Два новых исследования, проведенных учеными из Университета Юты, показывают, что можно извлечь с помощью короткого сейсмического обследования арок из натурального камня, и как эрозия меняет некоторые арки, например, Деликатную, в формы, дающие дополнительную прочность.
Исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, начинается с точных измерений вибраций в арке в штате Юта, которые затем были применены для получения сведений о 17 других арках без использования большого количества оборудования.
Второе исследование, опубликованное в журнале Geomorphology, сравнивает силу арочных форм, в частности, балкоподобных с перевернутыми контактными формами (такими как у Деликатной арки и Радужного моста).
Сейсмологический стетоскоп
Группа исследователей геологических процессов в Университете Юты измеряла небольшие колебания в скальных структурах, которые происходят от землетрясений, ветра и других источников, как природных, так и техногенных, для построения трехмерных моделей резонансных структур.
Одной из причин этих измерений является необходимость оценить структурное состояние пород. При изучении 17 естественных арок докторанты Пол Геймер, Райли Финнеган и их коллеги устанавливали сейсмометры на арках на несколько часов и даже дней. Данные этих измерений в сочетании с трехмерными моделями дали важную информацию о принципах или основных положениях движения арок, а также частотах для этих режимов вибрации.
«Это все возможно без использования инвазивных методов», – отмечает Геймер. «Это формирует первый шаг в улучшении нашей способности обнаруживать и идентифицировать повреждения в арках и подобных объектах».
Для неинвазивного измерения сейсмометры устанавливаются на поверхность арки. Повреждения скал при этом не происходит, что особенно важно при изучении арок, имеющих культурное значение.
Все 17 арок исследовались с одним или двумя сейсмометрами. С разрешения Национальной службы парков, группа переместилась в Национальный парк Каньонлендс, чтобы проверить полученные ранее данные. Они выбрали арку Масселмен. Ее плоская верхушка легко доступна, поэтому для ее измерения использовалось 30 сейсмометров.
«Этот дополнительный объем информации помог нам подтвердить наши предположения о том, что арочные резонансные режимы тесно следуют простым прогнозным моделям, а окружающая обстановка выступает в качестве жесткой опоры», – отмечает Геймер. «Насколько мне известно, это было первое измерение такого рода в поле, после десятилетий подобных исследований на построенных людьми мостах».
По словам Геймера, все изученные арки показывают слабое затухание, что означает, что они продолжали вибрировать даже после порыва ветра или сейсмической волны от далекого землетрясения. Результаты также помогают исследователям определять механические свойства горных пород без необходимости бурения для взятия образца. Например, жесткость Песчаника навахо, широко распространенного в южной части штата Юта, по-видимому, связана с количеством железа в породе.
Создана для стабильности
Природные арки бывают разных форм, в том числе в виде балок, простирающихся между двумя массивами скал. Есть и классические отдельно стоящие или частично стоящие отдельно перевернутые контактные арки. Контактная часть – это дуга, образованная висящей цепью.
«В своей идеальной форме перевернутая цепь устраняет все растягивающие напряжения», – отмечает Геймер.
Она создает стабильный изогнутый пролет, поддерживаемый исключительно сжатием, которому песчаник может противостоять наиболее сильно. Идея о том, что перевернутые контактные арки вылеплены эрозией в сильные формы, не нова. Но подход команды из Университета Юты к их анализу таков. Возвращаясь к своим трехмерным моделям арок и анализу их режимов вибрации, ученые подробно моделировали гравитационные напряжения на каждой арке и вычисляли средний коэффициент основного напряжения, или MSR, которое классифицирует арку.
Структура скалы, в которой имеется арка, также может влиять на ее форму. Перевернутые контактные арки чаще образуются в толстых массивных скальных образованиях.
«Это позволяет гравитационным напряжениям быть доминирующим «скульптором», – рассказывает Геймер. «Они оставляют после себя гладкую горную дугу, удерживаемую сжатием».
Балкообразные арки обычно образуются в горных породах с несколькими слоями различной прочности.
«Более слабые быстрее удаляются эрозией», – добавляет Геймер. «Остается слой более прочного материала, слишком тонкий, чтобы образовать контактную кривую».
Хотя перевернутая контактная форма может придать арке устойчивость в ее нынешнем виде, Геймер и доцент Джефф Мур указывают на то, что арка все еще уязвима для других возможных разрушителей.
«Если говорить о Деликатной арке, то она опирается на очень тонкий легко поддающийся эрозии глинистый слой, который обеспечивает слабую связь с землей, в то время как Радужный мост удерживается от падения из-за того, что он слегка соединен с прилегающим скальным холмом», – объясняет Мур.
Тем не менее, метрика MSR может помочь исследователям и инженерам общественных земель оценить стабильность арки в зависимости от ее формы. Группа исследователей геологических процессов продолжит изучать другие факторы, которые могут влиять на стабильность характеристик породы, включая то, как расширяются трещины в скале, и как рушились арки в прошлом.