Einfluss des Böschungswinkels auf die Lagerstättenmorphologie und die Ausbreitung von Laborrutschen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9452 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Erdrutschablagerungen weisen häufig Oberflächenmerkmale wie Quergrate und X-förmige konjugierte Täler auf, deren physikalische Entstehungsursprünge nicht genau geklärt sind. Um die Morphologie der Lagerstätte zu untersuchen, konzentrieren sich Laborstudien typischerweise auf die einfachste Erdrutschgeometrie: eine schiefe Ebene, die die gleitende Masse beschleunigt, unmittelbar gefolgt von ihrer Abbremsung auf einer horizontalen Ebene. Bisherige Experimente wurden jedoch nur für einen begrenzten Bereich des Neigungswinkels θ durchgeführt. Hier untersuchen wir die Auswirkung von θ auf die Kinematik und Ablagerungsmorphologie von Labor-Erdrutschen entlang einer reibungsarmen Unterlage, gemessen mit einem fortschrittlichen 3D-Scanner. Bei niedrigem θ (30°–35°) finden wir Querkämme, die durch Überschiebungen auf den Erdrutschablagerungen entstanden sind. Bei moderatem θ (40°–55°) bilden sich konjugierte Täler. Ein Mohr-Coulomb-Versagensmodell sagt den von den X-förmigen Tälern eingeschlossenen Winkel mit 90° − φ voraus, wobei φ der innere Reibungswinkel ist, in Übereinstimmung mit unseren Experimenten und einem natürlichen Erdrutsch. Dies stützt die Vermutung, dass sich konjugierte Täler aufgrund eines Versagens im Zusammenhang mit einer triaxialen Scherspannung bilden. Bei hohem θ (60°–85°) bildet sich eine doppelte Hebungsmorphologie, da die Rückseite der gleitenden Masse beim Übergang vom Hang zur horizontalen Ebene auf die Vorderseite trifft. Die Gesamtoberfläche der Erdrutsche vergrößert sich während ihrer Hangabwärtsbewegung und verringert sich dann während ihrer Auslaufbewegung.

Erdrutsche können sehr zerstörerisch sein, insbesondere wenn sie aufgrund der hohen Mobilität über große Entfernungen verlaufen1,2,3,4,5,6,7. Neben Felduntersuchungen kann man ihr Fließverhalten untersuchen, indem man physikalische Modelle vereinfachter Erdrutschgeometrien erstellt und Laborexperimente an ihnen durchführt8,9,10,11,12. Von besonderem Interesse ist die Ablagerungsmorphologie eines Erdrutschs, da sie Informationen über die granularen Prozesse vermittelt, die während des Rutschs am Werk waren.

Frühere Experimente mit physikalischen Modellen13,14,15,16,17,18,19,20 und Felduntersuchungen16,17,21,22,23 haben unterschiedliche Ablagerungsmorphologien von Erdrutschen und ihren physikalischen Ursprung ergeben. Beispielsweise wurde die Deichbildung mit statischen Zonen in der Nähe der seitlichen Grenzen unbegrenzter trockener, körniger Ströme in Verbindung gebracht24. Es besteht auch weitgehend Einigkeit darüber, dass häufig auftretende Querrippen, die sich senkrecht zur Strömungsrichtung bilden, kompressionsbedingte Oberflächenmerkmale sind17,18,21. Allerdings ist der physikalische Ursprung konjugierter Tröge (d. h. Oberflächenstrukturen mit einer charakteristischen X-Form), die auf der Oberfläche einiger großer Erdrutschablagerungen beobachtet werden, weniger klar. Basierend auf Felduntersuchungen vermuteten Wang et al.21 und Zhao et al.25, dass sie durch das Zusammenspiel zwischen transportparalleler Kompression und radialer oder seitlicher Ausbreitung während des Auslaufens eines Erdrutschs entstehen, wobei letzteres zu einer triaxialen Scherspannung führt. Wenn diese Spekulation wahr wäre, würde dies bedeuten, dass der Grad der anfänglichen Erdrutschbeschleunigung eine entscheidende Rolle im Entstehungsprozess spielt, da die Kompression während des Auslaufs eines Erdrutschs das Ergebnis seiner plötzlichen Verlangsamung beim Übergang vom anfänglichen Gefälle zum viel flacheren Gefälle ist Auslaufgelände. Dies wiederum legt nahe, dass der anfängliche Neigungswinkel ein Schlüsselparameter ist, der das Auftreten konjugierter Täler steuert. Eines der Ziele dieser Arbeit ist es, diese Hypothese mittels physikalischer Modellexperimente zu überprüfen.

Während zahlreiche frühere Laborstudien Geometrien schiefer Ebenen untersuchten10,26,27,28,29,30,31,32,33, untersuchten nur wenige Erdrutschgeometrien, d. h. einen plötzlichen17,18,34 oder sanften12,16 Übergang von einer schiefe Ebene zu viel flacherem Auslaufgelände. Die meisten der letztgenannten Studien konzentrierten sich jedoch eher auf die Erdrutschdynamik als auf die Lagerstättenmorphologie. Die einzige Ausnahme bilden Shea und van Wyk de Vries16, die nur die Morphologie der Ablagerungen untersuchten, jedoch keine konjugierten Täler identifizierten. Darüber hinaus berücksichtigten alle früheren Laborstudien, die auf einer Erdrutschgeometrie basierten, keinen großen Bereich von Neigungswinkeln.

Hier führen wir Laborexperimente auf Basis einer Erdrutschgeometrie durch, wobei die Neigungswinkel zwischen 30° und 85° variieren. Beachten Sie, dass körnige Strömungen mit Neigungswinkeln zwischen 70° und 90° tatsächlich in der Natur vorkommen, beispielsweise bei Klippenlawinenereignissen und Kreideflüssen in Küstengebieten19,35. Um die Erdrutschentwicklung aufzuzeichnen, verwenden wir zwei Hochgeschwindigkeitskameras und einen fortschrittlichen 3D-Scanner.

Der Schwerpunkt unserer Experimente liegt sowohl auf der Dynamik von Erdrutschen als auch auf der Morphologie der Ablagerungen, insbesondere auf konjugierten Trögen. Unsere Ziele sind wie folgt: (1) Erforschung von Variationen in den Parametern und Zuständen der Erdrutschbewegung mit dem Neigungswinkel; (2) den Einfluss des Neigungswinkels auf die Lagerstättenmorphologie bestimmen und die physikalischen Mechanismen hinter der Bildung von Oberflächenmerkmalen, insbesondere konjugierten Tälern, identifizieren; (3) Erforschen Sie die zeitliche Entwicklung der Länge, Breite und Fläche der gleitenden Massen während ihrer gesamten Bewegung.

Zur Untersuchung des Bewegungsprozesses und der Ablagerungsmorphologie von Labor-Erdrutschen wird ein Sandbox-Experiment durchgeführt (Abb. 1). Für den Aufbau der Versuchsgeräte wurde Plexiglas verwendet. Sie bestanden aus fünf Teilen: einer geneigten Platte, einer horizontalen Platte, einem Sandbehälter, einem 3D-Scanner und zwei Hochgeschwindigkeitskameras. Auf der geneigten Platte wird ein Paar Sandkastenschienen angebracht, um die Höhe des Sandkastens anzupassen. Die Länge der geneigten Platte und der horizontalen Platte beträgt 1,5 m und ihre Breite beträgt 1,2 m. Der Neigungswinkel kann zwischen 30° und 90° variiert werden. In Abb. 1 ist ein Koordinatensystem definiert, in dem x die Richtung der mittleren Bewegung eines Erdrutschs und z die vertikale Richtung nach oben bezeichnet. Das feste Volumen der Sandbox beträgt \(3,6 \times {10}^{-3}\) m3. Es besteht aus einem Tor, das schnell geöffnet werden kann, um den Sand freizugeben. Ein dreidimensionaler (3D) Scanner (F6 Smart, MANTIS VISIONS) arbeitet mit 8 Bildern/s und einer Auflösung von 1,3 Megapixeln. Es erhält während des gesamten Erdrutschbewegungsprozesses 3D-Koordinatendaten der oberen Oberfläche mit einer Genauigkeit von 0,1 mm. Es besteht aus drei Linsen: eine an der Unterseite, die Nahinfrarotlicht (NIR) in Richtung der gleitenden Masse aussendet, und zwei Linsen an der Oberseite, von denen eine das zurückreflektierte NIR-Licht empfängt und eine, die farbige Bilder erzeugen kann. Die empfangenen NIR-Daten werden in 3D-Wolkendaten der Oberflächenmorphologie umgewandelt. Die 3D-Daten werden nach den Prinzipien der stereoskopischen Parallaxe und der aktiven Dreiecksentfernung13,14,36 erzeugt. Zwei Hochgeschwindigkeitskameras (60 Bilder/s, 0,4 Megapixel Auflösung) werden verwendet, um am Ende jedes Experiments Bilder zu sammeln. Einer wird auf einem beweglichen Kameraregal platziert, das das Aufnehmen von Fotos aus der Vogelperspektive ermöglicht. Der andere ist an der Vorderseite der horizontalen Platte befestigt und bietet eine horizontale Ansicht.

Geräte, die für Experimente mit physikalischen Modellen verwendet werden.

Als Rutschmaterial wird mittelfeiner Quarzsand (Einschub in Abb. 2) verwendet. Seine Partikelgrößenverteilung (Abb. 2) weist einen Mittelwert von 0,18 mm, einen ungleichmäßigen Koeffizienten von \(C_{{\text{u}}} = D_{60} /D_{10} { = }2,39\) auf ein Krümmungskoeffizient von \(C_{{\text{c}}} = D_{30}^{2} /(D_{60} D_{10} ){ = }1,19\), wobei Dn die Größe bezeichnet, die n hat % der Partikel nicht überschreiten. Die Oberfläche der Partikel pro Masseneinheit beträgt 0,02 m2 kg−1 und der innere Reibungswinkel φ des Sandes beträgt 36°, gemessen durch direkte Schertests37,38. Der Reibungskoeffizient der Grenzfläche zwischen Platte und Sand beträgt 0,42.

Partikelgrößenverteilung des Versuchsmaterials (Einschub: Bild des mittelfeinen Quarzsands).

Vor jedem Experiment werden die geneigte Platte, die horizontale Platte und das Innere des Sandkastens mit einer elektrostatisch beständigen Flüssigkeit abgewischt. Nachdem die Flüssigkeit getrocknet ist, wird der Sand in drei separaten Schritten in den Sandkasten gefüllt, unterbrochen von einer Verdichtung, um die Gleichmäßigkeit sicherzustellen. Der Sandkasten wird dann durch ein Tor verschlossen, das zu Beginn jedes Experiments schnell geöffnet werden kann (Abb. 1). Der vollständig gefüllte Sandkasten, der 3,6 \(\times\) 10–3 m3 Sandvolumen mit einer Masse von 5,4 kg enthält, wird durch Anpassen von a so platziert, dass seine Schwerpunktanfangshöhe in jedem Experiment bei 0,7 m liegt Schienenpaar (Abb. 1).

Um die zufälligen Fehler in den Experimenten zu quantifizieren, werden sieben Kalibrierungstests mit einer Neigung von 50° durchgeführt. Anschließend werden die eigentlichen Experimente für Neigungswinkel zwischen 30° und 85° in Abständen von 5° durchgeführt. Alle Experimente werden mindestens zweimal durchgeführt und die morphologischen Parameter, d. h. maximale Ablagerungslänge, -breite und -tiefe, Ablagerungsfläche, Länge-Breite-Verhältnis und Umfang-Flächen-Verhältnis, notiert (Abb. 3). Wenn die Differenz dieser Parameter zwischen beiden Läufen relativ zum Mittelwert beider Läufe größer ist als der jeweilige Wert für die Kalibrierungsexperimente (Abb. 4), wird ein drittes Experiment durchgeführt. Anschließend werden die beiden der drei Experimente ausgewählt, die untereinander den geringsten Unterschied aufweisen.

Diagramm der Ablagerungsmorphologie unserer Laborerdrutsche: Lm = maximale Länge (die projizierte Länge vom hintersten Teil bis zum vorderen Teil auf der xoy-Ebene); Wm = maximale Breite; Dm = maximale Tiefe; A = auf die horizontale Ebene projizierte Fläche; C = Umfang der Ablagerung; θ = Neigungswinkel; H = Höhe des Sandkastenabhangs; Hc = Höhe des Sandkasten-Massenschwerpunkts; L = Auslaufstrecke; Li, Wi, Ai = Länge, Breite und Fläche der gleitenden Masse während ihrer Bewegung.

Kalibrierungsexperimente. Ein Kreis entspricht einem Maß für einen bestimmten Lauf und die Rauten dem Mittelwert über alle Kreise. Die schwarzen Linien veranschaulichen grob die Verteilung.

Die Morphologie der gleitenden Massen variiert mit der Zeit und dem Neigungswinkel. Das qualitative Gesamtverhalten ist jedoch tendenziell für jedes der Neigungswinkelintervalle 30°–35°, 40°–55° und 60°–85° ähnlich. Daher werden Schnappschüsse von Erdrutschen bei 30°, 50° und 80° als repräsentative Fälle gezeigt (Abb. 5). Bei 30° breitet sich der Erdrutsch als dünne und relativ gleichmäßige Masse nahezu konstanter Breite aus und hinterlässt eine Ablagerung auf der geneigten Platte (Abb. 5a). Bei 50° breitet sich die gleitende Masse seitlich aus und breitet sich wie ein Fächer bergab aus. Sein Dickenprofil bei der Ausbreitung auf der geneigten Platte ist ungleichmäßig, mit deutlich sichtbaren Unebenheiten um die Mittellinie und weniger Sand an den Flanken. Es hinterlässt jedoch nahezu keine Ablagerungen auf der geneigten Platte (Abb. 5b). Bei 80° verringert sich die fächerförmige Ausdehnung an der geneigten Platte, da die Gleitmasse nahezu frei fällt. Sein Dickenprofil auf der geneigten Platte ist sehr ungleichmäßig (Abb. 5c). Darüber hinaus bildet sich vor der Hauptablagerung eine dünn verteilte Schicht (die bei der Messung der Unrundheiten nicht berücksichtigt wird), die auf einen sekundären Aufprall der gleitenden Masse von hinten zurückzuführen ist39,40.

Bewegungsabläufe der Laborrutsche bei Böschungswinkeln von (a) 30°; (b) 50° und (c) 80°.

Der Rundlauffehler (L, definiert wie in Abb. 3) nimmt linear mit dem Steigungswinkel θ ab: \(L = ( - 19,58\theta /^\circ + 2103,49)\) mm (Abb. 6).

Rundlauf der Laborrutsche bei unterschiedlichen Böschungswinkeln.

Die Verschiebung einer gleitenden Masse ist definiert als die Differenz zwischen ihrer vorderen Position und ihrer Ausgangsposition, dem Boden des Sandkastens. Seine erste und zweite Ableitung nach der Zeit sind seine Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung. Darüber hinaus wird die Ausbreitungsdauer der Erdrutschfront basierend auf dem Zeitpunkt definiert, zu dem die Vorderseite der gleitenden Masse aufhört, sich zu bewegen. Alle vier dynamischen Parameter sind in Abb. 7 dargestellt. Bei 30°–35° weist der Erdrutsch drei Phasen auf: gleichmäßige Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit und Verzögerung, im Einklang mit früheren Laborstudien bei niedrigen Neigungswinkeln10,41,42. Die ersten beiden Phasen finden statt, bevor die gleitende Masse auf den Hangbruch trifft (angezeigt durch Pfeile und vertikale gestrichelte Linien). Bei 40°–55° kann die Beschleunigungsphase in eine gleichmäßige Beschleunigungsphase und, weniger ausgeprägt, aber immer noch erkennbar, in eine Beschleunigungsphase mit abnehmender Geschwindigkeit unterteilt werden. Bei 60°–85° erreichen die Erdrutsche während der gleichmäßigen Beschleunigungsphase ihre Spitzengeschwindigkeit und treten dann fast sofort in eine Verlangsamungsphase ein, wenn ihre Fronten auf den Hangbruch treffen. Bei 80°–85° kommt es jedoch während der Verzögerungsphase zu einer kurzen sekundären Beschleunigungsepisode. Dieses Phänomen steht in engem Zusammenhang mit den in Abb. 5c hervorgehobenen Wellen, die sich durch den Aufprall des hinteren Teils der Gleitmasse auf die Ablagerungen bilden, die sich bereits auf der horizontalen Platte angesammelt haben. Dann überspringt dieser hintere Teil die Hauptablagerung und bildet die dünn ausgebreitete sekundäre Frontalschicht.

Zeitliche Entwicklung dynamischer Parameter für verschiedene Neigungswinkel. Die orangefarbenen Pfeile und vertikalen gestrichelten Linien zeigen den Moment an, in dem eine rutschende Masse den Hangbruch erreicht (Einschub: die Frontdauer der Erdrutsche und den Moment, in dem sie den Hangbruch erreichen).

Im Allgemeinen sind abwechselnde Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen Anzeichen von Stressschwankungen und wurden bereits zuvor von Roche et al.43 und Bachelet et al.44 beobachtet.

Länge, Breite und Fläche einer gleitenden Masse werden wie in Abb. 3 definiert. Sowohl die Länge als auch die Fläche neigen dazu, mit der Zeit immer weniger schnell zuzunehmen und schließlich sogar abzunehmen (Abb. 8), obwohl dies fast nicht der Fall ist Flächenabnahme bei großen Neigungswinkeln θ \(>\ approx\) 60°. Während des Anstiegs korreliert die Geschwindigkeit der Längen- bzw. Flächenänderung positiv mit dem Neigungswinkel, wohingegen die maximale Länge bzw. Fläche eine negative Korrelation aufweist. Interessanterweise hängen die maximalen Längen- und Flächenwerte für θ \(>\ approx\) 60° fast nicht vom Neigungswinkel ab.

Zeitliche Entwicklung morphologischer Parameter bei verschiedenen Neigungswinkeln. Gestrichelte Linien deuten an, dass der Erdrutsch von vorne bis zum Hangabbruch reicht (vgl. Abb. 7).

Die zeitliche Entwicklung der Breite der Gleitmasse durchläuft drei verschiedene Phasen. In der ersten Stufe entspricht die Breite etwa der Breite des Sandkastens. In der zweiten Stufe nimmt die Breite auf ihr Maximum (nämlich die maximale Ablagerungsbreite) zu, wobei die Geschwindigkeit bei 50°–75° schnell ansteigt, die Geschwindigkeit bei den anderen Neigungswinkeln jedoch relativ gering ist. In der dritten Stufe bewegt sich die Gleitmasse nach vorne, ohne ihre maximale Breite wesentlich zu verändern.

Der Einschub von Abb. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Ausbreitungsdauer der Erdrutsche, die auf der Grundlage des Zeitpunkts definiert wird, zu dem die gesamte Bewegung überall stoppt (im Gegensatz zu nur der Vorderseite im Einschub von Abb. 7), und dem Neigungswinkel.

Die Ablagerungsparameter der Rutschungen als Funktion des Hangwinkels sind in Abb. 9 dargestellt.

Parameter der Ablagerungsmorphologie von Laborerdrutschen, wie in Abb. 3 definiert: (a) maximale Länge, (b) maximale Breite, (c) maximale Tiefe, (d) Fläche, (e) Längen-Breiten-Verhältnis; und (f) Umfang-Flächen-Verhältnis. Bei 80°–85° existiert zusätzlich zur Hauptablagerung eine Sekundärfront aus dünn verteilten Ablagerungen (vgl. Abb. 5c, 14 und 10c,d).

Auf den Oberflächen der Ablagerungen sind bei 30°–35° weit verbreitet Querkämme ausgebildet (Abb. 10a). Diejenigen auf den Ablagerungszentren sind senkrecht zur mittleren Bewegungsrichtung der Erdrutsche (x-Achsenrichtung) ausgerichtet und diejenigen auf den Ablagerungsflanken weisen einen Winkel zur x-Richtung auf. Letztere sind nicht nur bei niedrigen, sondern auch bei moderaten Böschungswinkeln bis 55° dichter verteilt als erstere (Abb. 10b). Die Ablagerungen dringen zungenartig in die horizontale Platte ein, ihre Rückseite bleibt jedoch auf der geneigten Platte.

Oberflächenmorphologien von Labor-Erdrutschablagerungen bei verschiedenen Neigungswinkeln: (a) niedrige, (b) mäßige und (c) hohe Neigungswinkel. (d) Konturkarten. Der Rasterabstand in (a)–(c) beträgt 5 cm. Die Achsen in (d) geben die Länge in mm an.

Die Dichte der Querrippen nimmt bei 40°–55° ab (Abb. 10b). Sie werden nun hauptsächlich an den Ablagerungsflanken (vergrößert in Abb. 11) beobachtet, insbesondere bei 50°–55°, und sind zunehmend entgegen der mittleren Bewegungsrichtung gedreht. Allerdings sind auf den Ablagerungsoberflächen mittlerweile weitverbreitet verwaschene, Sie sind hauptsächlich an der Vorderseite und in der Mitte der Ablagerungen zu beobachten, breiten sich aber mit zunehmendem Böschungswinkel immer weiter nach hinten aus. Die Ablagerungsgrenzen sind immer noch zungenförmig, hinterlassen aber keine Reste mehr auf der geneigten Platte.

Quergrate und konjugierte Täler im 45°-Winkel.

Bei 60°–85° sind weder konjugierte Täler noch Querrippen auf den Ablagerungsoberflächen zu beobachten, obwohl es jetzt schwache wellenartige Formen zu geben scheint (Abb. 10c). Zuvor wurden diese auch von Roche et al.43 beobachtet. Darüber hinaus weisen die Ablagerungen nun zwei ausgeprägte Umwälzungen auf, insbesondere bei 75° (Abb. 10d), mit einem Tal dazwischen. Wir haben in unserer vorherigen Studie45 und in einigen Felddaten35,46 eine ähnliche Doppelumbruchmorphologie identifiziert. Die vorderen Grenzen der Hauptvorkommen scheinen rund zu sein. Insgesamt verändern sich mit zunehmendem Neigungswinkel die hinteren Begrenzungen allmählich von konisch zu gerade, während sich die vorderen Begrenzungen allmählich von zungenartig zu rund verändern.

Die Mittellinienmorphologieprofile weisen einen einzelnen Peak bei 30°–55° auf (Abb. 12a, b). Die Längsposition des Schwerpunkts verschiebt sich mit zunehmendem Neigungswinkel zunächst nach vorne und dann nach hinten, während seine Vertikalposition durchgehend abnimmt. Bei 60°–85° weist das Profil zwei Spitzen auf (Abb. 12c, in Übereinstimmung mit Abb. 10c,d), während sich der Schwerpunkt nach vorne und unten (θ = 60°–70°) und dann nach hinten und oben (θ) bewegt = 70°–85°).

Mittellinienmorphologieprofile der Hauptablagerungen von Laborerdrutschen bei verschiedenen Neigungswinkeln (mit Ausnahme der dünn ausgebreiteten zusätzlichen Ablagerungsfront bei 80°–85°): (a) niedrige, (b) mäßige und (c) hohe Neigungswinkel. Die Schwerpunkte werden aus den Höhenlinienkarten in Abb. 10d berechnet.

Die von einer gleitenden Masse eingenommene Fläche ist ein Maß für deren Einflussbereich47. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Einflussreichweite eines natürlichen Erdrutschs durch seine anfängliche Ausdehnung stark eingeschränkt wird, selbst wenn er sich über uneingeschränktes Gelände ausbreitet, ohne dass Oberflächenmaterial entlang seines Verlaufs erodiert wird. Insbesondere verringern sich seine eingenommene Länge und Fläche, was mit einer Zunahme der Tiefe und damit der basalen Scherspannung einhergeht, nachdem sie ihre Maximalwerte nahe dem Zeitpunkt des Böschungsbruchs erreicht haben.

Querrücken, konjugierte Täler und Doppelerhebungen werden nicht nur in unseren Laborexperimenten beobachtet, sondern auch bei natürlichen Erdrutschen5,21,35,48. Wir diskutieren daher ihren wahrscheinlichen physikalischen Ursprung, der aus unseren Experimenten hervorgeht.

Querrücken, die sich in unseren Laborexperimenten für Neigungswinkel von 30°–55° bilden (Abb. 10a, b), werden auch auf der Ablagerung natürlicher Erdrutsche beobachtet, wie zum Beispiel beim Luanshibao-Erdrutsch (Abb. 13a, b, c, d). ) mit einem ungefähren Neigungswinkel von 45° (Tibet-Plateau, Sichuan, China; Abb. 13b,c)49. Wie in den Experimenten verlaufen seine Querrippen im zentralen Teil seiner Lagerstätte fast senkrecht zu seiner mittleren Bewegungsrichtung, die an seinen Flanken sind jedoch um einen spitzen Winkel gedreht. Es ist bekannt, dass die Bildung der Querrippen eng mit dem Spannungszustand zusammenhängt, der einer Schubstruktur ähnelt, bei der der Widerstand vorne und der Schub hinten wechselseitig auf eine gleitende Masse einwirken18,21,25. Ihre Rotation und höhere Dichte an den Flanken der gleitenden Masse sind auf die geringere Geschwindigkeitsgröße und die unterschiedliche Geschwindigkeitsrichtung relativ zu ihrem Zentrum zurückzuführen50, wodurch das Material an den Flanken einer stärkeren Kompression ausgesetzt ist.

Morphologie der Luanshibao-Erdrutschlagerstätte im tibetischen Plateau, Sichuan, China. (a) Bild des Luanshibao-Erdrutschs (von Google Earth); (b) Querrippen; (c) konjugierte Täler; (d) Hügel.

Der physikalische Ursprung der wellenförmigen Formen unterscheidet sich von dem der Querkämme, die sich bei kleineren Neigungswinkeln bilden, obwohl sie morphologisch ähnlich sind. Generell handelt es sich bei der Quergratbildung um einen sanften Prozess mit vergleichsweise geringer Erdrutschgeschwindigkeit (Abb. 5a und Abb. 14a) und die damit verbundene körnige Strömung ist flüssigkeitsartig. Im Gegensatz dazu ist die Bildung der wellenförmigen Formen ein schneller Prozess mit einer vergleichsweise großen Erdrutschgeschwindigkeit aufgrund des stoßinduzierten Überspringens der gleitenden Masse (Abb. 5c und Abb. 14b) und die damit verbundene körnige Strömung ist gasartig. Darüber hinaus ist während der Bildung von Quergraten die Froude-Zahl \(u/\sqrt {gh}\) (u ist die Partikelgeschwindigkeit und h ist die durchschnittliche Höhe der Ablagerung) kleiner als etwa 0,693, was darauf hindeutet, dass die Schwerkraft eine Rolle spielt eine wichtigere Rolle als Trägheitskräfte. Für die wellenförmigen Formen ist \(u/\sqrt {gh}\) jedoch größer als etwa 1,291, was darauf hindeutet, dass Trägheitskräfte die dominierende Rolle spielen.

Schematische Darstellung gleitender Massen in verschiedenen Phasen zur Bildung von Querwällen (a) und Doppelumwälzungen (b).

Wang et al.21 und Zhao et al.25 schlugen nach In-situ-Untersuchungen unterschiedliche Mechanismen für die Bildung konjugierter Tröge vor. Wang et al.21 schlugen vor, dass konjugierte Täler durch transportparallele Kompression und radiale Ausbreitung der Gleitmasse gebildet werden. Im Gegensatz dazu führen Zhao et al.25 ihre Entstehung auf einen dreiachsigen Spannungszustand der gleitenden Masse während der Bewegung zurück. Basierend auf dieser Hypothese sagen wir den in den X-förmigen Tälern eingeschlossenen Winkel wie folgt voraus: Gemäß dem Mohr-Coulomb-Versagenskriterium tritt eine körnige Bewegung auf, wenn eine Mikroeinheit der Lagerstätte aufgrund der dreiachsigen Scherspannung \(\left) versagt | {\sigma_{1} { - }\sigma_{3} } \right|/2\) Überwindung von \(\tan (\varphi ) \times (\sigma_{1} + \sigma_{3} )/2\ ), wobei φ der innere Reibungswinkel des Lagerstättenmaterials und \(\sigma_{1}\) und \(\sigma_{3}\) die maximale bzw. minimale Hauptspannung ist. Die Richtung der Scherebenen gerade beim Versagen ist um einen Winkel von 45° − φ/2 gegen die Richtung von \(\sigma_{1}\) geneigt. Das heißt, unter der Annahme, dass sich die X-förmigen Täler aufgrund von Versagen aufgrund von triaxialer Scherung bilden, sollte der im „X“ eingeschlossene Winkel 90° − φ betragen. Diese Vorhersage steht im Einklang mit den gemessenen Winkeln von 54° in unseren Experimenten (φ = 36°) und 50° für den Luanshibao-Erdrutsch49, der aus widerstandsfähigerem Oberflächenmaterial besteht (φ = 40°, Dai, et al.49). Daher wird die These von Zhao et al.25, dass sich aufgrund einer triaxialen Scherspannung konjugierte Täler auf der Ablagerungsoberfläche bilden, durch unsere Experimente und den Erdrutsch in Luanshibao stark gestützt. Beachten Sie, dass die Bildung von Tälern während des Luanshibao-Erdrutschs wahrscheinlich mit seiner verflüssigten Basis zusammenhängt5,21, was sie mit unseren Experimenten mit niedriger Reibungsbasis vergleichbar macht. Tatsächlich schien es bei unseren früheren Labor-Erdrutschen entlang einer rauen Basis sowie bei den meisten natürlichen Erdrutschen keine Täler zu geben. Darüber hinaus ist die Krümmungsgeometrie des Luanshibao-Erdrutschs eher glatt und weist keinen plötzlichen Hangabbruch auf. Solche glatten Geometrien scheinen die Trogbildung bei geringeren Neigungswinkeln zu begünstigen. Der durchschnittliche Neigungswinkel des Luanshibao-Erdrutschs betrug etwa 33° und die Neigung der Experimente von Shea und van Wyk de Vries16, die ebenfalls Täler aufzuweisen scheinen (ihre Abb. 8J), lag bei durchschnittlich 30°.

Die endgültige Morphologie der Lagerstätte entsteht durch ein Zusammenspiel zwischen neu entstehenden konjugierten Trögen durch neue Spannungsausfälle und sich stromabwärts ausbreitenden älteren Trögen (Abb. 15). Ein verfügbares Video zu ihrer Gründung finden Sie im Zusatzmaterial.

Der Bildungsprozess konjugierter Täler (\(\alpha\) = (90° − φ)/2): Entwicklung (a) und Spannungszustand (b) konjugierter Täler.

Darüber hinaus nehmen wir an, dass die Unebenheiten, die sich auf der geneigten Platte bei mäßigen Neigungswinkeln bilden (Abb. 5b), jedoch nicht bei niedrigen und hohen Neigungswinkeln, und sich anschließend auf und entlang der horizontalen Platte ausbreiten, der Grund für die Bildung konjugierter Täler sind. Sie stellen Hindernisse dar, die in ihrem Nachlauf die körnige Strömung behindern und dadurch in der mittleren Strömungsrichtung ausreichend große Druckspannungen erzeugen, die zu einem Versagen führen.

Eine Morphologie mit mehreren Umwälzungen wurde auch von Roche et al.43 in einem Zylinderexperiment beobachtet, bei dem schnell Sand aus einem angehobenen Zylinder freigesetzt wurde, der anschließend frei auf eine flache Platte fiel. Bei ausreichend großen Fallhöhen bildeten sich zwei oder mehr kreisförmige Erhebungen, die den Aufprallort in unterschiedlichen Radien umkreisten. Roche et al.43 schlugen vor, dass dies auf den Aufprall des später fallenden Sandes auf den Sand zurückzuführen sei, der bereits die Platte erreicht hatte und eine nahezu bewegungslose erodierbare Oberfläche bildete. Sobald der gesamte Sand bewegungslos war, bildeten sich abwechselnde Wellenberge und Wellentäler über die Oberfläche der Ablagerung. Wir glauben, dass sich unsere Doppelumbruch-Morphologie aus einem analogen Grund gebildet hat, da diese Morphologie umso ausgeprägter war, je größer der Neigungswinkel war, dh je näher sie einem freien Fall direkt auf die horizontale Platte kam. Wenn der hintere Teil der Gleitmasse auf den vorderen Teil trifft, der sich bereits auf der horizontalen Platte abgesetzt hat, schwankt letztere nach vorne und bildet Wellenmuster (Abb. 5c und 14b). Beachten Sie, dass ein ähnlicher wellenartiger Vorwärtsschub des körnigen Materials auch in den Laborexperimenten von Mangeney et al.29 und Edwards und Gray28 beobachtet wurde.

Wir führten Laborexperimente mit granularer Strömung auf der Grundlage eines physikalischen Modells mit einer unbeschränkten Erdrutschgeometrie in einem großen Bereich von Neigungswinkeln durch. Die folgenden Punkte sind die wichtigsten Erkenntnisse aus diesen Experimenten:

Die Laborrutsche weisen bei unterschiedlichen Böschungswinkeln unterschiedliche Bewegungscharakteristika auf. Bei geringen Neigungswinkeln besteht ihre Bewegung aus drei Phasen: gleichmäßige Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit und Verzögerung. Bei moderaten Neigungswinkeln umfasst ihre Bewegung ebenfalls drei Phasen: gleichmäßige Beschleunigung, Beschleunigung mit abnehmender Geschwindigkeit und Verzögerung. Bei großen Neigungswinkeln besteht ihre Bewegung nur aus zwei Phasen: gleichmäßiger Beschleunigung und Verzögerung. Die Rundlaufabweichung der Erdrutsche nimmt mit zunehmendem Böschungswinkel ab.

Länge und Fläche der gleitenden Massen nehmen während ihrer gesamten Bewegung zunächst zu und dann wieder ab. Ihre maximale Länge und Fläche nimmt mit zunehmendem Neigungswinkel ab. Es gibt auch eine maximale Erdrutschbreite. Sobald dieser erreicht ist, breiten sich die gleitenden Massen ohne weitere nennenswerte Breitenänderungen aus.

Bei geringen Neigungswinkeln bilden sich aufgrund der durch Kompression verursachten Überschiebung weit verbreitete Querwälle auf der Oberfläche der entstehenden Lagerstätte aus. Bei mäßigen Neigungswinkeln bilden sich X-förmige konjugierte Täler. Ein Mohr-Coulomb-Versagensmodell sagt den vom „X“ eingeschlossenen Winkel mit 90° − φ voraus, wobei φ der innere Reibungswinkel ist, in Übereinstimmung mit unseren Experimenten und einem natürlichen Erdrutsch. Dies stützt nachdrücklich die Vermutung von Zhao et al.25, dass sich konjugierte Täler aufgrund von Versagen im Zusammenhang mit einer triaxialen Scherspannung bilden, und bietet auch eine Erklärung dafür, warum diese Muster nur bei moderaten Neigungswinkeln beobachtet werden. Bei großen Neigungswinkeln weisen die Ablagerungen eine doppelte Hebungsmorphologie auf, wahrscheinlich aufgrund der großen Ähnlichkeit mit dem Freifallregime, für das zuvor ähnliche Muster beobachtet wurden43.

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind in diesem Dokument enthalten.

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Diese Studie wäre ohne die finanzielle Unterstützung des Sonderfonds für die National Natural Science Foundation of China unter den Fördernummern 42177155, 41790442 und 41702298 nicht möglich gewesen.

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Thomas Pähtz

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Jeder Autor hat zu unterschiedlichen Teilen beigetragen, hier aufgelistet: Konzeptualisierung: Y.-BW und ZD, Finanzierungseinwerbung: ZD, Durchführung von Experimenten und Analysen: Y.-BW, ZD, J.-BP und QZ; Schreiben: Y.-BWZD und TP

Korrespondenz mit Zhao Duan oder Thomas Pähtz.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wu, YB., Duan, Z., Peng, JB. et al. Einfluss des Böschungswinkels auf die Lagerstättenmorphologie und die Ausbreitung von Laborrutschen. Sci Rep 13, 9452 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36554-x

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Eingegangen: 10. März 2023

Angenommen: 06. Juni 2023

Veröffentlicht: 10. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36554-x

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