Два новых исследования ученых из Университета Юты показывают, что можно узнать из краткой сейсмической проверки природных каменных арок и как эрозия придает некоторым аркам, таким как культовая Изящная арка, форму, придающую дополнительную прочность.
Исследование, опубликованное в Geophysical Research Letters, начинается с тщательных измерений вибраций на арке в штате Юта и применяет эти измерения для получения информации от 17 других арок с минимальным необходимым научным оборудованием.
Второе исследование, опубликованное в журнале Geomorphology, сравнивает прочность форм арок, в частности балочных форм, с перевернутыми контактными формами (такими как Изящная арка или Радужный мост).
Сейсмологический стетоскоп
Исследовательская группа геологических опасностей в Университете штата Юта измеряет небольшие вибрации в горных породах, возникающие в результате землетрясений, ветра и других источников, как естественных, так и техногенных, для построения трехмерных моделей того, как структуры резонируют.
Частично эти измерения необходимы для оценки структурного состояния горной породы. Изучая 17 естественных арок, докторанты Пол Геймер, Райли Финнеган и их коллеги установили на арках сейсмометры на время от нескольких часов до нескольких дней. Данные этих измерений в сочетании с трехмерными моделями дали важную информацию о режимах или основных направлениях движения арок, а также о частотах этих режимов вибрации.
«Все это возможно с использованием неинвазивных методов, - говорит Геймер, - которые составляют первый шаг в улучшении нашей способности обнаруживать и идентифицировать повреждения внутри арок и аналогичные элементы». Неинвазивный характер испытаний - когда сейсмометры располагаются на поверхности арки, не повреждая скалу, - важен, поскольку многие каменные арки Юты имеют культурное значение.
В исследованиях 17 арок использовался только один или два сейсмометра, поэтому с разрешения Службы национальных парков исследователи отправились в Арку Массельмана в национальном парке Каньонлендс, чтобы проверить свои более ранние измерения. Арка плоская сверху и легкодоступна, поэтому они усеяли ее 30 сейсмометрами и прислушались.
«Эта дополнительная информация помогла нам подтвердить наши предположения о том, что арочные резонансные моды точно следуют простым прогностическим моделям, а окружающие коренные породы действуют как жесткая опора», - говорит Геймер.«Насколько мне известно, это было первое в своем роде измерение естественного пролета после десятилетий подобных усилий на искусственных мостах».
Все изученные арки проявляли свойство низкого демпфирования, говорит Геймер, что означает, что они продолжали вибрировать еще долго после порыва ветра, например, или сейсмической волны от далекого землетрясения. Результаты также помогают исследователям делать выводы о механических свойствах горных пород без необходимости бурения породы для взятия образца. Например, жесткость песчаника навахо, широко распространенного в Южной Юте, по-видимому, связана с количеством железа в породе.
Создан для стабильности
Естественные арки бывают разных форм, включая балочные пролеты, которые простираются между двумя скальными массивами, и классические отдельно стоящие или частично отдельно стоящие перевернутые контактные арки. Контактная сеть - это дуга, образованная висящей цепью или веревкой, поэтому переверните ее вверх дном, и вы получите перевернутую контактную сеть.
«В своей идеальной форме перевернутая контактная сеть устраняет все растягивающие напряжения», - говорит Геймер, создавая стабильный изогнутый пролет, поддерживаемый исключительно сжатием, которому вмещающий песчаник может противостоять наиболее сильно. Идея о том, что перевернутые цепные арки в результате эрозии ваяются в прочные формы, не нова. Но подход команды U к их анализу такой. Возвращаясь к своим трехмерным моделям арок и анализу режимов их вибрации, исследователи детально смоделировали гравитационные напряжения на каждой арке и рассчитали число, называемое средним основным коэффициентом напряжения, или MSR, которое классифицирует, является ли арка более прочной. как балка или больше как перевернутая контактная сеть.
Структура скалы, в которой высечена арка, также может влиять на ее форму. Перевернутые цепные арки чаще образуются в мощных массивных скальных образованиях. «Это позволяет гравитационным напряжениям быть доминирующим фактором скульптуры, - говорит Геймер, - оставляя после себя гладкую дугу породы, удерживаемой в сжатии.«Балкообразные арки обычно формируются в горных породах, состоящих из нескольких слоев различной прочности. «Более слабые слои удаляются в результате эрозии быстрее, - добавляет он, - оставляя после себя слой более прочного материала, слишком тонкий, чтобы образовать кривую контактной сети».
В то время как форма перевернутой контактной сети может придать арке устойчивость в ее нынешнем виде, Геймер и доцент Джефф Мур быстро указывают, что арка все еще уязвима для других средств возможного обрушения. «В «Изящной арке», - говорит Мур, - арка опирается на очень тонкий, легко поддающийся эрозии глинистый слой, который обеспечивает слабое соединение с землей, в то время как Радужный мост удерживается от обрушения благодаря тому, что он слегка соединен с соседним каменным холмом».
Тем не менее, показатель MSR может помочь исследователям и управляющим государственными землями оценить устойчивость арки благодаря ее форме. Исследовательская группа геологических опасностей продолжает изучать другие факторы, которые могут влиять на устойчивость горных пород, в том числе то, как в скале растут трещины и как в прошлом разрушались арки.
Трехмерные модели группы можно найти здесь.
Смотрите (и слушайте - включите громкость!) как Moonshine Arch недалеко от Вернала, штат Юта, движется сюда.