Två nya studier från University of Utahs forskare visar vad man kan lära av en kort seismisk kontroll av naturliga bergbågar och hur erosion skulpterar vissa valv – som den ikoniska Delicate Arch – till former som ger extra styrka.

En studie publicerad i Geophysical Research Letters börjar med noggranna mätningar av vibrationer vid en båge i Utah, och tillämpar dessa mätningar för att få insikter från 17 andra bågar med minimal vetenskaplig utrustning som krävs.

Den andra studien, publicerad i Geomorphology, jämför styrkan på bågformar, specifikt strålliknande former kontra inverterade kontaktledningsformer (som Delicate Arch eller Rainbow Bridge).

Ett seismologiskt stetoskop

Geohazards Research Group vid University of Utah mäter små vibrationer i bergstrukturer, som kommer från jordbävningar, vind och andra källor, både naturliga och konstgjorda, att konstruera 3D-modeller av hur strukturerna resonerar.

Hitta gruppens 3D-modeller här.

En del av anledningen till dessa mätningar är att bedöma bergets strukturella hälsa. Genom att studera 17 naturliga valv, doktoranderna Paul Geimer, Riley Finnegan och deras kollegor ställde seismometrar på bågarna i några timmar till några dagar. Uppgifterna från dessa mätningar, tillsammans med 3D-modellerna, gav viktig information om lägena, eller större rörelseriktningar, av bågarna såväl som frekvenserna för dessa vibrationssätt.

"Detta är möjligt med icke-invasiva metoder, "Säger Geimer, "som utgör det första steget för att förbättra vår förmåga att upptäcka och identifiera skador inom valv och liknande funktioner." Testernas icke-invasiva karaktär – med seismometrarna som sitter på bågens yta utan att skada berget – är viktig, eftersom många av Utahs klippvalv är kulturellt betydelsefulla.

Studierna av de 17 bågarna använde bara en eller två seismometrar vardera, så med tillstånd från National Park Service, forskarna åkte till Musselman Arch i Canyonlands National Park för att verifiera sina tidigare mätningar. Bågen är platt över toppen och lättillgänglig, så de prickade den med 30 seismometrar och lyssnade.

"Denna ökade mängd information hjälpte oss att bekräfta våra antaganden att bågresonanslägen nära följer enkla prediktiva modeller, och omgivande berggrund fungerar som ett styvt stöd, "Säger Geimer." Så vitt jag vet, det var den första mätningen i sitt slag för ett naturligt spann, efter decennier av liknande ansträngningar vid konstgjorda broar."

Alla de studerade bågarna uppvisade egenskapen låg dämpning, Geimer säger, vilket innebär att de fortsatte att vibrera långt efter ett vindstöt, till exempel, eller en seismisk våg från en fjärran jordbävning. Resultaten hjälper också forskare att dra slutsatser om bergens mekaniska egenskaper utan att behöva borra i berget för att ta ett prov. Till exempel, styvheten hos Navajo Sandstone, utbredd i södra Utah, verkar vara relaterat till mängden järn i berget.

Skulpterad för stabilitet

Naturliga bågar finns i en rad olika former, inklusive balkliknande spann som sträcker sig mellan två bergmassor och klassiska fristående eller delvis fristående inverterade kopplingsbågar. En kontaktledning är den båge som bildas av en hängande kedja eller ett rep — så vänd den upp och ner och du har en upp och nedvänd kontaktledning.

"I sin ideala form, den inverterade kontaktledningen eliminerar alla dragspänningar, "Geimer säger, skapa ett stabilt krökt spann som stöds enbart av kompression, som värd sandsten kan motstå starkast. Tanken att inverterade kopplingsbågar skulpteras genom erosion till starka former är inte ny. Men U-lagets inställning till att analysera dem är. Återgå till deras 3D-modeller av bågar och analys av deras vibrationslägen, forskarna simulerade gravitationsspänningarna i detalj på varje båge och beräknade ett antal, kallas medelprincipens spänningsförhållande, eller MSR, som klassificerar om bågen är mer som en stråle eller mer som en inverterad kontaktledare.

Strukturen på berget som bågen är huggen i kan också påverka dess form. Inverterade kontaktledningsbågar är mer benägna att bildas i tjocka massiva klippformationer. "Detta tillåter gravitationsspänningar att vara det dominerande skulpteringsmedlet, "Säger Geimer, "lämnar efter sig en slät stenbåge som hålls i kompression." Balkliknande bågar bildas vanligtvis i bergformationer med flera lager med varierande styrka. "Svagare lager tas bort snabbare genom erosion, " han lägger till, "lämnar efter sig ett lager av starkare material som är för tunt för att bilda en kontaktledningskurva."

Medan den inverterade kontaktledningsformen kan ge en båge stabilitet i sin nuvarande form, Geimer och docent Jeff Moore är snabba med att påpeka att bågen fortfarande är sårbar för andra sätt att eventuellt kollapsa. "Vid Delicate Arch, "Moore säger, "bågen vilar på ett mycket tunt lätt eroderat lerhaltigt lager, som ger svag anslutning till marken, medan Rainbow Bridge hindras från att ramla omkull genom att vara något ansluten till en angränsande klippknoll. "

Fortfarande, MSR -mätvärdet kan hjälpa forskare och förvaltare av allmän mark att utvärdera en valvs stabilitet på grund av dess form. Geohazards Research Group fortsätter att studera andra faktorer som kan påverka bergarternas stabilitet, inklusive hur sprickor växer i sten och hur valv har kollapsat tidigare.