育空中南部小萨蒙湖地区.docx
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育空中南部小萨蒙湖地区
育空中南部小萨蒙湖地区
不连续多年冻土中的滑坡*
RyanR.Lyle和D.JeanHutchinson等
（DepartmentofGeologicalSciencesandGeologicalEngineering,MillerHall,Queen’sUniversity,Kingston,Ontario,CanadaK7L3N6）
翻译：
赵玉军；校对：
孙建平
【摘要】随着不连续多年冻土发育区的日益增多，人们日益关注边坡灾害评价。
为应对马贡迪河滑坡——大规模流动型滑动的发生，启动了目前的研究项目，其目的旨在鉴别和描述育空中部小萨蒙湖地区的边坡灾害。
在研究区，通过地形评估研究确定了超过35个过去和现在的滑坡区。
2004年夏季完成了调查工作，获得了地形评估的地形情况以及进一步描述最主要和最活跃的滑坡。
本文概述了该研究项目，总结了小萨蒙湖地区发现的四种截然不同的滑坡情况。
四种情况分别为：
泥石流；岩石滑塌；双重流和多级牵引式滑塌。
前言
在育空中部马贡迪河谷发现大规模流动型滑坡之后，启动了该项目。
基于一些专家证实的该地区内的这种滑坡和其他滑坡，建议开展区域滑
坡编录与评估。
该项目的目的是，以小萨蒙湖地区为例，通过工程地质勘探,调查不连续冻土中的滑坡。
图1小萨蒙湖项目区位置图
小萨蒙湖位于卡马可斯和法鲁之间的中部区域，沿育空地区中部的罗伯特坎贝尔公路展布（图1）。
该项目限于一个东西向廊道范围内，可由罗伯特坎贝尔公路进入，也可从小萨蒙湖和马贡迪河乘船或泛舟到达。
图2所示为项目区的一般地理特征。
本文基于项目的初始调查结果，强调了在小萨蒙湖地区内调查的不同滑坡情况。
也论述了不同滑坡中的多年冻土作用。
背景
自然地理
小萨蒙湖谷主要位于刘易斯高原区，而刘易斯高原是育空高原的一部分。
刘易斯高原是一个广阔的高地，由连绵的低山区和一些山脉构成。
小萨蒙湖地区包含刘易斯高原内的一些海拔最高的山峰，这些山峰属于大萨蒙和小萨蒙山脉，海拔超过1700m。
项目区北东部与格兰里昂山脉相邻，格兰里昂山脉是佩利山脉的延展部分。
正在调查的东西向廊道由小萨蒙湖谷和马贡迪河谷西部支沟组成，而马贡迪河谷的河水将流入小萨蒙湖。
小萨蒙湖水位高于海平面约600m，局部浮动水位超过1000m。
小萨蒙湖位于由冰川侵蚀和过量下蚀的U形河谷内，该河谷长度和宽度分别约为33km和2km。
马贡迪河谷由宽度近2km的漫滩构成，其北部以格兰里昂山脉为界，南部以大萨蒙山脉为界（图2）。
气候与多年冻土
研究区位于亚北极大陆性气候区，其特点是冬季漫长寒冷、夏季短暂温暖、相对湿度较低和低到中度降水。
表1表明了卡马可斯和法鲁地区内最近气象站的气候数据。
根据Burn（1949）对育空地区其它湖谷的描述，小萨蒙湖谷的气候在冬季有可能受到谷底冷空气流的影响。
小萨蒙湖地区处于零散的不连续多年冻土区。
影响多年冻土分布的主要控制因素包括边坡方位、海拔、地表物质类型与年代、植被和排水条件。
局部气候影响也能够控制多年冻土的分布，例如积雪深度变化和温度逆增。
通常，在山坡遮蔽、厚植被和排水条件差的北坡，多年冻土厚度较大，且广泛分布。
表1加拿大环境部公布的1971-2000年平均气候数据
气象站
日均气温（°C）
平均降水量（mm）
1月7月全年
1月7月全年
法鲁
-21.515.0-2.2
14.858.831.6
卡马克斯
-24.915.4-2.9
无数据
基岩地质情况
小萨蒙湖地区的基岩地质是复杂的，包括替换的NorthAmerican岩层（卡西亚岩体）、pericratonic岩体（育空-Tanana岩体）、共生岩体（斯莱德山岩体）和后共生岩层。
Campbel（1967）对该地区进行了地质勘查。
根据Colpron
等（2003）的综述，以往人们已在该地区开展了更大比例尺的填图和重新描述。
项目区西半部区下伏为育空-Tanana岩体的雪帽集合体，由石炭纪火山弧序列岩层、伴生的次火山深成岩组和早密西西比系变质沉积基岩构成。
该集合体已变质且严重变形。
小萨蒙湖东部区域下伏为寒武系至泥盆系卡西亚岩体。
卡西亚岩体主要由千枚岩和大理石单元组成，该大理石单元处于千枚岩单元之上。
斯莱德山岩体由仰冲火山弧序列岩层组成，位于卡西亚和育空-Tanana岩体之间的小萨蒙湖东部边缘区域。
后共生岩层包括小萨蒙湖西部边缘附近的白垩系深成岩体，以及沿项目区东部边界分布的格兰里昂岩基。
一些专家提供了有关基岩地质的详细资料。
地表地质情况
Ward和Jackson（2000）在格兰里昂成图地区（105L）开展了区域第四纪填图。
Ward和Jackson（2000）的研究以Campbel（1967）的早期勘测填图为基础。
在格兰里昂地区至少存在3种冰蚀迹象：
早Reid（早更新世）、Reid（中更新世）和McConnell（晚威斯康星阶）。
项目区内不存在或较少存在的前Reid和Reid冰碛物露头。
McConnell冰蚀的沉积物和地貌保存良好，这种McConnell冰蚀发生于26000年至10000年BP。
图2研究区主要地形特征和活动滑坡位置图
图3朝北滑动的Chute泥石流踪迹。
罗伯特坎贝尔公路在照片底部清晰可见
在McConnell冰蚀事件中，Cordilleran冰盖的Selwyn舌形体遮盖了小萨蒙湖地区。
源于Selwyn山脉的这种舌形体大致沿北西方向流动。
地形对于控制存在的冰流和许多冰原凫峰而言具有显著影响。
研究区内的局部高山冰川并不会明显加剧区域冰川作用。
区域地层解释表明，在冰川推进期间，在冰锋区存在非常大的震荡。
随着冰盖消融和停滞，冰川后退十分迅速。
不同厚度的冰渍物覆盖了谷坡和高原的顶峰。
在谷底发现了混合的冰水沉积物、冰渍物和冰湖沉积物。
一些专家提供了更多有关地表地质情况的详细资料。
方法
该项目所采用的方法归纳如下：
·调查已公布的有关与多年冻土和非多年冻土相关滑坡进程、冰缘进程、区域地质以及滑坡评估技术的背景资料；
·通过完成地形评估对项目区开展概略分析；
·在项目区内开展基于现场的实地调查，包括评价地形评估结果的真实性以及进
一步描述活动滑坡特征；
·完成对野外调查期间收集土样的实验室测试以确定其工程特性；
·研究用于模拟每个滑坡自然过程的方法。
图4朝北滑动的Chute泥石流踪迹
在2004年冬季/春季完成了地形分析，结果总结如下。
2004年整个夏季开展野外调查工作。
徒步、乘船或泛舟进行详细调查，评价地形和调查滑坡位置。
也利用1天的时间乘直升飞机对研究区进行勘查。
目前正在开展实验室测试和自然过程模拟，在本文结尾部分将对此作简要描述（见“未来工作”）。
图5朝南滑动的小萨蒙湖滑坡
地形分析
为了鉴别项目区内的滑坡进程，对该区域内地形进行了分析。
按照不列颠哥伦比亚省的地形分类系统完成了评估。
在评估中使用了大量背景资料，随后对这些背景资料作了简要论述。
在地理信息系统数据库（GIS）中编入了所有背景地理空间数据。
最近拍摄的1:
50000比例尺的航空相片（1998）包括了项目区内的大部分区域。
选择在1989年（1:
40000）以及20世纪40年代（近似1:
40000）拍摄的航空照片，并使用陆地卫星7号成像和数字地理空间数据。
在地形评估中采用了高程模型、边坡模型和面貌模型。
对不同比例的地质数据进行了编译。
利用Campbell（1967）通过区域勘测图得出比例尺1:
250000的基岩地质图和地表地质图。
利用Colpron等（2003）对格兰里昂地区地质编图得出的比例尺1:
50000的地形图，进一步修改基岩地质图。
Ward和Jackson公布了有关格兰里昂成图地区的报告和地表地质图（1:
100000）。
一些专家对有关多年冻土中滑坡进程的背景信息进行了综述。
然而，在这些用于研究育空地区边坡的编图中所提供的实例研究非常少。
Huscroft等（2004）对有关育空南部地区的多个滑坡实例研究进行了综述。
Ward等（1992）提供了有关急速滑坡的极好的实例研究，该滑坡沿SouthMacMillan河展布。
图6朝南滑动的YT滑坡。
照片底部为小萨蒙湖。
顶部陡坡宽度350m
利用以上列举的数据可得出比例尺1:
50000的地形图。
该地形图能显示地形多边形和地貌特征的地理分布。
这种地形多边形的鉴定以地表堆积物、结构、地表显示和地质过程的解译为基础。
评估结果表明，超过35个地区存在活跃的滑坡活动或过去发生过滑坡活动。
大多数滑坡可根据其形态特征鉴别，且绝大多数是残留的。
活动滑坡
在小萨蒙湖地区发现四个主要的活动块体消退区域。
本部分概述了这四种截然不同的滑坡进程。
观测包括多年冻土条件、地质材料和边坡条件。
图2所示为该四种滑坡区的位置。
这可能是首次公布的有关以下描述所有滑坡的报告。
按照野外调查中所使用的名称对滑坡命名，但尚未正式采用。
Chute泥石流
Chute是位于小萨蒙湖北侧罗伯特坎贝尔公路上部的泥石流区域。
图3为整个泥石流踪迹的照片。
在这个泥石流区域内没有多年冻土存在的迹象。
在Chute地区，最后一次主要泥石流事件有可能发生于1996年（基于当地居民的描述）。
泥石流观测可分为三个阶段：
始发区、过渡区和冲积扇区。
始发区的顶坡倾角35-45°，高度为1.5m至2m。
地表沉积物为多源碎屑岩，这种多源碎屑岩包括局部基岩的棱角状碎屑，这些碎屑的尺寸范围为从砾石到25cm或更大。
细粒物质由砂子和一些淤泥组成。
沉积物是潮湿的，且被数条流过和流经的小型河流浸透。
其中，一条河流沿着Chute一直流入下游泉内。
顶坡位于缓坡（15-25°）内的微裂隙区域。
从航空照片解译获得的形态依据显示了源区内残留的岩屑锥。
图7YT滑坡下部区域的块状冰露头
过渡区宽8m至15m，无植被（图4）。
一条小河流经过渡区中间区域，下切形成了深度2.5m的冲沟。
该区域内边坡的坡度适度（25-35°）。
从顶坡延伸至冲积扇区的过渡区，长度近似50m。
在河流截面图上显示的沉积物，几乎与顶坡中发现的沉积物一致。
未发现任何构造或沉积物分层倾向。
图8YT滑坡陡坡的冰水沉积物
冲积扇区开始于坡度由平缓变成适度的Chute区（10至20°）。
该区域的显著标志是由大量木质碎屑构成，包括直径超过35cm的原木。
其下，原本清晰可见的泥石流踪迹消失了，只有少许倒下的树木。
在这些树木上坡侧面的堆积物中发现大量石英岩、大理岩和片岩的棱角状碎屑。
当泥石流到达电气传输管道处，在现有沉积物中下切形成了深度2m的河道。
该河道一直延伸至罗伯特坎贝尔公路的交叉口处，沉积物填充了该处的沟槽。
土壤结构和质地证实，Chute泥石流代表一种重新出现的泥石流踪迹。
过渡区和冲积扇区内的树木表明了泥石流的多个破坏阶段，并支持以上推论。
图9YT滑坡以往崩积单元内的块状冰
图10近2个月来YT滑坡活动的照片：
（a）2004年8月4日和（b）2004年9月28日
（照片由PanyaLipovsky提供）
小萨蒙湖滑坡
小萨蒙湖（LSL）滑坡（图5）位于小萨蒙湖南岸的高地。
该滑坡是在砂屑片岩和石英岩基岩中形成的深层旋转/位移滑坡。
其诱发日期尚未确定，然而，自从最后一次航空摄影以来，该滑坡在6年内已发生过显著活动。
LSL滑坡顶坡的海拔高度约为1150m，或者说位于小萨蒙湖上方550m处。
破裂表面最大宽度约为350m，总长度估计大于800m。
该滑坡发生于坡度适度的边坡（15°至25°）。
顶坡高度为10m至50m。
由于很难接近滑坡区以及出于安全考虑，对这种滑坡的野外调查时间是有限的。
在调查顶坡期间发生了大量小规模岩崩。
崩落岩块的尺寸范围为从数厘米到2米。
以下记录了主要观测结果。
在正好位于LSL滑坡上部的高山山峰附近区域，存在一个残留的古滑坡体。
该区域内基岩由早密西西比系集合体和以往的山顶雪帽集合体组成。
在LSL滑坡区发现了薄层状石英岩和砂屑片岩。
在顶坡基底的岩屑堆中发现了石墨层理。
YT滑坡
在项目工作开展期间发现了YT滑坡。
该滑坡看起来似乎与Morgenstern和McRoberts（1974）以及Dyke（2004）描绘的多级牵引式滑塌非常类似。
然而，该滑坡的土壤类型及其分布与描述的Mackenzie山谷的特征之间存在较大差异。
多级牵引式滑塌的特点是‘一系列朝向坡脚的拱形凹面的岩块’，这些岩块向上朝着顶坡成阶梯状分布。
最初，把滑坡描述为主要旋转滑坡，滑坡边缘突入湖泊。
湖泊边缘区域物质的含冰量非常高（图7），且冰块随着温度升高能快速被湖水侵蚀。
凸出的高含冰量物质的淘蚀导致大块冻结沉积物倒塌而进入湖泊。
湖面上冰的融化也能使沉淀物落入或流入湖泊。
2004年8月观测到一块巨大冻结冰块（估计为1200m3）从边坡倒塌。
该冰块在消失之前保持冻结并滚入湖中近似40m。
在YT滑坡区存在的许多陡坡和延展裂缝充分显示了区域地层情况。
整个朝北的边坡下伏有不同厚度的多年冻土，且由粒径0.5m的有机物质、塌积盖层以及火山灰薄层所覆盖。
陡坡暴露的地层描述如下：
顶部陡坡暴露了坡度非常平缓的冰渍平原（厚度超过12m）的边缘区域。
这种冰渍平原下伏有厚度超过20m的密集冰水（明显未冻结）（图8）冰接层以及含有毫米级冰晶状体的冻结冰湖沉积物。
在McConnell冰-邻近地层下部为单岩性混积物，可把其解释为始于距今47000多年前的冰期前泥石流或崩积冰裙。
在这种地层单元中可发现许多大块冰晶状体（图9）。
在混积物中发现的碎屑由分选性差的棱角状砂屑片岩和/或石英岩（局部基岩）构成。
在湖泊边缘区域暴露的沉积物是起源于上述地层的塌积体，这种塌积体含有体积超过50%的冰块，且大多数为大块冰晶状体（图7）。
2004年9月末拍摄的照片与2004年8月拍摄的其他照片（图10）的对比结果表明，YT滑坡的最小滑动断块在此期间持续发生了剧烈活动。
马贡迪河滑坡
1998年，育空地质调查局的JeffBond首次提出了马贡迪河滑坡（图11）。
根据和当地居民的讨论，该滑坡可能发生于1996年。
该滑坡是一个典型的大型复杂滑坡，与McRoberts和Morgenstern（1974）以及Ward等（1992）描述的双重流滑塌类似。
对这种滑坡使用的术语双重流滑塌，可分为两种截然不同的形态区：
1）上部顶坡，在该区域消融和侵蚀导致沉淀物解冻，而解冻的沉淀物将向下滑动、流动或塌落；2）微倾斜的泥流舌形体，在该区域内它将流走。
图11朝南的马贡迪河滑坡全貌。
顶部陡坡宽度近似350m
马贡迪河滑坡位于坡度为轻度至中度（10-20°）的朝北边坡，该边坡位于小萨蒙湖东部近似10km处。
泥石流源区（大约350×400m）的物质已流向边坡下部区域。
泥石流已侵蚀了两个主要河道，该两个河道具有截然不同的沉积面积（图11）。
在滑坡区发现了两个主要的地表地质单元。
不同厚度的崩积层覆于密集的冰川混合物（冰渍）之上。
该两个地质单元具有相似的结构，且都含有大块砾石。
崩积层由改制了的冰渍物组成，且在某些区域内崩积层非常稀少或者不存在。
在活动的陡坡上，发现了由一些混积层隔离的多层有机质层，这表明，在该区域以往曾发生过泥石流活动。
此外，在上部陡坡发现了被掩埋的直立树桩。
泥石流源区由活动和不活动的陡坡包围。
朝东的不活动陡坡主要位于冰渍物的休止角上，在该区域的植被生长缓慢。
2004年夏季发现了3个活动的解冻滑塌区。
这些活动区位于朝南和朝西的边坡。
在这些区域内的陡坡十分陡峭，坡度范围为40°至近似垂直，通常带有悬垂的有机覆盖物。
活动陡坡的高度近似为5m至10m（图12）。
在所有活动区都发现了块状冰，这就有可能为泥石流的形成提供必要的水分。
相关的解冻和可达性问题将阻碍从近处仔细的冰结构研究。
泥石流主要朝两个方向流动。
第一个流动路径是朝北西方向流入小规模山谷。
在该区域小型湖泊完全由沉淀物填充。
第二个流动路径是朝北东方向流动；在1998至2002年间切开形成了河道，这种河道将岩屑带入马贡迪河洪泛区，该洪泛区低于滑坡坡顶近似400m。
在洪泛区形成了巨大的冲积扇，且一条小溪已把有限的沉淀物带入马贡迪河。
目前，泥石流的主要流向为北东方向，而西北部的河谷大多是不活动的。
图12活动陡坡以及朝向东北的马贡迪河滑坡
泥石流含有在冰渍物、崩积物和有机覆盖物中发现的所有粒级的碎屑，且树木已埋入活动陡坡的基底。
大多数已证实的泥石流都具有非常大的粘性。
然而，某天在个别位置发现了非常潮湿且快速的间歇涌流。
泥石流流变能力的主要控制因素可能包括湿度有效性、粘土含量和粘土矿物。
图13所示为典型粘性泥石流的流动路径。
粘性最大泥石流的流动和结构模式，与具有不规则碎斑结构的熔岩流非常相似。
概要和讨论
本文对小萨蒙湖地区发生的四种单独滑坡进程进行了描述。
其中，在三种滑坡进程中涉及松散沉积物，在两种滑坡进程中涉及多年冻土的退化。
第四种滑坡属于深层基岩型旋转滑坡。
以下总结了有可能导致边坡不稳定的多种因素。
Chute泥石流虽然是停滞的，但看起来似乎是一种再发性的泥石流踪迹。
Chute泥石流很有可能在极端潮湿条件下再次活动，例如快速雪融和/或强降雨。
地震活动也可能加速泥石流再次活动。
小萨蒙湖滑坡是一种活动的岩滑，这表明中等坡度岩质边坡也有可能发生滑动。
例如，岩石结构和解冻的地下冰可能是边坡稳定的主要控制因素。
在该滑坡的简易调查中，发现的最不稳固岩石结构是片岩中的石墨层。
活动的YT滑坡和马贡迪河滑坡涉及多年冻土的退化，尽管该两种滑坡都具有各自的滑动模式。
很难将这些滑坡与其他地区报道的滑坡进行比较。
Lewkowicz（1988）认为，由于多年冻土的分散性和空间不连续性，有关多年冻土中快速块体移动的野外研究是存在问题的。
双重流滑塌，例如马贡迪河滑坡，是与谷底环境中细粒（湖成的）沉积物和热岩溶地形有关的最普遍滑动类型。
而且，多级牵引式滑动通常与湖积物有关。
在本项目所研究滑坡的所有出露地面岩层中，未发现任何湖积物广泛分布的依据。
在YT滑坡区特定深度内有可能存在冰湖粘土。
然而，小萨蒙湖地区的实例研究表明，多年冻土中的滑坡进程无需包含任何广泛分布的湖积物。
当今，气候变化对多年冻土边坡的影响是一个备受关注的问题。
所记录的多种滑坡诱发事件很可能都由气候条件变化所致。
Huscroft等（2004,p.118）认为，若要确定全球大气条件将如何影响特定场地的边坡稳定性，需要“超越多层次不确定和复杂性因素”，因此，这将是定性分析的。
然而，对变暖的不连续多年冻土中任何边坡开展稳定性评估时，必须考虑气候变化的影响。
动力载荷是世界上普遍公认的主要滑坡诱发因素。
然而，有关地震活动对含有多年冻土边坡影响的出版研究却很少。
动力载荷可能是小萨蒙湖地区滑坡诱发的重要因素，这是因为在该地区记录有众多小规模地震的历史。
早在2002年，记录了在马贡迪河滑坡西部近似70km处发生的地震，里氏震级为4.6级。
Davis（2001）论述了阿拉斯加州不连续多年冻土中地震的巨大影响，包括一个双重流滑塌。
然而，所论述的阿拉斯加地区的地震荷载比小萨蒙湖地区的地震荷载大得多。
图13（a）活动和（b）不活动的流动路径，
马贡迪河滑坡
本项目举例说明了确定不连续多年冻土区内滑坡位置以及预测滑坡风险的难度。
目前，项目区内所有人类活动和基础设施都避开了可能受到多年冻土退化影响的朝北Chute区。
然而，与多年冻土无关的灾害也同等重要，例如Chute滑坡，在该地区内开展任何活动前必须考虑这些灾害。
未来工作
目前，正在对2004年夏季采集的样品进行实验室测试。
该项目的实验室测试包括基本土壤指数测试：
粒级分析、Atterberg限度、含水量以及利用X射线衍射确定粘土矿物。
正在研究用于模拟每个滑坡自然进程的方法。
一种自然进程是气候诱发事件。
将利用加拿大环境局的日气候数据确定气候条件与诱发事件的关系。
如前所述，地震荷载在滑坡进程中能起到一定作用，这也将需要开展进一步研究。
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