地球与环境

滑滑:Landslides,地震,降雨和安第斯山脉

山体滑坡是山区地震最致命的次级影响。Noélie Bontemps博士(Université Grenoble Alpes)通过监测地震后旱季和雨季的滑坡动态,揭示了秘鲁缓慢滑坡的秘密。GPS和地震数据证实,地震和降雨结合在一起,比任何一种力量单独造成更大的滑坡运动。地震后,土壤的刚度大大降低。刚性在旱季恢复快,在湿季恢复慢,土壤刚性是控制滑坡运动的关键因素。

在全球范围内,山体滑坡是地震在山区造成的最致命的次级影响。尽管如此,人们对引发滑坡的机制仍然知之甚少;在滑坡运动学与地震活动和降雨密切相关的地区,这一点再正确不过了。提高对滑坡触发的认识对有效的灾害管理和缓解至关重要。

为了解决这一知识差距,一组研究人员花了10年时间建立了一项国际合作,重点关注南美洲一个偏远的角落。来自法国研究所(IRD)的科学家和来自秘鲁研究所(Geológico Minero y Metalúrgico)的科学家在安第斯山脉高处合作,揭开了秘鲁科尔卡山谷南壁持续缓慢滑坡的秘密。

stihii / shutterstock.com.

滑坡被广泛认为是灾难性事件;在不经意的观察者看来,滑坡会让人联想到这样一幅画面:土壤、岩石和其他碎片以每秒几米的速度向下坡飞奔。然而,缓慢的山体滑坡的移动速度只有这个速度的一小部分,每年仅为几毫米到几米,有些滑坡会持续几十年甚至更久。除非通过灾难性的失败过渡到快速流动,否则此类事件往往不会对生命构成威胁;然而,它们是形态变化的主要驱动因素,有时在景观规模上,并可能对财产造成广泛的破坏
和基础设施。

地震产生的摇晃会导致滑坡质量内的裂缝。

从研究的角度来看,这类事件为科学家提供了一扇通过持续监测了解滑坡动态的窗口。秘鲁缓慢移动的玛卡滑坡提供了一个特别有用的研究重点,因为其地理位置,其发展与季节性降雨和高区域地震活动性密切相关,有机会调查这些因素的单独和联合影响。这项由Pascal Lacroix (IRD)和Eric Larose (CNRS)发起和领导的合作实验,由秘鲁的一个机构,法国科学院和当地人民批准,并获得了勘探地球物理学家协会(SEG)无国界地球物理学家、欧洲航天局(ESA)、国家空间研究中心(CNES)和国家大学科学研究所(INSU)。此外,Noélie Bontemps的工作多亏了Labex OSUG@2020和国家空间研究中心(CNES)资助她的博士学位。

位于科尔卡谷附近的活跃Sabancaya火山的图片。研究小组发现,活性火山产生的小地震可能会对附近地区的滑坡位移产生影响。Don Mammoser / shutterstock.com

火景观和水
科尔卡山谷绵延约70公里,穿过秘鲁安第斯山脉。它的深度高达3250米(超过10700英尺),是世界上最深的峡谷之一,超过了更著名的大峡谷,深度仅为1800米(或6000英尺)。这个山谷有着丰富的社会和文化历史,可以追溯到前印加时代,今天是该国最重要的旅游景点之一。

安第斯山脉绵延7000公里(4300英里),沿着南美洲的脊椎骨向下延伸,海拔超过6000米,是板块构造运动的结果。纳斯卡板块在南美板块下的俯冲导致了抬升、地壳增厚、火山活动和广泛的地震活动。科尔卡山谷位于目前活跃的萨班卡亚火山旁边,受到与当地火山活动和区域构造有关的地震活动的影响。山谷里的降水具有很强的季节性,降水几乎只发生在12月到5月之间。因此,Bontemps博士和她的同事能够监测玛卡在旱季和雨季地震后的山体滑坡动态,从而详细分析地震和降雨对缓慢移动的山体滑坡的单独和联合影响。

科尔卡山谷的景色。科尔卡河侵蚀了河岸,破坏了河床边的斜坡,引发了山体滑坡,或者影响了现有斜坡的位移。Belikova Oksana / Shutterstock.com

测量玛卡山体滑坡
玛卡大滑坡(约1公里宽)包括缓慢到非常缓慢的粘土和淤泥滑动(年平均1.5米/年,但在特别潮湿的多雨年份可能高达7米/年)。虽然降雨和Mw≤6级的中等区域地震暂时加速了运动,但河流对前端的侵蚀维持了水流的流动。材料体积约为6000万m3。滑坡的底部包括50米的湖(湖)沉积物,而上面8-12米是一个可渗透的物质层,由大约10000年前的岩屑雪崩形成。总的来说,滑坡可以被认为是发生在类似地质和形态条件下的典型事件,因此,它已经在过去十年中进行了全面监测。

Bontemps博士和她的同事专注于玛卡滑坡的地震(即地震波在地面传播)和大地测量(即变形和移动)监测的3年数据。他们使用全球定位系统(GPS)来测量滑坡的位移,并利用一个气象站来跟踪降雨。地震计已经被用来记录区域地震,并使用一种叫做环境噪声相关的技术来测量土壤硬度和密度的变化。环境噪声相关法,有时也被称为被动地震干涉法,是一种前沿方法,首次用于滑坡监测,是在2012年瑞士发生灾难性滑坡的5天前观测到土壤刚度的变化;迄今为止,全世界已经用这种方法监测了9次滑坡。

通过地震信号测量地下属性。照片信用:埃里克小组

环境噪声相关性通过互连通过两个传感器被动测量的地震噪声的速度来重建滑坡材料对激发(例如,地震)的响应;在猕猴中,环境噪音主要由附近道路上的车辆,山脉脚趾的河流,以及风的河流。改变的地震速度可以与滑坡内材料的刚性降低相关,因此,提供实时监测和表面故障预测的识别。

在玛卡,该站安装于2016年初;同年,两种类似幅度(MW 5和5.5)的地震发生在山床下的类似距离(〜10公里)。一个地震在雨季和旱季期间的另一个地震,提供了偶然的机会。

地震和降雨结合在一起,比任何一种力量单独造成更大的滑坡运动。

新见解进入山体滑坡机制
玛卡的研究为滑坡机理提供了丰富的新知识;特别是,GPS的结果证实,地震和降雨结合在一起,比任何一种力量单独造成更大的滑坡运动。研究小组观察到,在两次Mw ~5级地震之后,土壤的刚性都出现了强烈的下降(即,土壤流动能力的增强)。

玛卡山体滑坡的图片,位于玛卡村附近。研究小组发现土壤刚性是控制滑坡运动的关键因素。照片信用:埃里克小组

在旱季,地震后刚性迅速恢复;然而,在雨季,随后的小地震(Mw <3.6)和降雨抑制了震后土体刚度的恢复,导致整体滑坡更大。地震后刚性继续下降,需要几个月才能恢复到震前水平。Bontemps博士和她的同事们认为,地震产生的震动导致了滑坡体内部的裂缝。雨水能够穿透这些裂缝,阻止它们愈合。同理,无数的小地震也会使裂缝保持开放。研究小组发现,土壤硬度是控制滑坡运动的关键因素。当土体刚度低于某一阈值(即土体被水填满或破裂破坏)时,即发生滑坡运动;当刚性超过阈值时,滑坡就会减缓,有时甚至停止。这些结果提供了新的见解,将使科学家和民防当局能够更好地监测和管理世界各地的缓慢滑坡行为,特别是由地震和降雨引发的滑坡。

ICHUPAMPA教堂距离Maca仅10公里,于2016年由5.5地震销毁。照片信用:Pascal Lacroix,2017

个人反应

你的发现是否可以扩展到快速滑坡,或者它们是否在不同的机制下运行?

这是一个重要的问题,因为快速滑坡是主要负责伤亡的问题。然而,缓慢移动的滑坡也可以突然变成快速的山体滑坡。因此,我们观察到的机制确实适用于快速山体滑坡。因此,研究诸如我们在玛卡监测的慢速滑坡是重要的,而不仅仅是为了改善我们对山体滑坡的理解,而且还要了解滑坡的运动程度如何从慢速变化到迅速。关于快速滑坡的主要问题是他们的监测。例如,地震速度变化在非常小的尺度上几乎不可观察(几分钟降至几秒钟)。尽管如此,该技术仍然适用于快速滑坡,特别是为了量化恢复,并确保斜坡在一定的恢复期间不再移动的运营商。

玛卡山体滑坡的任何变化是否与附近萨班卡亚火山的火山活动有关?

是的,我们看到小震级地震对滑坡的位移有影响,在这个地区,大多数小震级地震都与萨班卡亚火山活动有关。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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