Table of Contents

Оригинальное название: The Power of Gravity and Slope Failure

Оползни являются одними из самых мощных и непредсказуемых геологических опасностей на Земле. Ежегодно во всем мире происходят тысячи горных склонов, перестраивая горную инфраструктуру и унося жизни. В то время как оползни часто объединяются в единый тип бедствия, оползни охватывают широкий спектр массовых движений, вызванных гравитацией и вызванных сложным взаимодействием геологических, гидрологических и человеческих факторов. Понимание фундаментальной науки имеет важное значение для сообществ, инженеров и политиков для оценки риска, разработки систем раннего предупреждения и реализации эффективных мер по смягчению последствий. Эта расширенная статья выходит за рамки основ для изучения механики геологических триггеров, разнообразия типов оползней, глубоких геоморфических воздействий и передовых методов, используемых для изучения и управления нестабильностью склона.

Оригинальное название: More Than Just Dirt Sliding Downhill

В техническом плане оползень — это движение вниз по склону скалы, реголита и почвы под прямым влиянием гравитации. Термин охватывает континуум движения от почти незаметного ползучего (миллиметры в год) до катастрофических лавин мусора, которые могут перемещаться со скоростью, превышающей 100 км/ч. Материал может быть сухим или насыщенным, неповрежденным или сломанным, а движение может быть плоским, вращательным или хаотичным. Геологическая служба США (USGS) классифицирует оползни по типу материала (камень, земля, мусор) и типу движения (падение, падение, скольжение, распространение, поток). Эта структура помогает ученым и менеджерам по рискам четко сообщать о конкретных рисках.

Геологические триггеры: силы, которые дестабилизируют скаты

Непосредственной причиной оползня является снижение прочности сдвига материалов наклона или увеличение напряжения сдвига, действующего на них.Хотя многие факторы способствуют долгосрочному ослаблению наклона (например, выветривание, сращивание или распад корня), конкретные триггерные события часто являются тем, что, наконец, толкают наклон мимо порога отказа.

Интенсивный или длительный дождь

Осадки являются наиболее распространенным природным триггером во всем мире. По мере того, как вода проникает в землю, она увеличивает давление пор между частицами почвы. Когда поры становятся полностью насыщенными, эффективное напряжение, удерживающее склон, резко уменьшается. Это может привести к внезапной потере сплоченности, особенно в мелкозернистых почвах, таких как илы и глины. В горных регионах одно экстремальное штормовое событие, такое как те, которые связаны с тропическими циклонами или атмосферными реками, может вызвать тысячи потоков мусора одновременно. Обломки Монтесито 2018 года в Калифорнии, которые последовали за лесным пожаром, а затем сильным дождем, иллюстрируют, как после пожара ландшафты особенно уязвимы, потому что сожженная почва становится гидрофобной, уменьшая инфильтрацию и увеличивая стоки, которые быстро насыщают свободный мусор.

Землетрясения: встряхивание земли

Сейсмические волны от землетрясений могут налагать как динамические напряжения, так и постоянные смещения грунта. Встряхивание может разрушить скальные мосты, которые удерживают склон вместе, сжижать насыщенные пески или вызвать падение рыхлых горных масс. Величина, расстояние от эпицентра и частота встряхивания все влияют на оползень потенциал. В 2008 Вэньчуаньское землетрясение (Mw 7.9) в Китае, более 15 000 совместных сейсмических оползней были спровоцированы, похоронив целые деревни и переливая реки. Недавние исследования из USGS Landslide Hazards Program показывает, что оползни, вызванные землетрясением, могут сохраняться как опасность в течение многих лет после этого, поскольку трещина и рыхлая порода остается нестабильной.

Вулканическая активность

Вулканы по своей природе нестабильны. Магматические вторжения могут выпячивать фланги вулкана; гидротермальное изменение ослабляет скалу; и взрывные извержения могут посылать пирокластические потоки, которые разрушают склон. Возможно, самым драматическим вулканическим триггером оползня является быстрое таяние снега и льда лавой или горячим пеплом, который порождает массивные лахары (вулканические сели). Извержение 1980 года горы Сент-Хеленс началось с землетрясения магнитудой 5,1, которое вызвало колоссальный оползень на северном фланге - самый большой субаэральный оползень в зарегистрированной истории. Этот слайд разгерметизировал систему магмы вулкана, что привело к боковому взрыву, который опустошил сотни квадратных километров.

Деятельность человека: ускорение природных процессов

Человеческое вмешательство может искусственно закрутить склоны, удалить поддерживающую растительность, изменить дренажные структуры или добавить вес к вершине склона.

  • Раскопки и разрезы дорог, которые подрезают склон, снимая его опору для ног.
  • Горное дело и карьерирование , которые могут создавать крутые стены в разбитой скале.
  • Обезлесение и сельское хозяйство, где корни, которые связывают почву, удаляются, а орошение добавляет вес воды.
  • Строительство водохранилищ , где повышение уровня воды насыщает ранее сухие склоны и может вызвать быстрые сбои в водосборе.
  • Вибрации от взрывных или тяжелых машин , которые превышают предел усталости склона.

Примечательным примером является оползень 1997 года в Австралии, вызванный утечкой водопроводных труб и недостаточным дренажом на разрезе дороги, который обрушил набережную на лыжный домик, убив 18 человек.

Типы оползней: более близкий взгляд на механику движения

Оползни не являются единообразными событиями. Материал и стиль движения определяют опасность, которую они представляют, и смягчения, которые могут работать. Расширение основных типов:

Падения и топплы

Скалистые осадки возникают, когда блок скалы отделяется от крутого утеса или склона и свободно падает, отскакивает или скатывается вниз. Скаты предполагают прямое вращение горной массы вокруг точки разворота. Наиболее распространены в механически сильных, но сильно разбитых породах, таких как гранит или известняк с широко расставленными суставами. Они могут быть вызваны циклами замораживания-оттаивания, корневым заклиниванием или небольшими землетрясениями. Даже скромные скальные осадки могут нанести значительный ущерб дорогам и зданиям ниже.

Переводные слайды

На трансляционном (или плоском) слайде масса движется вдоль относительно плоской, ранее существовавшей слабости — обычно плоскости постельного белья, поверхности разлома или глиняного слоя. Эти слайды часто имеют длительный срок службы и могут перемещаться по пологим склонам, потому что трение низкое. Катастрофа 1963 года в Вайоне в Италии была трансляционным слайдом: 260 миллионов кубических метров породы скользили по тонкому глиняному шву в водохранилище, создавая цунами, которое перекрыло плотину.

Ротационные слайды

Также известные как спуски, вращательные слайды движутся по вогнутой вверх изогнутой поверхности отказа. Масса вращается назад, когда она скользит, часто создавая отчетливый защелк на голове и выпуклость на пальце ноги. Они распространены в гомогенных глинах и заполняют насыпи. Движение может быть медленным или прерывистым, но может повредить фундаменты и трубопроводы.

Потоки мусора и оползни

Потоки мусора представляют собой быстро движущиеся смеси воды, почвы, скал и органических обломков, которые стекают по долинам, как влажный бетон. Они являются одними из самых опасных типов оползней, потому что они могут путешествовать на большие расстояния (десятки километров) и нести огромные валуны. Оползни похожи, но состоят из более мелкозернистого материала. Потоки обычно вызываются интенсивными дождями на крутых склонах с обильными свободными обломками. Катастрофа Осо в штате Вашингтон в 2014 году была обломками-потоком-событием, где крутой склон ледниковых отложений сжижен после недель дождя, похоронив сообщество речной долины.

Крип и боковые спреды

Крип — медленное, непрерывное движение вниз по склону почвы или скалы. Обычно он незаметен без инструментов, но может в конечном итоге наклонять деревья, заборы и здания. Боковые распространения происходят на очень мягких склонах, когда сильный верхний слой почвы или скалы ездят на сжиженном нижнем слое. Они распространены во время землетрясений на насыщенных аллювиальных равнинах и могут вызвать широко распространенное растрескивание земли.

Влияние оползней на территорию: геоморфические и экологические последствия

Оползни являются основными агентами изменения ландшафта, особенно в тектонически активных горных поясах, их воздействие выходит далеко за пределы непосредственного рубца и отложения.

Создание и модификация формы земли

Один большой оползень может уничтожить склон холма и создать новые формы рельефа: крутые головные уборы, гулкие поверхности отложений с закрытыми впадинами и естественные плотины через долины. Многие горные озера, называемые озерами, заглушенными оползнями, образуются, когда обломки блокируют реку. Хотя такие озера могут быть живописными, они часто нестабильны; катастрофа 1941 года в Кордильерской Бланке Перу убила около 5000 человек, когда озеро, заглушенное оползнем, катастрофически провалилось.

Гидрологические изменения

Оползни глубоко изменяют структуру дренажа. Обломки могут отводить потоки в новые каналы, вызывая эрозию с одной стороны и осадки с другой. Они также могут снижать проникающую способность на рубцовом склоне, увеличивая поверхностный сток и риск внезапных наводнений вниз по течению. В долгосрочной перспективе оползни могут действовать как осадочные резервуары, которые медленно выпускают материал в реки, влияя на форму канала и развитие поймы.

Почва и растительность

Оползни лишают растительности и верхнего слоя почвы, оставляя после себя бесплодные рубцы, которые могут занять десятилетия, чтобы восстановиться естественным путем. Насильственное смешивание почвенных горизонтов снижает плодородие почвы и изменяет доступность питательных веществ. Однако оползни также создают патчированные, гетерогенные среды обитания, которые могут принимать пионерские виды и увеличивать биоразнообразие в ландшафтном масштабе. Экологи признают, что склоны, подверженные оползням, часто являются динамическими мозаиками возмущения и восстановления.

Тематические исследования заметных оползней: уроки истории

Изучение конкретных бедствий позволяет выявить закономерности и уязвимости, которые позволяют проводить современную оценку опасности.

Катастрофа на плотине Вайонт (1963, Италия)

Это самый смертоносный оползень в европейской истории. После того, как в 1960 году началось заполнение водохранилища, геологи наблюдали медленный ползок на горе Ток. Несмотря на предупреждения, водохранилище было поднято. 9 октября 1963 года массивный трансляционный слайд сбросил в озеро 260 млн м3 породы на скоростях, оцениваемых в 30 м/с. Получившаяся волна перекрыла плотину на 250 метров, уничтожив нижележащие города. Сама конструкция плотины стояла нетронутой, но катастрофа изменила подход инженеров к водохранилищу, вызванному сейсмичностью и мониторингом склона.

2014 Oso Landslide (Вашингтон, США)

22 марта 2014 года крутой склон, состоящий из ледниковой дождевой и глины, катастрофически провалился, отправив 35 млн м3 мусора в долину реки Стиллагуамиш. Поток мусора прошёл более 1 км, покрыв сельский район и убив 43 человека. Исследования показали, что склон медленно деформировался в течение десятилетий, но сильные осадки в предыдущие два месяца были последним триггером. Событие подчеркнуло необходимость лучшего картирования древних оползней в населенных районах.

Землетрясение на Гаити 2010 года

Землетрясение магнитудой 7,0 вблизи Порт-о-Пренса вызвало тысячи оползней по обезлесенным склонам южных Гаити. Многие из них были мелководными обломками, которые устранили плодородную почву и ухудшили продовольственную безопасность. Сочетание сейсмического сотрясения, крутого рельефа (] Исследование оползней НАСА ) и десятилетий обезлесения создало идеальный рецепт для разрушения склона. Событие показало, что в развивающихся странах риск оползня тесно связан с практикой землепользования.

Современные превентивные меры и стратегии смягчения последствий

Эффективное снижение риска оползней требует сочетания инженерных работ, планирования и мониторинга.

Планирование и зонирование землепользования

Наиболее экономически эффективным способом смягчения последствий является предотвращение строительства в зонах с высокой степенью опасности. Геологические исследования в настоящее время позволяют получить карты оползней, которые позволяют идентифицировать крутые склоны, нестабильную геологию и исторические шрамы от горок. Местные органы власти могут ограничивать развитие в этих районах, обеспечивать соблюдение буферных зон и требовать предоставления геотехнических отчетов перед строительством. В Японии и Гонконге строгие меры контроля за землепользованием привели к резкому сокращению смертности от оползней, несмотря на высокую экспозицию.

Инженерная стабилизация

Там, где уклонов не избежать, инженерные работы могут улучшить устойчивость:

  • Системы дренажа: французские стоки, горизонтальные скважины и дренажные галереи снижают давление поровой воды.
  • Сохраняющие стены и крепления: Обеспечивайте пассивную поддержку на носу склона.
  • Рок-болты и кабельные сети: Пин нестабильные горные массы к стабильной коренной породе.
  • Почвенное прибивание и дроссельная заслонка: Усилить поверхностные слои в разрезах.
  • Проверка плотин и мусорных бассейнов: Ловушки осадка и уменьшить исчерпание потоков мусора.

Ревегетационные и биоинженерные

Глубоководная растительность может увеличить силу сдвига до 20% в корневой зоне. Быстрорастущие травы и кустарники высаживаются на мелководье; деревья с длинными корнями используются на более глубоких отложениях. Биоинженерные методы используют живые колья, щеточные слои и коврики для стабилизации склонов при обеспечении среды обитания диких животных.

Системы мониторинга и раннего предупреждения

Современная технология позволяет в режиме реального времени оценивать движения наклона. Инклинометры, наклонные и GPS-станции обнаруживают ползучесть миллиметрового масштаба. Распределенное акустическое зондирование (DAS) с использованием волоконно-оптических кабелей может записывать микросейсмические события по всем склонам холмов. Спутниковая интерферометрия (InSAR) из таких миссий, как Copernicus Sentinel-1 может отображать деформацию земли на широких участках с точностью до миллиметра. Когда пороги пересекаются, автоматические оповещения могут быть отправлены соседним жителям - как это сделано Программой USGS Landslide Hazards для потоков мусора, вызванных осадками, в районе залива Сан-Франциско.

Будущие направления: изменение климата и риск оползней

По мере потепления климата ожидается увеличение активности оползней во многих регионах. Более интенсивные осадки, быстрое таяние снега от более высоких температур и таяние вечной мерзлоты в высокогорных районах будут способствовать большей нестабильности склонов. Ледниковое отступление подвергает неустойчивые морские отложения, которые подвержены скольжениям и спадам. Деградация вечной мерзлоты снижает прочность грунта, цементированного льдом, вызывая медленно движущиеся оползни, которые могут повредить нефтепроводы и дороги в Арктике. Исследователи теперь включают климатические прогнозы в модели опасности оползней, чтобы помочь сообществам подготовиться к изменению рисков.

Заключение

Оползни являются естественным следствием гравитации, действующей на склонах, но на их частоту и воздействие сильно влияют геологические триггеры и использование земли человеком. От медленного ползучего грунта до катастрофического обрушения горного склона понимание науки, стоящей за этими событиями, является основой для снижения риска. Достижения в области технологии мониторинга, лучшего картирования опасности и комплексного планирования землепользования позволяют более безопасно жить с оползнями. Однако, поскольку изменение климата изменяет модели осадков и дестабилизирует замороженные земли, необходимость в продолжении исследований и адаптации никогда не была больше. Объединяя геологические знания с инженерными и политическими методами, мы можем минимизировать разрушительные последствия оползней на местности и сообществах.