Ingenjörer från Duke University har utvecklat en heltäckande ny modell av djupt liggande jordskred och visat att den exakt kan återskapa dynamiken i historiska och nuvarande jordskred som inträffar under olika förhållanden.

kikar förbi standardmätningarna av hastighet och vattennivåer, modellen pekar på temperaturen hos ett relativt tunt lager av lera vid jordskredet som kritiskt för dess potential för plötsligt katastrofalt fel. Tillvägagångssättet används för närvarande för att övervaka ett utvecklande jordskred i Andorra och föreslår metoder för att minska risken för dess eskalering såväl som andra framtida djupgående jordskred.

Resultaten visas online den 15 juni i Journal of Geophysical Research—Earth Surface .

"Jag publicerade en tidning för mer än ett decennium sedan som förklarade vad som hände vid Vajont-dammen, en av de största konstgjorda katastroferna genom tiderna, " sa Manolis Veveakis, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Duke. "Men den modellen var extremt begränsad och begränsad till den specifika händelsen. Den här modellen är mer komplett. Den kan tillämpas på andra jordskred, tillhandahåller stabilitetskriterier och vägledning om när och hur de kan avvärjas."

Katastrofen Veveakis syftar på inträffade vid Vajont Dam, en av de högsta i världen på 860 fot, i norra Italien 1963. Efter år av försök att mildra en långsam, stegvis jordskred på ungefär en tum per dag i den angränsande bergssidan genom att sänka vattennivån i sjön bakom dammen, skredet accelererade plötsligt utan förvarning. Nästan 10 miljarder kubikfot sten rasade nerför ravinen och ner i sjön i nästan 70 miles per timme. Det skapade en mer än 800 fot hög tsunami som kraschade över dammen, helt utplåna flera små städer nedanför och döda nästan 2, 000 personer.

Innan katastrofen inträffade, forskare trodde inte att något potentiellt jordskred skulle resultera i en tsunami mer än 75 fot hög. De förblir förbryllade över hur detta jordskred hade rört sig så våldsamt och så plötsligt.

Under 2007, Veveakis satte ihop bitarna och utvecklade en modell som passade de vetenskapliga observationerna av katastrofen. Den visade hur vatten som sipprade in i sten ovanför ett instabilt lager av lera orsakade ett krypande jordskred, vilket i sin tur värmde upp och destabiliserade leran ytterligare i en återkopplingsslinga tills den snabbt misslyckades.

"Lera är ett mycket termiskt känsligt material och det kan skapa ett skjuvband som är mycket känsligt för friktion, sa Carolina Segui, en Ph.D. kandidat i Veveakis laboratorium och första författare till den nya uppsatsen. "Det är det sämsta materialet att ha på en så kritisk plats och är en mardröm för civilingenjörer som konstruerar vad som helst."

Denna tidiga modell, dock, använde endast den senaste månadens data från Vajont-dammen, när vattennivån var nästan konstant. Den ignorerade alla slags grundvattenvariationer, i huvudsak under förutsättning att den externa belastningen förblev konstant. Medan den modellen fungerade för att förklara det oväntade felet i Vajont-skredet, modellens antaganden gjorde det omöjligt att erbjuda realtidsbedömningar eller användning i andra scenarier.

I den nya studien, Vevekis, Segui och Hadrien Rattez, en postdoktor vid Veveakis laboratorium, täpp till den gamla modellens hål och ger möjligheten att inkorporera en kombination av tidsberoende extern belastning och intern nedbrytning. Den resulterande modellen kan återskapa och förutsäga observationer tagna från mycket olika, djupt liggande jordskred.

"Traditionella jordskredmodeller har en statisk inre materialstyrka, och om du överskrider det, misslyckas jordskredet, " sa Veveakis. "Men i exempel som dessa, jordskredet är redan i rörelse eftersom dess styrka redan har överskridits, så de modellerna fungerar inte. Andra har försökt använda maskininlärning för att passa data, som har fungerat ibland, men det förklarar inte den underliggande fysiken. Vår modell inkluderar egenskaperna hos mjuka material, gör det möjligt att applicera det på fler jordskred med olika belastningsegenskaper och ger ett driftsstabilitetskriterium genom att övervaka dess basala temperatur."

Förutom att använda modellen för att återskapa Vajont-rutschbanans rörelser och förklara mekanismerna bakom dess rörelse i mer än två år, Veveakis och Segui visar att deras modell exakt kan återskapa och förutsäga rörelserna från Shuping-skredet, ett annat långsamt skred vid Three Gorges Dam i Kina, den största dammen i världen. Men även om det jordskredet också är resultatet av en konstgjord sjö bredvid en damm, det är där likheterna slutar.

Innan Vajont-dammen misslyckades, det fanns ett ganska linjärt samband mellan sjönivån och det krypande skredets hastighet. Ju lägre sjönivå, desto långsammare skred. Shuping-skredet, dock, beter sig på motsatt sätt - ju lägre sjönivån är, desto snabbare skred. Och medan förhållandet mellan sjönivå och hastighet var ungefär linjärt vid Vajont-dammen, Shuping-skredets hastighet är icke-linjär, reagera på ytterligare vattenkällor och lastning, som säsongsbetonade monsuner. Den är också sammansatt av olika material.

Trots dessa skillnader, forskarnas nya modell kan exakt återge Shuping-skredets rörelser under det senaste decenniet.

I detta fall, forskarna har inte direkt tillgång till mätningar från skjuvbandet, som är mindre än en meter brun brecciajord och siltig lera. De måste göra antaganden om nivåerna av friktion och de inre temperaturerna för att få sin modell att fungera.

I bergen i Andorra, dock, det långsamma jordskredet i El Forn hotar säkerheten för en närliggande by som heter Canillo och övervakas noga av regeringen. Till skillnad från Kina eller Italien, det finns ingen damm eller sjö inblandad – detta jordskred accelereras av smältande snö som matar grundvattennivåerna i bergen ovanför staden.

Även om förhållandena är helt annorlunda än de två tidigare skreden, forskarna är övertygade om att deras modell klarar uppgiften.

Tack vare många borrhål som har tagits för att få en bättre förståelse av El Forn-skredet, Veveakis och Segui har kunnat sätta in termometrar direkt i skjuvbandet på en liten lob som glider snabbare än resten. Med denna nivå av data tillgänglig, forskarna förväntar sig att validera och förfina sin modell ännu mer, och till och med ge råd om hur man undviker en potentiell katastrof om man börjar utvecklas.

"Man skulle kunna tänka sig att pumpa upp vatten ur marken, eller cirkulera en annan kall vätska genom skjuvskiktet för att kyla ner det och bromsa jordskredet, sade Segui. "Eller åtminstone, om vi inte kunde stoppa det, för att ge tillräckligt med varning för att evakuera. Det är precis därför vi är där."