Nate Richman, assistente di campo, installa un sismometro nodale. Credito:Paul Geimer.
Due nuovi studi dei ricercatori dell'Università dello Utah mostrano cosa si può imparare da un breve controllo sismico degli archi di roccia naturale e come l'erosione scolpisce alcuni archi, come l'iconico Delicate Arch, in forme che conferiscono maggiore forza.
Uno studio pubblicato su Geophysical Research Letters inizia con misurazioni approfondite delle vibrazioni in un arco nello Utah, e applica tali misurazioni per raccogliere informazioni da altri 17 archi con un'attrezzatura scientifica minima richiesta.
Il secondo studio, pubblicato in Geomorfologia, confronta la forza delle forme ad arco, forme specificamente a trave rispetto a forme di catenaria invertita (come l'arco delicato o il ponte arcobaleno).
Uno stetoscopio sismologico
Il Geohazards Research Group dell'Università dello Utah misura le piccole vibrazioni nelle strutture rocciose, che vengono dai terremoti, vento e altre fonti sia naturali che artificiali, costruire modelli 3D di come risuonano le strutture.
Trova qui i modelli 3-D del gruppo.
Parte del motivo di queste misurazioni è la valutazione della salute strutturale della caratteristica rocciosa. Nello studiare 17 archi naturali, dottorandi Paul Geimer, Riley Finnegan e i loro colleghi hanno posizionato i sismometri sugli archi per poche ore o alcuni giorni. I dati di tali misurazioni, abbinato ai modelli 3D, ha fornito importanti informazioni sulle modalità, o grandi direzioni di movimento, degli archi così come le frequenze per quei modi di vibrazione.
Arco di Musselman, punteggiato di sismometri nodali per misurare la vibrazione dell'arco. Credito:Jeff Moore.
"Tutto questo è possibile utilizzando metodi non invasivi, "Geimer dice, "che costituiscono il primo passo per migliorare la nostra capacità di rilevare e identificare i danni all'interno di archi e caratteristiche simili". La natura non invasiva dei test, con i sismometri posizionati sulla superficie dell'arco senza danneggiare la roccia, è importante, poiché molti degli archi rocciosi dello Utah sono culturalmente significativi.
Gli studi dei 17 archi hanno utilizzato solo uno o due sismometri ciascuno, quindi con il permesso del National Park Service, i ricercatori sono andati a Musselman Arch nel Canyonlands National Park per verificare le loro misurazioni precedenti. L'arco è piatto nella parte superiore e facilmente accessibile, così lo punteggiarono con 30 sismometri e ascoltarono.
"Questa ulteriore ricchezza di informazioni ci ha aiutato a confermare le nostre ipotesi che le modalità di risonanza dell'arco seguano da vicino semplici modelli predittivi, e la roccia circostante funge da supporto rigido, " dice Geimer. "Per quanto ne so, è stata la prima misurazione del suo genere per una campata naturale, dopo decenni di sforzi simili a ponti artificiali."
Tutti gli archi studiati esibivano la proprietà di basso smorzamento, Geimer dice, il che significa che hanno continuato a vibrare a lungo dopo una raffica di vento, Per esempio, o un'onda sismica da un terremoto lontano. I risultati aiutano anche i ricercatori a dedurre le proprietà meccaniche delle rocce senza dover perforare la roccia per prelevare un campione. Per esempio, la rigidità dell'arenaria Navajo, diffuso nello Utah meridionale, sembra essere correlato alla quantità di ferro nella roccia.
Scolpito per la stabilità
Gli archi naturali sono disponibili in una gamma di forme, comprese le campate a travi che si estendono tra due ammassi rocciosi e i classici archi a catenaria rovesciata autoportanti o parzialmente autoportanti. Una catenaria è l'arco formato da una catena o corda appesa, quindi capovolgila e otterrai una catenaria invertita.
"Nella sua forma ideale, la catenaria invertita elimina tutte le sollecitazioni di trazione, "Geimer dice, creando una campata curva stabile supportata esclusivamente dalla compressione, quale l'arenaria ospite può resistere più fortemente. L'idea che gli archi di catenaria invertiti siano scolpiti dall'erosione in forme forti non è nuova. Ma l'approccio del team U per analizzarli lo è. Tornando ai loro modelli 3D di archi e all'analisi dei loro modi di vibrazione, i ricercatori hanno simulato in dettaglio le sollecitazioni gravitazionali su ciascun arco e hanno calcolato un numero, chiamato il rapporto di sollecitazione del principio medio, o MSR, che classifica se l'arco è più simile a una trave o più simile a una catenaria invertita.
Anche la struttura della roccia in cui è scolpito l'arco può influenzare la sua forma. È più probabile che gli archi di catenaria invertiti si formino in formazioni rocciose spesse e massicce. "Ciò consente agli stress gravitazionali di essere l'agente scolpitore dominante, "Geimer dice, "lasciando dietro di sé un arco liscio di roccia tenuto in compressione." Gli archi a forma di trave si formano tipicamente in formazioni rocciose con più strati con forze variabili. "Gli strati più deboli vengono rimossi dall'erosione più rapidamente, " Aggiunge, "lasciando dietro di sé uno strato di materiale più forte troppo sottile per formare una curva catenaria".
Mentre la forma della catenaria invertita può conferire stabilità ad un arco nella sua forma attuale, Geimer e il professore associato Jeff Moore sono pronti a sottolineare che l'arco è ancora vulnerabile ad altri mezzi di eventuale collasso. "Al Delicato Arco, "Moore dice, "l'arco poggia su un sottilissimo strato argilloso facilmente eroso, che fornisce una debole connessione a terra, mentre Rainbow Bridge è trattenuto dal cadere essendo leggermente collegato a una collinetta di roccia adiacente."
Ancora, la metrica MSR può aiutare ricercatori e gestori di terreni pubblici a valutare la stabilità di un arco grazie alla sua forma. Il Geohazards Research Group sta continuando a studiare altri fattori che possono influenzare la stabilità delle caratteristiche rocciose, incluso il modo in cui le crepe crescono nella roccia e come gli archi sono crollati in passato.