Balanserade stenar, redo på plats för 24, 000 år, har använts för att bedöma den aktuella seismiska integriteten av Clyde Dam i en University of Otago-ledd studie.

Professor Mark Stirling, vid Otagos institution för geologi, tillsammans med Nya Zeeland och internationella kollegor, identifierade och bedömde åldrarna för gravitationstrotsande stenformationer som ligger cirka 2 km från dammplatsen. De använde dessa data för att bestämma de högsta markaccelerationerna som stenarna kunde motstå innan de välter.

Informationen användes för att ställa in Safety Evaluation Earthquake (SEE) spektrum för dammen, eller de förväntade högsta jordbävningarnas markrörelser som inträffar med en återgångsperiod på 10, 000 år, som styr säkerhetsbedömningen och seismisk utformning av strukturen.

Det är första gången osäkert balanserade stenar har använts för att sätta formella jordbävningsrörelser för en större befintlig konstruerad struktur.

Som forskarna rapporterar i Bulletin från Seismological Society of America , toppmarkaccelerationen för det nya SEE-spektrumet, utvecklat från bergdata samt en uppdaterad seismisk riskmodell för regionen, är avsevärt minskat jämfört med preliminära uppskattningar som utvecklades 2012.

Dock, de nya designvärdena för markrörelser liknar de som användes – av en slump – när dammen byggdes på 1980-talet.

"Det finns inget som behöver göras i vägen för att förstärka dammen, säger professor Stirling.

"Dock, studien visar alla relevanta myndigheter att dammen är kompatibel med de moderna reglerna."

Studien fungerar också som ett viktigt proof-of-concept för framtida tillämpningar av ömtåliga geologiska egenskaper (FGF) i teknisk design.

FGF:er är särskilt användbara för att ställa in tekniska designparametrar på platser där perioden mellan relevanta jordbävningar är mycket lång—10, 000 år eller mer. I dessa fall, de geologiska egenskaperna kan hjälpa till att testa probabilistiska seismiska riskuppskattningar.

Medan seismologer har utforskat användbarheten av dessa funktioner för andra tekniska designprojekt, såsom det inställda kärnavfallsförvaret Yucca Mountain i Nevada och kraftverket Diablo Canyon i Kalifornien, Clyde Dam är den första som använder ömtåliga funktioner för att skapa markrörelse.

På en bred platå sydväst om dammen som kallas Cairnmuir flat, hällar av skiffersten som sticker upp ovanför landskapet huggas av erosion i potentiellt instabila konfigurationer.

I en mödosam ansträngning, forskarna identifierade dessa osäkert balanserade bergarter och tog fältmätningar av deras geometrier för att uppskatta deras bräcklighet. Sedan analyserade forskarna formationerna med hjälp av radionukliddata som uppskattar hur länge en stenyta har varit exponerad för atmosfären. Dessa data kan ge en uppskattning av hur länge en sten har varit balanserad i en specifik position.

"När det gäller datainsamling, det var FGF-åldersuppskattningen som var mest utmanande, säger professor Stirling.

"Det krävde specialistinsatser, hårt fysiskt arbete, och det fanns vanligtvis stora osäkerheter i tolkningen av datumen för att säga hur länge FGF:erna hade varit ömtåliga."

Genom att kombinera dessa data med information om tidigare jordbävningar längs den närliggande Dunstan-förkastningen, forskarna drog slutsatsen att stenarna vid Cairnmuir flat hade legat i sin instabila position i minst 24, 000 år. Detta tyder på att alla har överlevt minst två jordbävningar i Dunstan.

De utvecklade sedan en bräcklighetsfördelning av alla otryggt balanserade stenar i sin studie, baserat på maximal markacceleration, för att bestämma de högsta markaccelerationerna som mest sannolikt kommer att störta någon slumpmässig bräcklig bergstruktur med mer än 95 procents sannolikhet. Denna information hjälpte sedan till att rekommendera ett nytt SEE-spektrum för dammplatsen.

Baserat på våra preliminära probabilistiska seismiska riskberäkningar för platsen, "Vi visste att FGF:erna i området skulle slås ner av dessa starka markrörelser om de inträffade - det är lätt att grovt uppskatta hur ömtåliga egenskaperna är med ögat i fältet, " förklarar professor Stirling.

Det var då bara en fråga om tid och forskning, han lade till, innan de nya riskbedömningarna för Clyde Dam reviderades.