Как движутся оползни — ScienceDaily

Месяц спустя, в предрассветные часы 9 января, сильный шторм обрушил на бесплодные склоны более полудюйма дождя за пять минут. Безродная почва превратилась в мощную жижу, взбивая вниз каньон, вырезанный ручьем, и поднимая валуны в спешке, прежде чем рассыпаться веером на дне и ворваться в дома. В результате катастрофы погибли двадцать три человека.

Можно ли было избежать этой трагедии? Что является переломным моментом, когда твердый склон начинает сочиться жидкостью? Новые результаты, полученные группой под руководством Дугласа Джеролмака из Школы искусств и наук Пенна и Школы инженерии и прикладных наук в сотрудничестве с Пауло Арратиа из Penn Engineering и исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), применяют передовую физику. чтобы ответить на эти вопросы. Их исследование, опубликованное в Труды Национальной академии наукпровел лабораторные эксперименты, которые определили, как разрушение и текучесть образцов из оползней Монтесито были связаны с материальными свойствами почвы.

«Мы не были там, чтобы увидеть, как это происходит, — говорит Джеролмак, — но наша идея заключалась в том, можем ли мы узнать что-нибудь о процессе того, как твердый склон холма теряет свою жесткость, измерив, как смеси воды и почвы текут, когда они в разных концентрациях?»

Объединение теоретического и прикладного

Зимой 2018 года Джеролмак был в творческом отпуске и отправился в Институт теоретической физики им. Кавли при Калифорнийском университете, но не для изучения оползней. «Это место, куда можно прийти и решить проблемы, являющиеся передовыми в физике», — говорит он. «Я геофизик, но я был там не для того, чтобы заниматься науками о Земле. Я был там, чтобы узнать о той передовой физике, особенно о физике плотных взвесей».

Однако через три дня после прибытия Джеролмака произошли селевые потоки. Примерно через месяц, когда это стало безопасно, Томас Данн, геолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и соавтор статьи, пригласил его собрать образцы из Монтесито.

Это была мрачная задача. Некоторые образцы были взяты из разрушенных останков домов, где грязевые потоки со склона холма были достаточно сильными, чтобы сталкивать массивные валуны вниз по руслу ручья вплоть до домов, а иногда и сквозь них. «К тому времени, когда мы подошли к входу в каньон, он уже был похож на фалангу валунов», — говорит Джеролмак. «Дома были засыпаны по самую линию крыши, автомобили были истерты до неузнаваемости».

Взяв образцы обратно в лабораторию, исследователи поставили перед собой цель смоделировать, как состав бурового раствора и нагрузки, которым он подвергается, влияют, когда он начинает течь, преодолевая силы, придающие веществам жесткость, то, что ученые называют «застойным состоянием». .”

Это был не первый случай, когда инженеры и ученые пытались создать такое моделирование на основе полевых образцов. В некоторых исследованиях пытались смоделировать условия в полевых условиях, помещая полные лопаты грязи и грязи в большие реометры, устройство, которое быстро вращает образцы для измерения их вязкости или того, как их поток реагирует на определенную силу. Однако типичные реометры дают точные результаты только в том случае, если вещество однородно и хорошо перемешано, в отличие от образцов Монтесито, которые содержали различное количество золы, глины и камней.

Этот недостаток можно преодолеть с помощью более высокотехнологичных и чувствительных реометров, измеряющих вязкость малых количеств. Но они приходят с другим: образцы, которые содержат более крупные частицы — скажем, камни в грязи — могут засорить их деликатную работу.

«Мы поняли, что можем проводить измерения, которые, как мы знали, были надежными и точными, если бы мы использовали это исключительно чувствительное устройство, — говорит Джеролмак, — даже если это было бы ценой необходимости отсеивать самый крупный материал из наших образцов».

Четкий сигнал от «грязных» образцов

Расследование опиралось на опыт каждого члена группы. Постдоктор UCSB Хадис Матинпур подготовил, записал и нанес на карту первые образцы и проанализировал состав природных частиц. Сара Хабер, в то время научный сотрудник Пенсильванского университета, определила химический состав материалов, в том числе такие важные параметры, как содержание глины.

«У нас были все эти необработанные данные, и мы не могли их понять, — говорит Джеролмак. «Роберт Костыник, в то время студент магистратуры Пенсильванского университета, взял проект для своей диссертации и проделал огромную работу и подумал, чтобы систематизировать, интерпретировать и попытаться свернуть большое количество данных».

Эти вклады опирались на понимание передовой физики, связанной с силами, действующими в плотных суспензиях. К ним относятся трение, когда частицы трутся друг о друга; смазка, если тонкая пленка воды помогает частицам скользить друг относительно друга; или когезия, если липкие частицы, такие как глина, связываются друг с другом.

«У нас хватило смелости или, может быть, наивности, попытаться применить некоторые действительно последние достижения в физике к действительно грязному материалу», — говорит Джеролмак.

К команде также присоединился постдоктор Пенсильванского университета Шраван Прадип, обладающий глубокими знаниями в области реологии, или изучения течения сложных материалов. Он точно определил, как материальные свойства почвы — размеры частиц и содержание глины — определяют ее свойства разрушения и текучести. Его анализ показал, что понимание липкости частиц, измеряемой как «предел текучести», и то, насколько плотно частицы могут упаковываться друг в друга в «сжатом состоянии», может почти полностью объяснить результаты, наблюдаемые в образцах Монтесито.

По словам Джеролмак, предел текучести можно представить себе, представив зубную пасту или гель для волос. В трубке эти материалы не текут. Только когда к трубке прикладывается сила — сильное сжатие — они начинают течь. Застрявшее состояние можно рассматривать как точку, в которой частицы настолько скучены, что не могут двигаться мимо друг друга.

«Что мы поняли, так это то, что селевые потоки, когда вы не толкаете их сильно, их поведение полностью определяется пределом текучести», — говорит Джеролмак. «Но когда вы толкаете очень сильно — сила тяжести несет поток мусора вниз по склону горы — вязкое поведение становится доминирующим и определяется тем, насколько далеко плотность частиц от заклинившего состояния».

В лаборатории исследователи не смогли смоделировать разрушение, точку, в которой твердая почва, стесненная «заклиниванием», превращается в подвижную грязь. Но они могли приблизиться к обратному, оценивая илистые материалы, смешанные с водой в разных концентрациях, чтобы экстраполировать состояние заклинивания.

«Прелесть этого в том, что когда вы получаете образцы из природы, они могут быть самыми разными с точки зрения их состава, количества пепла, из которого они были собраны», — говорит Арратиа. «Тем не менее, в конце концов, все данные просто свернулись в единую основную кривую. Это говорит вам, что теперь у вас есть универсальное понимание, которое сохраняется, находитесь ли вы в лаборатории или в горах Монтесито».

С изменением климата во многих регионах растет частота и интенсивность лесных пожаров, а также интенсивность осадков. Таким образом, риск катастрофических селей не исчезнет в ближайшее время.

По словам исследователей, новые результаты для прогнозирования предела текучести и состояния заклинивания могут помочь в моделировании, которое федеральные и местные органы власти проводят для моделирования селевых потоков. «Скажите, если идет такой сильный дождь и у меня есть такой материал, как быстро он будет течь и как далеко», — говорит Джеролмак.

И в более общем плане Джеролмак и его коллеги надеются, что работа, объединившая теоретические и эмпирические науки, приведет к большему количеству таких междисциплинарных подходов. «Мы можем взять последние открытия в физике и на самом деле напрямую связать их со значимой экологической или геофизической проблемой».

Исследование было поддержано Исследовательским управлением армии (гранты W911NF2010113 и W911NF-18-1-0379), Национальным научным фондом (гранты 1720530 и 1734355), Фондом нефтяных исследований (грант 61536-ND8) и Фондом Джона Макфарлейна.