Dos nuevos estudios de investigadores de la Universidad de Utah muestran lo que se puede aprender de una breve revisión sísmica de arcos de roca natural y cómo la erosión esculpe algunos arcos, como el icónico Delicate Arch, en formas que le dan fuerza adicional.

Un estudio publicado en Geophysical Research Letters comienza con mediciones exhaustivas de vibraciones en un arco en Utah, y aplica esas mediciones para obtener conocimientos de otros 17 arcos con el mínimo equipo científico requerido.

El segundo estudio, publicado en Geomorfología, compara la fuerza de las formas de los arcos, específicamente formas similares a vigas versus formas catenarias invertidas (como Delicate Arch o Rainbow Bridge).

Un estetoscopio sismológico

El Grupo de Investigación de Geohazards de la Universidad de Utah mide pequeñas vibraciones en estructuras rocosas, que provienen de terremotos, viento y otras fuentes tanto naturales como artificiales, para construir modelos 3-D de cómo resuenan las estructuras.

Encuentra los modelos 3D del grupo aquí.

Parte del motivo de estas mediciones es evaluar la salud estructural de la roca. Al estudiar 17 arcos naturales, candidatos a doctorado Paul Geimer, Riley Finnegan y sus colegas colocaron sismómetros en los arcos durante unas horas o unos días. Los datos de esas mediciones, junto con los modelos 3-D, proporcionó información importante sobre los modos, o direcciones de movimiento importantes, de los arcos, así como las frecuencias para esos modos de vibración.

"Todo esto es posible utilizando métodos no invasivos, "Geimer dice, "que forman el primer paso para mejorar nuestra capacidad de detectar e identificar daños dentro de los arcos y características similares". La naturaleza no invasiva de las pruebas, con los sismómetros colocados en la superficie del arco sin dañar la roca, es importante, ya que muchos de los arcos de roca de Utah son culturalmente significativos.

Los estudios de los 17 arcos utilizaron solo uno o dos sismómetros cada uno, así que con el permiso del Servicio de Parques Nacionales, los investigadores fueron al Musselman Arch en el Parque Nacional Canyonlands para verificar sus mediciones anteriores. El arco es plano en la parte superior y de fácil acceso. así que lo puntearon con 30 sismómetros y escucharon.

"Esta riqueza adicional de información nos ayudó a confirmar nuestras suposiciones de que los modos de arco resonante siguen de cerca modelos predictivos simples, y el lecho rocoso circundante actúa como soporte rígido, "Dice Geimer." Que yo sepa, fue la primera medida de este tipo para un tramo natural, después de décadas de esfuerzos similares en puentes hechos por el hombre ".

Todos los arcos estudiados exhibieron la propiedad de baja amortiguación, Geimer dice:lo que significa que continuaron vibrando mucho después de una ráfaga de viento, por ejemplo, o una onda sísmica de un terremoto lejano. Los resultados también ayudan a los investigadores a inferir las propiedades mecánicas de las rocas sin tener que perforar la roca para tomar una muestra. Por ejemplo, la rigidez de la piedra arenisca de Navajo, generalizado en el sur de Utah, parece estar relacionado con la cantidad de hierro en la roca.

Esculpido para la estabilidad

Los arcos naturales vienen en una variedad de formas, incluyendo vanos en forma de vigas que se extienden entre dos macizos rocosos y arcos catenarios invertidos clásicos independientes o parcialmente independientes. Una catenaria es el arco formado por una cadena colgante o una cuerda, así que déle la vuelta y obtendrá una catenaria invertida.

"En su forma ideal, la catenaria invertida elimina todas las tensiones de tracción, "Geimer dice, creando un tramo curvo estable apoyado únicamente por compresión, que la piedra arenisca huésped puede resistir con más fuerza. La idea de que los arcos catenarios invertidos son esculpidos por la erosión en formas fuertes no es nueva. Pero el enfoque del equipo de la U para analizarlos sí lo es. Volviendo a sus modelos tridimensionales de arcos y análisis de sus modos de vibración, los investigadores simularon las tensiones gravitacionales en detalle en cada arco y calcularon un número, llamada la relación de tensión principal media, o MSR, que clasifica si el arco se parece más a una viga o más a una catenaria invertida.

La estructura de la roca en la que está tallado el arco también puede influir en su forma. Es más probable que se formen arcos catenarios invertidos en formaciones rocosas masivas y gruesas. "Esto permite que las tensiones gravitacionales sean el agente escultórico dominante, "Geimer dice, "dejando atrás un suave arco de roca mantenida en compresión". Los arcos en forma de vigas se forman típicamente en formaciones rocosas con múltiples capas con diferentes resistencias. "Las capas más débiles se eliminan por erosión más rápidamente, " él añade, "dejando una capa de material más resistente demasiado delgada para formar una curva catenaria".

Si bien la forma de catenaria invertida puede dar estabilidad al arco en su forma actual, Geimer y el profesor asociado Jeff Moore se apresuran a señalar que el arco todavía es vulnerable a otros medios de eventual colapso. "En Delicate Arch, "Moore dice, "el arco descansa sobre una capa arcillosa muy fina que se erosiona fácilmente, que proporciona una conexión débil al suelo, mientras que el Puente Arcoíris se evita que se caiga al estar ligeramente conectado a un montículo rocoso contiguo ".

Todavía, La métrica MSR puede ayudar a los investigadores y administradores de tierras públicas a evaluar la estabilidad de un arco debido a su forma. El Grupo de Investigación de Geohazards continúa estudiando otros factores que pueden influir en la estabilidad de las características de la roca, incluyendo cómo crecen las grietas en la roca y cómo los arcos colapsaron en el pasado.