Оползни: геологические процессы и риски

Введение

Природная опасность, связанная с движением грунта – геологическое явление.

Оползни, также известные как обвалы, представляют собой различные формы массового перемещения грунта, включающие широкий спектр движений, таких как камнепады, грязевые потоки, поверхностные или глубокие обрушения склонов и потоки обломков. Оползни происходят в разнообразных условиях, характеризующихся как крутыми, так и пологими склонами – от горных массивов до береговых обрывов и даже под водой, где они называются подводными оползнями. Гравитация является основной причиной возникновения оползней, однако существуют и другие факторы, влияющие на устойчивость склонов и создающие условия, предрасполагающие к обрушениям. Во многих случаях оползень спровоцирован конкретным событием (например, сильным дождем, землетрясением, выемкой грунта при строительстве дороги и другими), хотя это не всегда удается установить. Оползни часто усугубляются хозяйственной деятельностью человека (например, ростом городов) и эксплуатацией природных ресурсов (например, горнодобывающей промышленностью и вырубкой лесов). Деградация земель часто приводит к уменьшению стабилизирующего воздействия растительности на почву. Предотвращение последствий оползней включает в себя политику и практические меры по снижению риска воздействия оползней на людей и уменьшению риска стихийных бедствий.

Классификация Хунгра-Леруиля-Пикарелли

В традиционном употреблении термин оползень в разное время использовался для обозначения почти всех форм массового движения горных пород и реголита на поверхности Земли. В 1978 году геолог Дэвид Варнес отметил эту неточность и предложил новую, гораздо более строгую схему классификации массовых движений и процессов просадки. Эта схема была впоследствии модифицирована Круденом и Варнесом в 1996 году и усовершенствована Хатчинсоном (1988), Хунгром и др. (2001) и, наконец, Хунгром, Леруэлем и Пикарелли (2014). Поток обломков или грязи может подхватывать деревья, дома и автомобили, перекрывать мосты и реки, вызывая наводнения вдоль своего пути. Это явление особенно опасно в альпийских районах, где узкие ущелья и крутые долины способствуют более быстрым потокам. Потоки обломков и грязи могут возникать на склонах или образовываться в результате разжижения материала оползня по мере увеличения скорости или включения дополнительного мусора и воды на своем пути. Заторы на реках, возникающие при достижении потоком основного русла, могут создавать временные плотины. При прорыве плотин может возникнуть цепная реакция, с заметным увеличением объема движущейся массы и ее разрушительной силы. Землеотвал – это движение вниз по склону преимущественно мелкозернистого материала. Землеотвалы могут двигаться с разной скоростью, от 1 мм в год до многих километров в час. Хотя они во многом похожи на грязевые потоки, в целом они движутся медленнее и покрыты твердым материалом, увлекаемым потоком изнутри. Глина, мелкий песок и ил, а также мелкозернистый пирокластический материал подвержены землеотвалам. Эти потоки обычно контролируются давлением воды в порах внутри массы, которое должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить низкое сопротивление сдвигу. На склонах некоторые землеотвалы можно узнать по их удлиненной форме с одним или несколькими лепестками у основания. По мере расширения этих лепестков дренаж массы увеличивается, а края высыхают, снижая общую скорость потока. Этот процесс также приводит к утолщению потока. Землеотвалы чаще возникают в периоды обильных осадков, которые насыщают грунт и создают давление воды. Однако не редкостью являются землеотвалы, которые продолжают продвигаться даже в сухие сезоны. При движении глинистых материалов могут образовываться трещины, которые облегчают проникновение воды в движущуюся массу и ускоряют реакцию на осадки. Скальный обвал, иногда называемый штурцстромом, представляет собой крупный и быстродвижущийся оползень поточного типа. Он встречается реже, чем другие типы оползней, но часто бывает очень разрушительным. Обычно он характеризуется длинным разбегом, протекая на большие расстояния по пологим, плоским или даже слегка вверх по склону участкам. Механизмы, способствующие длинному разбегу, могут быть разными, но обычно они приводят к ослаблению скользящей массы с увеличением скорости. Причины этого ослабления полностью не изучены. Особенно для крупных оползней это может включать быстрое нагревание зоны сдвига из-за трения, что может привести к испарению присутствующей воды и созданию высокого давления, создавая эффект воздушной подушки. В некоторых случаях очень высокая температура может даже привести к плавлению некоторых минералов. Во время движения горная порода в зоне сдвига также может быть измельчена до состояния наноразмерного минерального порошка, который может действовать как смазка, уменьшая сопротивление движению и способствуя увеличению скорости и длины разбега. Механизмы ослабления в крупных скальных обвалах аналогичны тем, которые происходят в сейсмических разломах. Оползень, у которого поверхность скольжения находится в почвенном покрове или выветренной коренной породе (обычно на глубине от нескольких дециметров до нескольких метров), называется поверхностным оползнем. Обвалы и потоки обломков обычно являются поверхностными. Поверхностные оползни часто происходят в районах со склонами, покрытыми водопроницаемыми почвами поверх водонепроницаемых почв. Водонепроницаемая почва задерживает воду в верхних слоях, создавая высокое давление воды. Когда верхний слой почвы насыщается водой, он может стать неустойчивым и соскользнуть вниз по склону. Глубоко залегающие оползни – это те, у которых поверхность скольжения расположена в основном глубоко, например, значительно ниже максимальной глубины залегания корней деревьев. Они обычно включают глубокий реголит, выветренную породу и/или коренную породу и включают крупные обрушения склонов, связанные с поступательными, вращательными или сложными движениями. Они, как правило, формируются вдоль плоскости слабости, такой как разлом или плоскость слоистости. Их можно визуально идентифицировать по вогнутым уступам в верхней части и крутым участкам у основания. Глубоко залегающие оползни также формируют ландшафты в геологических масштабах времени и создают осадочные породы, которые сильно изменяют русло рек.

In traditional usage, the term landslide has at one time or another been used to cover almost all forms of mass movement of rocks and regolith at the Earth's surface. In 1978, geologist David Varnes noted this imprecise usage and proposed a new, much tighter scheme for the classification of mass movements and subsidence processes. This scheme was later modified by Cruden and Varnes in 1996, and refined by Hutchinson (1988), Hungr et al. (2001), and finally by Hungr, Leroueil and Picarelli (2014). Flowing debris or mud may pick up trees, houses and cars, and block bridges and rivers causing flooding along its path. This phenomenon is particularly hazardous in alpine areas, where narrow gorges and steep valleys are conducive of faster flows. Debris and mud flows may initiate on the slopes or result from the fluidization of landslide material as it gains speed or incorporates further debris and water along its path. River blockages as the flow reaches a main stream can generate temporary dams. As the impoundments fail, a domino effect may be created, with a remarkable growth in the volume of the flowing mass, and in its destructive power. An earthflow is the downslope movement of mostly fine grained material. Earthflows can move at speeds within a very wide range, from as low as 1 mm/yr to many km/h. Though these are a lot like mudflows, overall they are more slow moving and are covered with solid material carried along by the flow from within. Clay, fine sand and silt, and fine grained, pyroclastic material are all susceptible to earthflows. These flows are usually controlled by the pore water pressures within the mass, which should be high enough to produce a low shearing resistance. On the slopes, some earthflow may be recognized by their elongated shape, with one or more lobes at their toes. As these lobes spread out, drainage of the mass increases and the margins dry out, lowering the overall velocity of the flow. This process also causes the flow to thicken. Earthflows occur more often during periods of high precipitation, which saturates the ground and builds up water pressures. However, earthflows that keep advancing also during dry seasons are not uncommon. Fissures may develop during the movement of clayey materials, which facilitate the intrusion of water into the moving mass and produce faster responses to precipitation. A rock avalanche, sometimes referred to as sturzstrom, is a large and fast moving landslide of the flow type. It is rarer than other types of landslides but it is often very destructive. It exhibits typically a long runout, flowing very far over a low angle, flat, or even slightly uphill terrain. The mechanisms favoring the long runout can be different, but they typically result in the weakening of the sliding mass as the speed increases. The causes of this weakening are not completely understood. Especially for the largest landslides, it may involve the very quick heating of the shear zone due to friction, which may even cause the water that is present to vaporize and build up a large pressure, producing a sort of hovercraft effect. In some cases, the very high temperature may even cause some of the minerals to melt. During the movement, the rock in the shear zone may also be finely ground, producing a nanometer size mineral powder that may act as a lubricant, reducing the resistance to motion and promoting larger speeds and longer runouts. The weakening mechanisms in large rock avalanches are similar to those occurring in seismic faults. A landslide in which the sliding surface is located within the soil mantle or weathered bedrock (typically to a depth from few decimeters to some meters) is called a shallow landslide. Debris slides and debris flows are usually shallow. Shallow landslides can often happen in areas that have slopes with high permeable soils on top of low permeable soils. The low permeable soil traps the water in the shallower soil generating high water pressures. As the top soil is filled with water, it can become unstable and slide downslope. Deep seated landslides are those in which the sliding surface is mostly deeply located, for instance well below the maximum rooting depth of trees. They usually involve deep regolith, weathered rock, and/or bedrock and include large slope failures associated with translational, rotational, or complex movements. They tend to form along a plane of weakness such as a fault or bedding plane. They can be visually identified by concave scarps at the top and steep areas at the toe. Deep seated landslides also shape landscapes over geological timescales and produce sediment that strongly alters the course of fluvial streams.

Связанные явления

Лавина, механизм которой схож с оползнем, представляет собой быстрое обрушение большого количества льда, снега и горных пород по склону горы. Пирокластический поток вызывается обрушением облака горячего пепла, газа и обломков горных пород при вулканическом извержении, которое стремительно движется вниз по склонам вулкана. Интенсивные осадки и потоки могут приводить к образованию оврагов в относительно равнинных местностях, не склонных к оползням.

В результате цунами

Оползни, происходящие под водой или оказывающие воздействие на воду, например, крупные обвалы скал или вулканические обрушения в море, могут генерировать цунами. Массивные оползни также могут генерировать мегацунами, высота которых обычно составляет сотни метров. В 1958 году одно из таких цунами произошло в заливе Литуя на Аляске.

Картирование прогноза оползней

Анализ опасности оползней и составление карт могут предоставить полезную информацию для снижения катастрофических потерь и способствовать разработке рекомендаций по устойчивому планированию землепользования. Анализ используется для выявления факторов, связанных с оползнями, оценки относительного вклада факторов, вызывающих обрушения склонов, установления взаимосвязи между факторами и оползнями, а также для прогнозирования опасности оползней в будущем на основе этой взаимосвязи. Факторы, используемые для анализа опасности оползней, обычно группируются по геоморфологии, геологии, землепользованию/землепокрыву и гидрогеологии. Поскольку при картографировании опасности оползней рассматривается множество факторов, ГИС является подходящим инструментом, поскольку он обеспечивает сбор, хранение, обработку, отображение и анализ больших объемов пространственно-привязанных данных, которые можно быстро и эффективно обрабатывать. Cardenas сообщил о доказательствах всестороннего использования ГИС в сочетании с инструментами моделирования неопределенности для картографирования оползней. Методы дистанционного зондирования также широко применяются для оценки и анализа опасности оползней. Аэрофотоснимки и спутниковые изображения, сделанные до и после событий, используются для сбора информации о характеристиках оползней, таких как их распространение и классификация, а также о факторах, таких как уклон, литология и землепользование/землепокрытие, которые используются для прогнозирования будущих событий. Изображения, полученные до и после события, также помогают понять, как изменился ландшафт после него, что могло спровоцировать оползень, и показать процессы регенерации и восстановления. Используя спутниковые изображения в сочетании с ГИС и наземными исследованиями, можно создавать карты вероятных мест будущих оползней. На таких картах должны быть указаны места прошлых событий, а также четко обозначены вероятные места будущих оползней. В целом, для прогнозирования оползней необходимо исходить из того, что их возникновение определяется определенными геологическими факторами, и что будущие оползни будут происходить при тех же условиях, что и прошлые. Поэтому необходимо установить связь между геоморфологическими условиями, при которых происходили прошлые события, и ожидаемыми будущими условиями. Стихийные бедствия – яркий пример конфликта между человеком и окружающей средой. Ранние прогнозы и предупреждения необходимы для снижения ущерба имуществу и человеческим жизням. Поскольку оползни происходят часто и могут быть одними из самых разрушительных сил на Земле, крайне важно понимать причины их возникновения и знать, как люди могут помочь предотвратить их или, по крайней мере, избежать их. Устойчивое управление земельными ресурсами и развитие территорий также являются ключевыми факторами снижения негативного воздействия оползней. ГИС предлагает превосходный метод анализа оползней, поскольку позволяет быстро и эффективно собирать, хранить, обрабатывать, анализировать и отображать большие объемы данных. Учитывая множество вовлеченных переменных, важно иметь возможность накладывать слои данных друг на друга для получения полной и точной картины происходящего на поверхности Земли. Исследователям необходимо знать, какие переменные являются наиболее важными факторами, провоцирующими оползни в конкретном месте. Используя ГИС, можно создавать чрезвычайно подробные карты, показывающие прошлые события и вероятные будущие события, что может спасти жизни, имущество и деньги. С 90-х годов ГИС успешно используются в сочетании с системами поддержки принятия решений для отображения на карте оценок рисков в реальном времени на основе данных мониторинга, собранных в районе катастрофы в Валь-Поле (Италия).

Landslide hazard analysis and mapping can provide useful information for catastrophic loss reduction, and assist in the development of guidelines for sustainable land use planning. The analysis is used to identify the factors that are related to landslides, estimate the relative contribution of factors causing slope failures, establish a relation between the factors and landslides, and to predict the landslide hazard in the future based on such a relationship. The factors that have been used for landslide hazard analysis can usually be grouped into geomorphology, geology, land use/land cover, and hydrogeology. Since many factors are considered for landslide hazard mapping, GIS is an appropriate tool because it has functions of collection, storage, manipulation, display, and analysis of large amounts of spatially referenced data which can be handled fast and effectively. Cardenas reported evidence on the exhaustive use of GIS in conjunction of uncertainty modelling tools for landslide mapping. Remote sensing techniques are also highly employed for landslide hazard assessment and analysis. Before and after aerial photographs and satellite imagery are used to gather landslide characteristics, like distribution and classification, and factors like slope, lithology, and land use/land cover to be used to help predict future events. Before and after imagery also helps to reveal how the landscape changed after an event, what may have triggered the landslide, and shows the process of regeneration and recovery. Using satellite imagery in combination with GIS and on the ground studies, it is possible to generate maps of likely occurrences of future landslides. Such maps should show the locations of previous events as well as clearly indicate the probable locations of future events. In general, to predict landslides, one must assume that their occurrence is determined by certain geologic factors, and that future landslides will occur under the same conditions as past events. Therefore, it is necessary to establish a relationship between the geomorphologic conditions in which the past events took place and the expected future conditions. Natural disasters are a dramatic example of people living in conflict with the environment. Early predictions and warnings are essential for the reduction of property damage and loss of life. Because landslides occur frequently and can represent some of the most destructive forces on earth, it is imperative to have a good understanding as to what causes them and how people can either help prevent them from occurring or simply avoid them when they do occur. Sustainable land management and development is also an essential key to reducing the negative impacts felt by landslides. GIS offers a superior method for landslide analysis because it allows one to capture, store, manipulate, analyze, and display large amounts of data quickly and effectively. Because so many variables are involved, it is important to be able to overlay the many layers of data to develop a full and accurate portrayal of what is taking place on the Earth's surface. Researchers need to know which variables are the most important factors that trigger landslides in any given location. Using GIS, extremely detailed maps can be generated to show past events and likely future events which have the potential to save lives, property, and money. Since the ‘90s, GIS have been also successfully used in conjunction to decision support systems, to show on a map real time risk evaluations based on monitoring data gathered in the area of the Val Pola disaster (Italy).

Доисторические оползни

Оползень Сторрега, около 8000 лет назад у западного побережья Норвегии. Вызвал массивные цунами в Доггерланде и других районах, связанных с Северным морем. Общий объем обломков был сопоставим с площадью, размером с Исландию и имеющей значительную толщину. Считается, что это один из крупнейших оползней в истории. Оползень, переместивший гору Харт-Маунтин в её нынешнее положение, является крупнейшим континентальным оползнем, обнаруженным на сегодняшний день. За 48 миллионов лет, прошедших с момента оползня, эрозия удалила большую часть материала. Оползень Флимс, около, Швейцария, около 10 000 лет назад в постледниковом плейстоцене/голоцене, является крупнейшим из описанных в Альпах и на суше, который можно легко идентифицировать в умеренно эродированном состоянии. Оползень, произошедший около 200 года до н.э., сформировал озеро Вайкаремоана на Северном острове Новой Зеландии, где большой блок хребта Нгамоко соскользнул и перегородил ущелье реки Вайкаретахэ, образовав естественный водоём глубиной до. Чики Фан, Британская Колумбия, Канада, около, позднего плейстоцена. Каменная лавина/обвальный поток из Манганг-Браги, возможно, сформировал долину Марсянгди в регионе Аннапурна, Непал, в межстадиальный период последнего ледникового периода. По оценкам, в ходе этого единичного события было перемещено более 15 км³ материала, что делает его одним из крупнейших континентальных оползней. Оползень Церго-Ри, массивный обвал склона в 60 км к северу от Катманду, Непал, с объемом около 10–15 км³. До этого оползня гора, возможно, была 15-й по высоте вершиной в мире, превышающей 8000 м.

Инопланетные оползни

На многих телах Солнечной системы обнаружены следы прошлых обвалов и оползней, но поскольку большинство наблюдений проводятся аппаратами, работающими в течение ограниченного времени, и большинство тел Солнечной системы кажутся геологически неактивными, известно лишь немного недавних случаев обвалов и оползней. Как Венера, так и Марс подвергались длительному картографированию с помощью орбитальных спутников, и на обеих планетах были зафиксированы примеры оползней.