Forskare som övervakar vibrationerna i naturliga bergbågar har funnit att bågarnas resonansfrekvenser genomgår dynamiska förändringar från dag till dag, enligt forskning som presenterades vid SSA:s årsmöte 2018.

Doktoranden vid University of Utah Paul Geimer och kollegor analyserar dessa frekvensändringar för att avgöra om de kan användas för att förutsäga när en naturlig bro kan vara klar att kollapsa.

Naturliga bergbågar, som Rainbow Bridge, en av världens största, eller tusentals som pricker öknen i södra Utah, vibrera som vind, jordbävningar och mänskliga störningar skakar dem på mycket små sätt.

"En av de främsta drivkrafterna för forskningen var kollaps av Wall Arch 2008 i Arches National Park [i Utah], precis längs leden, "sa Geimer." Det hände mitt i en lugn natt på sommaren utan att det tydde på att något skulle hända. "

Geimers rådgivare University of Utah geoforskare Jeff Moore hade också fått en förfrågan från National Park Service och indianstammar som var oroliga för framtiden för Rainbow Bridge, där turismshelikoptrar flyger över närliggande Lake Powell. "De ville se om vi kunde berätta mer om de potentiella farorna med helikoptrar, och om vibrationsnivåerna som bron kan uppleva från dessa konstgjorda källor, "Sa Geimer.

"Vibrationsövervakning av konstgjorda strukturer för att upptäcka och mäta skador är en väletablerad teknik inom anläggningsteknik, och nu kan vi tillämpa många av samma metoder på naturliga strukturer där vi inte har samma förkunskaper om strukturen eller materialegenskaperna, "noterade han.

Ett fokus för Geimers arbete har varit Aqueduct Arch i Utah, där forskarna har samlat ett års värde av kontinuerliga data om broens vibrationsfrekvenser, detekteras av bredbandsseismiska stationer placerade nära bågen. Det ovanligt långa rekordet gör det möjligt för forskarna att korrelera frekvensändringar med förändringar i miljön och göra förutsägbara modeller för hur miljöförhållanden förändrar spänningarna i berget.

"Jag har blivit förvånad över bågens dynamiska karaktär och hur mycket frekvenser skiftar, "Sa Geimer." De elastiska dagliga och årliga förändringarna har varit riktigt dramatiska. "

Resonantfrekvenser toppar både när temperaturen sjunker under fryspunkten och när omgivningstemperaturerna är som varmast på sommaren. Geimer sa att dessa förhållanden förändrar broens skal och får bergmassan att stelna, ändra hur bågen vibrerar.

Även om dessa förändringar sannolikt kommer att försvaga bågen med tiden, forskarna har ännu inte kunnat identifiera en frekvensändring som skulle tyda på en överhängande kollaps av en båge. "Vi tror inte att vi har mätt en webbplats med tillräckligt stora förändringar för att indikera misslyckande - alla variationer uppmätta till denna punkt har orsakats av tillfälliga, återställbara förändringar av berget, sa Geimer.

Inte varje båge är lika dynamisk som akvedukten, noterade han. "Vi har mätt mer än ett dussin bågar, och en enastående fråga som vi fortfarande arbetar med att svara på är varför elastiska frekvensförändringar inte är vanliga i alla valv och vad en brist på förändring innebär för långsiktig stabilitet. "

Årsmötet 2018, hölls 14-17 maj i Miami, Florida, är en gemensam konferens mellan Seismological Society of America och Latin American and Caribbean Seismological Commission (LACSC).