《Geomorphology》:Insights into red-bed landslide movement from the perspective of geomorphic evolution: A case study in western Yunnan, China
編輯推薦:
紅層滑坡地質演化與變形速率關系研究基于秦家滑坡,采用LiDAR-InSAR多源數據揭示二者存在顯著二次函數關系,成熟階段滑坡運動最劇烈且呈現牽引型特征。
趙鑫|董秀軍|趙志芳|楊志全|楊毅|文明春|曹一凡
昆明理工大學公共安全與應急管理學院,中國昆明650093
摘要
地貌演化不僅記錄了地球表面從年輕階段到成熟階段的周期性變化,而且與地球表面的當前和未來發展密切相關。紅層滑坡分布在中生代-新生代期間沉積的紅層大陸層狀碎屑巖構造中。由于這些滑坡具有沿層理滑動的內在傾向和獨特的形態多樣性,它們構成了地球表面典型的地貌災害。這些斜坡運動不可避免地與地貌演化緊密相關,而地貌演化是地表變化的一個重要隱含特征。然而,從地貌演化的角度來看,紅層滑坡的運動特征仍然知之甚少,需要進一步研究。本文以中國云南省西部的秦家紅層滑坡為例,該滑坡從2018年6月到2022年5月一直處于緩慢運動狀態。我們的研究采用了多學科方法,包括無人機(UAV)搭載的光學探測與測距(LiDAR)、基于衛星的時間序列干涉合成孔徑雷達(InSAR)、地貌演化分析和數字地形分析。秦家滑坡在時間維度上的地貌演化以及空間維度上的地表變形都表現出顯著的差異性分布特征。地貌演化與InSAR變形率的耦合模型符合顯著的二次函數關系,即隨著地貌演化過程的進行,變形率先增加后減少。此外,成熟階段的區域對應于滑坡運動最強烈的部分。對次級滑動帶的地貌演化過程的空間分布分析表明,秦家滑坡的滑動模式屬于牽引型。本研究的結果補充了山地災害學界從地貌演化角度對滑坡運動特征的理解。
引言
紅層是指從中生代到新生代沉積的紅層大陸層狀碎屑巖及其風化產物(Zhou等人,2019年)。這種地層序列形成于干旱至半干旱的古氣候條件下(Hofmann等人,2000年),并在全球各大洲廣泛分布(Peng等人,2015年)。由于紅層形成于相對較年輕的地質時期,并且在不同的沉積序列中表現出顯著的巖石學變化,因此它們具有一系列不穩定的工程地質特性,如較弱的風化抗性、較高的層理滑動傾向和明顯的地貌侵蝕性(Liu等人,2019年)。因此,紅層是地質災害高發的典型區域(Peng,2011年)。這些地區的滑坡非常普遍,對當地基礎設施和人民生命安全構成嚴重威脅(Zhao等人,2022年)。
紅層滑坡在紅層固有性質以及內部和外部地質動力作用(如重力、新構造運動、風化和地表侵蝕)的共同作用下,通常表現出具有明顯空間多樣性的斜坡地貌形態(Li等人,2006年;Fan等人,2019年;Huang和Li,2023年)。正如Du等人(2024年)所指出的,這種地貌形態與滑坡體的能量分布密切相關;因此,紅層滑坡地貌形態的空間多樣性對斜坡運動復雜性的形成具有重要影響。地貌演化指的是地貌發展的各個階段和過程,它記錄了地球表面的發展歷史,也與地球表面的當前和未來發展密切相關(Williams Jr.,1985年;Tang等人,2017年)。因此,它是地表過程的一個重要隱含特征。在地貌演化理論研究中,Davis(1899年)提出的“侵蝕循環”是地貌學史上第一個系統性的理論框架,用于解釋地表地貌的演化。該理論將地貌視為動態演化的“生命實體”,并系統闡述了控制地貌演化的階段性規律。隨后,Penck(1924年)提出了“平行坡退理論”,其核心觀點是構造抬升與侵蝕之間的動態平衡驅動了坡面的整體平行后退。Hack(1975年)進一步提出了動態平衡理論,強調地貌系統通過持續調整保持動態平衡。滑坡是山坡長期演化的產物,也是地球表面最常見的地貌災害類型之一(Mckean和Roering,2004年;Crozier,2010年;Geach等人,2017年;Migoń等人,2017年;Broeckx等人,2018年;Zhang等人,2024年)。由這些階段性運動形成的地貌發展趨勢必然遵循從年輕階段到成熟階段的演化規律。因此,可以推斷紅層滑坡的運動(地表變化的顯性特征)與地貌演化(地表變化的隱含特征)之間存在密切關系。
近年來,各種地球觀測技術的快速發展極大地推動了滑坡運動特征的研究。例如,基于空間遙感技術反演了滑坡的歷史活動特征(Jiang等人,2022年;Xu等人,2023年;Zeng等人,2024年),基于航空遙感技術識別了滑坡滑動前后的地貌變化特征(Jaboyedoff等人,2012年;Hu等人,2019年;Ma等人,2021年),以及基于多場變形監測反演了滑坡演化過程(Cascini等人,2014年;Tang等人,2022年)。在這一過程中,更多關注的是可以直接監測的斜坡運動信息(顯性特征),而對斜坡本身固有的地貌演化信息(隱含特征)的關注相對較少(Delchiaro等人,2023年;Zocchi等人,2024年)。實際上,地貌條件在滑坡的形成和發展中起著重要作用(Huang,2007年;Bathrellos等人,2013年;Lan等人,2022年;Delchiaro等人,2024年;Tang,2025年)。然而,從地貌演化的角度來看,滑坡的運動特征仍不明確。因此,迫切需要深入探討這一主題,以更好地支持滑坡的綜合防治工作。
紅層滑坡不僅表現出上述的地貌多樣性,其運動也表現出顯著的空間變異性(Zhao等人,2022年)。在這項研究中,我們研究了位于中國云南省西部的秦家紅層滑坡,該滑坡從2018年6月到2022年5月一直處于緩慢運動狀態。滑坡的緩慢運動被定義為蠕變變形狀態,其運動速率小于1.6米/年(Hungr等人,2014年)。具體而言,通過反演秦家滑坡的時間維度地貌演化和空間維度地表變形,我們旨在從地貌演化的角度闡明單個紅層滑坡運動的空間變化特征。為了實現這一目標,我們采用了多學科方法,包括無人機(UAV)搭載的光學探測與測距(LiDAR)、時間序列干涉合成孔徑雷達(InSAR)、地貌演化分析和數字地形分析。這些方法使我們能夠從地貌演化的角度理解紅層滑坡的運動特征。
研究地點
研究地點
秦家紅層滑坡(圖1)位于中國云南省西部的縱嶺-峽谷地區,地處青藏高原的東南邊緣。如圖1(a)中的數字高程模型(DEM)背景圖所示,該地區的地形以陡峭的地形特征為特征。此外,該地區的斷層發育良好,一條名為Heilu的壓剪斷層穿過秦家滑坡的上部(圖1b)。
材料與方法
在這項研究中,我們利用高分辨率DEM數據,通過劃分地貌單元和分析地貌演化來識別秦家滑坡的地貌演化特征。利用Sentinel-1A衛星的升軌數據集,我們通過小基線子集(SBAS)方法反演了秦家滑坡的地表變形。在此基礎上,構建了地貌演化與滑坡體變形信息之間的耦合模型。
微流域地貌單元
基于LiDAR DEM的地表水文分析顯示,秦家滑坡由總共151個微流域組成(圖4a)。最大的微流域面積為12,066平方米,最小的面積為181.1平方米,平均面積約為3,318平方米。秦家滑坡的微流域具有以下兩個特征:
i)微流域在形狀和大小上差異顯著,其在斜坡上的分布也表現出明顯的空間
河流-滑坡相互作用
從地貌演化的角度來看,本研究揭示了秦家滑坡的滑動模式屬于牽引型,這一結論也得到了歷史滑動事件后形成的河谷地貌的強烈驗證(圖12)。牽引型滑坡的特點是首先發生坡前部的變形和不穩定,然后帶動中部和上部區域的滑動。
結論
在這項研究中,我們重點研究了云南省西部的秦家紅層滑坡,旨在從地貌演化的角度深入理解紅層滑坡的運動(地表變化的顯性特征)。
基于微流域地貌單元構建的地貌演化與InSAR變形的耦合模型表現出顯著的二次函數關系。
CRediT作者貢獻聲明
趙鑫:可視化、驗證、方法論、調查、資金獲取、正式分析、概念化、寫作——審稿與編輯、初稿撰寫。
董秀軍:調查、正式分析。
趙志芳:監督、寫作——審稿與編輯。
楊志全:正式分析。
楊毅:正式分析。
文明春:方法論、正式分析。
曹一凡:方法論、正式分析。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
作者衷心感謝
云南省學術和技術領軍人才項目(項目編號:202305AC160071)、
交通運輸部2021年的
交通運輸行業關鍵科技項目(項目編號:2021-MS4-105)以及
云南省基礎研究專項計劃(項目編號:202301AT070262)的支持。同時,我們也感謝LetPub(
www.letpub.com.cn)在本文準備過程中提供的語言幫助。