Географические факторы, способствующие оползням и оползням

Оползни и оползни, охватываемые научным термином «массовая трата», представляют собой некоторые из наиболее значительных геологических опасностей на Земле. Они представляют собой движение по склону скалы, почвы и мусора под прямым влиянием гравитации. Хотя часто вызванное острыми событиями, такими как землетрясения или интенсивные ливни, фундаментальная восприимчивость ландшафта является продуктом устойчивых географических факторов. Эти факторы диктуют местный фактор безопасности, который является отношением силы сдвига (сопротивление материала движению) к напряжению сдвига (движущая сила гравитации). Когда напряжение сдвига превышает силу сдвига, происходит сбой.

Географический контроль стабильности наклона можно разделить на причинные факторы (которые задают основу) и провоцирующие факторы (которые инициируют событие). Понимание этого взаимодействия имеет важное значение для планирования землепользования, инженерного смягчения и развития систем раннего предупреждения. В этой статье рассматриваются основные географические факторы - топография, геология, климат, растительность и деятельность человека - которые управляют пространственным распределением и частотой оползней и оползней по всему миру.

Топография и роль морфологии слоупа

Топография — наиболее визуально кажущийся фактор, влияющий на оползневую восприимчивость.Геометрия ландшафта непосредственно управляет гравитационными движущими силами, действующими на потенциальную массу отказа.

Угол наклона и гравитационный стресс

Угол наклона является основным контролем на напряжении сдвига. По мере увеличения угла наклона компонент гравитации, действующий параллельно поверхности наклона (движущая сила), увеличивается пропорционально. Большинство неконсолидированных материалов, таких как почва и коллувий, имеют естественный угол покоя - обычно от 25 до 35 градусов. Склоны, более крутые, чем этот угол, очень восприимчивы к мелким оползням и потокам мусора. Однако даже мягкие склоны могут потерпеть неудачу, если другие факторы, такие как высокое давление поры воды или слабые глиняные слои, значительно снижают силу сдвига. Глубоководные вращательные падения, например, могут возникать на склонах от 5 до 10 градусов, если основная геология содержит чувствительные глины.

Форма и кривизна слоупа

Трехмерная форма склона является критическим топографическим контролем. Склоны могут быть классифицированы как плоские, вогнутые или выпуклые как в профильном (нижнем склоне), так и в плане (внешнем склоне) виде.

• Вогнутые склоны (полости): Эти формы суши естественным образом концентрируют поверхностный сток и подземный поток. Со временем они накапливают более толстые отложения коллувия и поддерживают более высокие уровни влажности почвы. Следовательно, топографические полости являются основными местами для инициирования мелких, быстрых потоков мусора во время событий с высокой интенсивностью осадков.
• Выпуклые склоны (носы): Эти особенности имеют тенденцию проливать воду и, как правило, более стабильны. Расходящийся паттерн дренажа предотвращает накопление повышенного давления пор воды.
• Планарные склоны: Хотя их стабильность в значительной степени зависит от других факторов, таких как падение базовых слоев породы.

Локализованный стресс и облегчение

Местный рельеф, или разница в возвышении между гребнем склона и дном долины, влияет на масштабы потенциальных оползней. Высокорельефные ландшафты, такие как найденные в Гималаях, Андах и Тихоокеанском Северо-Западе, позволяют развить глубоко укоренившиеся гравитационные сбои с участием миллионов кубических метров материала. Кроме того, перераспределение напряжения вокруг крутых стен долины и внутренних ущелий создает зоны сброса напряжения, которые могут разрушать фундамент и уменьшать его долгосрочную прочность.

Бедрокс геология и механика почвы

Геологический состав местности обеспечивает сырье для оползней.И геология коренных пород, и характеристики накладного реголита или почвы определяют прочность и поведение наклонно-образующих материалов.

Литологическая слабость

Некоторые типы пород по своей природе склонны к выветриванию и разрушению. Осадочные породы, такие как сланцы, грязевые камни и иллюминаторы, часто имеют низкую силу сдвига и легко выветриваются в богатые глиной почвы. Метаморфные породы, такие как филлит и сланец, содержат плоскости листвы, которые могут действовать как скользящие поверхности. Пирокластические породы и вулканические туфы, как известно, неустойчивы, часто изменяясь на слабые, обширные глины. Напротив, массивные, хорошо цементированные породы, такие как гранит (когда свежий) или кварцит, имеют тенденцию образовывать крутые, стабильные склоны, хотя они могут производить катастрофические скальные падения при сильном слиянии.

Структурная геология и разрывы

Наличие разрывов — разломов, соединений, плоскостей постельного белья и листвы — создает плоскости слабости в пределах горной массы. Ориентация этих структур относительно поверхности склона имеет первостепенное значение. Условие, известное как «дневное освещение», возникает, когда разрывность падает из поверхности склона под более низким углом, чем сам склон. Это создает кинематически возможный блок отказа, часто приводящий к плоским или клиновым отказам. Зоны разлома особенно опасны, поскольку они содержат измельченный, гужевый материал, который действует как смазанная раздвижная поверхность и канал для потока грунтовых вод.

Тип почвы и инженерные свойства

Поведение почв регулируется их распределением по размерам зерна, минералогией и содержанием воды.

• Коллювиальные почвы: Они накапливаются, ранее переносились наклонными отложениями. Они часто рыхлые, плохо уплотняются и очень подвержены сбоям во время сильного дождя.
• Обширные глины (например, смектит): Эти глины подвергаются значительным изменениям объема при смачивании и сушке. Это циклическое усадка и отек нарушает структуру почвы, уменьшая сплоченность и создавая глубокие трещины высыхания, которые быстро проникают в воду.
• Быстрые глины:] Обнаруженные в оледенелых районах Канады и Скандинавии, эти чувствительные глины имеют сотовую структуру, которая разрушается при нарушении, вызывая сжижение и течение почвы.Оползень 2010 года в Сен-Жуде, Квебек, является трагическим примером быстрого отказа глины, который регрессировал до 600 метров.

Климатические и гидрологические триггеры

Вода является наиболее распространенным и частым пусковым средством для оползней. Она добавляет вес, смазывает поверхности отказа и, самое главное, снижает эффективное напряжение, удерживающее зерна почвы вместе.

Осадки: интенсивность против продолжительности

Взаимосвязь между интенсивностью осадков и продолжительностью является ключевым предиктором начала оползней. Высокоинтенсивные, кратковременные штормы (например, конвективные грозы или тропические циклоны) имеют тенденцию вызывать мелкие, быстрые потоки мусора. Напротив, длительные, умеренные интенсивные осадки (например, атмосферные реки или муссонные дожди) насыщают более глубокие слои почвы, увеличивая давление пор на более широкую область и вызывая глубоко засевшие, более медленные трущобы и потоки земли. Метеорологи и геологи используют пороги интенсивности-длительности (I-D), характерные для разных географических регионов, для выдачи предупреждений.

Быстрый снегопад и отступление ледников

В горных районах быстрое потепление и дожди на снегу могут растопить глубокие снежные мешки за считанные дни. Этот большой приток воды ведет себя гидрологически, как экстремальное событие осадков. Кроме того, продолжающееся отступление альпийских ледников из-за изменения климата обнажает крутые, ледниково-заглубленные стены долины и оставляет за собой неустойчивые морские отложения. Эти «параглазные» ландшафты очень нестабильны и восприимчивы к обвалам, потокам мусора и наводнениям ледниковых озер (GLOFs).

Подземные воды и поровое давление воды

Уровень стола воды в пределах склона является основным контролем стабильности. По мере роста стола воды давление поры воды повышается. Это давление действует против нормального напряжения, удерживающего частицы вместе, эффективно раздвигая их и уменьшая прочность на трение материала. Накопленные столы воды, образующиеся над относительно непроницаемыми слоями, такими как глиняные линзы, являются общей причиной отказов среднего склона. Явление, известное как «труба», где подповерхностная вода размывает мелкие частицы для создания небольших туннелей, может привести к внутреннему коллапсу и инициированию оползней.

Растительность и экологическая стабилизация

Покров земли играет сложную, но важную роль в устойчивости склона, в первую очередь, благодаря механическим и гидрологическим воздействиям растительности, особенно деревьев и кустарников.

Корневая сплоченность и механическое усиление

Корневые системы деревьев и глубоко укоренившаяся растительность механически усиливают почву. Корневые сети пересекают потенциальные плоскости отказа, обеспечивая дополнительный источник кажущейся сцепленности с массой почвы. Эта корневая сцепленность может быть доминирующим фактором, стабилизирующим мелководные почвы на крутых склонах. Эффективность корневой арматуры зависит от видов, глубины корней и прочности корней. Когда леса удаляются лесозаготовками, лесными пожарами или сельским хозяйством, эта сцепленность распадается в течение 2-5 лет, когда корни гниют, что приводит к резкому увеличению частоты оползней. Оклендская огненная буря 1991 года, сопровождаемая потоками мусора в последующий сезон дождей, прекрасно иллюстрирует этот каскад опасности.

Гидрологическая модификация растительности

Растительность модулирует водный баланс склона. Перехват навеса уменьшает чистое количество осадков, достигающих земли. Проход глубоко укоренившимися растениями извлекает почвенную влагу, понижая уровень грунта и поддерживая всасывание почвы. Это всасывание, или отрицательное давление поры воды, значительно увеличивает прочность почвы. Однако растительность также добавляет наклонную нагрузку и ветровая нагрузка может передаваться в почву. Несмотря на это, чистый эффект здорового, зрелого лесного покрова подавляющим образом стабилизируется.

Антропогенные факторы и изменение землепользования

Деятельность человека, возможно, является наиболее значительным и быстро меняющимся причинным фактором в современном риске оползня.Изменение природного ландшафта часто снижает стабильность.

Раскопки, погрузка и строительство

Наиболее непосредственное влияние человека — механическая модификация склонов. Срезание в ногу склона для строительства дорог, железных дорог или строительных площадок устраняет критическую поддержку, основную причину сбоев, связанных со строительством. И наоборот, размещение наполнителя на верхнем склоне добавляет вес и увеличивает стресс от вождения. Утечка водной инфраструктуры — септики, ирригационные каналы и сломанные водопроводы — искусственно увеличивает влажность почвы и давление поры воды, действуя как всепроникающий триггер в урбанизированных склонах. Оползень 2005 года в Ла Кончите, штат Калифорния, был трагическим событием, когда небольшое сообщество было построено непосредственно под известным нестабильным склоном.

Вырубка лесов и сельское хозяйство

Преобразование естественных лесов в сельскохозяйственные угодья, в частности, в рядовые культуры, плантационное лесное хозяйство или выпас скота, резко снижает сплоченность корней. Во многих тропических регионах смещение выращивания на крутых склонах создает цикл восстановления и очистки, который поддерживает состояние низкой прочности корней. Орошение пахотных земель на склонах холмов может привести к глубокому насыщению и провалу с течением времени.

Добыча полезных ископаемых и добыча ресурсов

Открытая добыча и добыча полезных ископаемых коренным образом меняют режим стресса. Удаление опоры для ног создает высокие, нестабильные стенки ямы. Отходы горных пород и хвостохранилища представляют собой искусственные формы рельефа, построенные из рыхлых, насыщенных материалов, которые очень склонны к отказу. Катастрофическая катастрофа 1966 года в Аберфане в Уэльсе, где наконечник из-за хлама скатился в школу, остается суровым напоминанием о последствиях неконтролируемой антропогенной модификации склона. Аналогичным образом, прорыв дамбы хвостохранилища Маунт-Полли 2014 года в Британской Колумбии был крупной экологической и инженерной катастрофой.

Тектонические и сейсмические триггеры

Землетрясения являются одним из самых мощных триггеров оползней, способных дестабилизировать целые горные хребты за считанные секунды.

Землетрясение, вызванное оползнем

Сейсмические встряхивающие объекты склоны к динамической, циклической нагрузке, которая добавляет временные, горизонтальные ускорения к статическому гравитационному напряжению. Это может вызвать резкое временное снижение силы сдвига, что приведет к сбоям на склонах, которые в противном случае были бы стабильными. Землетрясение Вэньчуань 2008 года в Китае (M 7.9) вызвало более 56 000 оползней, вызвав десятки тысяч смертельных случаев и непосредственно изменив ландшафт на площади 40 000 км2. Самым крупным из них был оползень Дагуанбао, который переместил более 1 миллиарда кубических метров породы. Сейсмический триггер наиболее эффективен в крутых ландшафтах, лежащих под слабой, сильно раздробленной породой.

Вулканические опасности (Лахарс)

Вулканические среды представляют собой уникальную и экстремальную опасность оползней. Лахары, или вулканические сели, представляют собой особый тип оползня, вызванного быстрым таянием снега и льда во время извержения или сильным дождем, падающим на свежеотложенный вулканический пепел (тефра). Эти потоки могут проходить десятки километров по долинам рек на высоких скоростях, хороня целые общины. Извержение 1985 года Невадо-дель-Руис в Колумбии произвело лахар, который уничтожил город Армеро, убив приблизительно 25 000 человек. Гидротермально измененная скала на вулканах также чрезвычайно слаба и склонна к массивному обрушению фланга.

Региональная география и глобальные горячие точки оползней

Взаимодействие факторов, описанных выше, создает четкие географические модели риска оползней.

• Гималайская дуга:] Этот регион страдает от экстремального тектонического подъема, высокого рельефа, интенсивных муссонных дождей и быстрого ледникового отступления.
• Тихоокеанский рубеж (Огненное кольцо): Высокая сейсмичность, вулканическая активность и крутые прибрежные хребты (например, Калифорния, Япония, Чили, Индонезия) создают постоянное состояние высокой восприимчивости, часто вызванное сильными осадками от тропических циклонов и атмосферных рек.
• Европейские Альпы: Высокая плотность населения и туристическая инфраструктура вторгаются в крутую, ледниково-резную местность. Деградация вечной мерзлоты из-за потепления температур увеличивает частоту камнепадов на высоких высотах.
• Юго-западный Китай (Сычуань и Юньнань): Похож на Гималаи, с невероятно крутыми речными ущельями, слабыми осадочными породами, сильными муссонными дождями и высокой сейсмичностью. В этой области наблюдаются одни из самых высоких плотностей оползней на Земле.

Синтез и заключение

Оползни и оползни являются продуктом сложной системы взаимодействующих географических факторов. Ни одна переменная — будь то 30-градусный склон, слабое сланцевое образование или ливень — не действует изолированно. Стабильность определяется динамическим балансом между прочностью материала и гравитационным напряжением, точкой равновесия, непрерывно смещаемой геологией, климатом, экологией и все более человеческой деятельностью. Топография задает основу, геология обеспечивает набор материалов, климат и гидрология обеспечивают триггеры, а растительность и землепользование модулируют реакцию системы.

Эффективная оценка рисков и смягчение их последствий требуют целостного, многодисциплинарного понимания этих географических мер контроля. Эти знания применяются посредством картирования подверженности оползням в регионе, исследований инженерной геологии, основанных на I-D пороговых значениях осадков, и интеллектуальных правил землепользования в режиме реального времени. По мере глобальных изменений климата, изменения моделей осадков и дестабилизации замороженных ландшафтов географическое распределение и частота оползней неизбежно будут меняться. Понимание этих основополагающих географических факторов является не просто академическим упражнением; это критически важный компонент построения устойчивых и безопасных сообществ во все более динамичном мире.