作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2017/9/12 9:16:30
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是谁触发致命滑坡
科学家阐明山坡缓慢移动多年后为何突然加速

 

将所有这些信息整合在一起以作出预测将是一大挑战。

在“蠕动”了两年后,马德溪滑坡迅速破坏了加州1号公路部分路段。

图片来源:John Madonna Construction

从位于秘鲁南部玛卡的小村庄,能看见高高耸立的爆发性火山——萨班卡亚。烟流频繁地从山上喷涌而出,火山灰则时不时地大量降落到这个小镇上。不过,使玛卡居民夜不能寐的地质威胁并非15公里外的萨班卡亚火山,相反就在脚下。

在约30年的时间里,玛卡附近的土地一直在退缩。约6000万立方米泥土——相当于2万多个奥运会游泳池——悄无声息地向谷底溜去,半个小镇也正在随之移动。

这种缓慢移动的滑坡造成的影响是显而易见的:近年来,它已经摧毁了该地区部分主干道,并且使农田变得四分五裂,从而威胁到当地社区关键的收入来源。目前尚不明确的是滑坡的未来:它将继续和以前一样蹒跚而行,还是会突然加速,进而可能危及生命?“它就像悬挂在小镇上的达摩克利斯之剑。”法国格勒诺布尔地球科学研究所地球科学家Pascal Lacroix表示。

从某些方面来说,在玛卡上演的情形并非当地独有。在全球所有多山地区,滑坡都是一大威胁,每年导致上千人死亡。诸如最近发生在塞拉利昂的毁灭性利金特滑坡等很多滑坡都出现得迅速而激烈。而诸如威胁到玛卡的滑坡等其他滑坡会慢慢地移动,山体每年滑动几厘米到几米。

影响滑坡移动的诸多因素

地质学家了解到,很多因素决定了降雨时滑坡是否会快速移动。重要的影响因素包括滑坡下侧或者地基的形状、粗糙度和构成;地基和侧面的占比;滑坡的深度,尤其是和地下水位相比较的深度。

一个对搞清楚几何结构和其他因素所产生影响尤其有用的地方是美国加州南部的伊尔河盆地。在那里,研究人员描绘了约200座缓慢移动的滑坡,并且目前正在利用合成孔径雷达干涉测量技术监控约10座滑坡。这些滑坡均位于几乎相同的地质背景和气候中,只是大小和形状有所不同。

在伊尔河,科学家了解到,并非每座滑坡都会对降雨作出一触即发的反应:在滑坡出现前,降雨可能持续数周或几个月。研究人员还发现,这些滑坡的细粒状构成而非几何结构或者气候,在决定它们的行为上发挥了最大作用。“一般来说,拥有富含黏土物质的细粒土会作出较慢的反应,而拥有粗颗粒的土壤或者含有较大裂纹或裂缝的岩石会作出较快反应。”美国宇航局喷气推进实验室地球科学家Alexander Handwerger介绍说。

不过,将所有这些信息整合在一起以作出预测将是一大挑战。数十年来,地质学家一直在收集数据,旨在更好地量化滑坡移动同降雨持续时间和强度之间的关联。不过,来自美国地质调查局(USGS)滑坡灾害项目的William Schulz介绍说,地质材料和水文条件是无穷变量,而预测滑坡所需的准确性仍是科学家可望而不可即的。更重要的是,在很多国家,滑坡移动还受到另一种现象——地震的严重影响,但地震的影响尚未得到全面研究。

传感器捕捉到地震影响

2011年,来自秘鲁采矿和冶金地质研究所的科学家同来自法国的Lacroix及其同事开始安装永久性的GPS设备,并且加速监控工作。传感器恰好实时捕捉到2013年干旱季节发生的一场6级地震的影响,其震中距玛卡不到20公里。在每年的这个时候,玛卡的滑坡通常是静止的,但传感器显示,它在地震期间移动了2厘米,并且在接下来的5周里又移动了6厘米——对于雨季来说,这一数量很小,但在没有降雨的时节,这是反常的。

研究人员在2016年8月观察到更加奇怪的行为。当时,该地区发生了一场5.4级地震。通过检查数据,Lacroix发现,它们同3年前的研究结果相一致:地震冲击使玛卡滑坡在地震期间和接下来的几周内加速。不过,这次他观察到,当降雨季节来临并且触发滑坡的进一步移动时,和每年这个时候的正常情形相比,泥土和碎屑的移动速度会快很多。

Lacroix将发生的情形整合成一个粗糙的模型。随着地震波撞上斜坡,它们会触发在原始震动发生后仍会持续很长时间的移动。Lacroix介绍说,以玛卡滑坡为例,由于滑动期间的摩擦增加,这种移动最终会减慢。该行为还被提出来用于描述沿着地质断层的“蠕动”。不过,对于其他滑坡来说,最初的移动会减少摩擦并由此帮助滑坡加速前行。这种差异归结于诸如泥土的材料属性等内部因素以及包括温度、压力和重力在内的外部因素。

在地震或者降雨触发滑动后,没有足够“制动”的滑坡会出现灾难性的加速。不过,对于玛卡来说,一旦泥土开始滑动,摩擦便会更强,从而使其减缓速度。

然而,这种“制动”行为可能会被地震破坏。地面震动会使滑坡土体材料变得松散,并使其变脆弱。地震波还会在土体中创造洞和裂缝,从而为降水渗入土壤提供了更多路径。Lacroix认为,2016年的地震破坏使玛卡滑坡在降雨到来时很容易移动得更快。进一步的破坏可能带来灾难性的加速。“即便是一场小地震,也有可能产生大的影响。”

遥感数据扩大研究范围

通过纳入不同部分——降水、几何结构、地震以及更多因素,科学家开始理解是什么导致滑坡启动、加速或者停止。不过,这些观测结果能在多大程度上被应用到不同的地方?

“从某种程度上说,每种情形都是独一无二的。”USGS喀斯开火山观测站水文学家Richard Iverson表示,“土体材料在每个地方都不同,并且其中一些微妙的差异真的会在滑坡移动上产生不同影响。”

Schulz对此表示赞同,但同时强调,即便是相隔很远的滑坡也拥有共同的属性和行为。通过对它们开展广泛的研究,科学家能发现将环境触发因素和滑坡移动关联起来的潜在规则。

生活在加州拉肯奇塔的上百名居民能证明这一点。其社区后面的山坡在移动了若干个月后,最终在1995年伴随着暴雨开始加速。该县官员和咨询人员利用来自标准调查仪器的数据探测到斜坡随时会滑落,并向居民发出撤离的警告。

如今,诸如“哨兵-2”卫星等遥感器能帮助扩展研究范围,并且将滑坡的监控扩大到很难研究或者在地面上研究花费颇高的地区。“将所有缓慢移动的滑坡装上监测设备是不可能的,因此遥感数据将是监控滑坡移动的未来出路。”Lacroix表示。(宗华编译)

《中国科学报》 (2017-09-12 第3版 国际)
 
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