk zijn.

Hellingen falen tijdens regenbuien, hij zei, omdat de waterdruk in de bodem - de poriedruk - bodemdeeltjes uit elkaar duwt, waardoor ze drijvend zijn. Het drijfvermogen vermindert de wrijving die de gronddeeltjes tegen de zwaartekracht houdt, en zodra de massa van de glijbaan voldoende is om de wortels te breken die de grond op zijn plaats houden, de helling zakt. Ondiepe dia's mogen alleen het bovenste deel van de grond betreffen, of schuren naar de bodem en alles eronder naar beneden duwen, dodelijke puinstromen creëren die enkele meters per seconde kunnen reizen.

Elk nat jaar langs de Pacifische kust, huizen worden weggevaagd en levens verloren door grote aardverschuivingen, hoewel de dreiging wereldwijd is. Zoals geïllustreerd door een aardverschuiving in Sausalito precies twee jaar geleden, aardverschuivingen kunnen slechts een korte afstand bergopwaarts ontstaan ​​en mobiliseren als een puinstroom die meters per seconde reist voordat ze een huis raken. De grootte van de initiële aardverschuiving zal de diepte en snelheid van de stroom beïnvloeden en de afstand die het kan afleggen naar beneden in canyons, zei Dietrich.

Met eerdere computermodellen, Dietrich en zijn collega's waren in staat om nauwkeuriger de plaatsen op hellingen aan te wijzen waar aardverschuivingen zouden optreden. anno 2015, bijvoorbeeld, Bellugi en Dietrich gebruikten hun computermodel om ondiepe aardverschuivingen te voorspellen op een goed bestudeerde helling in Coos Bay, Oregon, tijdens een reeks van aardverschuivingen veroorzaakte regenbuien, uitsluitend gebaseerd op deze fysieke maatregelen. Die modellen gebruikten LiDAR-gegevens om de steilheid te berekenen en hoe water naar beneden zou stromen en de poriedruk binnen de helling zou beïnvloeden; de seizoensgebonden geschiedenis van regenval in het gebied, die helpt beoordelen hoeveel grondwater aanwezig is; en schattingen van de bodem- en wortelsterkte.

In de nieuwe krant Bellugi en David Milledge van de Newcastle University in Newcastle upon Tyne in het Verenigd Koninkrijk hebben het model voor het voorspellen van aardverschuivingen getest op twee zeer verschillende landschappen:een zeer steile, diep geëtste en beboste heuvel in Oregon, en een gladde, grasachtig, zacht glooiende gletsjervallei in het legendarische Lake District van Engeland.

Verrassend genoeg, ze ontdekten dat de verdeling van kleine en grote ondiepe aardverschuivingen in beide landschappen vrij gelijkaardig was en kon worden voorspeld als ze rekening hielden met één extra stukje informatie:de variabiliteit van de sterkte van de hellingen over deze hellingen. Ze ontdekten dat kleine dia's in grote dia's kunnen veranderen als de omstandigheden - bodemsterkte, wortelsterkte en poriedruk - variëren niet voldoende over korte afstanden. Eigenlijk, kleine dia's kunnen zich over de helling voortplanten en groter worden door geïsoleerde gebieden die gevoelig zijn voor dia's met elkaar te verbinden, zelfs als ze gescheiden zijn door een stevigere helling.

"Deze gebieden die vatbaar zijn voor ondiepe aardverschuivingen, ook al kun je ze misschien definiëren, kan samensmelten, indien dicht genoeg bij elkaar. Dan kun je een grote aardverschuiving hebben die enkele van deze kleine plekken van lage sterkte omvat, "Zei Bellugi. "Deze plekken met een lage sterkte kunnen worden gescheiden door gebieden die sterk zijn - ze kunnen dicht bebost zijn of minder steil of droger - maar als ze niet goed van elkaar gescheiden zijn, dan kunnen die gebieden samenvloeien en een gigantische aardverschuiving veroorzaken."

"Op hellingen, er zijn bomen en topografie, en we kunnen ze zien en kwantificeren, Dietrich voegde eraan toe. "Maar beginnend vanaf de oppervlakte en naar beneden gaand in de grond, er is veel dat we nodig hebben in modellen die we nu niet over grote gebieden kunnen kwantificeren:de ruimtelijke variatie in bodemdiepte en wortelsterkte en de invloed van grondwaterstroming, die uit het onderliggende gesteente kan komen en de bodemporiedruk kan beïnvloeden."

Het is een enorme inspanning om zulke gedetailleerde informatie over een hele helling te krijgen, zei Dietrich. Op de hellingen van Oregon en Lake District, onderzoekers liepen of scanden het hele gebied om de vegetatie in kaart te brengen, bodemsamenstelling en diepte, en langs dia's meter voor meter, en vervolgens nauwgezet de wortelsterkte geschat, dit alles is onpraktisch voor de meeste hellingen.

"Wat dit zegt is dat om de grootte van een aardverschuiving en een grootteverdeling te voorspellen, we hebben een belangrijke barrière die moeilijk te overbruggen zal zijn - maar dat is nodig - en dat is om de eigenschappen van het ondergrondse materiaal te kunnen karakteriseren, "Zei Dietrich. "Dino's paper zegt dat de ruimtelijke structuur van de ondergrond er toe doet."

De eerdere veldstudies van de onderzoekers vonden, bijvoorbeeld, dat gebroken gesteente een plaatselijke ondergrondse waterstroom kan toestaan ​​en anders stabiele hellingen kan ondermijnen, iets dat nog niet waarneembaar is door luchtonderzoek.

Ze dringen aan op intensiever onderzoek op steile hellingen om deze ondergrondse kenmerken te kunnen voorspellen. Dit kan meer boren omvatten, het installeren van hydrologische monitoringapparatuur en het toepassen van andere geofysische hulpmiddelen, inclusief kegelpenetrometers, waarmee faalgevoelige bodems in kaart kunnen worden gebracht.